在非均匀气流条件下，模型尺寸螺旋桨的空化噪声调制：从时频分析和循环平稳性的角度进行研究

《Ocean & Coastal Management》：Cavitation noise modulation in a model-scale propeller under non-uniform inflow: A time-frequency and cyclostationary perspective

空化噪声特性及循环平稳信号处理方法研究

　　

郝慧云|洪明|张赫|吴勤|黄彪

北京工业大学机械工程学院，北京，100081，中国

引言

海上交通运输的迅速扩张导致了水下辐射噪声的显著增加，这引发了对海洋生态系统影响的日益关注（Fitzpatrick和Strasberg，1957；Chahouri等人，2022；Smith和Rigby，2022）。在各种噪声源中，由船舶螺旋桨产生的空化噪声尤为突出，尤其是在高速排水量船舶中（Ross，1976；Arndt，2002）。这种噪声源于当螺旋桨在空间非均匀尾流中运行时，附着在叶片表面或以分离气泡的形式脱落的蒸汽空穴的形成、振荡和崩溃。空化噪声通常是宽频带和脉冲式的，不仅会干扰海洋生物，还会降低声纳性能，并削弱海军平台的声学隐蔽性（Arveson和Vendittis，2000）。在空化隧道中进行的模型级实验仍然是预测全尺寸空化噪声和验证数值或理论模型的基础（Offin等人，2022）。有效的信号特征提取在空化监测、辐射噪声建模和声学特征控制中起着关键作用（Park等人，2016；Esmaiel等人，2021；Song等人，2022；Al-Obaidi，2025）。

众所周知，不同的流体动力载荷条件会导致不同的空化现象，每种现象都表现出独特的音调和宽频带声学特征（Iverson等人，2018）。例如，McIntyre等人（2021）指出，船舶速度是控制流体动力载荷的关键因素，进而影响第三 octave噪声水平，尤其是在窄带区域。Ebrahimi等人（2021）观察到，在低频下由于吸力面空化导致声压级（SPL）变化2–6 dB，在高频下由于尖端涡流空化（TVC）导致变化3–13 dB。Felli等人（2015）进一步将主要声源定位在螺旋桨尾流的剪切层和涡核中，并指出它们对TVC的发展特别敏感。然而，跨多个设施进行的循环测试（RR）在相似的空化条件下报告了频谱峰值的显著差异（Tani等人，2020），这表明可见的空化并不总是与噪声强度可靠相关。Khoo等人（2021）证明TVC会产生强烈的声脉冲和随空化数变化的窄带峰值，从而强调了在复杂流动条件下需要更强大的特征提取方法。

旋转螺旋桨产生的噪声本质上是循环平稳的，因为空化崩溃的随机声发射受到周期性叶片通过事件的调制（Tian等人，2024；Hao等人，2025）。这些调制特征携带了关键的流动动态信息，即使在信噪比（SNR）较低的环境中也能实现可靠的信号检测。先前的研究表明，这种调制源于潜在的机械周期性，并可以用来识别叶片和轴的频率（Rajan等人，2016；Hanson等人，2009）。Gao等人（2021）进一步报告了在载波频率带上的相位相干谐波结构，并将其归因于物理调制机制。这些调制的强度和频谱分布取决于空化现象：低频调制通常与吸力面空化相关，而高频调制则对应于尖端涡流脱落和气泡崩溃（Tong等人，2024；Zhang等人，2023；Wang等人，2023，2026）。基于这些见解，Wu等人（2024）提出了一个统一的循环平稳框架，将解调建模与移动平均技术（如卡尔曼滤波）相结合，以分离确定性特征，如叶片通过频率（BPF）（Wu等人，2022a）。他们还引入了调制强度指标，以定量评估不同条件和信噪比下的空化发展（Wu等人，2022b）。尽管取得了这些进展，但在实际空化条件下对船舶螺旋桨噪声的循环平稳分析进行系统实验验证仍然有限。特别是，不同空化现象的频谱表现及其调制带宽和强度随严重程度的变化需要进一步的物理解释。

在这项研究中，我们使用来自空化隧道中五叶片螺旋桨的数据，分析了非均匀流条件下空化引起的声学调制，重点关注不同空化现象下载波结构和循环特征的变化。采用了时频和循环平稳信号处理技术，包括多带分解、基于Enkurgram的滤波和包络解调，以提取被强背景噪声掩盖的调制成分。

部分摘录

空化隧道和螺旋桨模型

模型级螺旋桨测试在上海船舶与航运研究所（SSSRI）的K15空化隧道中进行（Ye等人，2024）。测试段的长度为2.6米，横截面为0.6米×0.6米。真空泵将测试段中心的静压调节在10 kPa到200 kPa之间，从而实现低至0.2的空化数。最大水速为12 m/s。推力、扭矩和转速是通过J25螺旋桨测功机测量的。

结果与讨论

在测试过程中，通过改变压力和进流速度来调整空化数σ和前进系数J，同时保持旋转速度为21rps。在噪声分析之前，使用频闪灯对空化起始进行了视觉观察，结果如图6所示。当前进系数J增加和空化数σ减小时，首先出现吸力面空化（SC），然后是同时存在的吸力面空化和尖端涡流

结论

通过结合空化隧道中的模型级实验和先进的信号处理技术，研究了非均匀流条件下五叶片螺旋桨的空化引起的声学调制。通过对不同空化现象下的水声数据进行时频和循环平稳分析，得出了以下结论：

(1)

空化的发展，特别是吸力面空化（SC）和尖端涡流空化（TVC），加剧了中高频噪声

CRediT作者贡献声明

郝慧云：可视化、验证、软件、方法论、调查、形式分析、数据整理、概念化。洪明：可视化、调查、形式分析。张赫：监督、资源、方法论。吴勤：写作——审阅与编辑、写作——初稿、资源获取、概念化。黄彪：资源、项目管理、资金获取、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了北京市自然科学基金（编号：JQ25012和3232033）、国家自然科学基金（编号：52279081）以及中央高校基本科研业务费（编号：2023CX01004）的支持。