隨著噴水推進(jìn)器在高性能艦船上的廣泛應(yīng)用，噴水推進(jìn)器的水下輻射噪聲也受到了越來(lái)越廣泛的重視。噴水推進(jìn)水器下輻射噪聲數(shù)值預(yù)報(bào)可為噴水推進(jìn)艦船在方案設(shè)計(jì)階段的科學(xué)論證提供定量參考數(shù)據(jù)。

1 噴水推進(jìn)器噪聲機(jī)理及傳播路徑

    噴水推進(jìn)水下輻射噪聲劃分為兩類(lèi)：寬帶噪聲和窄帶噪聲。前者是由隨機(jī)壓力脈動(dòng)所引起，后者是由周期性壓力脈動(dòng)所引起。

    根據(jù)瑞典皇家哥德堡船模實(shí)驗(yàn)池（SSPA）研究報(bào)告和對(duì)噴水推進(jìn)器輻射噪聲的機(jī)理、傳播路徑進(jìn)行分析可知，噴水推進(jìn)器水下輻射噪聲有三個(gè)傳播路徑（見(jiàn)圖1）：路徑1為噴泵內(nèi)流場(chǎng)脈動(dòng)壓力所引起葉輪、軸系的振動(dòng)通過(guò)軸系支撐傳遞至船體尾部，從而激起水下輻射噪聲（圖1中Bearing forces曲線所示）；路徑2為噴泵內(nèi)流場(chǎng)脈動(dòng)壓力激起的流道和導(dǎo)葉的振動(dòng)傳遞到船體，再激起水下輻射噪聲（圖1中Pressure pulses曲線所示）；途徑3為噴泵流體聲源經(jīng)流道直接輻射到水中（圖1中Directly  radiated曲線所示）的直接輻射噪聲。圖1（出自于文獻(xiàn)1）表述了上述三個(gè)途徑傳遞的噪聲分量對(duì)水下輻射噪聲的貢獻(xiàn)。可以看出，直接輻射噪聲決定了全頻段的總噪聲級(jí)水平，它是主要噪聲源。

圖1 噴水推進(jìn)器三個(gè)不同的傳播途徑對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)

    噴水推進(jìn)器水下輻射噪聲的產(chǎn)生機(jī)理主要是因?yàn)槿~輪的葉背和葉面之間存在壓差（通常稱(chēng)為負(fù)載噪聲），負(fù)載噪聲可等價(jià)于偶極子聲源。在用聲學(xué)邊界元計(jì)算噴水推進(jìn)器的水下輻射噪聲時(shí)首先要計(jì)算噴水推進(jìn)器固體壁面的噪聲源強(qiáng)分布。流道作為靜止壁面，其表面的脈動(dòng)量和旋轉(zhuǎn)葉輪表面的脈動(dòng)量相比是一小量可忽略不計(jì)，因此本研究?jī)H計(jì)算噴泵泵本體過(guò)流壁面脈動(dòng)聲源對(duì)輻射聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)。

2 噴水推進(jìn)器數(shù)水下輻射噪聲計(jì)算思路及方法

    本研究采用了與瑞典皇家哥德堡船模實(shí)驗(yàn)池相同的思路和數(shù)值計(jì)算方法來(lái)預(yù)報(bào)實(shí)尺度噴水推進(jìn)器水下輻射噪聲的主要噪聲源—直接輻射噪聲。首先計(jì)算得到噴泵本體的噪聲源分布（主要是葉輪、導(dǎo)葉、輪轂及泵殼內(nèi)壁面的表面偶極子），然后計(jì)算該噪聲源經(jīng)進(jìn)水流道、流道進(jìn)水口向水中遠(yuǎn)場(chǎng)的傳播。本研究采用聲學(xué)邊界元方法計(jì)算聲場(chǎng)在流道內(nèi)的逆流傳播以及經(jīng)流道進(jìn)口向遠(yuǎn)場(chǎng)水域的輻射噪聲。

    聲學(xué)邊界元法計(jì)算噴水推進(jìn)器的水下輻射噪聲具體步驟是：

    （1）船舶及其噴水推進(jìn)器的水動(dòng)力性能的非定常流場(chǎng)計(jì)算，即“船體+噴水推進(jìn)泵+進(jìn)水流道”帶自由液面的數(shù)值自航；

    （2）“進(jìn)水流道+噴水推進(jìn)泵”非定常流場(chǎng)計(jì)算；

    （3）計(jì)算并獲取噴泵過(guò)流壁面的噪聲源分布；

    （4）計(jì)算噪聲源傳遞至葉輪進(jìn)口（也就是流道出口）的聲壓值；

    （5）以葉輪進(jìn)口聲壓分布為聲源，計(jì)算該聲源傳遞至流道進(jìn)水口的聲壓值；

    （6）以流道進(jìn)水口作為聲源，計(jì)算流道進(jìn)水口向船底水域的輻射聲場(chǎng)。

    “進(jìn)水流道+噴水推進(jìn)泵”非定常流場(chǎng)計(jì)算完成后利用聲學(xué)邊界元方法計(jì)算噴水推進(jìn)器水下輻射噪聲的過(guò)程示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 噴水推進(jìn)水下輻射噪聲邊界元計(jì)算示意圖

3 某型噴水推進(jìn)器噪聲的數(shù)值計(jì)算

    本文以某噴水推進(jìn)器為分析對(duì)象，計(jì)算了噴泵泵本體的噪聲源強(qiáng)分布以及遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲輻射特性，為客觀評(píng)價(jià)噴水推進(jìn)器水下輻射噪聲水平提供判據(jù)。

    3.1 噴水推進(jìn)器噪聲的聲源強(qiáng)分布計(jì)算

    在得到噴泵過(guò)流壁面脈動(dòng)壓力對(duì)應(yīng)的的CGNS文件后（“進(jìn)水流道+噴水推進(jìn)泵”非定常流場(chǎng)計(jì)算在此不做介紹），將其導(dǎo)入Virtual Lab的Acoustic模塊，經(jīng)fft變換即可得到噴泵壁面的噪聲源強(qiáng)分布，見(jiàn)圖3。

    由圖中可知葉輪與導(dǎo)葉的相互作用區(qū)域?qū)β晥?chǎng)的貢獻(xiàn)量是最大的。

圖3 噴水推進(jìn)泵聲源強(qiáng)分布示意圖

    3.2 噴水推進(jìn)器遠(yuǎn)場(chǎng)輻射噪聲計(jì)算

    計(jì)算得到噴泵泵本體表面的聲源強(qiáng)分布后，利用聲學(xué)邊界元法可依次計(jì)算得到葉輪進(jìn)口截面、流道進(jìn)口截面的聲壓分布，最后以流道進(jìn)口為聲源計(jì)算船底遠(yuǎn)場(chǎng)水域的聲輻射特性。遠(yuǎn)場(chǎng)聲壓分布云圖見(jiàn)圖4。

圖4 噴水推進(jìn)器遠(yuǎn)場(chǎng)水下輻射噪聲云圖

    由圖4及計(jì)算結(jié)果可知在低頻段噴水推進(jìn)器水下直接輻射噪聲指向性基本表現(xiàn)為各項(xiàng)同性，在高頻段聲場(chǎng)的指向性較為明顯；  2BPF處對(duì)應(yīng)聲壓的最大值，高頻段聲壓值逐漸降低，這同瑞典皇家哥德堡船模實(shí)驗(yàn)池的計(jì)算結(jié)果是一致的。

4 小結(jié)

    分析了噴水推進(jìn)器水下輻射噪聲的主要傳播路徑，然后以聲學(xué)邊界元為理論基礎(chǔ)，以Virtual Lab為工具計(jì)算分析了某型噴水推進(jìn)器的直接水下輻射噪聲，計(jì)算結(jié)果同瑞典皇家哥德堡船模實(shí)驗(yàn)池結(jié)果規(guī)律相同，為噴水推進(jìn)器的水下輻射噪聲計(jì)算做了初步探索。

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