Chinese Journal of Ship Research
螺旋桨低频振动声辐射特性研究——水母模态
［
祝享元，黄胜，郭春雨，等. 桨后扭曲舵的理论设计及水动力性能计算［ 哈尔滨工程大学学报， ［
［邓鸿，赵成璧. 大型高速客货船的舵空泡剥蚀及解
摘 要：［目的］发现了一种螺旋桨噪声新成分——螺旋桨低频弹性被激发而形成的声辐射，特别是桨叶同相模态被激发引起的强烈声辐射，我们称之为“水母模态”，由其激发诱导的推进器轴系艇体系统低频窄带声辐射，并称为“水母效应”。为揭示其形成机理，开展螺旋桨低频固有振动特性研究。［方法］基于精细网格有限元方法分析螺旋桨的模态特征，得到空气和水介质中螺旋桨模态特性以及桨叶失谐对模态特性的影响规律；引用循环对称结构振动理论，对数值计算结果予以进一步验证。［结果］结果表明，在空气和水介质中，螺旋桨振动模态具有分组特征以及组内呈现出单频、重频模态的特征；桨叶失谐对重频模态影响较大而对单频模态/振型影响较小；精细化有限元计算结果与循环对称结构理论分析一致。［结论］本研究揭示了螺旋桨的低频模态特性，为螺旋桨低频噪声机理分析和控制提供了理论支撑，具有理论和工程应用价值。关键词：螺旋桨噪声；水母模态；循环对称结构；单频模态；重频模态；失谐
1 430064中国舰船研究设计中心，湖北 武汉2 430064船舶振动噪声重点实验室，湖北 武汉
1.2 空气介质中螺旋桨低频模态特性1.2.1 7叶螺旋桨模态特性
ANSYS 7叶基于 软件，计算得到空气介质中1螺旋桨的模态频率如表 所示。螺旋桨的低频模7 1组态呈现明显的分组特征，每组 个模态。在第1模态中，每个桨叶振型为其第 阶弯曲模态振型， 2组内不同模态桨叶间相位关系不同；在第 组模2态中，每个桨叶振型为其第 阶模态振型，组内不7同模态桨叶间相位关系不同。同组内的 个模态频率相近，不同组间的模态频率差别较大。
NNNNNNN，即 7个桨叶同相位振动，振型形似水3母运动，故命名为“水母模态”。其他 组为重频NPNPNPN（PNPNPNP），模态 ，其 振型分别为NNPPNNP（PPNNPPN）和 NNNPPPN（PPPNNNP）， 3两两正交。另外还可以看出，组重频模态的振型全部为（3，4）组合，即3 4个个桨叶振动与另外1，6桨叶振动反相，不存在（ ）组合（即振型为PPPNPPP）和（2，5 PPNPPNP）等）组合（即振型为模态特征。
1.2.2 5叶螺旋桨模态特性
为了揭示螺旋桨模态特征的普遍性，进一步5 3分析了 叶螺旋桨的模态特性，如图 所示。桨叶1，由在周向进行72°阵列得到。计算模型同图2 5表 给出了 叶螺旋桨的低频模态计算结果。其低频模态同样呈现明显的分组特征，每组5 1个模态。在第 组模态中，每个桨叶的振型为其1第 阶弯曲模态振型，组内不同模态桨叶间相位2 2关系不同；在第 组模态中，每个桨叶振型为其第阶模态振型，组内不同模态桨叶间相位关系不5同。同组内 个模态的频率相近，不同组间的模态频率差别较大。
3模态频率计算结果如表 所示，模态振型特5征如图 所示。由于附连水的影响，螺旋桨的模109.541 0 Hz态频率大幅降低，如“水母模态”频率由82.051 3 Hz，但仍可观察到明显的分组降低到了特征；可观测到组内单频、重频模态的特征，亦可观测到重频模态振型仅有（3，4）组合的特点。对比空气、水介质中螺旋桨的模态特征，以及7 叶、5叶螺旋桨模态特征的计算结果，发现螺旋桨的低阶模态特征具有一般性规律：一是单桨叶