Page 162 - 《应用声学》2020年第3期

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拟尝试以流致噪声发声机制作为依托综述水下对
0 引言
转螺旋桨的流致噪声机制与预报方法，为水下航行
体的目标探测与识别提供支撑。
对转螺旋桨是指分别安装在具有相同轴心的
外轴和内轴上、正反转动的一对推进装置，由于其
1 水下对转螺旋桨流致辐射噪声机制
具有可减轻桨叶推进载荷、提高推进效率、消除扭
矩等突出优点 [1−2] ，被广泛用于航空、航海领域，如 水下对转螺旋桨是典型的旋转机械，对转桨工
对转翼飞机、鱼雷、潜艇、油轮、商船、UUV 等，表 1 作时，前后桨旋转方向相反，使得附近流场非常复
给出了采用对转螺旋桨作为推进器的典型航行体。 杂，其辐射噪声主要由附近流体与桨叶相互作用而

形成。此相互作用可以概括为：非均匀进流与前桨
表 1 采用对转桨作为推进器的典型航行体
导边相互作用、桨叶面附近大尺度涡对桨叶非定常
Table 1 Typical vehicles which use counter-
诱导力作用、前桨叶面二次非定常流对后桨作用、
rotation propeller
后桨抽吸作用形成的非定常压力场与前桨相互作
型号 国别 航速 航行体类别 推进方式 用、前桨梢涡脱落与后桨导边相互作用、前桨随边
图 -95“熊” 式 俄罗斯 — 战略轰炸机 对转螺旋桨 尾涡脱落与后桨导边相互作用、前桨桨毂尾涡及边
卡 -50、卡 -52 俄罗斯 — 直升机 对转螺旋桨 [5]
界层流与后桨相互作用 ，文献[5]将上述作用分为
XP-50 美国 — 轰炸机 对转螺旋桨
两种效应，即前后桨干涉效应和谐波流场效应，如
MK-46 美国 40 ∼ 45 kn 鱼雷 对转螺旋桨
图 1 所示，为前后桨干涉效应的示意图。从流致发
SET-65 俄罗斯 30 ∼ 50 kn 鱼雷 对转螺旋桨
声的角度来看，流场与结构之间的相互作用是水下
VLCC 日本 < 20 kn 超级油轮 对转螺旋桨
对转螺旋桨流致发声的根本原因。本文从 3 个角度
Hoo Creek 英国 < 30 kn 警戒巡逻船 对转螺旋桨
NMRS 美国 — UUV 对转螺旋桨 对水下对转螺旋桨流致噪声产生机制与研究进展
CR-01,CR-02 中国 — AUV 对转螺旋桨 展开综述，即由运动壁面影响的湍流噪声、旋转噪
Cosmo Delpbinus 日本 < 25 kn 商船 对转螺旋桨 声和水动力空化噪声。
随着对平台舒适性、隐身性、探测识别需求的
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不断增加，对转螺旋桨辐射噪声在航空和航海领域
得到高度关注 [3] 。事实上，对于对转螺旋桨流致辐
射噪声的研究具有非常广泛的工程背景需要，并且 Ғ Ց
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自20世纪 20年代螺旋桨声学 [4] 建立开始便一直是
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研究的热点之一。对转螺旋桨噪声本质上是流致
噪声，是由桨叶与附近的流体相互作用引起 [5] ，从
能量守恒的角度而言，对转螺旋桨的部分动能以声
能的形式辐射到介质中形成辐射噪声，对转螺旋桨
辐射噪声的研究是伴随着流致噪声的研究而展开
图 1 对转桨干涉效应示意图
的。从 20 世纪初开始，流致噪声的机理、预报与控
Fig. 1 The interference effect of counter-rotation
制研究活跃至今并取得巨大进步，最具代表性的是
propellers
Lighthill [6] 气动声学理论的建立，作为独立的学科
分支，气动声学无论在理论还是实践应用上均取得 1.1 运动壁面影响的湍流噪声
了丰硕成果。 水下对转螺旋桨的湍流脉动是其主要水动力
航海领域中的 “水动力声学” 与航空领域中的 噪声源之一，如何在水下对转螺旋桨复杂的流场中
“气动声学” 存在介质上的巨大差异，且研究起步较 准确描述其声源是湍流噪声预报的关键问题。水下
晚，虽然气动声学的研究方法可以移植到航海领域， 对转螺旋桨的运动属于低马赫数运动，在低马赫数
但二者的研究重点与噪声特性存在显著不同。本文 下，自由流场中的湍流声辐射效率非常低，在远场条