方 石，王夢(mèng)璇

?

基于集成式推進(jìn)系統(tǒng)的水下航行體減振降噪研究方向探討

方 石1，王夢(mèng)璇2

（1.海軍裝備部 ，北京 100001，2.第 710研究所，湖北宜昌443003）

對(duì)水下航行體集成式推進(jìn)系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。探討了針對(duì)降噪設(shè)計(jì)應(yīng)開(kāi)展的低噪聲水密永磁電機(jī)研究、低噪聲推進(jìn)器研究、螺旋槳伴流場(chǎng)優(yōu)化、艇體通道特性研究等具體方向。以控制航行體噪聲技術(shù)狀態(tài)為目的，提出了狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的若干研究思路。

水下航行體 降噪 永磁電機(jī) 推進(jìn)器

0 引言

水下航行體集成式推進(jìn)系統(tǒng)使用電力作為直接能源，推進(jìn)電機(jī)采用直流永磁電機(jī)，推進(jìn)器為泵噴推進(jìn)器或螺旋槳。其結(jié)構(gòu)特征有三點(diǎn)：1.推進(jìn)電機(jī)自身水密耐壓，與海水直接接觸；2.電機(jī)出軸直接連接推進(jìn)器；3.推進(jìn)機(jī)構(gòu)與航行體主殼體僅存在靜態(tài)的機(jī)械接口。該種推進(jìn)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)艦艇推進(jìn)系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）推進(jìn)軸系簡(jiǎn)化。軸系長(zhǎng)度短，降低了軸系與主殼體及支撐軸承、泵噴轉(zhuǎn)子與導(dǎo)管的對(duì)中不良帶來(lái)的振動(dòng)噪聲影響，同時(shí)軸承數(shù)量可由原來(lái)的5-6個(gè)減少為2-3個(gè)，減少了軸承噪聲源。

2）更加模塊化。推進(jìn)系統(tǒng)與主殼體之間的物理位置界面清晰，降低了結(jié)構(gòu)之間的耦合環(huán)節(jié)，利于識(shí)別噪聲源，并采取針對(duì)性措施（如在主殼體與電機(jī)之間設(shè)置隔振器，其柔度幾乎不影響軸系對(duì)中），同時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)的布置位置更加靈活，可布置在航行體主體兩側(cè)。

3）利于電機(jī)散熱。水與電機(jī)直接接觸，可迅速將熱量帶走，消除了電機(jī)冷卻機(jī)構(gòu)發(fā)出的噪聲。尤其對(duì)于由高比能電池組供電的航行體，艙內(nèi)熱源減少、溫度降低，可提高電池組使用安全性。

在減振降噪設(shè)計(jì)與研究方面，現(xiàn)代的大型AUV與潛艇具有極大的相似性。潛艇未來(lái)的發(fā)展方向也包含了集成艉部結(jié)構(gòu)、永磁推進(jìn)電機(jī)、泵噴推進(jìn)器等技術(shù)。通過(guò)對(duì)基于集成式推進(jìn)系統(tǒng)的無(wú)人水下航行體減振降噪的研究，不僅可解決部分軍用無(wú)人水下航行體對(duì)減振降噪的迫切需求，更重要的是可預(yù)先在潛艇模型尺度上驗(yàn)證一些新理論、新技術(shù)、新方案、新方法的效果，然后逐步大型化，實(shí)現(xiàn)潛艇實(shí)尺度上的工程應(yīng)用，從而服務(wù)于常規(guī)潛艇、核潛艇的減振降噪設(shè)計(jì)，降低大型武器裝備的研制周期、研制經(jīng)費(fèi)和研制風(fēng)險(xiǎn)。以下分別在設(shè)計(jì)和技術(shù)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法兩方面，探討若干研究方向。

1 減振降噪設(shè)計(jì)的研究方向

1.1低噪聲水密永磁電機(jī)的研究

與傳統(tǒng)的艦船推進(jìn)用電機(jī)相比，永磁電機(jī)具有重量輕、尺寸小、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、維護(hù)簡(jiǎn)便。目前，許多國(guó)家正在開(kāi)發(fā)或已經(jīng)開(kāi)發(fā)了永磁電力推進(jìn)系統(tǒng)，其中德國(guó)、法國(guó)已裝備潛艇，俄羅斯也有永磁推進(jìn)電機(jī)研制的報(bào)道[1]。

永磁推進(jìn)電機(jī)的振動(dòng)噪聲控制是涉及機(jī)、電、磁、系統(tǒng)耦合的新型邊緣科學(xué)。永磁電機(jī)振動(dòng)和噪聲主要為電磁振動(dòng)噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲和空氣動(dòng)力振動(dòng)噪聲。需要開(kāi)展永磁推進(jìn)電機(jī)振動(dòng)噪聲機(jī)理分析，主要包括機(jī)械和電磁耦合動(dòng)力特性分析、電磁力波和脈動(dòng)扭矩關(guān)系的研究、殼體振動(dòng)模態(tài)與聲輻射的研究等。

根據(jù)現(xiàn)有AUV產(chǎn)品的研究經(jīng)驗(yàn)，永磁電機(jī)的電磁場(chǎng)分析、電磁設(shè)計(jì)、磁極結(jié)構(gòu)、變流調(diào)速控制方法、軸系及軸承支撐設(shè)計(jì)、充油形式等是影響航行體系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的關(guān)鍵因素，且其與負(fù)載的耦合特性明顯。因此，永磁電機(jī)減振降噪設(shè)計(jì)的主要研究方向可概括為三方面，即電磁方案設(shè)計(jì)、機(jī)械方案設(shè)計(jì)和與螺旋槳的耦合設(shè)計(jì)。

1.1.1電磁方案

電磁方案設(shè)計(jì)對(duì)航行體系統(tǒng)的航行輻射噪聲影響達(dá)10 dB以上。某AUV試驗(yàn)中，電機(jī)A與電機(jī)B的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本一致，電磁方案上采用了不同的極槽配合與控制方式，與同一推進(jìn)器配合安裝于同一航行體，經(jīng)航行輻射噪聲測(cè)試試驗(yàn)，安裝電機(jī)B時(shí)，系統(tǒng)航行輻射噪聲較安裝電機(jī)A時(shí)大約10 dB。頻譜分析顯示，噪聲主要來(lái)源為頻率為偶數(shù)倍電機(jī)基頻的線譜。后續(xù)需繼續(xù)開(kāi)展對(duì)其發(fā)聲機(jī)理、抑制方法的研究。

對(duì)電機(jī)A的變流調(diào)速控制方法調(diào)整后進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，系統(tǒng)水下輻射噪聲測(cè)試結(jié)果相差約4dB。試驗(yàn)表明，最優(yōu)控制方法的選取與負(fù)載特性存在很大關(guān)聯(lián)，如何與負(fù)載特性匹配設(shè)計(jì)是下一步研究的關(guān)鍵。

永磁電機(jī)電磁方案設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)總體航行輻射噪聲貢獻(xiàn)較大，需結(jié)合頻譜特征深入研究其振動(dòng)噪聲發(fā)生機(jī)理，尋找的有效降噪措施將能顯著降低系統(tǒng)的航行輻射噪聲。由于電磁方案更改對(duì)電機(jī)效率有一定影響，因此從總體設(shè)計(jì)上也應(yīng)作相應(yīng)權(quán)衡。

1.1.2機(jī)械方案

AUV試驗(yàn)反映，軸系縱向振動(dòng)引起的發(fā)聲占輻射噪聲成分較大，該縱振與軸系模態(tài)具有關(guān)聯(lián)性，受到軸系剛度的直接影響。而軸承的剛度顯然影響整個(gè)軸系的剛度，試驗(yàn)用電機(jī)選用的軸承為滾珠軸承，滾珠軸承的剛度可借軸承預(yù)緊來(lái)獲得很大程度的提高，預(yù)緊的實(shí)質(zhì)在于消除間隙和使?jié)L動(dòng)體產(chǎn)生初始?jí)簯?yīng)變，該種措施能較大的提高滾動(dòng)體的剛度，從而影響軸系。但預(yù)緊力對(duì)軸承壽命有一定影響，其大小的選取還需進(jìn)一步比較其減振降噪收益加以確認(rèn)。

試驗(yàn)還選用了不同品牌、同一型號(hào)、同一精度等級(jí)的軸承安裝于電機(jī)A，系統(tǒng)水下輻射噪聲測(cè)試結(jié)果相差約3dB。據(jù)此，需對(duì)軸承差異開(kāi)展精細(xì)檢測(cè)，研究以抑制其振動(dòng)噪聲為目的的軸承選型、檢測(cè)方法。

為適應(yīng)電機(jī)的水下耐壓要求，電機(jī)A有充油與非充油方案，試驗(yàn)顯示，同一電機(jī)采取充油措施后，系統(tǒng)水下輻射噪聲降低約4dB。可能與電機(jī)內(nèi)部氣隙噪聲、介質(zhì)的粘性或聲阻抗相關(guān)。充油對(duì)電機(jī)噪聲的影響仍需分析機(jī)理，在工程應(yīng)用層面，亦可開(kāi)展充油占據(jù)空間比例、油品牌號(hào)、粘度等影響的研究。

1.1.3與螺旋槳的耦合

螺旋槳是一種將旋轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)化為縱向力的裝置，其工作在航行體主體后方非均勻的伴流場(chǎng)中，極易將受到的扭轉(zhuǎn)擾動(dòng)轉(zhuǎn)化為縱向振動(dòng)，且槳葉本身沿艇體縱向的剛度較弱，容易產(chǎn)生縱振。當(dāng)其與推進(jìn)電機(jī)直接連接時(shí)，和電機(jī)軸系產(chǎn)生的振動(dòng)耦合不容忽視。

試驗(yàn)顯示，當(dāng)推進(jìn)電機(jī)帶螺旋槳與不帶螺旋槳等轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，系統(tǒng)水下輻射噪聲相差8 dB～-10 dB，頻譜中未見(jiàn)明顯的螺旋槳葉頻或倍葉頻噪聲，而電機(jī)的振動(dòng)噪聲特征和螺旋槳葉片的固有頻率成分較明顯。調(diào)整電機(jī)變流調(diào)速控制方法后，螺旋槳葉片的固有頻率成分下降。這一方面說(shuō)明電機(jī)帶載后自身噪聲增大，另一方面說(shuō)明兩者發(fā)生了某種程度的振動(dòng)耦合。

因此，需開(kāi)展針對(duì)永磁電機(jī)直接帶動(dòng)螺旋槳形式負(fù)載耦合作用的研究，特別是與軸系縱振相關(guān)的耦合振動(dòng)。

1.2低噪聲推進(jìn)器的研究

為得到一個(gè)性能良好、噪聲低的推進(jìn)器，必須結(jié)合艉部結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)、精心試驗(yàn)、精心施工，最終通過(guò)實(shí)航驗(yàn)證，在各種航速、各種潛深和機(jī)動(dòng)等情況下測(cè)量噪聲，并在分析的基礎(chǔ)上合理地研究聲學(xué)設(shè)計(jì)中所采取措施的有效性及推進(jìn)器引起的對(duì)航行體水下輻射噪聲的貢獻(xiàn)，并將這些結(jié)果用于查明在設(shè)計(jì)階段未考慮到影響這些噪聲分量的因素，以便修正設(shè)計(jì)計(jì)算方法并積累后續(xù)航行體的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，以求不斷改進(jìn)。

推進(jìn)器設(shè)計(jì)的研究可分為兩個(gè)方面：一是理論設(shè)計(jì)方向的研究，得出哪些措施可降低推進(jìn)器噪聲；二是與推進(jìn)器制造加工相關(guān)的設(shè)計(jì)研究，以保證實(shí)物與理論設(shè)計(jì)的符合性。

1.2.1理論設(shè)計(jì)方向研究

現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手段已能較好的滿足推進(jìn)器在全工況無(wú)空泡的需求，卡門渦街引起的螺旋槳唱音也能在工程上通過(guò)隨邊削邊解決，在此主要分析抑制推進(jìn)器非空泡噪聲的一些設(shè)計(jì)方向。

上世紀(jì)50年代，美國(guó)海軍曾試圖采用對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳降低核潛艇上的螺旋槳噪聲，雖有一定降噪效果，但因一些工程難題并未推廣試用。爾后30年，研究重點(diǎn)投向7葉大側(cè)斜螺旋槳[2]。目前，7葉大側(cè)斜螺旋槳的應(yīng)用已較普遍，其降噪效果已接近極限，進(jìn)一步挖潛空間有限。從90年代開(kāi)始，新型的泵噴推進(jìn)器逐步在國(guó)外得到應(yīng)用，據(jù)報(bào)道，13葉泵噴推進(jìn)器比常規(guī)槳噪聲小20 dB。英國(guó)的所有潛艇，美國(guó)的“海狼”級(jí)等新型潛艇，以及法國(guó)的新型潛艇均采用了這種技術(shù)。俄羅斯開(kāi)展了潛艇泵噴推進(jìn)器的模型試驗(yàn)研究，并已通過(guò)白鯨級(jí)試驗(yàn)艇的實(shí)艇試驗(yàn)。在我國(guó)，泵噴推進(jìn)器的應(yīng)用還不多，在AUV上的試驗(yàn)顯示，泵噴推進(jìn)系統(tǒng)相比對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的航行輻射噪聲低約11dB。由于工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)有限，泵噴推進(jìn)器的一些技術(shù)細(xì)節(jié)還未充分認(rèn)知，技術(shù)潛力待深入發(fā)掘。

現(xiàn)有的推進(jìn)器模型試驗(yàn)指出，泵噴推進(jìn)器易產(chǎn)生較多的低頻激振力，其低噪聲性能有可能不如設(shè)計(jì)優(yōu)良的7葉大側(cè)斜槳。由于推進(jìn)器模型試驗(yàn)存在一定局限，在循環(huán)水槽內(nèi)難以對(duì)低頻噪聲進(jìn)行直接測(cè)量，測(cè)出的低頻激振力是否為總體輻射聲的主要成分還未可知，因此泵噴推進(jìn)器與7葉大側(cè)斜槳的低噪聲性能，仍需通過(guò)實(shí)尺度航行體的航行輻射噪聲測(cè)試進(jìn)一步對(duì)比確認(rèn)。

泵噴推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子葉梢與導(dǎo)管間的梢隙會(huì)形成梢渦或不穩(wěn)定流動(dòng)。上海交大錢曉南教授認(rèn)為：由于梢渦等的存在，在槳葉梢部出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的空泡之前，已經(jīng)形成了“聲學(xué)”空泡，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率單調(diào)的“汽笛聲”[3]。該種梢渦或梢隙渦目前還難以采用理論方法進(jìn)行預(yù)報(bào)，需要通過(guò)試驗(yàn)研究深入分析。俄羅斯的潛艇螺旋槳一般采用比較明顯的葉梢卸載，以避免此類噪聲的發(fā)聲。對(duì)于泵噴推進(jìn)器，由于有導(dǎo)管的存在，可適當(dāng)減小轉(zhuǎn)子的梢部卸載，學(xué)習(xí)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的方法，在導(dǎo)管內(nèi)壁梢隙區(qū)域，開(kāi)一定數(shù)量的導(dǎo)流槽，阻止梢隙形成穩(wěn)定的梢隙渦，從而抑制其產(chǎn)生的噪聲。同時(shí)，梢隙大小的設(shè)計(jì)也需仔細(xì)研究。

傳統(tǒng)觀點(diǎn)分析認(rèn)為，前置定子能整理轉(zhuǎn)子的伴流場(chǎng)，其低噪聲性能應(yīng)優(yōu)于后置定子形式。現(xiàn)在有聲音反映，后置定子的低噪聲性能可能優(yōu)于前置定子。因此，前置定子與后置定子形式的低噪聲性能仍需進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

在轉(zhuǎn)子轂帽上設(shè)置一定數(shù)量的轂帽鰭，抑制轂渦噪聲的效果，也需經(jīng)過(guò)航行測(cè)噪試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

導(dǎo)管采用加速型還是減速型，其對(duì)泵噴噪聲的影響同樣需要驗(yàn)證。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為減速型導(dǎo)管對(duì)噪聲有利，加速性導(dǎo)管對(duì)推進(jìn)器效率有利。某AUV試驗(yàn)中，對(duì)比了兩種形式的泵噴推進(jìn)器，泵噴A采用加速型導(dǎo)管，泵噴B采用非加速非減速型導(dǎo)管，而安裝泵噴A的系統(tǒng)航行輻射噪聲低4-8dB。需要說(shuō)明的是，兩組泵噴定子、轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)存在較大差異，該試驗(yàn)結(jié)果并不能直接說(shuō)明導(dǎo)管的影響，僅能提示出減速導(dǎo)管的低噪聲性能并不絕對(duì)，導(dǎo)管的加減速形式對(duì)噪聲的影響仍需深入對(duì)比分析。

轉(zhuǎn)子、定子、導(dǎo)管選取的加工材料也需開(kāi)展分析、研究、驗(yàn)證工作。由于泵噴推進(jìn)器的重量較7葉大側(cè)斜槳顯著增加，為航行體總體衡重帶來(lái)較大負(fù)擔(dān)，難以全部采用實(shí)體金屬材料制造。當(dāng)需要選用金屬空腔結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造時(shí)，材料和結(jié)構(gòu)形式對(duì)噪聲的影響就需要重新考核評(píng)判。某AUV航行測(cè)噪試驗(yàn)中，比較了碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子與銅轉(zhuǎn)子的噪聲性能，未見(jiàn)碳纖維轉(zhuǎn)子低噪聲性能上的明顯優(yōu)勢(shì)。保證對(duì)比試驗(yàn)的航行體配置相同，更換轉(zhuǎn)子配置進(jìn)行多次對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果顯示，碳纖維轉(zhuǎn)子與銅轉(zhuǎn)子噪聲相差 ±2dB。這說(shuō)明該形式推進(jìn)系統(tǒng)中，復(fù)合材料轉(zhuǎn)子固有頻率特征的影響大于材料阻尼率增大的影響。

1.2.2制造加工相關(guān)的設(shè)計(jì)研究

泵噴推進(jìn)器的定子、導(dǎo)管、轉(zhuǎn)子表面均為復(fù)雜的三維曲面結(jié)構(gòu)，加工難度高。根據(jù)產(chǎn)品研制經(jīng)驗(yàn)，即使采用德國(guó)進(jìn)口的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心制造，螺旋槳也不易滿足GB 12916《船用金屬螺旋槳技術(shù)條件》規(guī)定的S級(jí)精度要求，需配合一定的人工打磨工藝。這為螺旋槳的技術(shù)狀態(tài)固化帶來(lái)了一定風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)顯示，適當(dāng)放寬加工精度要求，對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能并未構(gòu)成可見(jiàn)影響。但針對(duì)螺旋槳的噪聲性能指標(biāo)，加工精度能容忍到何種程度則需進(jìn)一步探究，目的是找準(zhǔn)推進(jìn)器技術(shù)狀態(tài)控制的重點(diǎn)，減少盲目追求加工精度對(duì)產(chǎn)品研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)帶來(lái)的不利影響。

傳統(tǒng)的螺旋槳檢測(cè)方法（GB 12916《船用金屬螺旋槳技術(shù)條件》），檢測(cè)的主要指標(biāo)為槳葉的螺距、厚度等參數(shù)，關(guān)注的重點(diǎn)為水動(dòng)力性能。當(dāng)需要對(duì)其噪聲性能技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行控制時(shí)，老國(guó)標(biāo)評(píng)價(jià)能力是否仍然滿足要求值得研究?？裳芯砍雠_(tái)新的螺旋槳3D型值坐標(biāo)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)關(guān)注對(duì)槳噪聲性能技術(shù)狀態(tài)的控制。

復(fù)合材料螺旋槳加工存在一些新的問(wèn)題。由于復(fù)合材料槳依靠模具質(zhì)量保證外形加工質(zhì)量，目前階段其加工質(zhì)量往往不如金屬槳，可能引起對(duì)其低噪聲性能的誤判。復(fù)合材料槳脫模后，隨著應(yīng)力釋放，會(huì)出現(xiàn)變形，二次加工會(huì)損傷其纖維結(jié)構(gòu)，通常不推薦采用。這就需在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)模具型值做一定量的預(yù)置反變形設(shè)計(jì)，反變形量的選取仍需進(jìn)一步研究。同時(shí)，復(fù)合材料槳長(zhǎng)時(shí)間存放后，產(chǎn)生的蠕變量及力學(xué)性能衰減，也應(yīng)通過(guò)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行考核。復(fù)合材料槳纖維鋪層形式（平面層疊、三維編織等方式）對(duì)其噪聲性能、力學(xué)性能的影響也有待進(jìn)一步研究。

1.3螺旋槳伴流場(chǎng)的優(yōu)化研究

由于水下航行器附體及操縱面對(duì)其繞流場(chǎng)的干擾，位于艉部的螺旋槳工作的伴流場(chǎng)是十分不均勻的。螺旋槳在這種不均勻的伴流場(chǎng)中作周期性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，槳葉與水流發(fā)生著復(fù)雜的、非定常的力學(xué)相互作用，這種相互作用同時(shí)造成了槳葉和水介質(zhì)的受力變化，引起了結(jié)構(gòu)振動(dòng)、漩渦發(fā)放、空泡產(chǎn)生與潰滅等一系列發(fā)聲效應(yīng)。與此同時(shí)，伴流場(chǎng)的不均勻性還是螺旋槳激振力產(chǎn)生的根本原因。除了針對(duì)螺旋槳采取措施（增大側(cè)斜、增加葉數(shù)等）使其適應(yīng)這種不均勻工作流場(chǎng)外，改善螺旋槳的工作環(huán)境，降低螺旋槳伴流場(chǎng)的不均勻程度，無(wú)論對(duì)降低螺旋槳自身輻射噪聲還是對(duì)降低螺旋槳激振力誘發(fā)的機(jī)械振動(dòng)噪聲而言，都是一種極其必要的手段。

通過(guò)對(duì)整流附體展開(kāi)相關(guān)研究，可尋求一種降噪效果最佳的整流附體形式。整流手段包括設(shè)置附體填角、升翼面、附體噴流、消渦整流片等技術(shù)措施。目前，附體填角形式已在美國(guó)“海狼”級(jí)潛艇、俄羅斯“北德文斯克”級(jí)潛艇和我國(guó)潛艇上得到廣泛應(yīng)用。某AUV航行輻射噪聲測(cè)試顯示，設(shè)置艉翼填角后，噪聲下降約4dB?？梢?jiàn)，優(yōu)化伴流場(chǎng)的減振降噪效果良好。

俄羅斯開(kāi)展了舵面到螺旋槳距離設(shè)置的相關(guān)研究，結(jié)果顯示其對(duì)噪聲存在一定影響。該點(diǎn)值得借鑒，開(kāi)展應(yīng)用型研究。

對(duì)新式推進(jìn)系統(tǒng)總體布置形式展開(kāi)試驗(yàn)研究。螺旋槳伴流場(chǎng)的不均勻性來(lái)自于前方航行體對(duì)水的擾動(dòng)，可嘗試改變推進(jìn)系統(tǒng)總體布置，將推進(jìn)器與推進(jìn)電機(jī)組合成的吊艙推進(jìn)系統(tǒng)布置在航行體兩側(cè)，其中推進(jìn)器在電機(jī)前方。如此以來(lái)，推進(jìn)器的進(jìn)流為幾乎完全均勻的敞水進(jìn)流，應(yīng)對(duì)推進(jìn)器的噪聲和激振力有明顯改善。

1.4艇體振動(dòng)傳播通道特性的研究

無(wú)論何時(shí)，抑制振動(dòng)噪聲的發(fā)生源頭是減振降噪的首要選擇，上述三點(diǎn)皆是出于這種考量。當(dāng)振動(dòng)噪聲源頭無(wú)法進(jìn)一步削弱時(shí)，阻斷其傳播輻射路徑也不失為一種好的手段。

艇體通道需針對(duì)特定的航行體目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照激勵(lì)源特性配合設(shè)計(jì)總體形式，盡量使系統(tǒng)各部件的阻抗失配以抑制結(jié)構(gòu)噪聲的傳遞?？赏ㄟ^(guò)改變環(huán)筋布置形式、改變?cè)O(shè)備質(zhì)量分布、設(shè)置剛性阻振結(jié)構(gòu)、設(shè)置隔振器、敷設(shè)阻尼材料等措施達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

某AUV航行輻射噪聲測(cè)量試驗(yàn)中，測(cè)試了在推進(jìn)電機(jī)與航行體之間設(shè)置隔振器的降噪效果。采用了泵噴A與泵噴C兩種推進(jìn)器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，兩者僅轉(zhuǎn)子存在差異。當(dāng)不安裝隔振器時(shí)，泵噴A噪聲較泵噴C小約3dB；當(dāng)安裝隔振器后，泵噴A噪聲無(wú)變化，泵噴C噪聲減小約3dB。該

試驗(yàn)說(shuō)明，艇體通道需要根據(jù)激勵(lì)源進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)?？傮w布置上，還可基于集成式推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行大機(jī)械阻抗隔艙壁設(shè)計(jì)，并開(kāi)展試驗(yàn)研究，進(jìn)一步驗(yàn)證潛艇集成艉部結(jié)構(gòu)的降噪效果。該種隔艙壁設(shè)計(jì)已在德國(guó)潛艇上得到應(yīng)用。

2 振動(dòng)噪聲技術(shù)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的研究方向

水下航行體噪聲控制技術(shù)的發(fā)展在很大程度上以航行體實(shí)尺度信息為基礎(chǔ)，以系統(tǒng)實(shí)際降噪效果為依據(jù)。但若僅在系統(tǒng)層面考核振動(dòng)噪聲技術(shù)狀態(tài)、解決減振降噪問(wèn)題，不僅會(huì)因振動(dòng)噪聲耦合成分過(guò)多，難以精確定位識(shí)別噪聲源并采取針對(duì)性措施，而且耗資大、耗時(shí)長(zhǎng)。尤其對(duì)于潛艇，若其船臺(tái)建造過(guò)程已完成才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)其大型設(shè)備進(jìn)行更換或改裝是十分困難的。因此，亟需對(duì)航行體各降噪相關(guān)部件建立一種可行的振動(dòng)噪聲技術(shù)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法。

該種評(píng)價(jià)方法的總體思路是，能在實(shí)驗(yàn)室考核的技術(shù)狀態(tài)，不等到外場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)中考核；能在外場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)岸上考核的技術(shù)狀態(tài)，不等到水下試驗(yàn)中考核；能在水下系樁考核的技術(shù)狀態(tài)，不等到航行試驗(yàn)中考核。目的在于及早發(fā)現(xiàn)并解決問(wèn)題，提高研制效率，降低裝備批量生產(chǎn)時(shí)的狀態(tài)偏移風(fēng)險(xiǎn)。

為了建立一種可靠的評(píng)價(jià)方法，需要進(jìn)行大量的振動(dòng)噪聲測(cè)試試驗(yàn)及相關(guān)數(shù)據(jù)分析。擬通過(guò)水下航行試驗(yàn)、水下系樁試驗(yàn)、岸上系統(tǒng)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室部組件試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，將噪聲成分逐步分解，明確哪些成分可通過(guò)簡(jiǎn)化的試驗(yàn)條件模擬，然后逐項(xiàng)評(píng)價(jià)。摸索出來(lái)的方法，還能進(jìn)一步指導(dǎo)各部組件的針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1推進(jìn)電機(jī)技術(shù)狀態(tài)考核

目前，電機(jī)的振動(dòng)噪聲技術(shù)狀態(tài)考核，是以空載運(yùn)行工況作為考核條件。由于其空載與帶載時(shí)的振動(dòng)噪聲差異較大，現(xiàn)有的考核方式并不能充分反映電機(jī)的振動(dòng)噪聲技術(shù)狀態(tài)。而當(dāng)前的測(cè)功機(jī)振動(dòng)噪聲很大，若帶測(cè)功機(jī)考核電機(jī)，電機(jī)的振動(dòng)噪聲特征將被淹沒(méi)，無(wú)法識(shí)別。

在此背景下，可考慮設(shè)計(jì)一種模擬螺旋槳負(fù)載的耗功設(shè)備，盡量采用非接觸方式模擬螺旋槳的推力、扭矩、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，以此來(lái)考核電機(jī)帶載時(shí)的振動(dòng)噪聲性能。

2.2推進(jìn)器技術(shù)狀態(tài)考核

可考慮建立一種著眼噪聲性能的推進(jìn)器加工精度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，制定一套測(cè)試螺旋槳干模態(tài)、濕模態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。同樣，考慮采用一型標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，直接考核實(shí)尺度推進(jìn)器在水下某些方面的噪聲性能。

2.3岸上系統(tǒng)試驗(yàn)考核

在航行體系統(tǒng)組裝的各個(gè)時(shí)段直到下水前，摸索一套階段性的低噪聲技術(shù)狀態(tài)檢測(cè)方法，可包括運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)測(cè)試、模態(tài)測(cè)試、安裝精度測(cè)試、空氣中噪聲測(cè)試等。所有測(cè)試在先期形成數(shù)據(jù)積累，以航行輻射噪聲性能為最終考核標(biāo)尺，通過(guò)對(duì)比分析逐步得出過(guò)程中的技術(shù)狀態(tài)考核、控制關(guān)鍵點(diǎn)。

2.4 水下系樁試驗(yàn)考核

以航行輻射噪聲為依據(jù)，摸索在水下系樁狀態(tài)下能夠考核的振動(dòng)、噪聲成分，以及考核方法，比如水中不帶槳工況考核軸系運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、水中帶槳工況考核動(dòng)力系統(tǒng)等功率或等轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、水下推進(jìn)軸系模態(tài)測(cè)試等。以在水域環(huán)境等試驗(yàn)條件受限的情況下，將噪聲技術(shù)狀態(tài)考核的關(guān)口前移。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了水下航行體集成式推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。探討了從設(shè)計(jì)方面開(kāi)展低噪聲水密永磁電機(jī)、低噪聲推進(jìn)器、螺旋槳伴流場(chǎng)優(yōu)化、艇體振動(dòng)傳播通道特性等若干研究方向及相關(guān)子方向。同時(shí)，以低噪聲技術(shù)狀態(tài)控制關(guān)口前移為目的，討論了樣機(jī)技術(shù)狀態(tài)評(píng)價(jià)方法的一些研究方向。

[1] 馬運(yùn)義,許建. 現(xiàn)代潛艇設(shè)計(jì)原理與技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2012.

[2] 王漢剛. 美國(guó)核潛艇推進(jìn)系統(tǒng)減振降噪技術(shù)發(fā)展分析[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2013, 35(7): 149-153.

[3] 錢曉南. 艦船螺旋槳噪聲[M]. 上海: 上海交通大學(xué)出版社, 2011.

Research Directions of Vibration and Noise Reduction of Underwater Vehicle with Integrated Propulsion System

Fang Shi1, Wang Mengxuan2

(1.Naval Armament Department，Bejing 100001, China; 2.the 710th institute, Yichang 443003, Hubei, China)

U661.3

A

1003-4862（2016）05-0063-05

2015-10-09

方石(1984-)，男，工程師。研究方向：集成式電力推進(jìn)系統(tǒng)。