楊啟梁，姚思敏

（武漢科技大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，湖北 武漢 430081）

1 引言

近年來(lái)，隨著人民生活水平的不斷提高，環(huán)境法規(guī)日趨嚴(yán)格，噪聲作為污染源也相應(yīng)得到重視。而柴油發(fā)電機(jī)組作為醫(yī)院、居民樓、公共設(shè)施等的備用電源，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲造成污染。因此，探討和研究發(fā)電機(jī)組的噪聲控制有重大意義。發(fā)電機(jī)組有開(kāi)式和閉式兩種結(jié)構(gòu)：開(kāi)式發(fā)電機(jī)組噪聲大，一般在機(jī)房中使用；閉式發(fā)電機(jī)組裝有隔聲罩，能有效降低噪聲。我國(guó)暫時(shí)還沒(méi)有針對(duì)閉式發(fā)電機(jī)組的噪聲標(biāo)準(zhǔn)，歐盟對(duì)閉式發(fā)電機(jī)組有明確的噪聲限值要求[1]，如表1所示。就目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)發(fā)電機(jī)組降噪已有學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]對(duì)某樞紐樓1600kW開(kāi)式發(fā)電機(jī)組進(jìn)行進(jìn)、排風(fēng)口設(shè)計(jì)和消聲器的設(shè)計(jì)滿足了《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)值》的要求。文獻(xiàn)[3]從噪聲源和噪聲傳遞兩個(gè)方面出發(fā)，改進(jìn)變速箱降低柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、改造原艙體和加裝消聲器，解決了超過(guò)《軍事作業(yè)噪聲容許限值及測(cè)量》規(guī)定值的問(wèn)題。然而大多數(shù)學(xué)者都是針對(duì)開(kāi)式發(fā)電機(jī)組，并且我國(guó)沒(méi)有專門發(fā)電機(jī)組的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)出口歐洲的某中型閉式發(fā)電機(jī)組噪聲過(guò)大問(wèn)題，采用頻譜分析與聲源分離法，識(shí)別機(jī)組的顯著噪聲，對(duì)聲源排序，并依次進(jìn)行降噪處理。最終解決了噪聲超標(biāo)問(wèn)題，使機(jī)組噪聲達(dá)到歐盟標(biāo)準(zhǔn)。

表1 CE噪聲指令要求的發(fā)電機(jī)組噪聲限值Tab.1 Generator Set Noise Limit From CE Noise Directive

2 閉式發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)形式及噪聲傳播方式

柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲源主要由以下幾部分組成[4]：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，進(jìn)排氣系統(tǒng)，冷卻風(fēng)扇，發(fā)電機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)在固定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，機(jī)組噪聲屬于穩(wěn)態(tài)噪聲。

聲波在閉式發(fā)電機(jī)組內(nèi)的傳播有以下幾種方式[5]：（1）聲波直射或衍射到發(fā)電機(jī)組外部，如進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口等，噪聲直接泄露到外界。（2）聲波穿透降噪箱壁板，透射到降噪箱外部。（3）聲波傳播時(shí)被多孔隙吸聲材料吸收，聲能轉(zhuǎn)換成熱能。（4）聲波被金屬面板反射，最終以前3種方式中的一種進(jìn)行傳播。

3 柴油發(fā)電機(jī)組的試驗(yàn)方法和測(cè)試系統(tǒng)

研究對(duì)象為某50Hz閉式柴油發(fā)電機(jī)組，機(jī)組常載功率380kW，備載功率418kW。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1800r/min。降噪箱長(zhǎng)4.6m，寬1.7m，高2.4m。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試采用LMS SCADAS Mobile多通道振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)，麥克風(fēng)的型號(hào)為GRAS 40AE，麥克風(fēng)標(biāo)定器的型號(hào)為GRAS 42AB，數(shù)據(jù)分析使用LMS test.lab軟件。

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO8528-10[6]和ISO6798-1996[7]進(jìn)行噪聲測(cè)試：距離發(fā)電機(jī)組d=1m處布置15個(gè)麥克風(fēng)測(cè)試機(jī)組噪聲，M1～M15，L1/L2/L3分別為機(jī)組降噪箱的長(zhǎng)寬高。距離排氣管外表面d=1m處的徑向布置兩個(gè)麥克風(fēng)測(cè)試排氣噪聲，M16～M17，如圖1所示。

圖1 噪聲測(cè)點(diǎn)圖Fig.1 Microphone Position

3.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)利用分部運(yùn)行法進(jìn)行聲源分離，分離出風(fēng)扇噪聲、排氣噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體噪聲。使用啟停風(fēng)扇的方法分離風(fēng)扇噪聲，排氣口引長(zhǎng)管至100m遠(yuǎn)處的方法分離排氣噪聲。實(shí)驗(yàn)詳細(xì)工況，如表2所示。

表2 試驗(yàn)詳細(xì)工況Tab.2 Test Condition

4 噪聲測(cè)試結(jié)果及分析

試驗(yàn)機(jī)組常用功率為380kW，歐盟要求機(jī)組在75%常用載荷下的噪聲排放不得超過(guò)98分貝（A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)），如表1所示。聲壓級(jí)和聲功率計(jì)均為A計(jì)權(quán)平均值，數(shù)據(jù)均處理為1/3倍頻程形式。聲功率計(jì)算公式如下：

式中：LW—聲功率；LP—測(cè)試表面處的聲壓級(jí)；S—測(cè)試表面的面積；S0—單位面積。

工況1測(cè)試結(jié)果，75%常用載荷下機(jī)組1m聲壓級(jí)為84.9分貝，聲功率級(jí)為104.7分貝，超過(guò)限值6.7分貝，不滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，得到噪聲頻譜。工況1是發(fā)電機(jī)組的噪聲頻譜，機(jī)組在中高頻的寬頻帶噪聲能量較高，且在160Hz，250Hz，500Hz，800Hz處分別有較高的尖峰，如圖 2 所示。

圖2 工況1-4機(jī)組的平均噪聲頻譜Fig.2 Generator Set Noise Spectrum of Condition 1 to Condition 4

4.1 風(fēng)扇噪聲

風(fēng)扇噪聲主要分為葉片通過(guò)噪聲和渦流噪聲。風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片周期性切割空氣，引起周圍空氣壓力脈動(dòng)產(chǎn)生的噪聲稱為葉片通過(guò)噪聲，其特征頻率如下[8]：

式中：Z—風(fēng)扇葉片數(shù)；n—風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（r/min）；k—諧波次數(shù)。

渦流噪聲是指風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片帶動(dòng)周圍空氣產(chǎn)生渦流，由于粘滯力的作用，渦流又分裂為一系列小渦流，渦流和渦流分裂使空氣產(chǎn)生擾動(dòng)，空氣不斷的壓縮與稀疏，從而形成寬頻噪聲[9]。

試驗(yàn)機(jī)組的冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1800r/min，9個(gè)葉片，葉片通過(guò)噪聲的特征頻率為270Hz。由于數(shù)據(jù)均已處理成1/3倍頻程數(shù)據(jù)，因此250Hz尖峰實(shí)際是270Hz的風(fēng)扇葉片通過(guò)噪聲，500Hz和800Hz噪聲分別是葉片通過(guò)噪聲的2階和3階諧波分量，如圖3所示。

通過(guò)啟停風(fēng)扇的方法，分離風(fēng)扇噪聲。由工況2和4可知，當(dāng)風(fēng)扇停止運(yùn)行時(shí)，中高頻的寬頻噪聲從（70～75）分貝降低到約60分貝，250Hz/500Hz/750Hz的葉片通過(guò)噪聲消失。關(guān)停風(fēng)扇后，機(jī)組1m處的聲壓級(jí)從84.9分貝降低到75.6分貝，如圖2所示。

4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體噪聲和排氣噪聲

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)體噪聲是由于燃燒室內(nèi)氣壓急劇上升，致使發(fā)動(dòng)機(jī)各部件振動(dòng)而引起的噪聲。排氣系統(tǒng)噪聲主要由周期性的脈動(dòng)噪聲，渦流噪聲和空氣柱共鳴噪聲組成。排氣噪聲的低頻部分由周期性的脈動(dòng)氣流產(chǎn)生，與發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體噪聲的頻率重疊。6缸發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒激勵(lì)頻率主要是3階和6階，轉(zhuǎn)速1500r/min，即75Hz和150Hz，與80Hz和160Hz相對(duì)應(yīng)，該噪聲由發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體噪聲和排氣噪聲共同組成，如圖3所示。

為了識(shí)別發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，使用排氣管尾端加裝長(zhǎng)管的方法，將排氣噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲分離。由工況3和工況4可知，當(dāng)把排氣引走時(shí)，機(jī)組在160Hz處的聲壓級(jí)為71.3分貝。當(dāng)排氣噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲混合在一起時(shí)，160Hz處噪聲為72.9分貝，經(jīng)計(jì)算可得，在160Hz處排氣噪聲對(duì)機(jī)組總噪聲的貢獻(xiàn)量為67.8分貝，如圖2所示。

在排氣口測(cè)試的有無(wú)消聲器的噪聲數(shù)據(jù)，排氣噪聲以渦流噪聲為主，中高頻噪聲能量高，經(jīng)消聲器消聲后，中高頻的噪聲降低到65分貝以下。排氣噪聲在80Hz和160Hz處有兩個(gè)尖峰，經(jīng)消聲器消聲后，80Hz和160Hz的噪聲下降了約18分貝，如圖3所示。

圖3 排氣噪聲頻譜Fig.3 Exhaust Noise Spectrum

4.3 各聲源貢獻(xiàn)量

75%常用載荷下，機(jī)組1m處聲壓級(jí)為84.9分貝，由工況2和3可計(jì)算出風(fēng)扇噪聲貢獻(xiàn)量為83.8分貝，由工況3和4可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體噪聲貢獻(xiàn)量為75.6分貝，排氣噪聲貢獻(xiàn)量為70.6分貝。機(jī)組內(nèi)噪聲源排序依次為：冷卻風(fēng)扇，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體，排氣，如圖4所示。

圖4 各聲源貢獻(xiàn)量Fig.4 Noise Source Contribution Plot

5 降噪處理

根據(jù)上節(jié)聲源排序的結(jié)果，風(fēng)扇噪聲貢獻(xiàn)量最大，且低頻的風(fēng)扇噪聲較難處理，考慮從聲源處降低風(fēng)扇噪聲。

對(duì)風(fēng)扇噪聲，有經(jīng)典公式可知[10]：

式中：d1、d2—風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改變前、后的直徑；n1、n2—風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改變前、后的轉(zhuǎn)速；C1、C2—風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改變前、后的風(fēng)量；PWL—風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改變前、后是聲功率。

由式3可知降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，減小風(fēng)扇直徑能有效的降低噪聲。為滿足冷卻要求，保持風(fēng)量基本不變，選擇將風(fēng)扇轉(zhuǎn)速?gòu)?800r/min降低至1350r/min，風(fēng)扇直徑從850mm增加至880mm，同時(shí)將風(fēng)扇螺旋角從30°增加至45°。工況1與工況7是改變風(fēng)扇后的測(cè)試數(shù)據(jù)，機(jī)組1m處聲壓級(jí)從84.9分貝降低到79.6分貝，降低了5.3分貝。風(fēng)扇的葉片通過(guò)頻率從250Hz偏移到200Hz，風(fēng)扇400Hz的2階通過(guò)噪聲依然有較高的峰值，中高頻的風(fēng)扇渦流噪聲大大降低，如圖5所示。

圖5 工況1/7/8機(jī)組的平均噪聲頻譜Fig.5 Generator Set Noise Spectrum of Condition 1/7/8

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體噪聲和排氣噪聲一般無(wú)法控制，下面主要討論從傳遞路徑上進(jìn)行降噪。

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體噪聲主要集中在低頻的80Hz和160Hz，對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的3階和6階。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，3階和6階噪聲一般由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生，考慮降低發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的傳遞。更換較軟的減振墊后，此時(shí)風(fēng)扇處于關(guān)停狀態(tài)，排氣噪聲已隔離。80Hz處發(fā)動(dòng)機(jī)的3階噪聲從63.3分貝降低到了58.8分貝，160Hz噪聲從71.3分貝降低到68.5分貝。機(jī)組平均聲壓級(jí)從75.6分貝降低到了74.5分貝，降低了1.1分貝，如圖6所示。

圖6 機(jī)組平均噪聲頻譜Fig.6 Generator Set Noise Spectrum of Condition 3 and Condition 6

經(jīng)過(guò)上述的降噪措施，機(jī)組噪聲在160Hz，200Hz和400Hz處仍有尖峰，為此，將消聲器增加Helmholtz諧振腔，加強(qiáng)對(duì)160Hz處的降噪，增加冷卻系統(tǒng)排風(fēng)腔內(nèi)吸音棉的厚度，從原來(lái)的40mm增加至100mm。機(jī)組最終的噪聲測(cè)試。結(jié)果表明，經(jīng)一系列降噪措施后，風(fēng)扇葉片通過(guò)噪聲尖峰消失，160Hz低頻排氣噪聲下降1.5分貝，發(fā)動(dòng)機(jī)3階噪聲尖峰減小，機(jī)組平均聲壓級(jí)降低到78.3分貝，聲功率級(jí)降低到98.1分貝，滿足CE要求。

6 結(jié)論

分析了閉式柴油發(fā)電機(jī)組各個(gè)噪聲源和傳遞機(jī)理，從噪聲源本身和傳遞路徑兩方面對(duì)噪聲進(jìn)行控制，采取降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、更換減振墊、增加吸音棉厚度和改善消聲器性能等降噪措施，并利用試驗(yàn)驗(yàn)證了所提降噪優(yōu)化措施的有效性與可行性，降噪效果明顯，使所開(kāi)發(fā)的重型閉式發(fā)電機(jī)組的噪聲滿足了歐盟法規(guī)要求。