0 引　言

唱音（又称鸣音）是船舶螺旋桨故障形式之一，它是一种典型的卡门漩涡诱发的流固耦合振动现象。出现螺旋桨唱音时，人在船舶尾部现场能直观听到异常声响。在没有经验或没经过专业测试的情况下，船方及修理人员往往会怀疑艉轴存在问题，进而开展艉轴检查，导致问题既不能得到有效解决，又浪费许多不必要的人力物力。及时准确诊断出船舶尾部异常噪声问题是螺旋桨唱音，有助于减少修理周期和提高修理经济效益。

对于螺旋桨唱音，当前没有明确统一的测试与诊断规范。魏以迈等^{[1 − 2]}在国内较早对螺旋桨唱音机理及消除方法进行试验研究，通过试验总结了船舶螺旋桨唱音振动噪声特征，其中锁频现象被认为是唱音问题的重要特征之一。然而，令人遗憾的是，其研究未提供详细实船的测试信息，且数据分析集中于频域领域。目前公开报道的船舶螺旋桨唱音案例中，多数是通过转舵试验并附加轴系检查间接确认螺旋桨唱音存在^{[3 − 9]} ，较少见到基于锁频现象诊断案例。目前，螺旋桨唱音研究主要集中在消除方法及理论预报方面，现场故障诊断文献相对较少^{[10 − 12]}。

笔者在工作中曾遇到船舶螺旋桨唱音问题。对该例问题并不是通过转舵试验进行判断，而是通过一系列振动噪声测试发现锁频现象而予以确认的。此外，测试中还发现了一些未被业内人士重视的时频特征。考虑到类似诊断分析在公开报道文献中鲜见，该诊断实例具有参考价值，本文拟结合工作实际对该例故障进行剖析，并就船舶螺旋桨唱音测试与诊断阐述个人认识。

1 故障实例 1.1 问题背景

据某船反映，该船自使用以来，在航行过程中时常能听到左侧尾部存在异常声响（其中，在左尾部压载舱上方舱室及左推进机舱感受较为明显）。船方怀疑艉轴运行状态异常，要求开展振动噪声测试，协助排查问题原因。该船是一艘投入使用不久的双机、双桨、双舵新船。推进装置由推进电机、高弹性联轴器、推力轴承、艉轴、艉轴管轴承、螺旋桨组成。推进电机、高弹性联轴器、推力轴承布置在尾部两侧的左、右推进机舱。推进机舱后部为压载舱，艉轴机械密封装置安装在推进机舱与压载舱之间的水密舱壁上。艉轴管一端与机械密封装置相连，另一端贯穿压载舱并延伸至艉端，艉轴管内部安装有多道水润滑轴承。艉轴与推力轴承相连，并穿过艉轴管伸出舷外，末端安装螺旋桨。

1.2 数据采集 1.2.1 分析策略

考虑到缺少该型船技术标准和参考数据作分析依据，加上尾部异常振动噪声只是存在于左侧尾部，拟采用比较法进行问题分析，即：以右侧数据为参考，对比分析左侧相同测点相同工况下振动噪声数据（必要情况下，测量同型船数据用于参考）。

1.2.2 传感器布置

为满足比较分析需要，应在左、右侧相同部位对等布设噪声传感器和振动传感器。具体布设情况：

1）由于船员对尾部异常噪声感受始于空气声，在尾部压载舱上方舱室中央布设声压传感器，用于测量分析异常噪声成分；

2）考虑到尾部压载舱上方舱室空气声来源于舱室底部船体结构振动激励，在舱室底部刚性结构部位布设振动加速度传感器，测量横向、垂向、纵向振动；

3）鉴于船员怀疑艉轴状态可能异常，在推进机舱艉轴机械密封装置、推力轴承部位布设振动加速度传感器，测量水平径向、垂直径向、轴向振动；

4）为了排除推进电机是否为异常声响来源，在电机输出端布设加速度传感器，测量水平、垂向、纵向振动。

1.2.3 数据采集参数

采用分布式多通道数据采集分析系统同步采集左、右侧各部位传感器数据。振动加速度传感器分析频率范围为0.5～1000 Hz，声压传感器分析频率范围为20～20000 Hz。测量工况为20～120 r/min 范围内常用转速工况，并在船方反映异常声响工况区间（50～75 r/min）加密测量。

1.3 数据分析

对比分析左、右两侧相同测点在相同转速工况测试数据，发现具有如下规律：

1）左侧尾部压载水舱上部舱室在55～65 r/min转速工况区间A计权总声压级明显大于右侧，其中在60 r/min 转速工况左侧总声压级达到最大，并且与右侧差异最大如图1所示。

2）分析55~65 r/min 转速工况区间左侧尾部压载水舱上部舱室三分之一倍频程声压级谱，均以中心频率200 Hz 频带声压级最大。对比左、右侧数据，在58～62 r/min转速工况区间，左侧舱室中心频率200 Hz 频带声压级远大于右侧如图2所示。

3）对比左、右推进机舱对应测点不同工况下振动速度有效值（0.5～1000 Hz），左侧艉轴管机械密封装置轴向、推力轴承轴向测点在55～65 r/min转速区间振动明显大于右侧，其中以推力轴承轴向在61 r/min转速差异最大，如图3和图4所示。

4）对比分析左、右推力轴承轴向在不同转速下三维频谱瀑布图，55～65 r/min转速区间左推力轴承在200.0 Hz附近具有明显振动分量，且幅值远大于右侧（左推力轴承在61 r/min转速下该分量幅值达到最大），而在其他转速下两侧均未见此分量，如图5所示。

5）进一步对比左推力轴承在55 r/min、61 r/min、65 r/min转速工况下的振动频谱，如图6～图8所示，其振动主频分别为200.36、200.46、200.65 Hz。从55～65 r/min，转速变化率为18.2%，而从200.36～200.65 Hz，频率变化率仅为0.094%，可认为55～65 r/min转速区间振动主频基本不变。

6）在61 r/min转速，左侧艉轴密封装置轴向、推力轴承轴向时域波形存在明显幅值调制现象（推力轴承轴承轴向更为明显），调制频率对应轴频2倍，载波频率为200.46 Hz，而右侧对应测点却不存在此现象，如图9和图10所示。

7） 进一步细化分析图7左推力轴承在61 r/min振动频谱，发现存在边频现象。除200.46 Hz振动分量外，还有202.46 Hz振动分量，两者频率间隔对应轴频2倍，如图11所示。

8）左、右推进电机测点振动无显著差异。

1.4 诊断结论

从总声压级及振动速度有限值随转速变化规律看，左侧相关测点在55～65 r/min转速区间出现了类似共振的异常现象；从舱室三分之一倍频程声压级谱及振动频谱随转速变化规律看，左侧相关测点在55～65 r/min转速区间具有明显的频率自锁现象。考虑到异常振动现象主要出现在轴向，与推进方向一致，并且在推力轴承轴向现象最为明显，判断问题大概率出现在螺旋桨上。螺旋桨使用中出现类似共振现象，基本上是螺旋桨唱音问题所致，200.4 Hz极有可能为左螺旋桨桨叶模态频率点。在55～65 r/min转速工况区间，左螺旋桨桨叶随边的卡门涡街释放频率接近该频率点，导致螺旋桨产生唱音问题。

该问题对船体结构安全不会产生实质性影响，但噪音污染会给船员正常工作生活带来困扰。因此，建议船方协调厂家进行问题排查与治理。

1.5 问题排查及修后测试

针对监测中发现问题，船方协调厂家排查，检查发现左螺旋桨存在异常：① 一处桨叶叶梢出现缺损；② 一处桨叶中部出现裂纹；③ 一处桨叶根部出现裂纹。由于左螺旋桨叶多处出现裂纹，其结构强度已严重受损，该桨已不具备修复价值，故采取换桨处理。换桨后再次开展试航监测，左尾部原有异常振动噪声消失，问题得到解决。

螺旋桨检查结果，以及换桨后异常振动噪声消失，均证实了先前有关螺旋桨唱音故障诊断结论。据船方反馈，55 ～65 r/min包含常用工况。左螺旋桨长时间工作在该常用工况运行，桨叶会因卡门漩涡引发特定模态振型振动。由于长时间出现过大幅值振动，桨叶会出现结构疲劳，在结构强度薄弱部位或应力集中部位产生裂纹，甚至产生断裂。

2 螺旋桨唱音故障特征及相关机理 2.1 故障特征

综合测试数据及故障螺旋桨检查结果，可归纳本例螺旋桨唱音故障特征如下：

特征1　出现唱音时，该现象将在相当大的转速范围内持续，且振动噪声主频基本上不随螺旋桨转速而改变（此即为频率自锁现象）。

特征2　出现唱音时，艉轴管附近及推力轴承测点振动并不是严格的单频振动，而是会出现以桨叶共振频率为中心的边频带，边频分量间隔频率为轴频或为其倍频。其中，以桨叶共振频率分量幅值最大；部分边频分量较为明显，不能被忽略。

特征3　从时域波形角度观察，出现唱音时，由艉轴传递至推力轴承及尾部船体的桨叶涡激振动受艉轴转动调制，会出现调制现象，其载波频率为桨叶固有频率，调制频率为轴频或为其倍频。

特征4　尾部船体结构及艉轴多部位均能感受到螺旋桨唱音传递的振动噪声。对电推进船舶而言，由于推力轴承距螺旋桨相对较近，推力轴承是感受螺旋桨唱音最敏感位置，其次是艉轴机械密封装置附近，且感受的螺旋桨唱音振动最为明显的方向为轴向。

在以上特征中，特征1与文献[1 − 2]描述的频率自锁现象一致，是判断螺旋桨唱音问题重要特征；特征2～特征4均未被阐释。

此外需说明的是，由于现场采集数据时未意识到螺旋桨可能存在唱音问题，未开展转舵情况下振动噪声测试，故无法验证转舵试验现象。但考虑到其他文献已证实该方法，因而也将其列为螺旋桨唱音基本特征之一。该方法基本原理如下：若船舶正舵直线时出现螺旋桨唱音，转舵会改变船后伴流场，进而影响螺旋桨桨叶随边卡门漩涡释放频率，由于漩涡释放频率偏离桨叶模态频率点，桨叶不再出现因涡致作用引发模态振动，即唱音现象消失。

2.2 相关机理讨论 2.2.1 频率自锁机理

螺旋桨唱音状态下的桨叶振动问题不能简单看成是强迫振动理论下共振，因为按照强迫振动理论，结构振动响应频率跟随激励力频率，与频率自锁现象矛盾。这一说法只看到了流体漩涡释放对桨叶作用，却忽视了桨叶振动对流体影响，割裂了流体与桨叶的耦合关系。实际上，螺旋桨唱音状态下的桨叶振动应将其视为流体漩涡诱导下的桨叶自激振动，该自激振动系统模型如图12所示^[13]。

对螺旋桨唱音频率自锁现象机理解释应基于上述自激振动模型。假设桨轴转速由低到高逐步变化，整个过程分3个阶段：

1）当桨轴旋转导致漩涡释放频率离桨叶振动模态频率点较远时，桨叶随边振动响应较小，对桨叶尾流及其漩涡释放几乎不产生影响。此时，桨叶振动响应频率跟随漩涡释放频率，并与桨轴转速相关。

2）当桨轴转速增加导致漩涡释放频率接近桨叶振动模态频率时，桨叶振动响应大幅上升，尾流漩涡释放频率受桨叶随边振动胁迫影响，并以变动升力形式反馈作用至桨叶上，从而形成桨叶自激振动（即螺旋桨出现唱音）。该反馈作用具有负阻尼效应，促使桨叶持续不断从流体中吸收能量，维持自激振动。当桨叶形成自激振动后，即使桨轴转速缓慢上升，桨叶振动与流体漩涡释放均试图维持原有自激频率。此时，尾流漩涡释放频率不再按原有规律跟随桨轴转速升高而同步增加，而是呈现极为缓慢的增加；受此影响，桨叶自激振动频率则追随尾流漩涡释放频率而缓慢增加。最终，桨叶自激振动频率随桨轴转速升高而极为缓慢增加，从而呈现为频率自锁现象。在这过程中，桨叶振动幅值与自激频率接近模态频率程度及负阻尼相关。受自激振动负阻尼效应影响，振幅最大值点并不一定是模态频率点，但接近模态频率点。

3）随着桨轴转速增加，桨叶自激振动频率缓慢越过模态频率点，并离模态频率点越来越远，此时桨叶振幅逐渐减少。当桨叶振幅减少到一定程度，桨叶尾流漩涡释放频率受桨叶随边振动胁迫影响效应消失，由此桨叶自激振动消失。桨叶尾流漩涡释放随桨轴转速变化恢复到原有规律，即桨叶尾流漩涡释放频率随桨轴转速呈明显同步变化关系。

2.2.2 调制现象机理

螺旋桨桨叶振动噪声传递至船体具有如下路径：1）通过流体以表面力的形式作用在尾部船体上；2）通过桨轴并经艉轴管内轴承传递至船体上；3）通过桨轴并经推力轴承传递至船体上。其中，在后2种路径中，桨叶振动噪声在传递过程中会受艉轴旋转过程中产生的轴承力作用影响。螺旋桨出现唱音时，桨叶在某一阶模态固有频率点振动，其振动信号为单频余弦信号，设其为：

$ g(t) = A{\text{cos}}(2{\text{π }} {f_n}t + {\phi _0})。$

(1)

式中：$ A $为桨叶振动信号幅值；$ {f_n} $为桨叶某阶模态固有频率；$ {\phi _0} $为初相角。

设轴承作用力信号为：

$ e(t) = 1 + \beta \cos (2{\text{π }}{f_e}t) 。$

(2)

式中：$ \beta $为辐值调制信号；$ {f_e} $为桨轴旋转频率。

由桨轴传递至船体上的桨叶振动信号为：

$ \begin{split} x(t) =& g(t) \cdot f(t) = A{\text{cos}}(2{\text{π }}{f_n}t + {\phi _0}) + \\ &A\beta /2\cos [2{\text{π }}({f_n} + {f_e})t + {\phi _0}] + \\ &A\beta /2\cos [2{\text{π }}({f_n} - {f_e})t + {\phi _0}]。\end{split} $

(3)

根据式(3)，经桨轴传递至船体上的桨叶振动信号除包含桨叶振动原始余弦信号，还包含2个频率成分别为$ {f_n} + {f_e} $和$ {f_n} - {f_e} $余弦信号（分布在$ {f_n} $两侧，称上下边频带）。以上只是简单说明螺旋桨唱音调制现象机理，实际上轴承作用力调制信号比式(2)复杂，但仍为桨轴旋转周期的谐波信号，桨叶振动信号被调制后依旧具有边频现象，只是边频分布及幅值更为复杂。

2.2.3 推力轴承轴向振动大原因

当螺旋桨出现唱音时，推力轴承除承受艉轴传递的螺旋桨推力外，还要承受由桨叶涡激振动产生的并通过艉轴传递的固体弹性波（又称结构声），进而在该部位出现振动响应。相比海水，金属固体传声速度快、能量损失小，加上桨叶与推力轴承之间的轴长度相对较短，因而推力轴承是感受螺旋桨唱音最为敏感部位。此外，螺旋桨桨叶涡激振动产生的变动升力垂直随边的方向上，该力作用方向与螺旋桨桨叶运行中产生的推力一样沿着桨轴方向，而推力轴承承力方向主要为轴向，故螺旋推力轴承轴向振动响应明显大于其他方向。

3 唱音问题诊断的测试分析要点

除螺旋桨唱音外，船舶尾部出现异常振动噪声还具有多种原因，如螺旋桨及艉轴缠绕渔网等异物、艉轴轴承润滑不良或混入异物、桨叶变形或断裂、尾部船体结构异常引发水动力噪声、尾部机电设备状态异常等。它们与螺旋桨唱音在问题表象方面存在相似之处，但在原因机理方面却又具有本质却别。能否在众多可能性原因中准确诊断出螺旋桨唱音问题，关键在于数据采集分析过程中能否有效提取到螺旋桨唱音主要故障特征。总结前文实例，需要把握好以下测试分析环节。

1）根据尾部振动噪声现场感受及可能来源，选择合适传感器并在敏感部位布设，其中：① 在人耳感受明显部位布设声压传感器；② 在可能激励空气声船体结构部位布设振动传感器；③ 在螺旋桨唱音桨轴传递路径重点布设振动传感器（推力轴承部位是重点）；④ 在轴系上按照转速传感器，以便准确掌握桨轴转速。如图13所示，螺旋桨唱音时产生的结构声通过桨轴传递给尾部船体的路径依次为艉轴管后轴承、艉轴管前轴承、艉轴密封装置、推力轴承，为更好感受螺旋桨结构声，可直接在这些部位布设振动加速度传感器，分别测量水平径向、垂直径向、轴向振动。一般而言，在推力轴承、艉轴密封装置部位布设传感器相对容易，而直接在艉轴管前、后轴承部位布设传感器存在困难。鉴于现场实施难度，也可退而其次，考虑在艉轴管上方舱室对应艉轴前、后轴承舷侧肋骨部位布设振动加速度传感器，分别测量横向、垂向和纵向振动。需说明的是，在推力轴承和艉轴密封装置部位布设水平径向和垂直径向测点传感器时，单轴加速度传感器除分别保持水平和垂直状态外，还要保证传感器轴线方向正对旋转轴中心；布设轴向测点时，要求单轴加速度传感器不仅与旋转轴中心线平行，还要保证两者处于同一高度。

2）合理设置采集参数，并根据现场测试情况适当调整。既要考虑足够宽的频率分析范围，还要具有足够高的频率分辨率。空气噪声测量与振动测量在频率分析范围与频率分辨率具有不同侧重点：前者要求较宽频率范围，以确保不遗漏异常频率成分，而后者要求较高的频率分辨率，以保证在桨轴转速较低情况能较好识别出以转频为间隔的边频成分。上述不同要求具有一定矛盾性，难以在同一的参数设置中满足要求，可考虑以下解决问题方式：① 采用具有变时基多重采样的数据采集分析系统（如DASP系统），实现噪声与振动不同速率采样；② 采用2套采集分析系统，分别采集噪声与振动数据。本文案例采用DASP系统变时基多重采样技术实现空气噪声与振动数据分别采样，其中空气噪声数据采样频率为25600 Hz，振动数据采样频率为2560 Hz。此外，考虑到螺旋桨最低转速为20 r/min，对应转频为0.33 Hz，如果要在振动数据分析中观察到以此转频为间隔的边频分量，频率分辨率至少要小于0.167 Hz。为保证良好分析效果，频率分辨率还要进一步提升，这意味着采样周期需要延长（采样周期与频率分辨率互为倒数关系）。本文以2560 Hz采样率采集了60 s振动数据，频谱分析中频率分辨率可达到0.0167 Hz，能较好满足边频分析需要。

3）选择恰当参考数据用于对比分析。由于没有明确数据标准和相关技术文件作依据，难以直接评判异常振动噪声是否超标或者是确定异常振动噪声成分，问题分析更多依赖比较法。其中，参考数据有以下类型：① 对于双机双桨左右对称布置，若另一侧振动噪声状况正常，应采集该侧对应点相同工况数据作参考；② 问题船舶在振动噪声正常情况下的历史监测数据（要求同测点同工况）；③ 同型船相同工况相同测点数据。

4）针对频率自锁现象分析需要，采集不同转速下振动噪声信号，并进行以下分析：① 对比分析总声压级、振动总值随转速变化情况，确定异常振动噪声发生的转速区域范围；② 在异常转速工况区域对比相同测点空气噪声三分之一倍频程声压谱，确定异常噪声成分，并分析异常噪声成分随转速变化关系；③ 在异常转速工况区域对比相同测点振动频谱，确定异常振动成分，分析异常振动成分随转速变化关系。

5）在确定存在频率自锁现象基础上，还需开展如下分析：在异常振动噪声最明显转速工况，频谱中是否存在明显边频，时域波形是否出现调制现象（调制波频率为轴频或其倍频），与参考数据差异最大的振动测点是否为推力轴承轴向测点等。该项内容分析极为必要，因为频率自锁现象只意味着结构体存在涡致自激振动（船体尾部流体激励开口腔体噪声也具有类似机理振动问题），问题是否出现在桨轴上还必须通过上述特征进行确认。

6）鉴于转舵试验也是螺旋桨唱音重要特征，在进行完不同转速工况下直线航行试验后还应进行转舵试验，并在转舵试验中采集振动噪声数据，确认振动噪声频谱中是否依旧存在唱音频率成分，从而在另一角度佐证唱音故障存在。

4 结　语

结合工作实际，本文介绍一起船舶螺旋桨唱音故障诊断实例，并对实例中的唱音故障特征及相关机理进行了总结与分析，最后围绕唱音故障特征提取论述了测试分析要点。与多数国内公开报道的实船螺旋桨唱音故障不同，本文实例不仅说明了频率自锁现象存在，而且还发现螺旋桨唱音问题分析中未被业内人士重视的波形调制及边频现象。

通过文中分析，到以下基本认识：1）螺旋桨唱音具有多重特征反映，应综合频域、时域及其他特征进行多信息融合分析，才能有效区别其他故障原因，从而更为准确地诊断出螺旋桨唱音问题；2）在螺旋桨唱音频率自锁现象中，振动主频并不是绝对意义上地固定在模态频率点，而是会随着桨轴转速在模态频率附近出现数值细微变化，其变化率远小于桨轴转速变化率；3）螺旋桨唱音貌似结构共振，但其本质是卡门漩涡诱导下的流固耦合自激振动。

本文对螺旋桨唱音诊断方法与实船常用的转舵试验法存在本质区别。鉴于类似诊断实例较少，文中所述船舶螺旋桨唱音诊断实践及相关认识可供业内人士参考。需要说明的是，本文有关螺旋桨唱音问题的认识是基于电力推进船诊断实践而研究得来的，而常见的非电力推进船是否具有完全相同的故障特征规律，还需通过实践予以确认。非电力推进船推力轴承一般集成在主机舱齿轮箱或推进主机上，轴系普遍较长，从理论上讲推力轴承部位对螺旋桨唱音响应可能不如电力推进船舶敏感，且响应问题分析易受动力系统其它振动噪声干扰。因而，在诊断其他船型螺旋桨故障时应注意这一差异影响。