0 引　言

螺旋桨噪声是潜艇在中、高速航行时的主要噪声源，即使潜艇以较低的速度航行时，螺旋桨噪声也是潜艇总噪声的重要贡献之一^[1]。螺旋桨噪声是由于螺旋桨转动引起，它产生于潜艇艇体之外，因此螺旋桨噪声与艇体内部的机械噪声有着显著不同的频谱特征。

一般来说，螺旋桨噪声主要由螺旋桨叶片振动和螺旋桨空化产生的。其中的螺旋桨叶片振动一般由2种力引起，一种是螺旋桨旋转产生的流体扰动力，另一种力是由于机械装置振动经轴系传递到潜艇尾部的螺旋桨而产生的。螺旋桨空泡的成因也包括2种，一是当螺旋桨旋转时，在螺旋桨的叶片附近会产生空泡；二是螺旋桨旋转后会产生泄出涡，在泄出涡的涡中心也会产生空泡^[2]。随着空泡的不断生成与破裂，会产生对潜艇隐蔽性影响非常显著的螺旋桨空化噪声。

作为潜艇高频辐射噪声的重要组成部分，螺旋桨空化噪声对潜艇航行隐蔽性的影响较之叶片振动噪声更加显著，潜艇水下航行一旦产生螺旋桨空化噪声，将极大增加潜艇被敌发现的暴露概率。因此，研究螺旋桨空化噪声对潜艇航行隐蔽性影响对于研究潜艇低噪声航行操纵方法的作战运用具有重要的参考意义。

1 潜艇螺旋桨噪声源

图1为模型潜艇在潜望深度航行时（深度9 m左右），螺旋桨噪声和潜艇总的辐射噪声比较图。

从图中可以看出，高速航行时（航速在7 kn以上），潜艇的总辐射噪声曲线和螺旋桨噪声曲线非常接近，高频部分（10～30 kHz）的噪声基本完全是螺旋桨噪声；低速航行时（航速在7 kn以下），潜艇的总辐射噪声和螺旋桨噪声有一定差异，主要是因为随着潜艇航速的降低，螺旋桨噪声会显著下降，这时的总辐射噪声主要是潜艇内部的机械噪声。通过图1的螺旋桨噪声与潜艇总噪声的比较说明，无论是中高速还是低速航行，螺旋桨噪声都是潜艇总辐射噪声的重要组成部分。

1.1 叶面空化噪声

螺旋桨旋转时，海水以均匀速度V_A并以攻角α流向螺旋桨桨叶切面，显然，流经桨叶切面叶背上的水流速度为V_B大于V_A，流经桨叶切面叶面上的水流速度为V_C小于V_A。根据伯努利方程：

${P_B} +\frac{1}{2}\rho {V_A}^2={P_C} +\frac{1}{2}\rho {V_C}^2{\text{，}}$

(1)

并由前面分析可知，V_C大于V_B，因此根据式（1），叶背处为低压区，其压力P_B小于静水压力P₀，叶面处为增压区，其压力P_C大于静水压力P₀。

一般认为，当桨叶切面上B点处的压力P_B下降至当前水温下的饱和蒸汽压力（或称汽化压力，水温与饱和蒸汽压力之间的关系可参见表1）P_V时，该处水即开始发生汽化现象从而形成空泡^[3]。因此，螺旋桨桨叶切面上B点产生空泡的条件可以设定为如下条件：

$ {P_B} \leqslant P_V^{}{\text{，}} $

(2)

若令无量纲系数为：

$ \sigma=\frac{{{P_B} - {P_V}}}{{1/2\rho {V^2}}}{\text{，}} $

(3)

则产生空泡的条件可改写成：

$ \xi \geqslant \sigma{\text{。}} $

(4)

式中，δ为衡量桨叶上某处是否发生空泡的系数，故常称为空泡系数。

1.2 涡空化噪声

所谓涡即是旋转的流，在螺旋桨的尾流中，常常会产生与升力和阻力有关的涡系^[4-5]。由于旋转和离心力的作用，旋涡内的压力会远远小于旋涡外的海水压力，并且压力下降与涡的强度呈现正相关性，当涡内的压力小于当前水温下的饱和蒸汽压力时，就会产生空化气泡。由于螺旋桨涡系在潜艇航行的各种深度下是普遍存在的，所以涡空化噪声通常是重要的空化噪声源。

当潜艇尾部的螺旋桨转动时，在螺旋桨桨叶的随边会产生泄出涡（也称自由涡），如图3所示。从涡空化示意图中可明显看到，泄出涡产生后在不远处会形成2个交织的旋涡。潜艇航行过程中，螺旋桨的运动可以分解为2种运动，一是本身的圆周运动，二是螺旋桨随潜艇直航时向前的运动。因此螺旋桨的实际运动呈现螺旋形状，所以说在螺旋桨桨叶的随边产生的泄出涡也会呈现螺旋状。用环流理论来解决螺旋桨问题时，一般采用升力面方法，这种方法用离散化的、集中在螺旋桨拱弧面网格上的涡元及源元近似地代替桨叶上连续分布的涡及源汇。对每个奇点元，首先求出每个奇点元的诱导速度，然后对有限个基本解进行迭加，即可得出控制点处产生的总诱导速度^[6-7]。

理论分析和实艇试验表明^[8]，螺旋桨叶梢涡空化较叶根涡空化更易产生，且是涡空化噪声的主要噪声源。文献[9]的计算方法计算潜艇螺旋桨旋转产生的泄出涡内的压力降值。根据海水的汽化压力从而确定螺旋桨不同工况下的临界空化深度。表2为模型潜艇主机在标准工作制下数值计算得出的不同深度临界空化速度值和螺旋桨转速值。可以看出，深度95 m时，潜艇航速达到10 kn（螺旋桨转速119 r/min）时，螺旋桨产生空化现象；潜艇浮至9 m时，潜艇在4 kn航速（螺旋桨转速280 r/min）时就会产生空化现象。可以看出，潜艇的航行深度越小，螺旋桨临界空化速度越小。可见，潜艇越接近海面，越容易产生空化现象。

图4为临界空化速度计算值和试验值的比较，可以看出，本文计算值与实验值相比是非常接近的。

潜艇在航行过程中，任何状态的改变（如变向、变速、变深以及姿态改变等）势必会导致潜艇艇体及尾部螺旋桨周围的海水流场发生改变，更进一步还会影响螺旋桨临界空化速度。本文将潜艇最大小噪声航速限定为0.8倍的螺旋桨临界空化速度，如表2所示。文献[9]指出，这样可有效地抑制空化噪声。表3为计算得出的不同深度最大小噪声航速。

2 潜艇螺旋桨噪声特性分析 2.1 进推比对临界速度的影响

随着潜艇航行时间的增加，艇内机械设备随着工作时间的增加会不断损耗。另外附着在艇体表面的海中水生物也会日益增多，因此螺旋桨进推比会随着潜艇服役时间的增长产生比较大的变化，因此明确螺旋桨进推比对潜艇临界航速的影响也是非常必要的。

进程h_p与潜艇螺旋桨直径D的比值称为进推比^[10]，以J来表示，即

$ J=\frac{{{h_p}}}{D}=\frac{{{V_A}}}{{nD}}{\text{，}} $

(5)

式中，进程h_p为潜艇进速V_A与螺旋桨转数n的比值：

$ {h_p}=\frac{{{V_A}}}{n}{\text{。}} $

(6)

螺旋桨进推比越大，说明潜艇遇到的阻力越小；相反，若螺旋桨进推比越小，则表示潜艇遇到的阻力越大。图5为进推比分别等于0.41和0.52时某型潜艇的空化速度的曲线。可以看出，进推比降低，会导致螺旋桨空化明显加剧，即在同一航速下，临界空化深度变大；在同一深度下，临界空化速度变小。这就要求潜艇经常除垢除锈，保持艇体表面的清洁，以减小艇体的阻力，增加进推比。

2.2 异常深度效应

图6为某型潜艇噪声与深度关系的实际试验数据。从图中可见，高频噪声级有一个极大值（见螺旋桨转速为380 r/min时的曲线）。当潜深较小时，海水压力较低，这时潜艇噪声级随海水静压力的增加而升高。但是随着潜艇速度的提高，噪声可能会随着潜深的增加而升高，而不是与预期的一样随着潜深的增加而降低，这种现象称之为异常深度效应。对异常深度效应可以做如下解释：当海水静压力相对比较低时，随着潜深的增加，海水静压力虽然会有所增加，但是静压力的增加不足以大到能够抑制螺旋桨空化的发生，并且增加的静压力反而使生成的气泡加速破裂，最终会使得高于峰值频率所辐射的能量有所增加。以上对螺旋桨空化噪声的分析尽管稍显简单，但仍然提供了得以说明异常深度效应，以及说明与空化噪声有关的实验数据的一个合理的解释。

为了降低潜艇被发现概率，在实际的战术机动中，满足水文条件的前提下，潜艇的航行深度应尽量选择在能够抑制螺旋桨空化的深度，但应充分考虑异常深度效应，否则，结果可能会适得其反。如在35 m深度以6 kn速度航行，此航速下的临界深度为55 m。此时为达到战术目的，需保持6 kn航速。为了减小空化噪声能级，下潜到45 m深度仍以6 kn航行，由于异常深度效应，螺旋桨空化噪声能级可能反而会增大。因此在实际操艇过程中，为保持隐蔽，应以某深度下的最小噪声航速航行，否则加大下潜深度至此航速下的临界水深，避免因异常深度效应而使潜艇暴露。

3 空化前后敌我发现概率计算

根据螺旋桨空化产生前后的声压能级及作战目标的声压能级，对螺旋桨空化对潜艇被发现概率的影响进行以下定量分析。作战态势设置如下：

研究对象为模型潜艇；

作战对象为模型驱逐舰；

作战海区为水深60 m，水温 ${14^ \circ }C$ 。

作战模拟条件设置：

1）阵地

宽度=巡逻长度+2倍声呐作用距离；

长度=2倍的本艇声呐作用距离。

2）潜艇在阵地内作往返式机动，机动过程中潜艇声呐全时开机值更，机动深度设定为35 m，速度设定为未空化前3.5 kn及空化后5 kn。

3）水面舰船的初始状态为：航速18 kn，航向随机产生，初始位置距我潜艇初始位置点的距离为我声呐2倍作用距离。

声呐方程反映了声呐的观测能力^[11-12]。在观测过程中声呐使用主、被动工作方式。

被动声呐方程为：

$SL - TL - (NL - DI)=DT{\text{，}}$

(6)

主动方程为：

$SL - 2TL +TS - (NL - DI)=DT{\text{。}}$

(7)

式中：SL为目标辐射噪声声源级。由目标舰艇产生的机械噪声、螺旋桨空化噪声和水动力噪声组成；TL为声传播损失，声能在海水介质中传播时的能量损失；NL为自噪声，本艇产生的噪声；DI为方向性指数，反映水听器从噪声背景下提取信号的能力，指向水听器输出信噪比比无指向水听器输出信噪比提高的分贝数；模型驱逐舰的拖曳线列阵的长度设置为100 m，DI值为35 dB，模型潜艇的DI值设置为25 dB。DT为检测阈，指观察者在预定检测概率下刚刚能够判决目标存在时，作用于声呐接受机输入端的以分贝表示的输入信噪比：

$ DT=10\log {\left(\frac{S}{N}\right)_\lambda }{\text{，}} $

(8)

在同样发现概率50%条件下，DT值与信号处理技术水平、声呐兵技术水平、训练水平及实践经验有关。文中模型驱逐舰的DT值设为2 dB，某型潜艇声呐的DT值设置为5 dB。

TS为目标反射强度，反映回波信号的强弱。与目标的几何形状有关。

由声呐方程可以看出声呐发现目标概率取决于目标特性、信号传输信道和判决系统，所以观察发现模型包括目标模型、信道模型和检测模型组成。在对抗中双方都在搜索对方，以上所述模型适应于模拟双方。

传播损失模型：

$ TL=20\lg r +\alpha r +65.3(db){\text{，}} $

(9)

其中，α=0.01458。

下面是模型驱逐舰和模型潜艇的一组辐射噪声数据：

模型驱逐舰 SL为138 dB（18 kn航速）；

模型潜艇 SL为130 dB（3.5 kn航速）；

147 dB（5 kn航速）。

若水面舰艇采用主动搜索方式，需计算潜艇的反射强度。一般目标的反射强度可用蝴蝶形分布曲线近似表示：

$ TS=T{S_0}(16.7 - 3\cos 2\beta - 3\cos 6\beta )/22.2{\text{。}} $

(10)

式中： $\beta $ 为声波入射舷角； $T{S_0}$ 为目标正横反射强度；

根据模型及态势，采用Visual C++进行编程模拟计算，每种态势模拟1 000次。当潜艇以空化产生前3.5 kn航速航行时（该航速下螺旋桨还未产生空化现象），潜艇对敌方驱逐舰的搜索发现概率大约为27%，被敌方驱逐舰的发现概率为60%；当潜艇以5 kn航速航行时（该航速下螺旋桨已经产生空化现象），潜艇对敌方驱逐舰的搜索发现概率约为7%，被敌方驱逐舰的发现概率约为82%。可以看出，螺旋桨空化前后对敌搜索发现概率大幅减小，同时被发现概率显著增大，这足以说明螺旋桨空化噪声对潜艇隐蔽性影响之大。为应对螺旋桨空化带来的影响，潜艇指挥员应时刻明确本艇当前是否处于螺旋桨空化状态。因此为保持隐蔽性，潜艇指挥员在操纵控制潜艇过程中，应以不高于当前深度下的最小小噪声航速的速度进行航行机动。同时还要特别注意异常深度效应的影响，避免由于异常深度效应的影响而使潜艇增加被敌发现的概率。

4 结　语

潜艇螺旋桨空化噪声是影响潜艇隐蔽性的主要噪声源之一，而速度是对潜艇螺旋桨空化噪声影响最为显著的因素，准确计算出潜艇在不同深度下的临界空化速度对提高潜艇的隐蔽性具有重要意义。通过本文的研究与分析，可以总结得出如下结论：

1）由于异常深度效应的影响，有时加大下潜深度反而会使螺旋桨噪声能级增加。为了抑制空化噪声的产生，应以不高于当前深度下的最小小噪声航速的速度进行航行机动。

2）潜艇在加速或转向过程中，会使螺旋桨的尾部流场发生紊乱，从而使螺旋桨的环流发生变化，加速空化的产生。潜艇在跟踪解算敌目标要素时，应尽量减少变向变速的次数，以降低加速过程中的辐射噪声。

3）在潜望深度螺旋桨极易产生空化，潜艇对水面舰船进行鱼雷攻击或进行规避时，应尽量避免在潜望深度进行。战时，潜艇在潜望深度航行时应尽量采用经航电机航行，减小螺旋桨空化噪声。