一种基于噪声云图的船用金属螺旋桨流激振动识别方法与流程

1.本发明属于船用金属螺旋桨设计的技术领域，特别涉及一种基于噪声云图的船用金属螺旋桨流激振动识别方法。


背景技术：

2.螺旋桨噪声是船舶主要噪声源之一，包括螺旋桨流致噪声和流激振动噪声。其中，存在一种特殊工作状态下的流激振动噪声：当流体激励力频率与螺旋桨固有频率一致时会引起“共振”，使螺旋桨产生强烈的振动和窄带谱噪声，严重影响船舶舒适性，螺旋桨一旦在设计工况出现上述情况，则难以消除，需要重新设计。因此，有必要在设计阶段识别出螺旋桨与流体激励是否存在“共振”，避免实船应用时出现强烈振动的不良情况。
3.目前，无论是理论计算还是模型试验，均不能从螺旋桨噪声中分离出流噪声或流激振动噪声；因此，螺旋桨设计实践中，均是假定螺旋桨为刚体，不存在流激振动噪声，仅评价流致噪声；且没有一种有效手段定量/定性评价螺旋桨流激振动噪声；特别是如何预判是否存在强烈的“共振”现象。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于针对上述技术需求而提供一种基于噪声云图的船用金属螺旋桨流激振动识别方法，用于判断实船各航行工况是否存在流体引起的螺旋桨固有频率处的强烈振动，填补了国内螺旋桨设计阶段识别该现象方法的空白，可支撑船用金属螺旋桨设计，降低实船应用时出现固有频率处强烈振动的风险。
5.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于噪声云图的船用金属螺旋桨流激振动识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
6.s1)测量螺旋桨模型水中固有频率：
7.制作金属螺旋桨模型，与实桨几何相似，材料相同，在静止的水中，采用标准的锤激法获得模型桨的固有频率；
8.s2)绘制测试工况限制曲线图，确定测试工况：
9.测试工况限制曲线图的横坐标为转速，纵坐标为水速，依据螺旋桨水动力、空泡、测试仪器各种限制条件确定的曲线包络图，在包络区域内，按等转速和等水速间隔，离散成矩阵式的测试工况点；
10.s3)基于水槽试验获得桨模全频带噪声：
11.在循环水槽中测量上述范围内所有工况下的螺旋桨模型噪声和背景噪声，水速间隔、转速间隔可依据试验工作量及所需的试验结果分辨率综合考虑确定；
12.s4)绘制螺旋桨噪声云图：
13.基于系列测试工况螺旋桨全频带噪声连续谱数据，提取每一测试工况固有频率f
n
±
50hz范围内的噪声总级，频率间隔1hz，f
n
为第n阶固有频率范，并与工况限制曲线图矩阵式测试工况点一一对应，通过颜色代表噪声总级幅值，完成噪声云图的绘制；
14.s5)判断是否存在高幅值窄带噪声：
15.依据螺旋桨实船快速性预报确定的模型桨与实桨的转速、航速对应关系，依据船舶快速性自航试验相似性准则:其中，n
m
为桨模转速，n
s
为实桨转速，v
m
为模型试验水速，v
s
为实船航速，λ为缩尺比，在彩色噪声云图上画出代表实船匀速直航时工作状态曲线，即实船v
s
‑
n
s
对应关系曲线，判断实际工作线是否与噪声较高的区域有“重叠”，如果有，则认为“重叠”区域对应工况出现较强流激振动，会产生高幅值窄带谱噪声；如果没有，则认为不会出现上述情况。
16.按上述方案，步骤s2中所述限制曲线包括：水速限制线、转速限制线、动力仪推力、转矩、功率限制线、螺旋桨零推力限制线、螺旋桨无空泡限制线。所述水速限制线为水槽水速限制值，所述转速限制线为水槽转速限制值，所述动力仪推力、转矩、功率限制线为动力仪允许的最大正推力、扭矩以及功率，所述螺旋桨零推力限制线依据螺旋桨第一象限敞水性能曲线推力零点对应进速系数计算得出，所述螺旋桨无空泡限制线依据螺旋桨空泡斗(空泡限界线)数据计算得出。
17.本发明的有益效果是：提供一种基于噪声云图的船用金属螺旋桨流激振动识别方法，利用水槽试验采集的一系列特定工况下的螺旋桨噪声数据，构建固有频率处噪声云图，识别出金属螺旋桨流激“共振”是否存在，有效克服了传统水槽试验针对流致噪声进行单独评价的局限性，在不分离螺旋桨流致噪声和流激振动噪声的条件下，预判是否存在强烈的“共振”现象，填补了国内螺旋桨设计阶段识别该现象方法的空白，可支撑船用金属螺旋桨设计，降低实船应用时出现固有频率处强烈振动的风险。
附图说明
18.图1为本发明一个实施例的螺旋桨水中固有频率图。
19.图2为本发明一个实施例的模型试验测试工况限制曲线图。
20.图3为本发明一个实施例的螺旋桨模型噪声连续谱示意图。
21.图4为本发明一个实施例的固有频率处噪声云图。
22.图5为本发明一个实施例的流程框图。
具体实施方式
23.现结合附图对本发明实施方式进行说明，本发明并不局限于下述实施例。
24.如图5所示，一种基于噪声云图的船用金属螺旋桨流激振动噪声识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
25.(1)绘制测试工况限制曲线图，确定测试工况
26.测试工况限制曲线图是一张横坐标为转速，纵坐标为水速，内有依据螺旋桨水动力、空泡、测试仪器等各种限制条件确定的曲线包络图。具体包括以下曲线：
27.a、水速限制线；
28.b、转速限制线；
29.c、动力仪推力、转矩、功率限制线；
30.d、螺旋桨零推力限制线。
31.e、螺旋桨无空泡限制线。
32.需要说明的是，后续测试工况(即试验转速和水速)的确定是构建噪声云图的重要基础，不同于传统螺旋桨水槽试验依据快速性试验结果采用等推力法或等转矩法确定指定航速的测试工况，而是依据上述测试工况限制曲线图，在包络区域内，按等转速和等水速间隔，离散成矩阵式的测试工况点。
33.(2)构建噪声云图
34.基于系列测试工况螺旋桨全频带噪声数据(一般取0.8～80khz范围)，提取每一测试工况固有频率f
n
±
50hz(f
n
为第n阶固有频率)范围内的噪声总级(频率间隔1hz)，并与工况限制曲线图矩阵式测试工况点一一对应，通过颜色代表噪声总级幅值，完成噪声云图的绘制。
35.(3)识别螺旋桨流激振动
36.基于噪声云图绘制实船工作状态曲线，识别实船工作状态曲线是否与高噪声区域有“重叠”。如果有，则认为“重叠”区域对应工况下螺旋桨会出现较强流激振动，同时产生高幅值窄带谱噪声；如果没有，则认为不会出现以上情况。
37.实施例一
38.步骤1.测量螺旋桨模型水中固有频率
39.在静止的水中，采用标准的锤激法获得模型桨固有频率(见图1)。
40.金属螺旋桨模型应满足与实桨几何相似、材料相同。当螺旋桨模型随边和叶梢厚度小于0.3mm时，应调整厚度至0.3mm，以避免试验过程中出现螺旋桨“唱音”影响试验结果有效性。
41.步骤2.绘制测试工况限制曲线图，确定测试工况
42.测试工况限制曲线图(见图2)各限制线如下：
43.a、水速限制线：水槽水速限制值；
44.b、转速限制线：水槽转速限制值；
45.c、动力仪推力、转矩、功率限制线：动力仪允许的最大正推力、扭矩以及功率；
46.d、螺旋桨零推力限制线：依据螺旋桨第一象限敞水性能曲线推力零点对应进速系数计算。
47.e、螺旋桨无空泡限制线：依据螺旋桨空泡斗数据计算。
48.步骤3.基于水槽试验获得桨模全频带噪声
49.在循环水槽中测量步骤2确定的限制线范围内所有工况下的螺旋桨模型噪声和背景噪声(见图3)，其中，水速间隔0.1m/s、桨模转速间隔0.15rps。水速间隔、转速间隔可依据试验工作量及所需的试验结果分辨率综合考虑确定。
50.步骤4.绘制螺旋桨噪声云图
51.基于系列测试工况螺旋桨全频带噪声连续谱数据，提取每一测试工况固有频率f
n
±
50hz(f
n
为第n阶固有频率)范围内的噪声总级(频率间隔1hz)，并与工况限制曲线图矩阵式测试工况点一一对应，通过颜色代表噪声总级幅值，完成噪声云图(见图4)的绘制。
52.步骤5.判断是否存在高幅值窄带噪声
53.依据螺旋桨实船快速性预报确定的模型桨与实桨的转速、航速对应关系。(依据船舶快速性自航试验相似性准则:其中，n
m
为桨模转速，n
s
为实桨转速，v
m
为模型试验水速，v
s
为实船航速，λ为缩尺比)在彩色噪声云图上画出代表实船匀速直
航时工作状态曲线，即实船v
s
‑
n
s
对应关系曲线，判断实际工作线是否与噪声较高的区域有“重叠”。如果有，则认为“重叠”区域对应工况下螺旋桨会出现较强流激振动，并产生高幅值窄带谱噪声；如果没有，则认为不会出现以上情况。