0 引　言

舰艇螺旋桨噪声和流噪声是舰艇重要的噪声源，两者能否得到有效控制是舰艇隐身降噪的关键，这就需要对螺旋桨噪声和流噪声的产生机理进行深入而细致的研究，其中有效的实验手段必不可少。目前，在船舶领域对这2种噪声的实验研究，主要借助于循环水洞和大比例模型水下声学实验场^[1]，但是两者都存在明显不足。由于水中的声波波长较空气中要长，在循环水洞中消声非常困难，即使有消声措施，也只对较高频段的声波有效，在低频段难以实现。而且循环水洞主要用于水动力性能的研究，而非专门用于噪声问题，同时其声学环境为混响场，很难从复杂的背景噪声中得到所需要的噪声信息。大比例模型水下声学实验场是借助舰船航模自主航行等方式开展声学试验的，其声学环境虽然较循环水洞好得多，但是也只能测量出舰船模型的总噪声，难以从中分离出螺旋桨噪声和流噪声。此外，舰船模型实验成本高昂、外界环境的干扰因素众多，因此研究螺旋桨噪声和流噪声的机理存在很大困难。为突破目前舰艇螺旋桨噪声和流噪声实验手段的限制，借鉴气动声学的研究成果，利用空气中消声比水中容易的优势，在空气中进行实验测量，是研究舰艇螺旋桨噪声和流噪声机理的另一种有效途径^[2]。

目前，在气动声学领域里，国外学者普遍在低噪声低湍流度低速消声风洞（简称消声风洞）中进行螺旋桨噪声机理的研究，消声风洞已经成为空气螺旋桨噪声机理研究必不可少的实验设施。在国内，随着航空、汽车、高铁等领域技术发展的需要，消声风洞也在不断建设和发展。为提升我国舰艇声隐身技术领域螺旋桨噪声和流噪声机理研究的水平，结合我国多年来风洞的设计和使用经验^[3]，借鉴国内外消声风洞的建设经验，结合自身情况，设计并建造一座用于舰艇声隐身技术研究的消声风洞，为舰艇螺旋桨噪声和流噪声机理研究提供新的实验设施和研究途径。

1 国内外现状

美国、英国、法国、德国、日本等发达国家，都建设有航空、汽车等领域使用的消声风洞^[4-9]，总体规模和实验能力目前处于世界领先水平。表1中列出了国际上较著名的消声风洞相关参数，其中世界上最大的德国和荷兰合建的DNW消声风洞已经开展了航空航天领域中许多开创性的科学研究。

DNW-LLF（Large Low-Speed Facility）低速消声风洞，8 m×6 m的喷口和20 m长的测试段，可以满足绝大数模型尺度实验要求。80 m/s流速下的背景噪声低于80 dB（A），这在同类风洞中处于领先水平。

国内风洞的建设和研究，主要集中在中国空气动力研究与发展中心、中国航空工业空气动力研究院、北京航空航天大学、南京航空航天大学等科研机构和院校，以开展军用飞机气动研究为主。因民用飞机发展需要，中国空气动力研究与发展中心目前已建成商用飞机声学测试用声学风洞，如表1所示。随着国内汽车行业研发能力需求的不断提升，近年来国内汽车用消声风洞发展迅速，已经建成的有上海地面交通工具风洞中心、中国汽车工程研究院股份有限公司汽车风洞中心，主要用于汽车风阻和风噪源测试^[10]。

消声风洞建设的难点在于风机噪声和开口射流噪声等噪声源的控制。国外已在此领域开展了多年的研究工作，取得了很好的效果。但是目前公开的资料显示，尚未建设有专门用于舰艇声隐身技术研究使用的消声风洞。用于舰艇噪声控制研究的消声风洞尤为重视100 Hz以下的低频声波，而普通汽车和飞机风洞截止频率并不关注。根据舰艇声隐身技术方面的技术积累，提出舰艇研究用消声风洞的设计要求，借鉴美国佛罗里达大学消声风洞的研究和建设经验^[11-12]，设计并建造了能满足舰艇声隐身技术研究需要的消声风洞，为拓展舰艇声隐身技术研究的基础研究能力提供了重要支撑。

2 设计中的主要问题

消声风洞是采用了消音措施的风洞，与常规风洞有很多相似性，因此可以借鉴常规风洞设计的方法，根据特殊使用需求，对声学性能、隔振要求等进行单独设计。

2.1 风洞形式

常规低速风洞分为直流式和回流式2种。直流式风洞，通过风扇系统的驱动，气流连续地从外界大气通过进气口进入风洞，然后通过排气口排到外界大气。回流式风洞，通过风扇系统的驱动，气流连续地在风洞回路内流动。2种类型的风洞有各自的优缺点，例如直流式风洞建设成本低，模型安装和测试较方便，且适合进行烟流等有排放物的实验，有利于直接观测，但是湍流度较难控制，回流式恰好相反^[13]。根据海军工程大学消声风洞的使用要求，考虑建设场地和成本的限制，采用直流式风洞形式。

美国佛罗里达大学消声风洞采用了L型布局形式（见图2（a）），虽然能够有效降低驱动风机的噪声传入实验测试段，但是从其实验测量得到的窄带谱噪声级结果来看，依然存在较为明显的噪声干扰，如图3（a）中所示。该噪声源来自给变频电机冷却用的风机，在喷口风速17 m/s较为明显，随着风速的提高，被其他噪声所覆盖^[10]。为进一步控制消声风洞中的主要噪声源（即驱动风机的噪声）传入实验测试段（消音室内），增加噪声源在传递过程中的损失，借鉴了美国佛罗里达大学L型布局形式，采用有2个拐角的Z型布局形式（见图2（b））。为了与美国佛罗里达大学消声风洞的实验结果进行比较，测量得到了同样为17 m/s喷口风速时的窄带谱噪声级，如图3（b）所示，没有来自驱动系统的干扰所产生的明显峰值。由此说明，采用Z型布局的消声风洞，抑制风机等来自驱动系统的传递噪声，比L型布局效果更好。

2.2 实验段布局形式

风洞实验段的形式也分为开口和闭口，两者也各有优劣。例如：1）闭口实验段的能量损失少，风洞运转功率明显低于开口实验段的风洞；2）直流式风洞若采用开口实验段，则必须要有一个较大的封闭实验段的外壳，防止空气从实验段四周进入风洞，若空气从实验段四周进入风洞，则会影响实验段内的流场品质；3）在开口实验段中，安装实验模型难度大，特别是在大尺寸的风洞中，为更换实验设备而靠近模型比较困难。

为满足噪声传递途径、指向性等声场特性的测量，采用开口实验段是目前大多数消声风洞所采用的形式。对于舰艇声隐身问题的研究，往往更关注舰艇辐射噪声的远场特征，这就需要有距离模型较远的声学测点。因此，消音室采用了非对称布局形式，即喷口处气流的中心轴线，不在消音室的中心位置，如图4所示。

但是，非对称布局形式会使实验段的流场受到两侧非对称气流的影响，降低流场品质。在设计阶段需要对这两方面的得失进行权衡，确定最优方案。消声风洞的最大风速为60 m/s，为中低风速风洞，且主要用于声学实验，因此，声学方面的因素是考虑的重点，流场品质只要能够满足使用要求，便可以接受。从图5所示的仿真计算结果看，非对称布局形式的消音室内，流场也是不对称的，但对喷口到收集口之间实验测试段的影响并不明显。消声风洞建成后实验测试段流场均匀性和湍流度的实验测量结果（见图6和图7）也证实了非对称布局对流场品质的影响在可接受的范围内。

采用毕托耙测量距离风洞喷口1 m处的流场均匀性。V=17 m/s时，测试段中心轴线处速度偏差值为0.69%，与美国弗罗里达大学消声风洞的0.7%基本相当^[11]。采用热线风速仪测量距离喷口1 m处的中心线位置处的湍流度（ε）。喷口风速V=17 m/s时，中心轴线处的湍流度ε=0.12%；喷口风速V=60 m/s时，中心轴线处的湍流度ε=0.11%。V=17 m/s时，湍流度高于美国弗罗里达大学消声风洞相同风速时的湍流度ε=0.035%^[10]。

2.3 消音室设计

研究噪声问题的前提是知道噪声源的基本情况和噪声传播的规律，这需要风洞的测试段满足以下要求：声学性能达到自由场条件（无声反射），足够的尺寸条件（可进行远场声测量）和非常低的实验段背景噪声（足够的信噪比）。对开口实验段来说，实验段由消音室围绕，模型的噪声没有反射，属自由场情况，且背景噪声极低。消音室的建设，需要根据声源的频谱特征进行吸声结构的设计。以螺旋桨实验为例，必须根据螺旋桨的最低基频和最高基频来确定吸声结构具有良好吸声效果的频率范围，进而选取吸声材料。

研究舰艇声隐身问题，与气动声学问题有很多不同。例如，舰艇声隐身问题的研究中，一般不采用计权声压，频谱分析以窄带谱分析为主，另外在水中100 Hz以下的低频声波传播距离很远，因此舰艇声隐身问题对100 Hz以下的低频声波尤为关注。基于以上原因，在设计消声风洞时，技术指标中均采用无计权的声压来衡量，频谱特征的分析以窄带谱分析为主，但是为了与其他消声风洞进行比较，也同时采用倍频程声压进行分析。对于消音室内声场测试环境所要求的截止频率，应该在100 Hz以下才能满足舰艇声隐身问题研究的需要，但是由于截止频率越低，吸声尖劈的尺寸越大，建造成本也越高。在综合考虑建造成本和研究需要，立足于现有的技术手段，将截止频率设定为50 Hz。采用共振吸声板和吸声尖劈组合的形式，控制吸声尖劈的尺寸，保证有效的测试空间。为了防止外界低频干扰进入消音室，在消声风洞建设地点的选择、消音室的隔振、风洞洞体结构的隔振等方面，采取了多种措施，最终达到了较好的控制效果。根据实际测量结果，在50 Hz～20 kHz频率范围内，消声风洞本底噪声的窄带谱总声压级最低可达24.6 dB，其他测点的总声压级在24～28 B的范围内，为舰艇声隐身技术问题的研究提供了良好的声学实验环境。

3 结　语

利用空气中比水中消声容易的优势，借鉴气动声学的研究方法和实验手段，从而弥补目前舰艇声隐身技术领域中，螺旋桨噪声和流噪声机理研究实验手段存在的明显不足，从原理分析、数值仿真和实验验证等方面，初步探讨了舰艇声隐身技术研究用消声风洞的一些重要的设计问题，得出以下结论：

1）Z型布局的消声风洞抑制动力装置传递噪声的效果优于L型布局；

2）非对称布局的消音室，在中低风速时，实验段流场品质受到的不对称气流影响不大，能够满足远场声学测量的需要，为研究舰艇远场辐射噪声提供了较为便利的条件；

3）从消音室吸声材料的设计、消声风洞建设地点的选取、消音室和洞体结构的隔振处理等多方面进行考量，最终使实验测试段的声吸收截止频率达到了50 Hz，背景噪声达到了25 dB左右，为开展舰艇声隐身技术相关问题的研究提供了良好的实验条件。