新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)噪聲源識別、測量和控制方法

 

摘要：噪聲指的是由于柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，部件間的摩擦力、撞擊力或非平衡力，使機(jī)械部件和殼體產(chǎn)生振動而輻射噪聲。機(jī)械噪聲的特性與激發(fā)力特性、物體表面振動的速度、邊界條件及振動模式有關(guān)。而噪聲作為機(jī)械運(yùn)行時(shí)發(fā)出的一種固有信號，噪聲中必然攜帶著機(jī)械本身的結(jié)構(gòu)信息和運(yùn)行的狀態(tài)信息。從理論上講，完全可以用噪聲信號來對發(fā)電機(jī)組的進(jìn)行測量，但由于運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性以及聲源的相互干擾性，在實(shí)際的測量中，應(yīng)用噪聲進(jìn)行監(jiān)測的效果并不那么理想。設(shè)備噪聲的存在，不僅給柴油發(fā)電機(jī)的使用壽命帶來不利影響，還在很大程度上給人們的身心健康和正常生活帶來危害。這就要求必須對柴油發(fā)電機(jī)噪聲予以高度的重視，設(shè)法將噪聲降到最低。

一、柴油機(jī)噪聲識別技術(shù)

 

      噪聲和振動是評價(jià)柴油機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)。作為發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)中的動力部件，柴油機(jī)是主要噪聲源和激振力，柴油機(jī)噪聲和振動對整車的噪聲特征有著決定性的影響。因此降低柴油機(jī)本身的振動和噪聲就是降低整車噪聲的主要措施。而進(jìn)行噪聲源識別是降噪研究的前提。通常柴油機(jī)的噪聲識別方法包括對表面輻射噪聲源的識別和內(nèi)部激勵(lì)噪聲源的識別。識別柴油機(jī)表面輻射噪聲源的方法有鉛覆蓋技術(shù)、聲強(qiáng)測試技術(shù)、表面振動測量技術(shù)以及近年來出現(xiàn)的激光全息技術(shù)及信號處理技術(shù)等。

1、鉛覆蓋技術(shù)

      鉛覆蓋技術(shù)是內(nèi)燃機(jī)噪聲源識別的傳統(tǒng)方法，要求在消聲室中進(jìn)行測量，在覆蓋時(shí)必須做到覆蓋完全，即使部件表面有少量面積沒有被覆蓋，也會對測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。

2、表面聲強(qiáng)測量法

       表面聲強(qiáng)測量法是近年來應(yīng)用比較多的方法，由于聲強(qiáng)是矢量，一個(gè)部件在某一方向上的聲強(qiáng)不受其它聲源的影響，其測量簡便快捷，但是聲強(qiáng)測量設(shè)備價(jià)格昂貴，對測試技術(shù)的要求高，在一定程度上限制了該方法在工程實(shí)際中的廣泛應(yīng)用。

3、振動測量法

      振動測量法是根據(jù)柴油機(jī)的表面振動速度來估計(jì)表面輻射聲功率，需要測量較多的數(shù)據(jù)和進(jìn)行大量的計(jì)算，它的主要困難在于柴油機(jī)零部件輻射比的確定，需要有大量的試驗(yàn)資料數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。

4、激光全息技術(shù)

      激光全息技術(shù)是近年來在噪聲識別領(lǐng)域中出現(xiàn)的新方法，它能夠得到具有相當(dāng)精度的聲場輻射圖譜，但由于這項(xiàng)技術(shù)費(fèi)用昂貴.使得其在傳統(tǒng)工業(yè)中的應(yīng)用很困難。

5、信號處理技術(shù)

      信號處理技術(shù)是利用在噪聲測量中所測錄的聲源信號時(shí)域值，再使用某種信號處理方法，按照聲源信號時(shí)、頻域的某種特性分解出主聲源信號的方法。

      柴油機(jī)內(nèi)部激勵(lì)噪聲源的識別主要是對燃燒噪聲與機(jī)械噪聲進(jìn)行識別，其識別有多種方法，如倒拖法、應(yīng)用相關(guān)技術(shù)分析法、噴油（點(diǎn)火）提前角試驗(yàn)法、氣缸壓力頻譜計(jì)算法以及部分缸熄火法等，但是由于二者的關(guān)聯(lián)性，要得到絕對準(zhǔn)確的結(jié)果是很難的。同時(shí)針對機(jī)械噪聲方面的活塞拍擊噪聲，齒輪噪聲，曲軸振動噪聲等的識別也逐漸成為研究熱點(diǎn)。

      通過對柴油機(jī)進(jìn)行單缸熄火，分離了燃燒噪聲和機(jī)械噪聲，解決降噪方向的問題。針對表面輻射問題，通過近場掃描來判斷整機(jī)噪聲分布情況，從而識別出各主要噪聲源及輻射部件.為降噪做準(zhǔn)備。采取降噪措施首先從內(nèi)部激勵(lì)開始進(jìn)行改進(jìn)，所以對供油提前角進(jìn)行了合理的調(diào)整，降低內(nèi)部激勵(lì)力，然后針對扭振情況進(jìn)行了扭振減振器的實(shí)驗(yàn)研究，降低了軸系扭振；在控制表面輻射噪聲方面，主要對油底殼進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，降低其輻射噪聲。

 

二、柴油機(jī)的噪聲源識別

 

1、機(jī)械噪聲和燃燒噪聲的分離

      設(shè)柴油機(jī)在某一工況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲聲功率級為L_w，由n缸共同發(fā)出的功率為W_n，當(dāng)柴油機(jī)中有1缸或m個(gè)缸發(fā)生熄火時(shí)，要保持原來的轉(zhuǎn)速和其他各缸工作狀態(tài)不變，就要使總的負(fù)荷發(fā)生變化。所以部分缸熄火就相當(dāng)于工作的缸數(shù)減少，那么總的輸出功率就會變小，相當(dāng)于原來的Wn×（n-1）/n或W_n×（n-m）/n，這時(shí)柴油機(jī)所發(fā)出的噪聲聲功率級為L’w₁或L’w_m，這部分噪聲包括機(jī)械噪聲和著火燃燒各缸所激發(fā)出的燃燒噪聲。所以斷油熄火缸所激發(fā)出的燃燒噪聲就可以通過總噪聲和熄火后的噪聲能量之差來求出，以第一缸為例。

      即：

      根據(jù)上式，求出單缸或m個(gè)缸的燃燒噪聲后，其它缸的燃燒噪聲就可以按此方法依次求出，最后通過各缸燃燒噪聲加和求出總的燃燒噪聲。

      這樣燃燒噪聲和機(jī)械噪聲便通過部分缸熄火求得。在總噪聲中，根據(jù)能量關(guān)系，燃燒噪聲占42.1%，而機(jī)械噪聲占57.8%，可見在中速中負(fù)荷的工作狀態(tài)下，機(jī)械噪聲要比燃燒噪聲大，通過下面所進(jìn)行的表面輻射噪聲掃描也能看出來。

2、近場掃描噪聲源識別

      在表面輻射噪聲源識別技術(shù)中，比較成熟的是聲強(qiáng)測量技術(shù)。但進(jìn)行聲強(qiáng)測量需要專業(yè)的聲強(qiáng)測試設(shè)備，而且測試后的數(shù)據(jù)處理也比較繁瑣。本次對柴油機(jī)表面噪聲進(jìn)行掃描測試的實(shí)驗(yàn)是在消聲室中進(jìn)行，可以采用聲壓代替聲強(qiáng)進(jìn)行表面輻射噪聲的識別[2]。測試設(shè)備與進(jìn)行整機(jī)聲功率測量所用的設(shè)備相同。在距柴油機(jī)盡可能近的表面上對前、左、右和頂四個(gè)面進(jìn)行掃描測試。測量時(shí)柴油機(jī)在額定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，用探頭逐點(diǎn)從左至右，從下至上拾取柴油機(jī)表面的噪聲信號，將所測量的數(shù)據(jù)存到其計(jì)算機(jī)硬盤里，然后用分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過測試和處理，各測量面的等聲級圖用2D軟件繪制后示于圖1、圖2、圖3、圖4 中。

      從圖中可以看出，在排氣側(cè)噪聲最大的部位出現(xiàn)在油底殼部位，其中油底殼中間部位噪聲級達(dá)到106.4dB（A），而在油底殼深裙部噪聲級達(dá)到106.7dB（A），其它部位的噪聲級與油底殼相比較小。缸蓋罩由于暴露在側(cè)面的面積較小，所以噪聲不是很突出。

（1）在進(jìn)氣側(cè)，最大噪聲出現(xiàn)在油底殼輻射部位，其噪聲聲壓級達(dá)到106.2dB（A），而其他部位的噪聲，如機(jī)體，油泵及進(jìn)氣管等，要比油底殼噪聲級小很多，不是主要噪聲輻射部位。

（2）在前端，由于齒輪室罩屬薄壁件，而且在曲軸自由端與皮帶輪連接處存在空隙，導(dǎo)致齒輪嚙合噪聲很大。在噪聲輻射最大處達(dá)到107.4dB（A），這里正是曲軸齒輪與惰輪嚙合處。

（3）在柴油機(jī)頂面，缸蓋罩同樣屬于薄壁件，其內(nèi)部還有配氣機(jī)構(gòu)，所以輻射的噪聲也較大。

      通過聲壓法對表面輻射噪聲的識別可知，柴油機(jī)主要輻射噪聲源是油底殼、缸蓋罩和齒輪室罩，它們的聲壓值高出其它噪聲源很多。而在三者之中，油底殼的表面積相對較大，在表面輻射噪聲源中“貢獻(xiàn)”最大，所以要對這些部件進(jìn)行改進(jìn)才能使得整機(jī)的噪聲降低。

 

圖1  柴油發(fā)電機(jī)排氣側(cè)等聲級圖	圖2  柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)氣側(cè)等聲級圖
圖3  柴油發(fā)電機(jī)前端面等聲級圖	圖4  柴油發(fā)電機(jī)頂面等聲級圖

 

三、柴發(fā)噪聲控制措施

 

（1）活塞敲擊噪聲的降低方法

① 減小活塞與汽缸壁的間隙。實(shí)踐表明：當(dāng)活塞與汽缸壁的間隙減小到0.05~0.10mm時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)的噪聲比正常間隙時(shí)降低3~5dB（A）。但采用這一方法時(shí)，必須采取防止拉缸的措施。

② 使活塞銷孔向汽缸壁的主推力面偏移，一般取偏移量為（0.05~0.10）R（R為曲柄半徑）。

③ 加長活塞裙部和減少活塞環(huán)數(shù)量。

④ 增加汽缸套的剛度。

⑤ 增加活塞敲擊汽缸壁時(shí)的阻尼（如在裙部外表面增加潤滑油的積存）。

（2）氣門機(jī)構(gòu)噪聲的降低方法

① 適當(dāng)減小氣門間隙。

② 采用頂置凸輪。

③ 采用液力挺柱或氣門液力驅(qū)動以消除氣門間隙。

④ 采用新型函數(shù)凸輪輪廓線以及對緩沖過渡曲線合理設(shè)計(jì)，使氣門升起和落座時(shí)的速度控制在較低值，以有效地抑制氣門的跳動。

（3）正時(shí)齒輪噪聲的降低方法

       正時(shí)齒輪一般都采用斜齒，由于其重疊系數(shù)較大，齒輪上分擔(dān)的負(fù)荷較小，故較直齒噪聲大為降低。有些柴油發(fā)電機(jī)采用夾布膠木作凸輪軸正時(shí)齒輪，也可有效地減小齒輪噪聲。

（4）機(jī)械振動及噪聲的降低方法出

      由于對柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性、耐久性的考慮，要通過各種平衡措施力求使這些慣性力和慣性力矩盡可能地被減小乃至完全消除。曲軸軸系扭轉(zhuǎn)振動引起的柴油發(fā)電機(jī)機(jī)體及其支承的附加振動、激發(fā)出的噪聲，一般在柴油柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)就應(yīng)給予考慮。

2、噪聲源的控制

      柴油機(jī)振動信號曲線如圖5所示，而圖6是350HZ頻率下柴油機(jī)表面聲壓級云圖。控制噪聲源的振動是最根本的辦法。一般措施包括：

（1）降低激勵(lì)，如減小沖擊力、對旋轉(zhuǎn)質(zhì)量作動平衡。

（2）在發(fā)電機(jī)組安裝和零部件裝配時(shí)進(jìn)行正確的校準(zhǔn)和對中。

（3）保證相對運(yùn)動件結(jié)合面的良好潤滑并降低結(jié)合面的表面粗糙度。

（4）電氣部件間的電磁力平衡。

（5）采取減振和隔振措施，以降低輻射噪聲的構(gòu)件對激勵(lì)力的響應(yīng)，如改變構(gòu)件的固有頻率，增大振動件或整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的阻尼等。

 

圖5  柴油機(jī)振動信號曲線圖

圖6  350HZ頻率下柴油機(jī)表面聲壓級云圖

 

3、噪聲傳播的控制

      使噪聲在傳播途中衰減，以減少傳遞到接收部分的能量。一般措施包括：

（1）對噪聲源采用隔聲罩；在噪聲源與接收部分之間設(shè)置隔聲障壁。

（2）在發(fā)電機(jī)房的四壁、頂板上加附吸聲材料，在空間裝設(shè)吸聲板。

（3）針對某些發(fā)電機(jī)組安裝消聲器。

（4）合理選擇新建廠廠址、合理布置發(fā)電機(jī)房建筑物等。

4、噪聲接收部分的控制

      當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速1500RPM情況下，氣缸壓力是0.4MPa時(shí)的噪聲曲線如圖7所示；氣缸壓力是0.6MPa時(shí)的噪聲曲線如圖8所示。

      噪聲控制的根本目的在于對人體健康的保護(hù)。當(dāng)控制噪聲源和噪聲傳播不能滿足要求時(shí)，長期處在90～100dB（A）噪聲環(huán)境中工作或在高至115dB（A）強(qiáng)噪聲環(huán)境中從事短期工作的操作者，可使用耳塞、耳罩和頭盔等個(gè)人防護(hù)裝置。此外，根據(jù)聲波干涉原理用“反噪聲”控制噪聲的反噪聲技術(shù)已開始試驗(yàn)研究，為噪聲控制開辟了又一途徑。

 

圖7  柴油機(jī)氣缸壓力為0.4 MPa的噪聲

圖8  柴油機(jī)氣缸壓力P為0.6 MPa的噪聲

 

四、柴發(fā)噪聲測量方法

 

      噪聲常以分貝（dB）表示的 A聲級或聲功率級作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對不同的發(fā)電機(jī)組規(guī)定有相應(yīng)的測量方法和容許標(biāo)準(zhǔn)。常用測量儀器有聲級計(jì)、聲功率計(jì)、頻率分析儀和記錄、顯示儀器等。

（1）聲級計(jì)分為普通和精密兩種，噪聲測量常規(guī)定用精密的聲級計(jì)。一般精密聲級計(jì)只適用于測量穩(wěn)態(tài)的或非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)噪聲，對脈沖噪聲則應(yīng)當(dāng)用精密脈沖聲級計(jì)測量。  

（2）頻率分析儀完成對噪聲的頻譜分析，是分析噪聲源的基本儀器，常用的有倍頻程和1/3倍頻程分析儀。需要進(jìn)行較詳細(xì)的頻譜分析時(shí)可用窄恒定帶寬的頻率分析儀。

（3）記錄儀能自動記錄噪聲信號的時(shí)間歷程或頻譜，如電平記錄儀。顯示儀一般為示波器，用以觀察噪聲的波形。

（4）為便于現(xiàn)場測量，常使用錄音機(jī)或磁帶記錄儀，錄下噪聲信號后帶回室內(nèi)分析。

（5）對于復(fù)雜噪聲的測量分析，如隨機(jī)噪聲或周期性與隨機(jī)性混雜在一起的噪聲，則可將錄下的噪聲信號輸入數(shù)據(jù)處理機(jī)，進(jìn)行相關(guān)分析、譜密度分析等。

（5）自從聲強(qiáng)計(jì)出現(xiàn)后，噪聲的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有以聲強(qiáng)級或聲功率級取代A聲級的趨勢。

 

總結(jié)：

      綜上所述，可以看出柴油機(jī)噪聲檢測標(biāo)準(zhǔn)有很多種分類，國家也有相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)和流程，特別是在日常生活中我們在使用柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候，要從源頭控制噪聲源，減少沖擊力，設(shè)置噪聲緩沖區(qū)等措施，把柴油發(fā)電機(jī)組噪聲控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，通常的檢測工具頻率分析儀完成對噪聲的頻譜分析。因此，利用有限元法和邊界元法聯(lián)合求解的數(shù)值方法，能夠基本預(yù)測出柴油機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲特性。此外，通過柴油機(jī)的聲譜分析，可得到柴油機(jī)表面具有代表性節(jié)點(diǎn)的輻射聲壓級頻譜，從頻譜圖中可以看出柴油機(jī)各部位表面聲壓級的分布情況。并建立半消聲室模型，進(jìn)行輻射噪聲計(jì)算，得到柴油機(jī)表面輻射聲功率譜，確定對輻射噪聲貢獻(xiàn)較大的頻率，并通過柴油機(jī)表面和聲場的聲壓級云圖，預(yù)測出柴油機(jī)輻射噪聲較大部位。

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