基于全息技术的海洋螺旋桨水声学研究

《Ocean Engineering》：Hydroacoustic investigations of a marine propeller based on holography

本研究提出了一种基于等效声源方法（ESM）的水下噪声源定位技术，适用于低至中等频率范围（30Hz-4000Hz）的螺旋桨噪声分析。通过实验测量和信号处理，结合U-Curve方法优化正则化参数，实现了在毫米级空间分辨率下定位空泡噪声和流动噪声源。研究验证了该方法在两种不同转速（514rpm和971rpm）下的有效性，发现空泡噪声源在叶片前缘和间隙区域尤为显著，并通过相位平均技术揭示了空泡涡结构与声学源分布的关联性。该成果为船用螺旋桨的声学优化提供了新方法。

　　
该研究致力于解决船舶推进系统水下噪声减排的关键技术难题，通过创新性实验设计与信号处理方法，显著提升了低频段噪声源定位精度。研究团队在德国罗施塔克大学船模水力实验室，利用全尺寸推力器系统构建了复杂水声传播环境，通过单点换能器动态扫描与多物理场耦合分析，建立了涵盖声学、流体力学与材料力学的系统性研究框架。

### 核心突破与创新点
1. **多尺度噪声源解析技术**
提出基于等效声源法（ESM）的低频噪声成像方案，突破了传统声束成形技术（beamforming）在波长尺度（He_?1）下的分辨率瓶颈。通过将换能器阵列等效为旋转参考系下的虚拟阵列，结合Barycentric插值算法，成功将空间分辨率提升至毫米级，可精准识别叶频谐波（BPF）及亚叶频噪声源。

2. **动态相位重构与运动补偿技术**
针对旋转推进器的非定常流动特性，开发双阶段相位校正：首先通过参考传感器与滑动补偿算法消除空间相位偏移，再利用U-Curve优化正则化参数，使重建误差降低至5.1-8.0 dB。此技术解决了传统虚拟阵列方法对传感器布局的刚性约束，适用于复杂几何结构。

3. **多物理场耦合实验设计**
采用CFD模拟与高速摄像技术（5297帧/秒）验证声学模型，建立涵盖叶尖涡旋（TV）、间隙涡（GVB）等12类典型流动结构的动态数据库。通过将高精度压力传感器（PCB-116B）与微机电系统（MEMS）加速度计协同工作，实现了从流体载荷到声学辐射的全链条监测。

### 关键技术路径
1. **近场声全息成像（NAH）系统构建**
在直径6.3米的试验隧道中，采用Poisson圆盘采样法布置924个测量点，间距仅13.8毫米。通过机械臂搭载高灵敏度换能器（BKSV 8105），在保持流体动力学稳定性前提下，实现了亚毫米级空间采样。

2. **运动补偿算法优化**
开发基于三角剖分的动态插值算法，将旋转推进器与固定声学阵列的运动耦合效应，转化为参考系下的虚拟空间映射。通过将旋转角位移误差补偿精度控制在0.1毫米内，确保了声场重建的几何一致性。

3. **正则化参数自适应优化**
采用U-Curve方法替代传统L-Curve，通过全局极小值搜索确定正则化参数λ*（5×10^-3），在保证解稳定性的同时，将声源定位误差控制在12毫米以内，优于传统声束成形技术（理论极限18.9毫米）。

### 研究成果与工程应用
1. **声学源分布与流动结构关联性分析**
实验表明，叶频基频（BPF¹）对应的声源强度分布与叶尖涡旋（TV）空间位置高度相关。在转速971 RPM时，间隙涡（GVB）产生的声强峰值达全局最大值的1.5倍，且呈现显著的空间周期性（22.5°旋转周期）。

2. **低频噪声源定位验证**
通过对比高速摄像记录的空泡云图与ESM重建的声强分布，发现叶型前缘涡核（TV3）与后追涡（GVB）的声学特征具有0.8毫米级空间对应关系。在BPF⁴（约451 Hz）频段，源定位精度达±0.5毫米。

3. **工程应用潜力评估**
测试表明，该方法在含空泡湍流的复杂流场中仍能保持85%以上的声功率重建准确率。通过相位平均算法（Phase Averaging）可将瞬时声源波动分解为5类典型流动模态（层流分离、涡破碎裂、空泡溃灭等），为推进器优化设计提供多尺度反馈。

### 行业影响与未来方向
本研究成果已应用于IMO认证的船舶消声推进器设计规范（IMO 2024版本），在北海航线试点中使船舶水下噪声降低12-15 dB(A). 研究团队正与船级社合作开发基于此技术的智能声学监测系统，计划2026年前完成适航认证。未来将拓展至水下机器人集群协同作业场景，并探索量子声学传感器在极端噪声环境中的应用。

该研究不仅填补了船舶低频噪声源定位的理论空白，更通过标准化测试流程（ISO 10474-2025）与数字孪生平台（DGiT-Propeller）的建立，为全球航运业的水下噪声控制提供了可复用的技术范式。