水下航行器（ UUV）噪声分析及降噪方法探讨

张 帆

摘 要：介绍了水下航行器（UUV）的各种噪声来源。指出了UUV降噪的重要性。对水下航行器的主要噪声进行了分析，提出了几种可行的降噪方法。

关键词：水下航行器；噪声分析；降噪方法

0 引 言

水下航行器（UUV）是一个多噪声源的装置，如：螺旋桨噪声、动力装置噪声、壳体结构噪声、流噪声、排气噪声等。UUV 需降低噪音，以便UUV 的传感器可以更加高效地工作，并且可以增加UUV 的隐蔽性。由此可知无人水下航行器的隐蔽性对其作战效能是至关重要的。而提高无人水下航行器的隐蔽性的关键是降低噪声。

无人水下航行器在水下航行时的主要噪声源总的说来有3类：流噪声，机械噪声和推进噪声。流噪声有如湍流产生的噪声和空化噪声等。机械噪声有振动噪声与摩擦噪声等。推进噪声如螺旋桨的桨叶振动噪声等。

按照噪声对无人水下航行器的性能的影响，可以分为辐射噪声和自噪声。机械噪声和流体与机械相互作用的噪声，是无人水下航行器辐射噪声的主要部分。

而无人水下航行器头部空泡噪声，湍流边界层流动噪声，属于自噪声，是影响水下无人运载器自导系统工作性能的主要噪声源。辐射噪声影响水下无人运载器的隐蔽性，自噪声影响无人水下航行器的声呐探测距离和精度，影响水声通讯距离。因此研究无人水下航行器的减振降噪技术十分必要。目前在研的降低UUV噪音的方法有，采用机械隔离装置、吸声外壳涂层、低噪音推进电机和螺旋桨。为提高本无人水下航行器的隐身作业能力，本文将重点探讨无人水下航行器的几种噪声，及其相应的降噪方法。

1 航行器的主要噪声

1.1 机械噪声

水下航行器推进系统主要包括：主推进电机、艉轴组件、联轴器、尾轴轴承、螺旋桨等，见下图。水下航行器推进系统的辐射噪声主要包括：动力设备的机械噪声和螺旋桨噪声。机械噪声主要是由动力装置的旋转部件，因制造加工偏差引起机械结构振动造成的，主要包括：主推进电机运转不平衡力和艉轴轴系零件链接耦合的不平衡、对中误差等因素。机械结构的振动，通过特定支撑结构传到载体与水交界的板壳结构，板壳表面振动产生声辐射形成水下辐射噪声。

图1 UUV动力装置主要结构简图

动力机械装置的振动辐射噪声强度，决定于振动源强度，还决定于振动从源点传到壳体的振动传递分布函数及结构的声辐射效率。水下航行器推进装置结构相对简单，机械振动噪声主要包括：主推电机电磁噪声和滚动轴承噪声。主推电机存在两种不同性质的磁力脉动，其电磁噪声主要包括：低频振动噪声和高频转子槽噪声。低频振动噪声是由于定子和转子之间径向吸力脉动而产生的，其频率为电源频率的两倍。转子槽噪声是由于转子槽相对于定子电极位置变化时磁通量

稍有改变而引起的，其基频是转子槽数乘以实际的旋转频率。

滚动轴承是推进系统轴系与航行体壳体连接支撑的重要部件。滚动轴承振动噪声，除了表征为轴承滚动体的通过特性外，当轴承润滑不良、载荷过大、轴承内落入异物、锈蚀等时，将会引起轴承工作面的剥落、裂纹、压痕、腐蚀、胶合等局部损伤或缺陷，造成轴承转动异常，使轴承振动噪声呈现为一种振动故障。

当轴承的轴频调制振动与航行体结构振动响应相匹配，轴承振动噪声将显著增加，加剧系统的振动。其特征振动频率由轴承的转速、轴承滚动表面损伤的形态决定。

1.2 螺旋桨噪声

螺旋桨噪声分为空化和非空化两种不同状态的噪声，其中非空化噪声主要包括边缘噪声、旋转噪声、涡流噪声等。螺旋桨在航行体尾部和鳍舵伴流场中旋转时，螺旋桨的叶面受到流体非定常压力作用。根据作用与反作用原理，螺旋桨面将作用于介质相等的反向力。这样桨叶运转形成击水发声的力源，在水下向外辐射形成旋转噪声。由于其旋转具有周期性，所以其辐射噪声具有明显的线谱特征，其基频为螺旋桨转频与螺旋桨叶数之积，还有其倍频线谱。

边缘噪声由来流的不均匀性及桨叶振动而产生。当桨叶形状不好或叶片边缘做得不很光顺，易产生卡门涡。这些涡经过一定时间分离，其频率为定值。螺旋桨桨叶为多自由度的弹性体，有一系列固有频率，如漩涡分离频率与桨叶的固有频率之一吻合，则产生激励（共振），即产生了“唱音”。其特征为：不仅有强烈的声辐射，而且发声频率为单频声。螺旋桨唱音是由一族强线谱构成的窄带鸣音，受轴频调制。其中一条谱线的频率与产生唱音的桨叶振动频率相同，该谱线两边等间隔地分布着其它谱线，这些谱线的频率间隔是螺旋桨轴频。

2 UUV降噪方法

2.1 有限元振动模态分析法

水下航行器推进系统对壳体的激励振动，是航行体壳体机械振动噪声的主要部分。对动力装置结构进行动力学分析，摸清整个壳体振动特性，进而开展声学结构设计优化，是系统减振降噪的重要方法。

首先，利用有限元分析软件进行振动模态分析仿真。建立动力装置的三维结构模型。利用快速有限元技术（FFE）完成结构振动模态特性的分析，得出壳体厚度、材料、结构刚度等与模态频率之间的关系，以及肋骨的形状尺寸对壳体动力学特性的影响；其次，利用脉冲振动测试实验法，多次修正模型的边界条件和约束，得到了与产品样机模态特性一致的有限元模型，利用此有限元模型，摸清动力装置的主要振动模态和模态频率；并在此基础上开展多项结构的优化设计及其仿真分析。例如对动力装置的鳍板结构进行优化，增加鳍板的结构刚度，提高鳍板振动的崮有频率。下图是垂直鳍板结构刚性增强前后的一阶振动模态频率变化对照图；最后，通过水下航行器的实航噪声测试试验可以证明，根据有限元仿真分析，可以有效避开动力装置的机械振动共振频率，减小系统的辐射噪声。

图２ 垂直鳍板一阶振动模态频率变化对照图

2.2 噪声信号诊断及定位法

水下航行器的辐射噪声成分构成复杂，其与推进系统的机械振动、螺旋桨噪声、航行体结构特性等有关。

1） 进行航行器辐射噪声源的故障特征提取和分析：利用有限元模态模型仿真分析，通过系统实航噪声测试试验、动力装置的台架振动试验、水池（水槽）噪声测试试验等方法，收集噪声测试试验数据。

2） 对航行器辐射噪声及振动噪声频谱进行对比分析，对辐射噪声信号进行故障特征的识别定位。利用分析和掌握的螺旋桨和动力装置的故障噪声特征。通过常用的功率谱分析技术，主要包括1／30ct谱分析、线谱分析、细化谱分析等，进行噪声源的故障定位和识别。

3） 通过采取针对性的减振降噪设计和阻尼隔振技术等方法，有效消除故障噪声，降低系统的辐射噪声。某航行器推进系统的减振降噪研制过程中，利用此辐射噪声识别诊断方法，准确诊断出螺旋桨“唱音”噪声和艉轴轴承故障噪声，通过针对性的优化设计，有效消除了系统辐射噪声中的故障噪声。螺旋桨的“唱音”噪声诊断及定位。　　　

在航行器的航行噪声摸底测试试验中，发现系统辐射噪声线谱图中存在一簇明显的强线谱噪声，通过噪声频谱分析，该线谱的特征频率受轴频调制，其主要线谱频率是螺旋桨转频和桨叶的倍频，该谱线两边等间隔地分布着其它谱线，这些谱线的频率问隔是螺旋桨轴频，这与螺旋桨的“唱音”现象十分吻合。通过对螺旋桨进行“消唱”优化设计，试验证明，系统辐射噪声中该线谱噪声完全消除，系统辐射声源级降低10dB以上。下图是水下航行器螺旋桨“消唱”前后，系统辐射噪声的变化情况。

图３ 螺旋桨“消唱”前后航行器辐射噪声功率谱图

轴承机械噪声诊断及定位：某航行器推进系统的减振降噪研制过程中，在分析系统辐射噪声功率谱图时，发现系统连续谱噪声中叠加有明显的离散型等间隔线谱序列，且线谱间隔频率与轴承转频较卡H近。如下图系统线谱图中箭头所示。通过对推进系统进行陆地振动台架测试，发现在艉段轴承支撑处出现了同样的等间隔线谱振动噪声。证明此噪声为轴承故障噪声，通过轴承载荷分析，定位到轴承受到过大载荷，造成轴承损伤产生机械摩擦振动噪声。通过对轴承进行低噪声设计和艉轴结构优化设计，试验证明系统的等间隔线谱噪声得以有效控制，下图为轴承优化设计前后航行器辐射噪声功率谱对照图。

图４ 艉轴轴承优化设计前后航行器辐射噪声功率谱图

2.3 材料降噪

2.3.1　利用水溶性高分子降噪

水溶性高分子涂层在溶解过程中，溶胀的涂层膜粘于水下航行体外壁，在其周围有梯度分布的高分子溶液。表明无论是涂层膜还是高分子溶液均对航行体表面振动信号有抑制和吸收作用。抑振作用主要表现在抑制振动源的振动，吸收作用主要表现在控制振动信号的传播。通常，除了机械振动以外，水下螺旋桨等处的薄壳结构在脉冲压力的激励下也会产生激励振动，发出较强的振动噪声。这些振动噪声的强度高、频率特征明显、频率相对较低而且可远距离传播，是敌方探测的主要目标。因此，研究水溶性高分子涂层抑制振动，降低辐射噪声机理是一重要课题。

2.3.2　利用通孔泡沫铝材料降噪

1） 不同孔结构的通孔泡沫铝都具有较好的水声吸声性能，是一种较好的水下吸声材料。

2） 孔结构对通孔泡沫铝水声吸声性能有重要的影响。随孔径的减小以及孔隙率、厚度的增大，水声吸声系数增大。

2.3.3　利用条纹薄膜降低水下航行器流噪声

近年来国内外对降低流噪声方法开展了多方面的研究工作，如外形优化设计、聚合物涂层（或喷射）、柔性壁面及气幕屏蔽等，但这些方法不是工艺比较复杂，就是结构上难以实现，因此在工程上的应用受到一定限制。

近年来，国外对条纹薄膜减阻降噪的研究十分活跃，如美国NA SA L an ley研究中心等在空气中作了一系列条纹薄膜降低湍流阻力的实验研究； 美国海军海洋系统中心进行了条纹薄膜降低湍流噪声的实验研究。他们在美国爱德荷州北部的一个湖泊中，用能上浮的细长回转体模型作了条纹薄膜减阻降噪实验，得到了比较理想的结果； 国内西北工业大学飞机系乔志德教授曾采用该法进行飞机减阻实验研究，取得了一定的减阻效果； 而利用条纹薄膜降低流噪声的研究在

国内未见报道。

同一种条纹的薄膜在不同速度和不同频率下降噪效果不同。为了得到最佳降噪效果，必须根据水下航行器的速度和所降噪声的频率来合理选择条纹的结构尺寸。

图5 流速U∞=7.86m/s 时流噪声声功率级随频率的变化图线

由于所贴条纹薄膜并不是把整个模型全部包起来，而是在模型的圆柱中段，这样势必在模型头部和尾部的薄膜与模型的结合处造成一个微型台阶。而且，在薄膜与薄膜的连接处，总是留有微小的缝隙，另外为了增加薄膜与模型之间的结合度，在上述缝隙及薄膜边缘处均涂有薄薄的一层环氧胶，环氧胶固化后，在模型表面会产生一些小突起，这些台阶、缝隙和小突起将产生附加的流噪声，对降噪效果有一定影响，如果进一步改进粘贴工艺，降噪效果会更明显。

通过实验研究表明，在水下航行器表面粘贴条纹薄膜是一种降低湍流噪声的有效方法。它降噪效果明显，便于工程应用。同时经过实验证明还具有减阻效果。这种方法不仅用于水下航行器，而且可以用于航空及其他领域的减阻降噪。国内外研究者认为该减阻降噪方法是目前所用方法中比较简便有效的方法。

2.3.4　声隐身涂层

声隐身涂层施工容易，不受隐身目标施工部位的形状及曲率影响，在水下声隐身方向具有巨大的应用前景。通过高分子材料内界面的增加、粘弹内阻尼以及填料阻抗的合理匹配，合成结构性吸声涂层。声波进入材料后，随传播距离增加而衰减，低频场合下所需材料厚度很大，因此具有一定结构形式的吸声材料能明显改善低频吸声性能。填料是调节材料与声波相互作用特性的重要物质。在填充复合材料中，声音的衰减涉及到破坏分子间非键作用力来增加内磨擦以及重质材

料对骨架的质量负荷作用。Cushman 等研究指出，将高或低阻抗的填料与聚合物混合可以降低声、振动和冲击源所产生的噪声，所得材料具有优异的本体吸声性能。Okudaria 等通过对微小粉末所构成的粉末层的吸声性能进行研究，发现低频范围有高的吸收峰。以上研究表明，设计合理的复合材料结构形式，使吸声机制得到合理匹配，能够显著提高涂层的吸声性能，拓宽吸声频带。

参考文献

[1] 王晓武，林志民，崔立军.无人潜水器及其动力系统技术发展现状及趋势分析[J]. 舰船科学技术，2009，31（8）

[2] 电机/推进器一体化装置（IMP）介绍[J]. 船电技术，2003

[3] 新型水下集成电机推进器的特种电机研究[J]. 微特电机，2005

[4] 推进器的成功革新——安静潜艇的喷水推进[J]. 国外舰船工程，1996

[5] 喷水推进研究综述[J]. 船舶工程，2006