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第1章导论噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声四。这是人们最熟知的分类法。实际上，从噪声产生机理的角度，这三种噪声又可以分为以下两大类。(1)结构振动声辐射机械噪声。由于舰船内部各种工作机械（主机、辅机及管路等)振动和空气声传递到与水接触的壳、板并向水中辐射的噪声。激励源是机械振动和舱内空气噪声，传递介质是基座、隔板、铺板和舱段壳板等固体结构（含隔振装置和浮筏)及舱室空气介质，辐射面是与水接触的外壳板。在空气声学中，这种振动通过结构传递后辐射到周围介质中产生的噪声称为结构噪声(structureborne sound)。在船舶工程中，机械噪声包括辐射到舱室空气中的舱室噪声和辐射到水中的水下噪声。研究的重点是水下噪声。(2)水流运动声辐射一水动力噪声。由水流流过物体表面产生的噪声统称为水动力噪声。它包括：①水流运动本身产生的噪声，如湍流噪声、涡旋噪声和空化噪声等。②在有边界情况下，湍流边界层(turbulence boundary layer,TBL)产生的噪声。如果表面是刚性的，则由于刚性边界的反射产生噪声；如果表面是弹性的，则引起弹性边界的振动再辐射。这部分噪声有时又称为流动和结构相互作用(ow-structure interaction)噪声。特别需要说明的是，水下运动物体表面湍流边界层压力起伏(turbulence boundary layer pressure fluctuations or wall pressureuctuations)称为流噪声(flow noise)。流噪声的主要成分是近场脉动压力，所以亦称为“伪声”(pseudosound),但它是一种典型的水动力噪声。③物体表面运动如螺旋桨叶片运动产生的噪声，包括面分布的体积源、力源和应力源等产生的噪声。本书把螺旋桨噪声归入水动力噪声，因为螺旋桨旋转噪声、随边涡旋噪声、空泡噪声、流动激励叶片振动和桨叶诱导脉动压力激励船体振动产生的噪声都属于水动力噪声。由于在历史上螺旋桨的空泡噪声一度是舰船水下噪声的首要源，所以传统上将螺旋桨噪声单独列出。当然，螺旋桨轴系作为一种机械激励源，螺旋桨噪声中也包含结构噪声，主要是轴系激励舰船尾部振动产生的噪声。水动力噪声在舰船水下噪声中究竟占有多大的比重，要根据舰船动力配置、螺旋桨设计及桨轴配合情况、航行器几何形状、航速，以及所考虑的频段等多个因素而定，不能一概而论，但有一些普遍规律值得注意。(1)螺旋桨水动力噪声始终是舰船水下噪声的主要源。特别是，螺旋桨一旦发生空泡，空泡噪声总是压倒一切的噪声源。即使螺旋桨工作在非空泡阶段，它仍有可能是舰船的主要噪声源。因为这时舰船的航速较低，允许的总噪声水平也低。(2)航行速度越高，水动力噪声越重要。对于普通的机-电动力推进的水下航行器，机械噪声随航速的增加缓慢增加或基本不变，而水动力噪声强度常常随航速的5~6次方增加。所以，随着航速的增加，它的重要性越来越明显。(3)水动力噪声中的流噪声在舰船声呐自噪声中的作用要比在辐射噪声中的作用大得多。因为自噪声属于近场噪声，声呐传感器虽然通过导流罩或透声层与流场1.1水动力噪声的研究范围及特点3隔离，避免直接干扰，但其与流动激励源相距较近，遭受的干扰大。像鱼雷雷头声自导基阵的自噪声、拖曳线列阵的自噪声等情况，流噪声常是主要的噪声源。水动力噪声和气动噪声统称为流体动力噪声。流体动力噪声作为一个专门问题进行系统的研究只是最近半个多世纪的事情。如果追溯到19世纪，Strouhal于1878年研究过气流通过拉紧的弦线产生的声振动，其后Rayleigh研究过一些与流体运动有关的发声问题，其中包括导出气泡的运动方程一Rayleigh方程，但这些开创性工作并不是从噪声的角度加以研究的。1936年，苏联的Tym计算了螺旋桨推、扭力引起的噪声②，这或许是近代流体动力噪声研究的开始。20世纪50年代初，随着喷气式飞机的出现，噪声问题越来越突出，声学家们的注意力很快转向喷气湍流噪声的研究。1952年，Lighthill发表了著名论文On sound generated aerodynamically.I.General theory3),为湍流噪声的研究奠定了基础。其后不久，Curle将它推广到有边界存在的情况【4。后来Ffowcs-Williams和Hawkings又将它推广到界面发生运动的情况同。Powl%l提出了涡旋噪声理论，从另一个角度分析湍流噪声机理。1958年，Willmarth发表了在风洞中测量的边界层压力起伏谱和时间-空间相关性⑦，这是首次有关边界层噪声的系统试验结果。以上这些研究主要集中在空气动力噪声领域，着眼于解决喷气式飞机、直升机、火箭和空气压缩机的噪声问题。主要的专著有Goldstein的Aeroacoustics8](1976年)，Howe的Acoustics of Fluid-Structure Interactions回(1998年)和Theory of Vortex Sound1o(2003年)等。随着计算技术，特别是计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的快速发展，从20世纪90年代开始逐渐形成计算气动声学(computational aeroacoustics,.CAA)分支，已经成功地应用到喷气噪声、螺旋桨噪声、机翼噪声、飞行器机体噪声和空腔噪声等各个方面。水动力噪声研究主要是为了降低舰船的水下噪声，提高隐蔽性。特别是随着核动力潜艇的出现，潜艇在未来战争中的战略地位显著提高，其声隐蔽性的要求也越来越高。l957年，泰勒船模水池(David Taylor model basin,DTMB)的Fitzpatrick和Strasberg发表了题为Hydrodynamic sources of sound的综述报告，反映了那个时期对水动力噪声源的认识。由于早期舰船螺旋桨的设计不佳，很容易发生空泡。与舰船的情况类似，鱼雷的对转螺旋桨及雷体也可能产生空泡。而螺旋桨一旦发生空泡，空泡噪声几乎总是成为压倒一切的主要噪声源。所以，第二次世界大战结束后的很长一段时间内，水动力噪声的研究重点是空泡噪声。空泡是水中的特有现象，是流体力学、水力和水利学中的重要研究内容之一。原来主要着眼于空泡对水动力性能的影响和它对固体构件的剥蚀，出版了一些著名的专著，如Knapp等的Cavitation一书。空泡噪声的研究就是在这个基础上进行的。理论的核心是可压缩流体中的空泡动力学问题，因为空泡噪声就是空泡运动（特别是溃灭）时流体中的压力场。由于实际情况下空泡噪声总是以空泡群的形式出现，所以随机空泡群第1章导论的噪声理论有实际意义。苏联在这方面的工作有重要价值。l977年，Strasberg总结了螺旋桨空泡噪声35年的研究成果2。随着研究的深入，螺旋桨空泡逐渐得到有效的控制，空泡噪声不再是影响舰船隐蔽性的主要因素。所以从20世纪80年代以后，空泡噪声的研究明显减少。但即使不发生空泡，螺旋桨仍是舰船和鱼雷的主要噪声源之一，因为非空泡螺旋桨在伴流场中会产生非定常脉动推力，而这正是产生噪声的力源，且属于水动力噪声。水动力噪声研究的另一个重点是湍流边界层压力起伏。边界层本来就是流体力学的重要研究课题，但是原来主要关心边界层中的速度分布、它所产生的阻力等一些平均特性；而流体动力噪声研究主要关注边界层中的压力起伏或压力脉动，这是边界层中的起伏特性。从水动力噪声研究的角度，导流罩内声呐的自噪声是重要的研究内容。边界层中的压力起伏不仅直接产生近场干扰，而且更是结构振动声辐射的激励源。Skudrzyk等对此做出过重要贡献，20世纪50年代就利用水筒、旋转柱开展了水中边界层压力起伏的试验研究，并且于50年代末完成了湖中和海中自浮体流噪声试验，获得了许多有实际意义的结果13)。在Skudrzyk等之后许多人致力于通过试验建立湍流边界层压力起伏的数理模型，著名的有Corcosl14、Chasel15等许多模型。1976年，Ross出版了Mechanics of Underwater Noise16)一书，这本书曾翻译成中文出版，在国内有较大影响，但该书并不专门讨论水动力噪声，其中有较大篇幅讨论结构振动噪声。由于出版较早，该书对空泡噪声讨论较多，对湍流边界层压力起伏讨论较少。Blake的Mechanics of Flow-Induced Sound and Vibration17(1986年)一书较全面地总结了水动力噪声的研究成果，引用了大量的试验结果。该书突出湍流边界层压力起伏及其产生的噪声，也强调了流动结构耦合产生的噪声。从流体动力噪声研究的历史可以发现，某些基础理论首先在空气动力噪声研究中提出并发展起来，然后再推广到水动力噪声研究中。实际上，除空泡噪声外，水动力噪声与空气动力噪声在产生机理、数学模型和处理方法等方面有相似之处，因此可以互相借鉴，甚至有些机理性研究试验在水筒中不容易开展，可以放到风洞中进行模拟。但是，毕竟空气和水两种介质的特性差别较大，飞行器和水下航行器运动速度又相差甚远，导致空气动力噪声和水动力噪声有许多重要差别，(1)由于介质特性的差异，水的黏性系数比空气的大两个数量级，其密度比空气的大将近四个数量级，但空气的动黏性系数是水的大约13倍。因此，一个物体在空气中的流体动力特性不能完全模拟在水中的流体动力特性，导致空气动力噪声和水动力噪声也不能完全模拟。表1.1给出空气、水和金属（铝、钢）有关特性参数的比较。(2)水下航行器的运动速度一般不超过几十节(1kn=1.852km/h),远低于飞1.2水动力学和声学基本方程5行器的速度。水中运动Mach数不超过百分之二，水动力噪声属于低Mach数流体动力噪声。这导致水动力噪声问题可以作某些近似，如为了确定等效源强度而分析流体动力特性时，水介质可以看作不可压缩的：流动与声相互作用时，声对流动的反作用可以忽略；流动平均速度引起的Doppler效应只需考虑频率变化，忽略对声波幅度的影响等。这些近似在流动速度较高的空气动力噪声研究中是不允许的。另一方面，低Mach数的特性又导致水动力噪声中只有低阶次声源（单极子和偶极子)对噪声有贡献，高阶次声源可以忽略。并且，若不考虑流动与结构相互作用的辐射噪声，流动本身产生的噪声是十分微弱的。不像空气动力噪声中当Mach数较高时四极子及高阶次声源起重要作用，流动本身就是一个强噪声源，如高速喷气噪声。因此，诸如自由涡旋的噪声辐射在航空声学中受到关注，而在水动力噪声中则无实际意义。表1.1空气、水和金属（铝、钢）有关特性参数的比较（参考值）介质密度po/(kg/m3)纵波声速c/(m/s)声阻抗poc/(kg/(sm2)黏性系数4/(kgs/m2)空气1.293314.3×1021.82×10-6水100015001.5×1061.16×10-4铝270064201.73×107钢790059404.69×107(3)正因为水的密度比空气高约1000倍，只比常见金属和固体的小不到一个数量级，所以相对于固体而言，空气介质是稀介质，水是密介质。在考虑流动和结构相互作用的水动力噪声时，振动-声耦合起重要作用，因为水的声阻抗只比固体的小一个数量级，不像空气动力噪声中振动-声耦合作用很小，因为空气的声阻抗比固体的小45个数量级，可以忽略，这又导致水动力噪声要比空气动力噪声更加关注振动-声耦合问题。从某种意义上讲，水下噪声问题的特点和难点都集中在振动-声耦合。由于上面提到的这些特点，水动力噪声问题涉及流体力学、声学和结构振动等多个学科，所研究的内容往往是这些学科传统上忽略的部分。例如，流体运动产生的声场，流体流过结构表面产生的压力起伏，压力起伏对结构振动的作用等。1.2水动力学和声学基本方程流体力学以空气和水介质的不同分为空气动力学和水动力学。水和其他流体一样压缩性很小，在水动力学中一般都忽略压缩性，将它看作不可压缩流体。因此，除非特别声明，水动力学其实是不可压缩流体力学。长期的实验检验已经证明，不可压缩的近似用于一般的水动力学问题是足够精确的。而另一方面，流体介质中的