潛艦流體噪音成因及預估模式 海軍中校　刁文川、吳立藩 提　　要： 一、從聲紋的組成特性可知，潛艦於水下航行時之輻射噪音，經訊號處理分析後 ，可分為寬頻的連續譜及離散的單音調兩種。就艦船本身運動所輻射的噪音而論 ，主要可分為主輔機裝備、葉/推進系統、結構共振、流體及空蝕等五項噪音源。 二、潛艦流體噪音模式的建構可分成兩個部分，首先須建立潛艦運動時流場變化 之分析模式；其次，則是依據流場計算結果，建立各噪音源聲壓及大小的預估模 式。 三、本文以帆罩、控制翼或是葉葉片的二維斷面翼形為對象，探討流體噪音的形 成機制，其原因為潛艦在巡航速率(約8-15節)下，流體噪音為主要的寬頻噪音源 。 關鍵詞：聲紋，噪音，流場 壹、前言 潛艦於水下運動時，其所產生的噪音大小決定該艦隱密與否，而隱蔽與掩蔽不外 乎潛艦戰場生存之道，因此了解噪音的形成及降噪的方法除了可增加潛艦戰場的 隱蔽性，提高存活性外，更可對於後續潛艦建造設計提供粗略的概念及方向。茲 因相關論述潛艦噪音的文章，內容大多集中在裝備及葉空蝕的噪音，對於流體及 其交互作用下所引發的噪音著墨不多，原因不外乎潛艦周遭流場受外型幾何的影 響，其理論計算複雜，加之潛艦相對運動的預估受到國防機密的限制，相關文獻 資料付之闕如，因而本文前段內容在對潛艦噪音形成及降噪方法作一通盤性的敘 述，中、後段則參考相關文獻就流體所引起的噪音提供預估模式供後續驗證參考 。 貳、噪音成因及降噪方式 從聲紋的組成特性可知，潛艦於水下航行時之輻射噪音，經訊號處理分析後，可 分為寬頻的連續譜及離散的單音調(Tonal)兩種。如圖一為潛艦在低速與高速的詳 細聲紋〔註一〕；就艦船本身運動所輻射的噪音而論，主要可分為主輔機裝備、 葉/推進系統、結構共振、流體及空蝕等五項噪音源。在低速時主要是以前三項所 產生之條狀聲紋(即單音調諧音)為主，其頻率範圍約在 10 Hz到100 Hz，高速時則與後二項所產生之寬頻聲紋有關，頻率範圍在10 kHz以 上〔註二〕。其生成因素及降噪方式諸多文獻中述理明確，整理分述如下〔註三 ∼七〕： 一、主輔機裝備噪音 包含的裝備如發電機、渦輪機、鼓風機、幫浦等，這些機件都屬旋轉運作，若轉 動過程中稍有失衡，則會產生振動，然後藉由連結組件傳達至船殼而輻射出聲波 ，此種機制所產生的聲音常屬窄頻的單音波，其頻率與聲音產生機械的旋轉頻率 相同；再者，該運動所產生的作用力常與旋轉速度平方成正比，因此輻射聲強又 與船速有關。在降噪方面可分為兩類：第一類是在兼顧推進效率及靜音要求下， 採用較安靜地推進系統，如噴水式推進系統、電磁或磁流動力推進(MHD)或是絕氣 推進系統(AIP)等先進推進技術；第二類即在選定推進系統後採用工程方法如吸音 、遮音、阻尼及彈簧等方式來降低及控制噪音。 二、葉/推進系統噪音 蓋葉位於潛艦後方，當旋轉時受外型幾何的影響使得葉入流產生不均勻尾跡流場 ，造成葉面受力不平均所產生振動，其頻譜特性乃對應於葉片轉動頻率而產生離 散單音調。然而受力不均不僅造成葉本身振動而已，經由大軸及推力軸承的傳遞 會使得船體產生一低頻振動模態，若此振動頻率與船體自然頻率共振，將使得船 體產生極強的單音調噪音。除此之外，當潛艦速率改變，造成葉片渦流溢放(Vor tex Shedding)頻率與葉片自然頻率相同時，會造成「鳴音葉(Singing Propelle rs)」的效應，此乃由於渦旋列(Vortex Street)鎖住頻率後強化了葉片振動而形 成之強烈輻射噪音。一般而言，鳴音只會發生在某一速率範圍，但也可能在不同 的速率範圍間產生一連串的鳴音，其發生機制與葉幾何外型及速率息息相關。此 項降噪的方式上牽涉的葉的外型幾何及性能材質有關，因此大多需在設計階段考 量完成，如減低尾跡流場變化的船型設計、高歪斜(多葉片螺旋)葉(Skewed Prop eller)及葉片跡流分佈的最佳幾何設計等。而避免鳴音可以用高阻尼合金來製作 葉片或是採用削尖或鈍化葉片前後緣來改變渦流溢放頻率防止葉片共振等的方式 來改善。 三、結構共振噪音 除了主輔機裝備及葉的振動會傳至船體，造成結構頻率共振進而輻射噪音外，尚 有潛艦於水下航行時其六個自由度(三個移動與三個轉動)的運動變化，使得船體 因流場、控制翼翼角或是大軸推力改變等因素影響造成受力(矩)改變，各斷面如 肋骨或是縱肋材等結構因應力(矩)變動而產生振動，當外力(矩)的激振頻率與自 然頻率相同便產生共振進而輻射噪音。一般減少艦艇振動可藉由改變深度、控制 翼角或速率等的方式來改變激振力及激振頻率或加裝減振裝置來加以改善。 四、流體噪音 當船速高達某一速度時，海水流經船體表面上不滑順的部分進而產成紊擾流，並 造成邊界層內的壓力急劇的變化，導致水分子產生特定頻率之噪音，稱為紊擾流 噪音。另一由流體所引起的噪音乃海水流經船體或附屬物尾端，受外型尾緣厚度 影響，產生剪力流形成渦旋，此渦漩產生噪音並以固定頻率逸放形成渦旋列，稱 之為非定常流噪音；最明顯的例子是發生在葉的鳴音。再者渦旋的交互作用生成 不穩定流，除了導致結構振動及造成葉入流不均勻產生葉噪音外，還藉由結構及 海水傳播到本身聲納音鼓，成為本艦噪音。其降噪的方式包括流線型幾何設計、 塗覆減阻塗料、安裝消音瓦、減少突出物和舷外開口數量、採用X型艉舵及改善進 排氣口形狀等。 五、空蝕噪音 由於潛體周圍海水流動時，形成低壓區進而產生氣泡，這些氣泡隨著海水流動而 產生位移。當氣泡從低壓區移至較高壓區時，氣泡受力爆破而產生音量頗強的寬 頻噪音。然而此噪音乃對於潛體高速運動時或是超出設計操縱的條件下，如超空 蝕魚雷，空蝕現象方可能發生。對於潛艦而言，空蝕的主要發生在葉，其形成原 因乃水中高速運動造成葉面壓力差而氣化並生成氣泡，由於該現象的產生與環境 壓力有關，環境壓力越大，越不易產生，因此空蝕噪音強度與水深成反比，與旋 轉速度成正比。當空蝕發生時，潛艦的噪音頻譜在高頻部分可能增大約20dB，因 此在反潛作戰時，當潛艦艦長察覺本身可能遭受水面或其他兵力偵知時，深潛及 減速實為適當之戰術作為。除此之外，尚有利用氣幕或是避免葉尖渦旋空蝕發生 之葉尖卸載設計等方式來達到降噪的目的。 本文以帆罩、控制翼或是葉葉片的二維斷面翼形為對象，探討紊(擾)流及非定常 流所形成的流體噪音，主要原因是潛艦在巡邏(航)速率(約8-15節)下，流體噪音 為主要的寬頻噪音源(如圖二所示)，但因受限於國防技術的範疇，確切翼形及數 據較不易獲得，僅能就現有潛艦資料及相關領域研究成果探討形成機制，並列舉 部分成果做為定性上的探討。此外，為減少葉不均勻入流而產生之噪音，降低帆 罩渦漩機制等研究成果一併討論。 參、流體噪音分析模式 一、流場分析及噪音預估數學模式 潛艦流體噪音模式的建構可分成兩個部分，首先須了解潛艦運動時流場變化之分 析模式，但因潛艦運動方程式尚在發展驗證中，無法精準的預估任意操船下流場 的變化，僅能以固定舵角斜航或是下潛等運動，藉由計算流體力學(CFD)求解得知 ；其次，則是依據流場計算結果，並假設各噪音源皆獨立且彼此不互相干擾的條 件下，建立各噪音源聲壓及大小的預估模式，其流場及噪音預估模式的發展現況 如後所述。 潛艦在執行戰術運動時，肇因幾何外型的變化，使得周遭的流場隨著運動條件的 改變而有不同變化。當潛艦在執行水平面運動時，受帆罩及罩上翼板的影響，使 得流場呈現左右不對稱的情況；例如當潛艦以小攻角慢速迴旋時，流體是附著在 船體及翼板上，然而由於帆罩尾端渦流的形成，遂使得流場呈現不對稱性，進而 影響船體後側及艉控制面流體動力特性，使得原先僅在水平面運動的船體產生垂 直面上的運動分量。由此可知，縱使小角度變化的要求下，流場並非呈現線性變 化，其所引導出非運動平面(Out-of-Plane)的力及力矩，對軌跡的變化影響甚鉅 。當以中攻角中度迴旋時，因流體從船體剝離，在迴旋方向的另一側形成渦旋場 ，帆罩及船體所產生的渦流交互作用下，更增加流場的不對稱性，使得非線性力 顯著程度增加外。大角度迴旋時，流體從控制面剝離，非線性交互作用更顯著； 即迴旋的攻角愈大，非線性交互作用愈明顯，其運動時周遭流場(如圖三)所示。 在進行潛艦周圍流場計算時，是以黏性流理論為基礎求解紊(擾)流場，其控制方 程式為RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations)方程組，配合常用的 紊(擾)流模型有系列、系列及雷諾應力模型(Reynold Stress Model)等以計算流 體力學的方式離散求解，計算成果(如圖四∼圖六)所示。 由上述結果可知，潛艦在運動時艉端流場相當複雜，除了受艉翼的影響外，帆罩 的效應佔很大的部分。蓋帆罩存在目的不外乎保護潛艦內部相關配件，如潛望鏡 、天線等。但從相關研究中可知〔註九〕，帆罩的表面積僅為船體浸水總面積約 9％，全速航行時帆罩阻力卻為總阻力12％，且易於上游處產生接面渦旋(Junctu re Vortex)，其發生機制(如圖七)所示；又因渦旋常由帆罩兩側繞過，由上方觀 之，其形狀近似一馬蹄形，因此又稱馬蹄形渦旋(Horseshoe Vortex)。該渦旋隨 著船速向後傳遞時，與葉產生交互作用，而產生噪音。鑑此，美國近年研發先進 帆罩，利用CFD方法進行最佳化，發展出新式帆罩〔圖八〕，並將應用於維吉尼亞 級核動力潛艦上。 近期在推動潛艦國造的政策下，台大工科海洋所以德國209型潛艦為研究對象，以 CFD方法計算帆罩與船體接面所產生之接面渦旋加以分析，希對直筒形帆罩建立一 削減接面渦旋產生之方法，其中帆罩係採NACA0018翼形斷面建構而成。而所謂削 減機制乃參考美國海狼級核子動力潛艦(如圖九)，在不改變原本帆罩幾何外型前 提下，於帆罩與船體間另外添加一具有不同坡度之外罩，藉由坡度調整，從而計 算接面渦旋消減之變化，做為將來帆罩幾何設計之參考。其結果顯示，在巡航速 度為四節的條件下，比較60、50、45及30度斜坡與未加裝削減機制之接面渦旋的 大小結構，發現於底部加裝30度斜坡之消減機制後，帆罩上游處並無接面渦旋產 生。由此結果估計接面渦旋的消失臨界角，應介於30度至45度間，該數據對未來 帆罩幾何設計極具參考價值。 在建立潛艦非穩態流場的數值模式後，噪音的預估可藉Ffowcs Williams-Hawkin gs(FWH)〔註十〕，所建立的聲波方程式求解得知： 其中左式為水中聲波方程式，及分別表示聲速及聲壓；右式是相當於外力項，即 物體不同運動模式所產生不同之聲源模式()，主要的組成模式包含單極聲源()、 偶極聲源()及四極聲源()三種。因本文所探討物體速度皆小於聲波傳遞的速度， 對於單極和偶極聲源來說，對應於及聲壓大小分別與翼形厚度及翼面負荷有關， 四極聲源所對應之聲壓級與前兩項相較就顯得較為次要〔註十一〕，因此總聲壓 的強度僅以厚度及負荷兩項噪音合表示對結果影響不大。Brooks等〔註十二〕為 建立風力系統之噪音評估模式，將不同翼形藉由風洞實驗取得噪音數據，並與FW H聲波方程式計算結果相較，藉此發展經驗公式預估噪音，該式可做為潛艦各項噪 音量級初步評估分析，以供設計參考。 二、紊(擾)流噪音 在流體力學中，紊(擾)流噪音被視為潛艦自發性所產生的主要噪音之一，它是由 於紊(擾)流邊界層在翼面尾緣轉變成尾跡流所生成。在特定的攻角及雷諾數下， 翼面上從層流經某個過渡點後轉為紊(擾)流，在此區域之變動壓力作用在尾緣的 壓側及吸側(Pressure Side & Suction Side)，此為小攻角下噪音主要的來源， 稱為TBL-TE噪音(Turbulent Boundary Layer Trailing Edge Noise)。然而當攻 角逐漸增加時，邊界層開始剝離產生分離流，並於尾緣吸側形成含有旋轉渦流的 區域，噪音在此區域產生乃因紊(擾)流渦旋轉成尾跡流所造成，若接近失速攻角 時，紊(擾)流渦旋的尺度將變得相當大，同時整個尾緣吸側流場成為非定常流， 所產生之噪音稱為SS噪音(Separation Stall Noise)。以上兩種噪音的產生機制 (如圖十(A)、(B)及(C))所示。 圖十一係針對NACA0012翼形，在馬赫數(M)為0.2的條件下，不同攻角所產生TBL- TE噪音之實驗值與經驗式比較結果，由圖中可知，在頻率3 kHz附近，預測結果大 致吻合；在較低的頻率中，預測結果過於高估，但以攻角為變化之相對的趨勢及 音強差量而言，預估可說是相近。然而不可諱言的，經驗式所得之預測值與實驗 值相較，在定性上有相當的差異，尤其當攻角增大時，差異最為顯著。 三、非定常流噪音 在前節中提到，潛艦艉端的流場為非定常流，葉在轉動的狀況下，葉片各斷面隨 著半徑位置不同所經歷的相對流速及弦長也不同。因此當層流渦漩在葉面上生成 並從尾端溢放之際，產生的聲波同時也向上游傳遞並造成邊界層內之不穩定性， 當此不穩定再次傳遞至葉片尾端，另一個頻率近似的渦旋又再度產生，如此形成 週而復始的迴路，形成渦旋溢放產生噪音，其產生機制(如圖十(D))所示。 此噪音一般都發生在翼形的壓側，同時週而復始的產生因此該噪音的頻譜是略為 呈現單音調的特性，此乃謂LBL-VS噪音(Laminar Boundary Layer Vortex Shedd ing Noise)。 同樣地，以Brooks的經驗式來預估LBL-VS噪音值，計算條件與如圖十一相同，唯 一的差別在於此次是以LBL-VS噪音量測為主，其結果如圖十二所示。由比較結果 得知，此噪音在頻率約3 kHz時最強，同時在攻角為4.0度及5.3度時預估值幾乎與 實驗值一致，而在其他中間頻率範圍誤差約在1dB左右；整體而言，由經驗式來預 估該噪音，其定性的趨勢相同。 再者，葉因旋轉的緣故，使得葉片與前置葉片所拖曳之渦流相互影響所產生的噪 音，稱為BVI噪音(Blade-Vortex-Interaction Noise)。為計算渦旋與葉片交互作 用產生共振之噪音，因此於翼形前佈置卡曼渦旋列，上下兩側各渦旋等距，藉此 得知渦旋距離對BVI噪音的影響。在以討論遠場噪音為前提下，僅計算翼形與固定 渦強作用下，升力係數()、力矩係數()及項之均方根值變化，結果(如圖十二)所 示。在c/d=0.5、1.5及2.5時，翼形與渦旋產生共振，因此聲壓在此出現峰值，其 趨勢為隨著c/d值增加，聲壓逐漸下降，同時也得知翼面負荷(及)變化趨勢與一致 ，這些都是在設計之初可供參考應用的資訊〔註十四〕。 肆、結語 如何增加潛艦的隱蔽性一直是各國追求的目標，同時也是挑戰現今科技發展的動 力。縱使現今計算機快速發展，科技進步快速，然而潛艦的相關研究卻仍付之闕 如；再者此時正值國軍推展三項軍購之際，潛艦的籌獲一直是本軍努力的目標， 對照當年劍龍級潛艦建造的時空環境，電腦網路還尚未普及，想要主導造艦技術 更新或是提昇無非緣木求魚。現今電腦計算能量增強，許多經由實驗方能證實的 物理機制已可由理論計算取代，在有能力轉化應用新科技並引領造艦技術的前提 之下，建造一支集最新技術於一身的潛艦戰鬥群將指日可期。 註釋： 註一：Urick R.J.，〝Principles of Underwater Sound〞，New York，McGraw -Hill，1983。 註二：Norwood C. and Tso Y.，〝Submarine Acoustic Signature-a Platform Perspective〞， Maritime Platforms Division，AMRL。 註三：林武文，〈潛艦匿蹤技術〉，《海軍學術月刊》，第39卷，第1期，94年1 月1日，頁303。 註四：蘭寧利，〈由潛艦的發展看反潛作戰〉，《海軍學術月刊》，第37卷，第 4期，92年4月1日，頁225。 註五：郭光顯，〈傳統動力潛艦之低頻噪聲頻譜分析〉，《海軍學術月刊》，第 34卷，第12期，89年12月10日，頁85。 註六：大直，〈艦艇匿蹤設計〉，《全球防衛雜誌》，第92卷，81年4月1日，頁 467。 註七：陳建霖，〈國內潛體設計之水動力研發能量〉，《海軍學術月刊》，第38 卷，第9期，93年9月1日，頁823。 註八：Miasnikov E.V.，〝What Is Known About the Character of Noise Cre ated by Submarines - Appendix 1〞，http://www.fas.org/spp/eprint/snf03 221.htm。 註九：蔡昇佑、郭真祥、陳彥均、趙修武，「潛艦帆罩接面渦旋之數值研究」， 第16屆中國造船暨輪機工程研討會論文集，台南，2004年，頁195-201。 註十：J.E. Ffowcs Williams and D.L. Hawkings，〝Sound Generation by tu rbulence and Surfaces in Arbitrary Motion〞，Phil. Trans. Roy. Soc. Lo n. Series A 264，1969, pp.321-341。 註十一：Seol H.，Suh J.C. and Lee S.，〝Development of Hybrid Method f or the Prediction of Underwater Propeller Noise〞，J. of sound and vib ration，Vol 288，2005, pp.345-360。 註十二：Brooks T.F.，Pope D.S. and Marcolini M.A.，〝Airfoil Self-Nois e and Prediction〞，NASA Reference Publication 1218，National Aeronaut ics and Space Administration，USA，1989。 註十三：Moriarty P. and Migliore P.，〝Semi-Empirical Aeroacoutic Nois e Prediction Code for Wind Turbines〞，Report NREL/TP-500-34478，2003。 註十四：Zhu W.J.，〝Modeling of Noise from Wind Turbines〞，Thesis，Me chanical Department，DTU，2004。