0 引　言

螺旋桨在船尾部不均匀流场中转动时，叶片相对船体的位置变化会引起附近流场的压力变化，称之为脉动压力^{[1 – 3]}。螺旋桨脉动压力作用在尾部结构上，会激起尾部结构振动进而产生水下辐射噪声。目前，对常规单体船的螺旋桨脉动压力计算与测量^{[4 – 7]}，以及螺旋桨脉动压力引起的水下辐射噪声的预报^[8]已有相关的研究成果。小水线面双体船型的主要结构包括主船体、延伸至船尾的支柱体和潜体，尾部承受螺旋桨脉动压力的区域多为狭窄的板架结构，与常规单体船相差较大。针对小水线面双体船型螺旋桨脉动压力激励尾部结构引起水下辐射噪声的相关研究仍开展较少。

本文通过试验测量获得作用在小水线面双体船尾部区域的各阶螺旋桨脉动压力，并将其作为水下辐射噪声计算的输入载荷，采用声学有限元方法预报各阶脉动压力激励引起的水下辐射噪声，分析小水线面双桨脉动压力相位差对各阶水下辐射噪声的影响。在此基础上，对尾部结构进行声学优化分析，研究尾部结构参数对脉动压力激励引起的水下辐射噪声的影响，找出降低水下辐射噪声效费比最高的优化措施。

1 小水线面双体船螺旋桨脉动压力激励尾部结构引起的水下辐射噪声计算方法 1.1 螺旋桨脉动压力测量

为了获得小水线面双体船尾部结构振动计算所需的激励载荷，开展螺旋桨模型脉动压力测量试验，试验按模型桨和实桨的转速空泡数相等进行。螺旋桨为5叶桨，如图1所示。测量脉动压力时，在桨模正上方舰尾外壳板上布置压力传感器，以桨轴中心线和螺旋桨辐射参考线交点的点为中心，布置5个压力传感器，如图2所示。

表1为换算得到的实船脉动压力幅值测试数据，可以看出高阶脉动压力幅值明显低于一阶脉动压力幅值。同时由于没有空泡发生，因此脉动压力整体较低。

1.2 螺旋桨脉动压力激励尾部结构引起水下辐射噪声

螺旋桨脉动压力的激励频率为低频，因此采用基于声固耦合理论的声学有限元法直接计算脉动压力激励尾部结构引起的水下辐射噪声。

建立小水线面双体船结构有限元模型与周围流场声学有限元模型，水域上表面赋予自由液面边界条件，水域外包络面上定义声学无限单元以模拟无限水域，在船体结构与流域接触面设置流固耦合方式连接。水域的长约为船长的1.5倍，水域的宽约为船宽的2倍。船体流场耦合计算模型如图3所示。

一般情况下，螺旋桨脉动压力作用范围为：船长方向上，距离螺旋桨盘面向首、尾各1个螺旋桨直径；船宽方向上从一舭部到另一舭部，当没有明显舭部时取设计水线以下部分。但是小水线面双体船，其尾部结构造型与单体船差别很大，支柱体延伸至船尾，支柱体两侧垂直。因此每侧螺旋桨上方直接受螺旋桨脉动压力的区域为支柱底板，长度方向上向首、尾各1个螺旋桨直径，宽度方向至支柱体两侧的狭窄板架结构。

将表1中螺旋桨脉动压力视为均布载荷，同时施加均布压力在左舷及右舷螺旋桨脉动压力作用区域，如图4所示。

采用上述计算模型，分别计算前5阶螺旋桨脉动压力激励尾部结构引起的水下辐射噪声，并通过施加复数形式的激励力考虑双桨相位差分别为0°，45°，90°和180°时各阶脉动压力引起的水下辐射声压级，计算结果如表2所示。

由表2可知，螺旋桨脉动压力叶频分量激励尾部结构引起的辐射噪声较大。不同相位下各阶脉动压力引起的辐射声压有一定差别。脉动压力叶频分量（5 Hz）与第5阶脉动压力分量（25 Hz）处随着相位差的增加，辐射噪声逐渐减小。第2阶与第4阶脉动压力分量（10 Hz）处相位差0°，45°，90°的水下辐射噪声相近，而相位差180°的水下辐射噪声有所降低。第3阶脉动压力分量（15 Hz）处随着相位差的增加，水下辐射噪声随之增大。由此，除了第3三阶脉动压力分量外，其余各阶脉动压力分量激励尾部振动引起的水下辐射噪声均是相位差180°时最小。

2 小水线面双体船型脉动压力作用区域结构声学优化分析

针对双桨脉动压力同相的情况分析小水线面双体船型脉动压力作用区域结构的参数对水下辐射噪声的影响。小水线面双体船左舷尾部结构如图5所示，右舷与左舷对称。

2.1 板厚影响分析

首先分析脉动压力作用区域板厚对螺旋桨脉动压力激励水下辐射噪声的影响。板厚的增减会改变区域重量与刚度，进而影响水下辐射噪声。原始结构板厚为12 mm，现将板厚改变为14 mm，16 mm与18 mm，计算前5阶螺旋桨脉动压力引起的水下辐射噪声。计算结果如表3所示，可见板厚对脉动压力引起的水下辐射噪声有着较大的影响。当板厚由12 mm调整为14 mm时，各阶脉动压力分量引起的辐射声压级显著减小。如脉动压力叶频分量引起的水下辐射噪声减小6.2 dB，第3阶减小7.9 dB。这是因为增加板厚增强了结构的刚度，从而减小了尾部结构的振动和辐射噪声。当板厚继续增加至16 mm与18 mm后，得到的水下辐射声压级和14 mm板的结果相差很小。

2.2 横向加强筋尺寸的影响

为研究脉动压力作用区域横向加强筋尺寸对水下辐射噪声的影响，将球扁钢规格由14a（P140×7）调整为16a（P160×8），计算得到的水下辐射声压级如表4所示。可以看出，横向加强筋尺寸对脉动压力引起的水下辐射噪声有着较为显著的影响。加强筋规格由14a调整为16a时，尾部区域结构的刚度有所提升，各阶脉动压力引起的水下辐射声压级显著减小，例如脉动压力叶频分量引起的水下辐射噪声降低了6.3 dB，第3阶降低了7.4 dB。

2.3 横向加强筋间距的影响

为研究横向加强筋间距对螺旋桨脉动压力引起的水下辐射噪声的影响规律，现将横向加强筋间距由0.5 m调整为0.25 m，以增加横向加强筋数量，计算得到的水下辐射声压级结果如表5所示。可以看出，横向加强筋加密之后，各阶脉动压力分量引起的辐射噪声都明显降低，其中脉动压力叶频分量引起的水下辐射噪声级降低了6.3 dB。

3.4 纵向加强筋的影响

本文中小水线面双体船尾部中部有一根纵桁，纵向无其他加强结构。为研究纵向加强筋对脉动压力引起的水下辐射噪声的影响，现于纵桁两侧各设置一纵向加强筋，距纵桁0.5 m，规格与横向加强筋相同（球扁钢14a，P140×7），计算得到的水下辐射声压级如表6所示。由计算结果可知，尾部脉动压力作用区域采用纵筋加强后，各阶脉动压力分量引起的水下辐射噪声均有所降低，效果与加密横向加强筋基本相当。

2.5 不同结构优化方式对比

通过上述研究可知，通过增加板厚，增大横向构件尺寸，减小构件间隔均可以有效降低螺旋桨脉动压力激励尾部结构引起的水下辐射噪声。不同的结构优化方式带来的结构重量增加也不相同，即降低相同量值的辐射声压级所需要增加的结构重量不同，此处定义效费比为单位重量降低的辐射声压级。分析不同结构优化方式的效费比，以找出效费比最高的尾部结构优化方式。

各结构优化方式的效费比如表7所示。当板厚大于14 mm后，继续增加板厚并没有显著降低辐射声压级，因此效费比减小。比较增加板厚（14 mm）、增加横向加强筋尺寸、减小横向加强筋间隔、增加纵向加强筋4种结构优化方式，增加横向构件尺寸的效费比最高，其次为加设纵向加强筋，而减小横向加强筋间隔的方式效费比最低。第3阶脉动压力分量引起的水下辐射噪声受到结构改变的影响最为明显，其次为叶频分量引起的水下辐射噪声。增加板厚与横向加强筋尺寸的结构优化方式中，第2阶脉动压力分量引起的水下辐射噪声受到的影响最小，而减小横向加强筋间隔与增加纵向加强筋的结构优化方式中，第5阶脉动压力引起的水下辐射噪声受到的影响最小。

3 结　语

本文采用试验结合数值计算的方式获得小水线面双体船螺旋桨脉动压力激励尾部结构引起的水下辐射噪声。研究双桨脉动压力相位差对水下辐射噪声的影响，分析尾部结构参数的改变对水下辐射噪声的影响，找出了尾部结构效费比最高的声学优化措施。本文主要结论如下：

1）双桨脉动压力相位差对小水线面双体船尾部结构振动引起的水下辐射噪声由较为明显的影响。除第3阶脉动压力分量外，其余各阶脉动压力分量激励引起的水下辐射噪声均在相位差为180°时取到最小值。

2）通过增加板厚，增大横向构件尺寸，减小构件间隔均可以降低各阶脉动压力引起的水下辐射噪声。其中，增加横向加强筋尺寸的效费比最高，其次为增设纵向加强筋。