本发明涉及一种水下航行器的大比例推进器模型的直发声声学试验装置，属于水下航行器推进器噪声控制技术领域。
背景技术：
水下推进器噪声是水下航行器噪声控制的主要关注对象之一。它包括了推进器的直发声及其激起船体的声辐射。其中推进器的直发声是决定性的，因为推进器激起船体产生的声辐射与推进器产生的非定常力密切相关，该非定常力也可以从推进器的直发声中根据动态力与声辐射的关系间接获得。推进器直发声的试验一般采取两种技术途径。一是用实船试验进行，二是用比例模型试验进行。考虑到实船试验中机械噪声和水动力噪声难以有效分离，并且希望在设计阶段即得到推进器噪声特性的评估，因此一般用模型试验进行水下推进器噪声的评估。现有的技术一般是在循环水槽中进行小比例模型试验(如：加速旋转螺旋桨噪声测试水洞试验研究兵工学报,2010年12期)。在循环水槽中进行试验时，因为循环水槽中截面积较小，首先推进器的比例不可能太大，其次是由于低频测量的困难导致有效噪声测量频段较高。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种大比例推进器模型的直发声试验装置，该试验装置可以试验不同比例的推进器模型，可在大型水池以及湖上进行试验，直接测得远场辐射噪声；该试验装置的测试结果重复性好、测试周期短及成本低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种大比例推进器模型的直发声试验装置，所述试验装置包括双向张紧拖曳设备、水面无动力船、数据采集设备、动力电缆、操控及数据处理设备、水听器阵、推进器模型、主轴系、非水密壳体、水密壳体、传感器、支撑件、刚度连接件及电动机；
所述水听器阵是由水听器在垂直水平面方向上均匀分布形成的半圆柱面，在水平面上的投影为半圆形；
传感器以及电动机安装在水密壳体的内部，水密壳体与非水密壳体固定连接；推进器模型在非水密壳体的外部且通过主轴系与电动机连接，主轴系通过与水密壳体外表面固定连接的支撑件进行支撑；水听器阵布放在推进器模型的后面并通过与水面无动力船连接进行固定，用于采集推进器模型的远场辐射噪声；刚度连接件的一端穿过非水密壳体与水密壳体固定连接，另一端与水面无动力船的底面铰连，保证非水密壳体在水平方向上运动；水面无动力船的前后两端分别与双向张紧拖曳设备连接，并由操控及数据处理设备控制双向张紧拖曳设备对水面无动力船施加的力；动力电缆一端与电动机连接，穿过刚度连接件后与水面无动力船前端的双向张紧拖曳设备中的缆绳集成在一起，另一端与外部的电源连接，并由操控及数据处理设备控制输送给电动机的电流和电压；数据采集设备安装在水面无动力船内部，采集水听器以及传感器产生的信号，并将采集的信号通过无线发射的方式传递给操控及数据处理设备；操控及数据处理设备接收到所述信号后进行数据分析及处理，得到推进器模型直发声的远场辐射噪声特性。
所述主轴系包括主轴、推力轴承及离合器；主轴穿过推力轴承，主轴的一端与推进器模型固定连接，另一端与离合器固定连接；通过离合器实现主轴系与电动机的连接或断开；支撑件与位于非水密壳体内部且在水密壳体外部的主轴固定连接；水听器阵的对称中心点在主轴的延长线上。
优选的，水密壳体内部安装电机减振机构，电机减振机构与电动机接触，对电动机的振动进行高效减振，使电动机引起的水下辐射噪声远低于推进器噪声。
所述非水密壳体是由阻尼系数不小于1％的复合材料制成的。
所述水密壳体的一阶固有频率远大于电动机的轴频以及推进器模型的叶频。
优选的，所述水密壳体采用厚度不小于10mm的钢材制成；水密壳体的内部敷设阻尼材料，抑制其高频振动。
所述电动机的功率密度不小于2kW/kg。
优选的，所述刚度连接件的横剖面为流线型，控制流体噪声；外表面敷设阻尼材料，抑制其振动。
所述水面无动力船的排水量不小于50吨。
所述推进器模型的尺寸与实船用推进器的尺寸比例为1:4～20。
有益效果：
(1)本发明所述的试验装置中，采取使用高阻尼系数的复合材料非水密壳体、厚度不小于10mm的水密壳体、电机减振机构、横剖面为流线型的刚度连接件以及在相关组件上敷设阻尼材料等措施，抑制所述试验装置中部件自身产生的振动以及噪声，因此所述试验装置可以得到较为纯净的推进器直发声数据。
(2)本发明所述的推进器模型，可以根据实船用推进器按照不同的缩小比例进行设计，进行一系列比例模型的试验；该试验装置适用于在大型水池以及湖水上进行试验，由于试验水域尺度较大，在推进器模型周围存在着直达声占优的区域，所以可以得到从低频到高频全频段内的推进器直发声的远场辐射噪声。
(3)本发明所述试验装置，拆掉推进器模型，可以对非水密壳体组成的水下结构进行流激噪声的试验；本发明所述试验装置的测试结果重复性好、测试周期短以及成本低。
附图说明
图1为实施例所述的水下推进器大比例模型的直发声试验装置的结构示意图。
其中，1-水听器阵，2-推进器模型，3-非水密壳体，4-水密壳体，5-电动机，6-动力电缆，7-刚度连接件，8-主轴，9-推力轴承，10-离合器，11-支撑件，12-传感器，13-电机减振机构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种大比例推进器模型的直发声试验装置，所述试验装置包括双向张紧拖曳设备、水面无动力船、数据采集设备、动力电缆6、操控及数据处理设备、水听器阵1、推进器模型2、主轴系、非水密壳体3、水密壳体4、传感器12、支撑件11、刚度连接件7、电动机5及电机减振机构13；
所述水听器阵1是由水听器在垂直水平面方向上均匀分布形成的半圆柱面，在水平面上的投影为半圆形；所述推进器模型2的尺寸与实船用推进器的尺寸比例为1:10；
所述非水密壳体3是由高阻尼系数的复合材料制成；所述水密壳体4是由厚度为15mm的钢材制成的，其内部敷设阻尼材料，且水密壳体4的一阶固有频率远大于电动机5轴频以及推进器模型2叶频；所述主轴系主要由主轴8、推力轴承9及离合器10组成；所述电动机5的功率密度为2kW/kg；所述水面无动力船的排水量为50吨，非水密壳体3组成的水下结构的排水量为20吨；所述刚度连接件7的横剖面为流线型，外表面敷设阻尼材料；
传感器12、电动机5以及电机减振机构13安装在水密壳体4的内部，电机减振机构13与电动机5接触，水密壳体4与非水密壳体3固定连接；主轴8穿过推力轴承9，主轴8的一端与非水密壳体3外部的推进器模型2固定连接，另一端与离合器10固定连接，通过离合10实现主轴与电动机5的连接或断开；支撑件11的一端与位于非水密壳体3内部且在水密壳体4外部的主轴8固定连接，另一端与水密壳体4外表面固定连接；水听器阵1布放在推进器模型2的后面并通过与水面无动力船连接进行固定，且水听器阵1的对称中心点在主轴8的延长线上，用于采集推进器模型2的远场辐射噪声；刚度连接件7的一端穿过非水密壳体3与水密壳体4固定连接，另一端与水面无动力船的底面铰连，保证非水密壳体3在水平方向上运动；水面无动力船的前后两端分别与双向张紧拖曳设备连接，并由操控及数据处理设备控制双向张紧拖曳设备对水面无动力船施加的力；动力电缆6一端与电动机5连接，穿过刚度连接件7后与水面无动力船前端的双向张紧拖曳设备中的缆绳集成在一起，另一端与外部的电源连接，并由操控及数据处理设备控制输送给电动机5的电流和电压；数据采集设备安装在水面无动力船内部，采集水听器以及传感器产生的信号，并将采集的信号通过无线发射的方式传递给操控及数据处理设备；操控及数据处理设备接收到所述信号后进行数据分析及处理。
本实施例所述试验装置的试验步骤如下：
(1)首先根据需要的推进器模型2的最大推力、尺寸、重量、功率以及转速，确定水面无动力船参数、主轴系参数、电动机5参数以及双向张紧拖曳设备参数；
(2)根据电动机5参数确定电机减振机构13的参数以及水密壳体的厚度；
(3)根据实验对象设计制造非水密壳体3，非水密壳体3的艉部线型与实船艉部线型相似；
(4)装配所述试验装置，然后对这个试验装置进行调试，调试完毕后进行试验；
(6)然后拆掉推进器模型2，系统按设定速度进行拖曳，测量系统此时的噪声；
(5)再断开离合器10，系统静置，测试电动机5空载下的水下辐射噪声；
(6)分析电动机5噪声及系统运动的背景噪声是否满足要求；如果不满足，则进行整改，重复上述步骤，直至满足试验需求；根据分析测试的数据，得到推进器模型2直发声的远场辐射噪声特性。
改变推进器模型的尺寸，重复上述试验步骤，可以测得不同比例的推进器模型的远场辐射噪声特性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。