2025, Vol. 47
2. 海洋信息获取与安全工信部重点实验室（哈尔滨工程大学），黑龙江 哈尔滨 150001;
3. 哈尔滨工程大学，水声工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
2. Key Laboratory of Marine Information Acquisition and Security(Harbin Engineering University), Harbin 150001, China;
3. College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
低频线谱噪声作为水下航行器的关键声学特征，不仅显著增大目标可探测性，还会对载体声呐系统的探测效能产生双重影响：一方面缩短有效探测距离，另一方面降低目标参数估计精度。从噪声源构成维度分析，水下航行器辐射噪声主要包含3类声学特征：由机械振动引发的结构体共振辐射噪声、推进器空化效应产生的周期脉动噪声以及湍流边界层流场作用引发的宽频流体动力噪声。这种多源耦合的噪声场在低频段呈现显著线谱特性，成为制约平台声隐身性能的关键因素[1]，船舶航行时辐射噪声以机械振动噪声为主，螺旋桨噪声次之。随着主被动振动控制技术的发展，机械噪声得到有效抑制，导致螺旋桨噪声成为船舶辐射噪声的主要成分[2]。
船舶艉部螺旋桨在水下产生流体动力噪声，受自身承重与内部空间限制，有源噪声控制方法是目前控制低频段噪声的主要手段[3]。Sascha Merz等[4]通过实施主动控制算法，有效抑制了螺旋桨空化效应引发的船体结构声辐射，并系统分析了不同控制策略对远场辐射声功率谱的调制规律。针对传统螺旋桨噪声主动控制系统中次级声源数量冗余、控制架构复杂等问题，Kusni等[5]提出基于多极次级源的优化布放方案，在自由声场条件下实现了对主声源辐射噪声的有效抑制。针对水下螺旋桨辐射噪声的主动控制研究表明，其线谱噪声具有显著物理特性：频率分布呈现高度稳定性，幅值随转速呈现周期性调制规律，且线谱成分集中于各阶叶频及其谐波分量[6]。这些特性为建立精确的噪声辐射模型提供了理论基础，进而支持主动控制算法的开发与仿真验证。基于螺旋桨辐射噪声谱的时频演化规律，郑援等[7]构建了融合随机噪声与周期信号的复合噪声模型，通过仿真-实测数据对比发现，模型在线谱频率处与实测声场具有显著相关性。进一步研究表明，该建模方法结合主动噪声控制系统，可在低频段实现特定空间域内噪声能量的有效衰减。伭炜等[8]针对舰载声呐平台自噪声问题，开发了基于自适应滤波算法的有源抵消系统。水池实验验证了水下复杂声场中自适应算法的实时跟踪能力。穆青[9]通过系统分析螺旋桨噪声的调制特性，提出基于频率估计的自适应陷波控制策略。湖试结果表明，该算法在次级声源布阵方向可形成降噪区域，为低频线谱分量的空间域控制提供了新方案。胡鹏涛等[10]从各个角度出发，对舰船噪声频带级限值线模型的声隐身性能进行了更为完备的评估。
尽管有源噪声控制理论已形成系统性框架，但针对水下航行器的低频远场辐射噪声抑制仍存在本质性挑战。受载体运动状态及海洋环境约束，远场误差传感器无法有效布放，迫使控制系统需通过近场或结构表面振动信号重构远场声学特征。然而，在近场声传播路径中，结构振动诱发的辐射声压呈现空间驻波分布特性，同时海洋波导环境中的界面反射导致声场呈现多模态耦合的复杂特性[11]。这种空间声场的非平稳性，使得基于近场声压反馈的传统控制方法难以准确预测远场噪声分布，且声场调控效果缺乏有效评估手段。
张旭阳[12]构建了基于法向声能流的自适应声场调控系统，通过数值仿真研究验证了该算法在典型海洋信道中的有效性。对比实验表明，该法在远场辐射噪声抑制方面较传统声压反馈系统具有显著优势，在低频段可获得不错的降噪增益。李文煜[13]针对水下航行体低频声辐射问题，创新性地提出双水听器法向能流估计技术，并开发了相应的自适应控制算法。数值分析显示，该方法在复杂流场条件下仍能保持稳定的控制鲁棒性，为工程应用提供了理论支撑。李占国[14]的研究聚焦于近自由面弹性结构的声辐射控制，通过对比实验证明，基于法向声能流的控制系统在误差点声压级和远场观测面噪声分布2个维度上，均展现出优于传统算法的降噪性能。张雪松等[15]进一步拓展了法向能流控制理论，提出基于近场声能流重构的远场噪声调控策略。测试结果表明，该法在低频段内可实现远场线谱噪声的定向衰减，为低频噪声的空间域控制开辟了新路径。本文方法以结构近场的法向声能流作为控制物理量，利用有源控制系统自适应调节次级声源，抑制结构法向方向上的能量传播，实现远场低频辐射噪声控制。
综上所述，有源噪声控制对水下航行器螺旋桨噪声控制有着显著效果，在航行器表面配置次级声源与误差传感阵列的条件下，通过融合声压场与结构振动速度场信息构建的声能流积分算子，能够实现对辐射声能空间分布特性的精确重构，相比单一物理量测量具有更高的能量表征完整性。本文针对船舶螺旋桨远场低频线谱辐射噪声的控制问题，提出基于近场法向声能流的噪声自适应控制方法。该方法以结构近场法向声能流作为控制量，利用有源控制系统自适应调节次级声源，抑制结构法向声能量传播，实现远场低频辐射线谱噪声控制。
1 船体有限元模型本文以船体模型为研究对象，采用Comsol有限元软件建立其声学仿真模型。船体模型长为7.025 m，宽为1.5 m，高为0.6 m，船体为钢材质，空载吃水为0.272 m，船尾处设置主声源点模拟螺旋桨向外辐射声场。
将船体模型置于球形物理场中，上半场物理为空气域，下半物理场为水域，分界线位于吃水线处，空域使用边界条件设定上半无限远为空气，下半无限远为水。
利用螺旋桨仿真信号确定主声源信号，螺旋桨模型选用MAU-5，直径为0.245 m，螺距比为（0.7r）1.121，盘面比为0.8，叶片数为5，纵倾角为10，毂径比为0.173。
网格划分计算水，空气，与船体在最大频率下波长，体网格波长由声速与最大计算频率的比值所得，而船体结构钢铁波长由此材料杨氏模量2.05×1011 Pa与密度为
|
图 1 网格无关性分析 Fig. 1 Grid Independence Study |
有限元网格划分如图2与图3所示，船体模型网络顶点数量为
|
图 2 船体模型网格划分 Fig. 2 Grid division of ship model |
|
图 3 物理场模型网格划分 Fig. 3 Grid division of physical field model |
图4与图5为螺旋桨计算所用网格，网格数为690万，由于螺旋桨只用于获取目标噪声线谱，故不必进行网格无关性分析。螺旋桨在转速90 r/min与航速8 kn下的低频20～100 Hz线谱如图6所示，利用线谱选用30、60、66、78 Hz为目标频率进行研究。
|
图 4 螺旋桨网格划分 Fig. 4 Propeller mesh division |
|
图 5 流场网格划分 Fig. 5 Grid division of flow field |
|
图 6 螺旋桨仿真线谱 Fig. 6 Propeller simulation line spectrum |
主声源向外辐射声场时，得到初级声场30、60、66、78 Hz周向声场分布如图7与图8所示（模型摆放方向见图3），远场球面声场分布如图9所示，无论在近场还是远场，因螺旋桨的偶极子特性，船艉与船艏均有较大能量分布，但噪声最大的区域还是集中在船艉部分，因此将误差点与次级声源设置在船艉位置；如图10所示，50 m远场球面声压级分布可作为定量分析时的辐射声功率计算参考。
|
图 7 控制前模型5 m周向近场声压级分布 Fig. 7 Pre control model 5 m circumferential near-field sound pressure level distribution |
|
图 8 控制前模型50 m周向远场声压级分布 Fig. 8 Control the far-field sound pressure level distribution in the 50 m circumferential direction of the pre control model |
|
图 9 控制前模型50 m远场球面声压级分布 Fig. 9 Pre control model 50 m far-field spherical sound pressure level distribution |
|
图 10 控制前模型表面能量指向分布 Fig. 10 Distribution of surface energy direction on the model before control |
图10为控制前没入水下部分船体模型表面声强指向图，船体模型表面声强作为近场关键声学参量，其物理内涵不仅本质性地反映了结构向远场辐射声波的能力，更与远场总辐射声功率存在严格的能量守恒关系，这种双重特性使其在噪声源定位及辐射特性分析中具有重要的理论价值。
依据声强作为声能流时间平均效应的物理本质，在自适应噪声控制系统中，可选取主能量传播路径上的声能流作为控制误差参量。通过实时采集该方向声能流信号，驱动次级声源在时域内进行动态补偿，进而实现对远场辐射声场的主动调控。这种基于能量流方向性的控制策略，为复杂声场环境下的噪声抑制提供了有效解决方案。根据能量传播方向，将次级声源放置在船艉处平面上如图11所示位置。
|
图 11 模型次级声源设置示意图 Fig. 11 Schematic diagram of secondary sound source setting for the model |
本文仿真次级声源选用单极点源，在控制过程中随时间释放信号如图12所示，而在误差传感器位置接收信号如图13所示。使用自适应控制滤波器阶数128，采样率为
|
图 12 次级声源随时间增大示意图 Fig. 12 Schematic illustration of secondary sound source augmentation over time |
|
图 13 误差传感器接收信号变化示意图 Fig. 13 Schematic of error sensor signal variation over time |
针对主声源激励下的船体振动-声辐射耦合系统，本文以单次级源-单误差传感器的简化模型为对象，开展自适应声场调控数值研究。首先建立无初级源激励条件下的基准声场模型，通过求解次级源与弹性结构的耦合声学响应，在误差点位置进行声场特征提取，构建次级源到误差点的传递函数矩阵。在此基础上实施次级源自适应调控过程：将调控后的次级源输出与原始声场进行波场叠加计算，获得合成辐射声场。为进一步量化控制效果，研究分别采用声压反馈控制法与声能流方向调控法2种策略，在获得稳态次级源输出后，对近场柱坐标系和远场球坐标系下的声场分布进行降噪效果评估。通过对比2种控制算法在目标频率处的声能衰减量，系统分析了声压反馈法与能流调控法在复杂弹性结构声辐射控制中的适用性与性能边界。
模型近场和远场在2种控制方法下的降噪效果如图14～图21所示。由图对比可粗略看出，声压法与能流法在调控降噪量级与调控范围上有明显差别，为此将2种方法的调控范围与降噪量定量分析。
|
图 14 30 Hz下模型5 m周向近场降噪效果分布 Fig. 14 Distribution of near-field noise reduction effect in the 5 m circumferential direction of the model at 30 Hz |
|
图 15 30 Hz下模型50 m远场球面降噪效果分布 Fig. 15 Distribution of far-field spherical noise reduction effect of 50 m model at 30 Hz |
|
图 16 60 Hz下模型5 m周向近场降噪效果分布 Fig. 16 Distribution of noise reduction effect in the 5 m circumferential near-field of the model at 60 Hz |
|
图 17 60 Hz下模型50 m远场球面降噪效果分布 Fig. 17 Distribution of far-field spherical noise reduction effect of 50 m model under 60 Hz |
|
图 18 66 Hz下模型5 m周向近场降噪效果分布 Fig. 18 Distribution of near-field noise reduction effect in the 5 m circumferential direction of the model at 66 Hz |
|
图 19 66 Hz下模型50 m远场球面降噪效果分布 Fig. 19 Distribution of far-field spherical noise reduction effect of 50 m model at 66 Hz |
|
图 20 78 Hz下模型5 m周向近场降噪效果分布 Fig. 20 Distribution of near-field noise reduction effect in the 5 m circumferential direction of the model at 78 Hz |
|
图 21 78 Hz下模型50 m远场球面降噪效果分布 Fig. 21 Distribution of far-field spherical noise reduction effect of 50 m model at 78 Hz |
分析声场数据，中可以得到2种控制方法在近场柱面和远场球面上的降噪范围和降噪范围内的平均降噪量，如表1和表2所示。
|
表 1 声压法与能流法调控降噪范围 Tab.1 Sound pressure method and energy flow method for regulating noise reduction range |
|
|
表 2 声压法与能流法降噪范围内平均降噪量 Tab.2 Average noise reduction within the noise reduction range of sound pressure method and energy flow method |
结合图14～图21与表1数据可见，2种控制方法在近场柱面与远场球面有较为相似的降噪分布，但在范围上，在近场处，除66 Hz，使用能流法的降噪范围要比使用声压法的降噪范围广；在远场处，除66 Hz，使用能流法的降噪范围要比使用声压法的降噪范围广。
结合图14～图21与表2数据可见，在近场处，30 Hz与66 Hz的使用声压法的降噪范围内平均降噪量高于使用能流法的降噪范围内平均降噪量，60 Hz与78 Hz的使用能流法的降噪范围内平均降噪量高于使用声压法的降噪范围内平均降噪量；在远场处，使用能流法的降噪范围内平均降噪量均高于使用声压法的降噪范围内平均降噪量。
表1数据可见，在近场处，无论是声压法与能流法，降噪范围均随着频率增大而增大；在远场处，声压法除66 Hz，降噪范围随着频率增大而减小，能流法除78 Hz，降噪范围随着频率增大而减小；表2数据可见，在近场处，无论是声压法与能流法，均除了78 Hz，平均降噪量随着频率增大而减小；在远场处，声压法平均降噪量随着频率增大而增大，能流法除60 Hz，声压法平均降噪量随着频率增大而增大。
上述研究表明，自适应声场调控的降噪效能与频率存在显著依赖关系。当频率升高时，声场方向性特征增强，但由于误差传感器布设于结构表面声强极值区域，导致降噪效果在空间分布上呈现非均匀特性，即主要集中于声压幅值较高的波束方向。基于声能流调控的物理机制分析，能流法在远场噪声控制中展现出独特优势：其有效作用频带向低频段延伸，且频率越低，降噪覆盖范围越广，空间分布均匀性越好。这与能流调控策略对声场能量流动方向的全局优化能力密切相关。
4 结 语本文中创新性地构建了基于法向声能流的船舶螺旋桨低频线谱噪声自适应控制方法，并采用单个次级声源、单个误差传感器对简易船舶模型进行了自适应控制效果仿真分析，对比声压法与能流法的仿真结果可知，在20～100 Hz频段内，近场远场能流法的平均降噪量与声压法相差不大，但能流法展现出更宽广的降噪覆盖区域。特别是在远场辐射控制中，能流法有效降噪区域较传统声压法，能流法的降噪面积增加了11.34%～15.18%，尤其在低频时，能流法具有明显的优势。
理论分析揭示，基于法向声能流的自适应控制方法的整体降噪效果与目标辐射声场分布特性存在强耦合关系，当目标声场呈现均匀分布时，算法可实现对声能的全局优化控制，从而获得最大的降噪收益。值得注意的是，随着频率升高，声场方向性增强导致能流控制区域逐渐收窄，这要求控制系统需具备动态频率响应能力以适应不同频段的噪声特性。
| [1] |
何祚镛. 水下噪声及其控制技术进展和展望[J]. 应用声学, 2002(1): 26-34. HE Z Y. Review of some aspects of underwater noise including its control techniques and Its prospect[J]. Applied Acoustics, 2002(1): 26-34. |
| [2] |
徐野, 熊鹰, 黄政. 船舶无空泡螺旋桨诱导噪声研究现状综述[J]. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版), 2019, 43(5): 860-871. XU Y, XIONG Y, HUANG Z. Review of research on induced noise of ship non-cavitation propeller[J]. Journal of Wuhan University of Technology (Transportation Science and Engineering Edition), 2019, 43(5): 860-871. |
| [3] |
陈克安. 有源噪声控制技术及其在舰船中的应用[J]. 中国舰船研究, 2017, 12(4): 17-21+34. CHEN K A. Active noise control technology and its application in ships[J]. China Shipbuilding Research, 2017, 12(4): 17-21+34. |
| [4] |
MERZ S, KESSISSOGLOU N, KINNS R, et al. Passive and active control of the radiated sound power from a submarine excited by propeller forces[J]. Journal of Ship Research, 2013, 57(1): 59-71. DOI:10.5957/jsr.2013.57.1.59 |
| [5] |
KUSNI M. The active noise control of propeller noise using a multipole secondary source[J]. ICAS 2002.
|
| [6] |
LI S, YANG D, ZHANG H. Experimental study of underwater propeller low-frequency noise flied[C]//2016 IEEE/OES China Ocean Acoustics (COA). IEEE, 2016: 1−4.
|
| [7] |
郑援, 胡成军, 赵汉波. 船舶航行辐射噪声的主动控制方法研究[J]. 信号处理, 2013, 29(9): 1200-1205. ZHENG Y, HU C J, ZHAO H B. On the active control of vessel navigation noises[J]. Signal Processing, 2013, 29(9): 1200-1205. |
| [8] |
伭炜, 徐新盛, 黄晓萍. 一种水下有源噪声抵消系统的设计[J]. 压电与声光, 2008(5): 544-546. ZHU W, XU X S, HUANG X P. Design of underwater acoustic active noise cancellation system[J]. Piezoelectric and Acousto Optical, 2008(5): 544-546. |
| [9] |
穆青. 水下螺旋桨低频辐射噪声的有源控制方法理论研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2023.
|
| [10] |
胡鹏涛, 肖庆华, 杨博, 等. 舰船噪声频带级限值线模型的分析与评价[J]. 舰船科学技术, 2025, 47(2): 145-151. HU P T, XIAO Q H, YANG B, et al. Analysis and evaluation of the frequency band level limit line model for ship noise[J]. Ship Science and Technology, 2025, 47(2): 145-151. |
| [11] |
杨德森, 王文博, 时洁, 等. 有限潜深圆柱壳低频矢量声场特性分析[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2020, 41(2): 166-174. YANG D S, WANG W B, SHI J, et al. Low-frequency vector sound field characteristic analysis of a cylindrical shell with finite submerged depth[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2020, 41(2): 166-174. |
| [12] |
张旭阳, 基于法向能流的水下结构辐射噪声主动控制方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2021.
|
| [13] |
李文煜. 基于法向能流的水下低频噪声自适应控制方法[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2022.
|
| [14] |
李占国. 近水面情况下弹性结构低频辐射声场自适应调控方法研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2023.
|
| [15] |
张雪松, 商德江, 肖妍. 利用近场法向声能流调控远场低频线谱噪声的自适应控制方法[J]. 声学学报, 2024, 49(1): 89−103. ZHANG X S, SHANG D J, XIAO Y. Adaptive control method for low-frequency line spectrum noise based on normal intensity[J]. Journal of Acoustics, 2024, 49 (1): 89−103. |