噪声级是水下航行器(如潜艇、鱼雷等)的一项重要性能参数，能够对其自导性和隐蔽性产生极大影响，降低噪声是目前水下航行器设计领域面临的重大研究课题。水下航行器的噪声可分为辐射噪声和自噪声，两者都是由机械噪声、螺旋桨噪声和流噪声三部分组成。一般而言，机械噪声和螺旋桨噪声构成主要的辐射噪声，流噪声对自噪声影响较大。在特定的声呐装备水平下，降低自噪声会提高其检测阈值，因此对流噪声的研究和控制，对降低水下航行器自噪声提高其探测能力的角度来说意义重大；另一方面，由于流噪声也是辐射噪声的一部分，对流噪声的研究和控制可以提高水下航行器的声隐身能力，这在工程应用上也具有重大意义[1, 2, 3, 4]。
对水下航行器的流噪声测试通常采用以下2种方法：①在水洞实验室测量缩比模型的流噪声声压谱；②对于大尺度航行器，其流噪声声压谱只能在开放的环境(如湖泊)中采用实航形式进行测量。相对于水洞试验，实航试验需要花费大量的物力和财力。而运用流噪声相似率，将水洞试验测得的缩比模型的流噪声用于估算大尺度航行器的流噪声则是解决这一问题的有效途径[5]。本文通过对水下航行器缩比模型流噪声声压谱的测量，分析头部线型、来流速度和测试点位置对流噪声的影响，并探讨相似律在水下航行器流噪声预报中应用的可行性。
1 试验设备及模型设计 1.1 试验设备水下航行器流噪声测试试验在西北工业大学高速水洞实验室完成。该水洞洞体为一个充满水的不锈钢封闭循环管道，在叶轮泵的驱动下水沿管道循环流动，并在工作段内形成一个稳定的、水速和压力可调的均匀流场。高速水洞的主要参数为:
①工作段尺寸：Φ400 mm×2 000 mm；②工作段水速：0～18 m/s，连续可调；③工作段压力：0.2×105~3×105 Pa，连续可调；④最小空化数：K=0.15。
试验采用丹麦B&K公司的8103型水听器，灵敏度为30 μV/Pa。该型水听器经过了单独校准，可以保证在很宽的频率范围内具有平坦的频率响应和无指向性。由水听器输出的流噪声信号经B&K2010型频谱分析仪即可获得各频段上的声压级，其中B&K2010型频谱分析仪由高通滤波器、测量放大器和频谱分析仪3部分组成。
1.2 试验模型设计在考虑水洞工作段尺寸的基础上设计了本次试验所用的模型。模型采用回转体外形，全长700 mm，最大直径70 mm，由头部曲线段、圆柱段、支杆连接段、尾部曲线段四部分组成(见图 1)，各段之间分段加工，并用螺纹连接。试验过程中，模型的圆柱段、支杆连接段和尾部曲线段为公用段，这样对于不同模型的测试只需更换其头部，不仅提高了各次试验状态的一致性，也避免了试验过程中更换整体模型带来的定位及装夹误差，使测试的对比性和准确性大幅度提高。
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| 图 1 模型总体构成示意图 |
模型头部采用双参数椭圆线型[6]：
式中:x为模型外形横坐标；y为模型外形纵坐标；D为模型最大直径；Df为模型头部端面直径；Lh为模型头部长度；m、n为线型参数。
试验中选择了3种头部线型(见图 2)，各线型的具体参数如下：
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| 图 2 模型头部线型示意图 |
线型1：D=70 mm，Df=42 mm，Lh=39 mm，m=2，n=1.85；
线型2：D=70 mm，Df=44 mm，Lh=36 mm，m=2.3，n=1.98；
线型3：D=70 mm，Df=45 mm，Lh=34 mm，m=2.15，n=1.9。
2 试验原理及方法 2.1 试验原理水下航行器的流噪声主要由转捩区和随后完全发展的湍流边界层的声辐射组成。试验和理论研究都表明，当声波频率f<40 kHz时，转捩区的声辐射是构成水下航行器流噪声的主要组成部分，而湍流边界层的声辐射则处于次要地位。在水洞试验时，模型的边界层转捩区一般出现在头部附近，因此可用安装在其头部壳体内的水听器来接收流噪声。选用有机玻璃材料加工模型头部曲线段，这是由于有机玻璃的特征阻抗与水的特征阻抗比较接近，在水中的透声性能良好，很大程度上减小了透声损失[7]。当壁厚为5 mm时，模型头部壳体的透声损失小于1 dB，对流噪声测试的影响可以忽略。
试验时在模型头部安装2只B&K8103型水听器(如图 3所示)，其中一只位于头部端面驻点处(水听器A)，另一只位于头部端面15 mm半径处(水听器B)。另外，在水洞试验段的圆筒壁和方腔壁之间放置一只B&K8103型水听器(水听器C)，对水洞在各工况下的背景噪声进行测试。试验在水速为8 m/s、9 m/s、10 m/s时，分别对3个模型0°、2°、4°攻角下的流噪声声压级进行测量。
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| 图 3 水听器安装示意图 |
水下航行器转捩区的辐射声波入射到其头部端面处，若声波波长远大于水下航行器直径时，则不存在声绕射损失。而当声波的频率较高时，必须考虑声波沿水下航行器头部表面传播的绕射损失，并对其作修正。声波沿回转体形椭球头部的声绕射损失系数ΔS为[8]
式中
式中:A、B分别为椭球形头部的长轴和短轴；D为水下航行器最大直径；x1为转捩区起始点沿物面至水下航行器最大直径处的距离；Ai为Airy函数；q0为Airy函数一阶导数的第一零值所对应的自变量；k0=ω/c为声波波数，c为声速。若椭球形头部为平端面，则在(2)的声绕射损失系数ΔS的基础上，还须加上修正系数ΔU[8]
运用相似率，可以将水洞测得的缩比模型的流噪声用于估算大尺度航行器的流噪声。相同流体介质中，不同直径、外形相似的水下航行器在不同流速下流噪声辐射声压级的相似律为[5]
式中：G(f)为流噪声声压级，v为来流速度，D为水下航行器直径，下标p的参量表示大尺度航行器的参量，下标m的参量表示缩比模型的参量；ΔGT为水听器的指向性系数，若水听器为各向异性，则ΔGT=0; ΔGd=ΔSp-ΔSm为大尺度航行器与缩比模型的声扰流损失之差，ΔSp、ΔSm分别按(2)式计算。
3 试验结果及分析现有水下航行器的声呐自导频率一般在15～35 kHz，本文主要讨论该频率范围内的流噪声声压谱特性，水洞试验获得的缩比模型的流噪声测试结果如图 4～图 8所示。
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| 图 4 流噪声声压谱与背景噪声谱的比较 |
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| 图 5 总声压级与速度的关系曲线 |
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| 图 6 不同模型在0°攻角下测试点A处的声压谱特性 |
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| 图 7 不同速度下模型1在测试点A处的声压谱特性 |
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| 图 8 不同测试点处模型1在0°攻角下的声压谱特性 |
图 4为速度8 m/s时模型1在0°攻角下测试点A处流噪声声压谱与水洞背景噪声谱的比较。由图可见，在15～35 kHz频段内，模型1流噪声的辐射声压谱远高于背景噪声谱，至少相差10 dB以上。由于背景噪声主要源于水洞机械噪声及水洞洞壁湍流边界层的声辐射，与试验模型流噪声的辐射声压谱相比，背景噪声谱的谱形并不相同，并且在其他的流速下也可以得到类似的结论。因此，水洞背景噪声对模型流噪声的影响可以忽略。此外，水下航行器辐射声压级随着频率的增大而逐渐减小，当频率达到20 kHz左右时，其辐射声压级基本稳定，这与文献[9]采用数值计算方法获得的水下航行器头部端面驻点处流噪声的变化趋势一致[9]。
图 5给出了各模型在15～35 kHz频段内的总声压级与速度之间的关系。从图中可以得到水下航行器模型流噪声的总声压级正比于速度的4.9～6.3次方，符合流噪声的辐射规律。
1)头部线型对流噪声的影响分析
图 6给出了不同模型在0°攻角下8 m/s、9 m/s、10 m/s时测试点A处的声压谱特性。对比可以发现，在所测试的频率范围内，模型1的流噪声声压级最小，模型2次之，模型3的流噪声声压级最大。分析原因认为，流噪声主要源于边界层转捩区的声辐射，模型1的头部端面直径最小、头部曲线段最长，使得最小压力点和边界层转捩点(湍流起始点)的位置均后移，导致其辐射到模型头部端面的流噪声声压级较小。
2)速度对流噪声的影响分析
图 7给出了模型1在0°攻角、2°攻角、4°攻角时测试点A处不同速度下的流噪声声压谱特性。从图中可以看出，流噪声声压级随着速度的增大而增大，10 m/s时的声压级比8 m/s时的声压级大约提高了4～8 dB。大量试验研究表明，转捩区的声辐射是构成水下航行器流噪声的主要组成部分。随着来流速度的增大，转捩区长度减小，转捩点位置前移，导致其辐射到模型头部端面的流噪声声压级增大。
3)测试点位置对流噪声的影响分析
图 8给出了模型1在0°攻角下8 m/s、9 m/s、10 m/s时不同测试点处的流噪声声压谱特性。从图中可以看出，模型头部端面驻点处声压级比15 mm半径处声压级大约小2～3 dB。转捩区的辐射声波入射到模型头部端面时，若声波的频率较高，则需要考虑声波传播的绕射损失，而头部端面驻点的绕射距离最大，其绕射损失也最大。因此，相比头部端面其他位置，驻点处的流噪声声压级最小。
4)试验结果向工程应用的转化
运用相似率，可以将水洞测得的缩比模型的流噪声用于估算大尺度航行器的流噪声。这里利用模型1在0°攻角、8 m/s来流速度、测试点A处的声压级测试数据，估算了大尺度航行器(直径0.324 m，航速25 m/s)的流噪声，结果如图 9所示，计算过程考虑了辐射声波传播时的绕射损失。
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| 图 9 运用相似律获得大尺度航行器流噪声的预报值 |
通过水洞试验研究了不同头部线型水下航行器的流噪声特性，获得如下结论：
1)头部端面直径越小，头部曲线段越长的水下航行器，流噪声声压级越小；
2)流噪声声压级随着来流速度的增大而增大；
3)相比头部端面其他位置，水下航行器驻点处的流噪声声压级最小；
4)基于相似率，可采用小尺度模型的试验结果估算大尺度航行器的流噪声。
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