一种螺旋桨唱音频率预测方法

摘要

本发明公开一种螺旋桨唱音频率预测方法，该方法针对高频率的唱音这一典型螺旋桨噪声，通过尺寸较小的两个模型桨在不同转速下的的唱音频率，构造数学模型，从而获得预测实体桨的唱音频率的预测公式。通过该预测公式，能够基于任意已知的模型桨的参数，得到实体桨的唱音频率。该方法计算简单，预测精度高。

权利要求

1.一种螺旋桨唱音频率预测方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：步骤一：针对某一型号某一材料的直径为Ds的真实螺旋桨，加工直径为Dm1的模型桨一和直径为Dm2的模型桨二，通过敞水实验，获取两个螺旋桨的水动力性能曲线，包括进速系数J‑推力系数KT曲线、进速系数J‑扭矩系数KQ曲线和进速系数J‑效率η曲线；

步骤二：基于模型桨一，对于M组进速系数J1、J2、……、JM，保持进速系数J不变，得到每个进速系数下的有效转速范围内模型桨一在N个唱音转速n1、n2、……、nN下各转速对应的唱音频率步骤三：对于每个进速系数下的数据，均以一中间唱音转速na及其对应的唱音频率为参考值，对各唱音转速n1、n2、……、nN和对应的唱音频率 进行归一化处理，并对归一化后的各唱音转速ni/na和对应的唱音频率 进行如下公式的线性拟合，得到拟合后的参数Aj和Bj：其中，ni是模型桨一的某一唱音转速， 是ni下唱音频率；

步骤四：选取M个进速系数下得到的A1、A2、……、AM的最小值Amin和最大值Amax，从[Amin,Amax]的取值范围中选取一个值作为转速修正系数K1；同样地，选取B1、B2、……、BM中的最小值Bmin和最大值Bmax，从[Bmin,Bmax]的取值范围中选取一个值作为转速修正系数B；

步骤五：在与模型桨一相同的转速n1、n2、……、nN下得到模型桨二在各转速对应的唱音频率 以模型桨一的直径Dm1和相同转速下模型桨一的唱音频率为参考值，对同转速下模型桨二的直径Dm2和唱音频率 进行归一化处理，得到每个转速下的归一化参数 并根据下式计算每个转速对应的比值Ci：步骤六：选取C1、C2、…、Ci、…、CN中的最小值Cmin和最大值Cmax，从取值范围[Cmin,Cmax]中选取一值作为尺度修正系数K2；

步骤七：根据下式得到同型号同材料直径为Ds的真实螺旋桨在转速n下唱音频率fs的预测公式：fs＝K·Ds·n+E·Ds

0

其中，D0、n0、f分别为同型号同材料的任意已知螺旋桨的直径、唱音转速和对应的唱音频率。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋桨唱音频率预测方法，其特征在于，转速修正系数K1为对A1、A2、……、AM取平均求得。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋桨唱音频率预测方法，其特征在于，转速修正系数B为对B1、B2、……、BM取平均求得。

4.根据权利要求1所述的一种螺旋桨唱音频率预测方法，其特征在于，尺度修正系数K2为对C1、C2、…、Ci、…、CN取平均求得。

5.根据权利要求1所述的一种螺旋桨唱音频率预测方法，其特征在于，通过模型桨一和模型桨二开展声学实验时，使用水听器或者麦克风阵列采集声信号。

6.根据权利要求1所述的一种螺旋桨唱音频率预测方法，其特征在于，对模型桨一和模型桨二开展声学实验，采集声信号，记录螺旋桨的唱音工况，从而得到各唱音转速对应的唱音频率。

说明书

一种螺旋桨唱音频率预测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及船舶声学预测和螺旋桨设计制造领域，具体涉及一种螺旋桨唱音频率预测方法。

背景技术

[0002] 唱音(propeller singing)是螺旋桨发出的一种高频噪声，其能量集中在很窄的频带内，一般比相邻频率高出10‑15dB以上，是具有极强辨识性的声信号，严重影响船舶的声隐身性。目前，工程中常用经验预测唱音频率的大致范围，国内外普遍认为它由螺旋桨脱落涡和结构产生的共振现象激发，但对其形成机理仍缺乏更深层的解释，因而基于理论并未形成有效的唱音预报方法，以及面向唱音控制的螺旋桨水动力设计技术。此外，实尺寸螺旋桨受其大尺度的限制，声学实验难以开展。因此，如果可以通过测试某一型号尺寸较小的螺旋桨模型的唱音频率去预测与之水动力相似的大尺寸螺旋桨的唱音频率，这对于船舶声学预测和螺旋桨设计来说意义重大。

[0003] 发明专利CN103530482A《一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法》申请了一种非均匀入流中螺旋桨噪声数值预报方法，该方法首先模拟得到非均匀入流条件下CFD流场数据，随后进行声学边界元数值计算，计算螺旋桨负载噪声；最后，通过螺旋桨片空化单极子辐射噪声以及负载噪声计算螺旋桨噪声。

[0004] 发明专利CN113139306A《一种复合材料螺旋桨空化噪声的数值预报方法》公开了一种通过对复合材料螺旋桨结构建模仿真，得到复合材料螺旋桨的空泡数值计算结果，随后以数值计算结果作为输入量，通过声学建模计算得到螺旋桨振动噪声辐射情况。

[0005] 以上两个方法都是通过数值模拟得到不同螺旋桨结构或者不同来流条件下的CFD流场数据，随后进行声学建模，将CFD流场数据作为声学模拟的输入条件，最终得到螺旋桨的辐射噪声。对于这种预报方法而言，声学预报准确的前提是流场的数值模拟方法能捕捉到足够精确的流场数据，因此适用于预报由非定常流动和空化等引起的低频辐射噪声。而对于高频唱音而言，目前的流场数值模拟方法不能准确模拟出脱落涡与结构共振这一物理现象，因此，这种数值预报不适用于高频唱音的预报。

发明内容

[0006] 针对现有技术的不足，本发明提出一种螺旋桨唱音频率预测方法，能通过尺寸较小的两个模型桨在不同转速下的声学实验，提取模型桨的唱音频率，构造数学模型，基于该模型可根据模型桨的唱音频率预测实体桨的唱音频率。

[0007] 本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

[0008] 一种螺旋桨唱音频率预测方法，该方法具体包括如下步骤：

[0009] 步骤一：针对某一型号某一材料的直径为Ds的真实螺旋桨，加工直径为Dm1的模型桨一和直径为Dm2的模型桨二，通过敞水实验，获取两个螺旋桨的水动力性能曲线，包括进速系数‑推力系数曲线(J‑KT)、进速系数‑扭矩系数曲线(J‑KQ)和进速系数‑效率曲线(J‑η)；

[0010] 步骤二：基于模型桨一，对于M组进速系数J1、J2、……、JM，保持进速系数J不变，得到每个进速系数下的有效转速范围内模型桨一在N个唱音转速n1、n2、……、nN下各转速对应的唱音频率

[0011] 步骤三：对于每个进速系数下的数据，均以一中间唱音转速 及其对应的唱音频率 为参考值，对各唱音转速n1、n2、……、nN和对应的唱音频率 进行归一化处理，并对归一化后的各唱音转速 和对应的唱音频率 进行如下公
式的线性拟合，得到拟合后的参数Aj和Bj：

[0012]

[0013] 其中， 是模型桨一的某一唱音转速， 是 下唱音频率；

[0014] 步骤四：选取M个进速系数下得到的A1、A2、……、AM的最小值Amin和最大值Amax，从[Amin,Amax]的取值范围中选取一个值作为转速修正系数K1；同样地，选取B1、B2、……、BM中的最小值Bmin和最大值Bmax，从[Bmin,Bmax]的取值范围中选取一个值作为转速修正系数B；

[0015] 步骤五：在与模型桨一相同的转速n1、n2、……、nN下得到模型桨二在各转速对应的唱音频率 以模型桨一的直径Dm1和相同转速下模型桨一的唱音频率为参考值，对同转速下模型桨二的直径Dm2和唱音频率 进行归一化处理，得到每个转速下的归一化参数 并根据下式计算每个转速对应的比值Ci：

[0016]

[0017] 步骤六：选取C1、C2、…、Ci、…、CN中的最小值Cmin和最大值Cmax，从取值范围[Cmin,Cmax]中选取一值作为尺度修正系数K2；

[0018] 步骤七：根据下式得到同型号同材料直径为Ds的真实螺旋桨在转速n下唱音频率fs的预测公式：

[0019] fs＝K·Ds·n+E·Ds

[0020]

[0021]

[0022] 其中，D0、n0、f0分别为同型号同材料的任意已知螺旋桨的直径、唱音转速和对应的唱音频率。

[0023] 进一步地，转速修正系数K1为对A1、A2、……、AM取平均求得。

[0024] 进一步地，转速修正系数B为对B1、B2、……、BM取平均求得。

[0025] 进一步地，尺度修正系数K2为对C1、C2、…、Ci、…、CN取平均求得。

[0026] 进一步地，通过模型桨一和模型桨二开展声学实验时，使用水听器或者麦克风阵列采集声信号。

[0027] 进一步地，对模型桨一和模型桨二开展声学实验，采集声信号，记录螺旋桨的唱音工况，从而得到各唱音转速对应的唱音频率。

[0028] 本发明的有益效果如下：

[0029] 本发明的方法针对高频率的唱音这一典型螺旋桨噪声，通过尺寸较小的两个模型桨在不同转速下的唱音频率，构造数学模型，从而获得预测实体桨的唱音频率的预测公式。通过该预测公式，能够基于任意已知的模型桨的参数，得到实体桨的唱音频率。该方法计算简单，预测精度高。

附图说明

[0030] 图1为实施例中两个模型桨的图片。

[0031] 图2为水声试验现场图。

[0032] 图3为实施例中两个螺旋桨的水动力性能曲线图。

[0033] 图4为对模型桨一的转速修正系数K1和B的线性拟合的示意图。

具体实施方式

[0034] 下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0035] 本发明的一种螺旋桨唱音频率预测方法，包括如下步骤：

[0036] 步骤一：针对某一型号某一材料的直径为Ds的真实螺旋桨，加工直径为Dm1的模型桨一和直径为Dm2的模型桨二，通过敞水实验，获取两个螺旋桨的水动力性能曲线，包括进速系数‑推力系数曲线(J‑KT)、进速系数‑扭矩系数曲线(J‑KQ)和进速系数‑效率曲线(J‑η)；

[0037] 步骤二：基于模型桨一开展声学实验，进行螺旋桨唱音工况的摸底工作，用水听器采集声信号，并使用亿恒采集仪实时分析声谱，记录螺旋桨的唱音工况。实验发现进速系数J对唱音频率影响很小，而转速对唱音频率有显著影响。因此，声学实验取M组进速系数J1、J2、……、JM，保持进速系数Jj不变，记录有效转速范围内模型桨一在N个唱音转速n1、n2、……、nN下，各转速对应的唱音频率 这里得到唱音频率不局限于采用声学实验的办法，也采用数值模拟的形式得到各个唱音转速对应的唱音频率。对于下述的模型桨二也是如此。

[0038] 步骤三：对于每个进速系数下的数据，均以一中间唱音转速 及其对应的唱音频率 为参考值，对各唱音转速n1、n2、……、nN和对应的唱音频率 进行归一化处理，得到的归一化参数 和ni/na呈一次相关关系，用以下关系式表达：

[0039]

[0040] 因此，对归一化后的各唱音转速 和对应的唱音频率 进行上述公式的线性拟合，得到拟合后的参数Aj和Bj。

[0041] 步骤四：引入转速修正系数K1和B，选取M个进速系数下得到的A1、A2、……、AM的最小值Amin和最大值Amax，从[Amin,Amax]的取值范围中选取一个值作为转速修正系数K1；同样地，选取B1、B2、……、BM中的最小值Bmin和最大值Bmax，从[Bmin,Bmax]的取值范围中选取一个值作为转速修正系数B，形成不同转速下唱音频率的预测公式：

[0042]

[0043] 作为其中一种实施方式，转速修正系数K1为对A1、A2、……、AM取平均求得，转速修正系数B为对B1、B2、……、BM取平均求得。

[0044] 步骤五：在与模型桨一相同的转速n1、n2、……、nN下开展模型桨二的声学实验，记录各转速对应的唱音频率 以模型桨一的直径Dm1和相同转速下模型桨一的唱音频率 为参考值，对同转速下模型桨二的直径Dm2和唱音频率 进行归一化处理，得到每个转速下的归一化参数 并根据下式计算每个转速对应的比值Ci：

[0045]

[0046] 步骤六：引入尺度修正系数K2，选取C1、C2、…、Ci、…、CN中的最小值Cmin和最大值Cmax，从取值范围[Cmin,Cmax]中选取一值作为尺度修正系数K2，形成唱音频率的尺度修正公式：

[0047]

[0048] 作为其中一种实施方式，尺度修正系数K2为对C1、C2、…、Ci、…、CN取平均求得。

[0049] 步骤七：结合步骤四中的公式(2)和步骤六中的公式(4)，将Dm2扩展到螺旋桨的一般直径Ds，形成同型号同材料直径为Ds的实体螺旋桨在转速n下唱音频率fs的预测公式：

[0050] fs＝K·Ds·n+E·Ds   (5)

[0051]

[0052]

[0053] 其中，D0、n0、f0分别为同型号同材料的任意已知螺旋桨的直径、唱音转速和对应的唱音频率。

[0054] 下面给出一个具体的实施例对本发明的方法进行验证。

[0055] 选取型号DTMB4381，材料为黄铜H62的螺旋桨作为验证对象。具体实施过程如下：

[0056] 1.加工直径Dm1＝250mm的模型桨一和直径为Dm2＝300mm的模型桨二，其实体图和实验现场如图1和图2所示。通过敞水实验，获取两个螺旋桨的水动力性能曲线，包括“进速系数J‑推力系数KT”曲线、“进速系数J‑扭矩系数KQ”曲线和“进速系数J‑效率η”曲线如图3所示。

[0057] 2.基于模型桨一开展声学实验，进行螺旋桨唱音工况的摸底工作，用水听器采集声信号，并使用亿恒采集仪实时分析声谱，记录螺旋桨的唱音工况。实验发现进速系数J对唱音频率影响很小，而转速对唱音频率有显著影响。因此，声学实验取三组进速系数，每组保持进速系数J不变，记录有效转速范围内模型桨一在三个唱音转速下，各转速对应的唱音频率 结果列于表1；

[0058] 表1模型桨一在三个唱音转速下对应的唱音频率

[0059]

[0060] 3.在同一个进速系数下，以唱音转速na＝22rps及其对应的唱音频率 为参考值，对各组唱音转速和唱音频率进行归一化处理，通过线性拟合得到多项式系数Aj和Bj，结果列于表2。线性拟合的示意图如图4所示。

[0061] 表2线性拟合得到多项式系数Aj和Bj的列表

[0062]

[0063] 4.引入转速修正系数K1和B，对A1、A2和A3及B1、B2和B3取平均，得到转速修正系数K1＝0.82和B＝0.15。此外，转速修正系数K1的取值范围为[Amin,Amax]，在本实施例中其为[0.78，0.86]；B的取值范围为[Bmin,Bmax]，在本实施例中其为[0.12，0.18]。

[0064] 5.保持J＝0.8，在n1＝16rps、n2＝22rp和n3＝28rps转速下开展Dm2＝300mm的模型桨二的声学实验，记录各转速对应的唱音频率 和 见表3。以模型桨一的直径Dm1和唱音频率 为参考值，对同转速下模型桨二的直径Dm2和唱音频率 进行归一化处理，求出归一化参数 和Dm2/Dm1的比值Ci，结果列于表4。

[0065] 表3模型桨二各转速对应的唱音频率

[0066]

[0067] 表4参数归一化及Ci

[0068]

[0069] 6.引入尺度修正系数K2。对C1、C2和C3取平均，得到尺度修正系数K2＝1.05。此外，尺度修正系数K2的取值范围为[Cmin,Cmax]，本实施例中为[1.04，1.07]。

[0070] 7.以桨模一(Dm1＝250mm)在J＝0.8时，转速na＝22rps及其对应的唱音频率为参考值，同时分别以K1＝0.82、K2＝1.05和B＝0.15计算得到K＝1.04，其取值范围 即为[0 .98，1 .11]；E＝4 .19，其取值范围
即为[3.32，5.13]。最终得到直径为Ds的DTMB4381型号H62铜质螺旋
桨在转速n下唱音频率fs的预测公式：

[0071] fs＝1.04·Ds·n+4.19·Ds   (6)

[0072] 本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。