新聞主題	柴油發電機噪聲源識別、測量和控制方法

 

摘要：噪聲指的是由于柴油發電機組運轉時，部件間的摩擦力、撞擊力或非平衡力，使機械部件和殼體產生振動而輻射噪聲。機械噪聲的特性與激發力特性、物體表面振動的速度、邊界條件及振動模式有關。而噪聲作為機械運行時發出的一種固有信號，噪聲中必然攜帶著機械本身的結構信息和運行的狀態信息。從理論上講，完全可以用噪聲信號來對發電機組的進行測量，但由于運行環境的復雜性以及聲源的相互干擾性，在實際的測量中，應用噪聲進行監測的效果并不那么理想。設備噪聲的存在，不僅給柴油發電機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電機噪聲予以高度的重視，設法將噪聲降到最低。

一、柴油機噪聲識別技術

 

      噪聲和振動是評價柴油機的一個重要指標。作為發電機組系統中的動力部件，柴油機是主要噪聲源和激振力，柴油機噪聲和振動對整車的噪聲特征有著決定性的影響。因此降低柴油機本身的振動和噪聲就是降低整車噪聲的主要措施。而進行噪聲源識別是降噪研究的前提。通常柴油機的噪聲識別方法包括對表面輻射噪聲源的識別和內部激勵噪聲源的識別。識別柴油機表面輻射噪聲源的方法有鉛覆蓋技術、聲強測試技術、表面振動測量技術以及近年來出現的激光全息技術及信號處理技術等。

1、鉛覆蓋技術

      鉛覆蓋技術是內燃機噪聲源識別的傳統方法，要求在消聲室中進行測量，在覆蓋時必須做到覆蓋完全，即使部件表面有少量面積沒有被覆蓋，也會對測量結果產生顯著影響。

2、表面聲強測量法

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

3、振動測量法

      振動測量法是根據柴油機的表面振動速度來估計表面輻射聲功率，需要測量較多的數據和進行大量的計算，它的主要困難在于柴油機零部件輻射比的確定，需要有大量的試驗資料數據作為基礎。

4、激光全息技術

      激光全息技術是近年來在噪聲識別領域中出現的新方法，它能夠得到具有相當精度的聲場輻射圖譜，但由于這項技術費用昂貴.使得其在傳統工業中的應用很困難。

5、信號處理技術

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

      柴油機內部激勵噪聲源的識別主要是對燃燒噪聲與機械噪聲進行識別，其識別有多種方法，如倒拖法、應用相關技術分析法、噴油（點火）提前角試驗法、氣缸壓力頻譜計算法以及部分缸熄火法等，但是由于二者的關聯性，要得到絕對準確的結果是很難的。同時針對機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。

      通過對柴油機進行單缸熄火，分離了燃燒噪聲和機械噪聲，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.為降噪做準備。采取降噪措施首先從內部激勵開始進行改進，所以對供油提前角進行了合理的調整，降低內部激勵力，然后針對扭振情況進行了扭振減振器的實驗研究，降低了軸系扭振；在控制表面輻射噪聲方面，主要對油底殼進行了結構改進，降低其輻射噪聲。

 

二、柴油機的噪聲源識別

 

1、機械噪聲和燃燒噪聲的分離

      設柴油機在某一工況下正常運轉時的噪聲聲功率級為L_w，由n缸共同發出的功率為W_n，當柴油機中有1缸或m個缸發生熄火時，要保持原來的轉速和其他各缸工作狀態不變，就要使總的負荷發生變化。所以部分缸熄火就相當于工作的缸數減少，那么總的輸出功率就會變小，相當于原來的Wn×（n-1）/n或W_n×（n-m）/n，這時柴油機所發出的噪聲聲功率級為L’w₁或L’w_m，這部分噪聲包括機械噪聲和著火燃燒各缸所激發出的燃燒噪聲。所以斷油熄火缸所激發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：

      根據上式，求出單缸或m個缸的燃燒噪聲后，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。

      這樣燃燒噪聲和機械噪聲便通過部分缸熄火求得。在總噪聲中，根據能量關系，燃燒噪聲占42.1%，而機械噪聲占57.8%，可見在中速中負荷的工作狀態下，機械噪聲要比燃燒噪聲大，通過下面所進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中，比較成熟的是聲強測量技術。但進行聲強測量需要專業的聲強測試設備，而且測試后的數據處理也比較繁瑣。本次對柴油機表面噪聲進行掃描測試的實驗是在消聲室中進行，可以采用聲壓代替聲強進行表面輻射噪聲的識別[2]。測試設備與進行整機聲功率測量所用的設備相同。在距柴油機盡可能近的表面上對前、左、右和頂四個面進行掃描測試。測量時柴油機在額定工況下運轉，用探頭逐點從左至右，從下至上拾取柴油機表面的噪聲信號，將所測量的數據存到其計算機硬盤里，然后用分析軟件進行數據處理。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，在排氣側噪聲最大的部位出現在油底殼部位，其中油底殼中間部位噪聲級達到106.4dB（A），而在油底殼深裙部噪聲級達到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面的面積較小，所以噪聲不是很突出。

（1）在進氣側，最大噪聲出現在油底殼輻射部位，其噪聲聲壓級達到106.2dB（A），而其他部位的噪聲，如機體，油泵及進氣管等，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，導致齒輪嚙合噪聲很大。在噪聲輻射最大處達到107.4dB（A），這里正是曲軸齒輪與惰輪嚙合處。

（3）在柴油機頂面，缸蓋罩同樣屬于薄壁件，其內部還有配氣機構，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”最大，所以要對這些部件進行改進才能使得整機的噪聲降低。

 

圖1  柴油發電機排氣側等聲級圖	圖2  柴油發電機進氣側等聲級圖
圖3  柴油發電機前端面等聲級圖	圖4  柴油發電機頂面等聲級圖

 

三、柴發噪聲控制措施

 

（1）活塞敲擊噪聲的降低方法

① 減小活塞與汽缸壁的間隙。實踐表明：當活塞與汽缸壁的間隙減小到0.05~0.10mm時，柴油發電機的噪聲比正常間隙時降低3~5dB（A）。但采用這一方法時，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數量。

④ 增加汽缸套的剛度。

⑤ 增加活塞敲擊汽缸壁時的阻尼（如在裙部外表面增加潤滑油的積存）。

（2）氣門機構噪聲的降低方法

① 適當減小氣門間隙。

② 采用頂置凸輪。

③ 采用液力挺柱或氣門液力驅動以消除氣門間隙。

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

（3）正時齒輪噪聲的降低方法

       正時齒輪一般都采用斜齒，由于其重疊系數較大，齒輪上分擔的負荷較小，故較直齒噪聲大為降低。有些柴油發電機采用夾布膠木作凸輪軸正時齒輪，也可有效地減小齒輪噪聲。

（4）機械振動及噪聲的降低方法出

      由于對柴油發電機運轉可靠性、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。曲軸軸系扭轉振動引起的柴油發電機機體及其支承的附加振動、激發出的噪聲，一般在柴油柴油機總體設計規劃時就應給予考慮。

2、噪聲源的控制

      柴油機振動信號曲線如圖5所示，而圖6是350HZ頻率下柴油機表面聲壓級云圖。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，如減小沖擊力、對旋轉質量作動平衡。

（2）在發電機組安裝和零部件裝配時進行正確的校準和對中。

（3）保證相對運動件結合面的良好潤滑并降低結合面的表面粗糙度。

（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件對激勵力的響應，如改變構件的固有頻率，增大振動件或整個機械系統的阻尼等。

 

圖5  柴油機振動信號曲線圖

圖6  350HZ頻率下柴油機表面聲壓級云圖

 

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置隔聲障壁。

（2）在發電機房的四壁、頂板上加附吸聲材料，在空間裝設吸聲板。

（3）針對某些發電機組安裝消聲器。

（4）合理選擇新建廠廠址、合理布置發電機房建筑物等。

4、噪聲接收部分的控制

      當柴油發電機在額定轉速1500RPM情況下，氣缸壓力是0.4MPa時的噪聲曲線如圖7所示；氣缸壓力是0.6MPa時的噪聲曲線如圖8所示。

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

 

圖7  柴油機氣缸壓力為0.4 MPa的噪聲

圖8  柴油機氣缸壓力P為0.6 MPa的噪聲

 

四、柴發噪聲測量方法

 

      噪聲常以分貝（dB）表示的 A聲級或聲功率級作為評價標準，對不同的發電機組規定有相應的測量方法和容許標準。常用測量儀器有聲級計、聲功率計、頻率分析儀和記錄、顯示儀器等。

（1）聲級計分為普通和精密兩種，噪聲測量常規定用精密的聲級計。一般精密聲級計只適用于測量穩態的或非穩態的連續噪聲，對脈沖噪聲則應當用精密脈沖聲級計測量。  

（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。需要進行較詳細的頻譜分析時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）為便于現場測量，常使用錄音機或磁帶記錄儀，錄下噪聲信號后帶回室內分析。

（5）對于復雜噪聲的測量分析，如隨機噪聲或周期性與隨機性混雜在一起的噪聲，則可將錄下的噪聲信號輸入數據處理機，進行相關分析、譜密度分析等。

（5）自從聲強計出現后，噪聲的評價標準有以聲強級或聲功率級取代A聲級的趨勢。

 

總結：

      綜上所述，可以看出柴油機噪聲檢測標準有很多種分類，國家也有相應的檢測標準和流程，特別是在日常生活中我們在使用柴油發電機組進行生產的時候，要從源頭控制噪聲源，減少沖擊力，設置噪聲緩沖區等措施，把柴油發電機組噪聲控制在一個合理的范圍內，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合求解的數值方法，能夠基本預測出柴油機結構噪聲特性。此外，通過柴油機的聲譜分析，可得到柴油機表面具有代表性節點的輻射聲壓級頻譜，從頻譜圖中可以看出柴油機各部位表面聲壓級的分布情況。并建立半消聲室模型，進行輻射噪聲計算，得到柴油機表面輻射聲功率譜，確定對輻射噪聲貢獻較大的頻率，并通過柴油機表面和聲場的聲壓級云圖，預測出柴油機輻射噪聲較大部位。

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