吳 斌 房元斌

上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司 上海 200063

1 研究背景

隨著近年來人們對(duì)應(yīng)急電源車使用要求的不斷提升[1-2],應(yīng)急電源車供電品質(zhì)、外形設(shè)計(jì)、人機(jī)工程、振動(dòng)噪聲、使用維護(hù)方便性和可靠性等性能指標(biāo)越來越受到人們的重視。針對(duì)客戶需求不同,從客戶追求性價(jià)比最大的利益出發(fā),各個(gè)參數(shù)權(quán)重各有不同。民用市場(chǎng)中,緊急供電裝置工程用電源車、多功能搶險(xiǎn)電源車居多,應(yīng)用在不斷普及?？蛻魧?duì)于應(yīng)急電源車靜聲設(shè)計(jì)更加注重從噪聲源頭降噪,避免對(duì)居民生活品質(zhì)造成影響[3-4]。軍用市場(chǎng)對(duì)于應(yīng)急電源車的供電品質(zhì)、振動(dòng)噪聲、使用維護(hù)方便性、應(yīng)急可靠性等基本硬性指標(biāo)有著更高要求,同時(shí)設(shè)計(jì)人員還要考慮到外形設(shè)計(jì)和人機(jī)工程滿足不同工況的要求[5]。

應(yīng)急電源車通常采用發(fā)動(dòng)機(jī)和同步發(fā)電機(jī)組合搭建供電機(jī)組,很多專家學(xué)者對(duì)應(yīng)急電源車減振降噪技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和仿真研究。周章強(qiáng)等[6]通過緊湊型低噪聲系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),對(duì)方艙、消聲器等優(yōu)化設(shè)計(jì),達(dá)到勘探行業(yè)用戶對(duì)應(yīng)急電源車電壓可調(diào)、低噪聲的任務(wù)要求。陳扶明等[7]設(shè)計(jì)一種300 kW野戰(zhàn)移動(dòng)應(yīng)急電源車,通過降噪車廂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)在高海拔地區(qū)大功率供電和低噪聲需求。黃健等[8]基于有限元手段對(duì)方艙風(fēng)道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì),改進(jìn)安裝導(dǎo)流板、調(diào)節(jié)入口大小和安裝分流片等設(shè)計(jì)參數(shù),實(shí)現(xiàn)提升出風(fēng)均勻性能并降噪。李紅杰等[9]分析柴油發(fā)電機(jī)組噪聲來源,合理設(shè)計(jì)方艙構(gòu)造,同時(shí),采用吸聲棉等阻性消聲器等降噪措施,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組方艙的降噪需求。隨著靜聲系統(tǒng)在移動(dòng)應(yīng)急電源車領(lǐng)域研究的不斷深入,設(shè)計(jì)研發(fā)周期不斷縮短,這主要得益于有限元技術(shù)的不斷成熟,理論和試驗(yàn)測(cè)試手段等不斷完善[10]。

筆者基于有限元仿真分析手段,進(jìn)行移動(dòng)電站用排風(fēng)消聲器降噪研究,對(duì)單個(gè)柴油機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行噪聲機(jī)理分析,以一定的噪聲值為目標(biāo),通過設(shè)計(jì)不同降噪方案對(duì)比分析,得到最佳的降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,并驗(yàn)證仿真結(jié)果。

2 噪聲機(jī)理分析

2.1 柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組振動(dòng)噪聲源

應(yīng)急電源車柴油機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)工作時(shí),兩者主軸軸心對(duì)接,剛性連接性強(qiáng)。發(fā)電機(jī)和柴油機(jī)的噪聲源可分為機(jī)械、燃燒、空氣等噪聲。工作時(shí),進(jìn)氣管路等引起空氣噪聲,傳動(dòng)部件引起機(jī)械噪聲,氣體爆燃等引起燃燒噪聲,噪聲由氣門室蓋、缸蓋、機(jī)體、油底殼等介質(zhì)傳遞。聲源表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng),在廂艙內(nèi)對(duì)周圍空氣等介質(zhì)的擾動(dòng),以及噪聲與聲源表面振動(dòng)之間的關(guān)系直接影響噪聲的級(jí)別[11]。

柴油發(fā)電機(jī)組表面輻射噪聲聲壓與表面振動(dòng)的關(guān)系為:

prms=ρcυrms

(1)

式中:prms為聲壓均方根值;ρc為空氣特性阻抗;υrms為質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度均方根值。

聲壓級(jí)Lp的定義為:

Lp=20lg(prms/p0)

(2)

式中:p0為參考聲壓,一般為20×10-6Pa。

柴油發(fā)電機(jī)組表面輻射噪聲聲功率與表面振動(dòng)之間的關(guān)系為:

Wr=WYσr

(3)

式中:Wr為表面輻射聲功率;WY為表面振動(dòng)功率;σr為聲輻射效率。

聲功率級(jí)LW的定義為:

LW=10lg(WY/W0)

(4)

式中:W0為參考聲功率,一般為10-2W。

表面振動(dòng)功率WY的定義為:

(5)

2.2 柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)外輻射噪聲

應(yīng)急電源車柴油機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)工作時(shí),機(jī)外輻射噪聲主要有三種傳播路徑:柴油機(jī)排氣產(chǎn)生的噪聲、廂艙壁板的透射噪聲、廂艙進(jìn)排風(fēng)口位置產(chǎn)生的噪聲。

包絡(luò)面為半球面的點(diǎn)聲源,聲功率級(jí)與某個(gè)位置聲壓級(jí)的關(guān)系為:

LWA=LpAT+10lg(S/S0)

(6)

式中:LWA為點(diǎn)聲源聲功率級(jí);LPAT為以點(diǎn)聲源為中心,測(cè)點(diǎn)所在半球面上能量平均聲壓級(jí);S以聲源為中心,測(cè)量點(diǎn)所在半球面面積;S0為1 m2。

柴油機(jī)排氣口噪聲可以看作點(diǎn)聲源,距離聲源不同位置的聲壓級(jí)關(guān)系為:

Lp2=Lp1+10lg(S1/S2)=Lp1+20lg(r1/r2)

(7)

式中:Lpn為對(duì)應(yīng)測(cè)量點(diǎn)n位置的聲壓級(jí);Sn為以聲源為中心,測(cè)量點(diǎn)n位置所在半球面面積;rn為測(cè)量點(diǎn)n所在球面的半徑;n為1,2。

柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣、排氣噪聲屬于周期性壓力脈動(dòng)噪聲,主要與柴油機(jī)進(jìn)氣門周期性開啟有關(guān)。壓力脈動(dòng)噪聲頻率fo為:

(8)

式中:v為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速;i為柴油機(jī)氣缸數(shù);τ為柴油機(jī)沖程數(shù)。

柴油發(fā)電機(jī)機(jī)排氣噪聲即為散熱風(fēng)扇噪聲,主要與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有關(guān)。

3 試驗(yàn)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,設(shè)定移動(dòng)電站單機(jī)組廂艙正常工作,車輪廓線1 m包絡(luò)處噪聲應(yīng)不大于85 dB。測(cè)量噪聲時(shí),電源車駕駛室和廂艙的門窗應(yīng)關(guān)閉。

測(cè)量時(shí),機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行,電壓按空載額定值,頻率按滿載額定值進(jìn)行整定。測(cè)量時(shí)負(fù)載分別為滿載、半載、空載,負(fù)載功率因數(shù)為滯后0.8,室外測(cè)量時(shí)允許為1.0。測(cè)量選取四個(gè)測(cè)點(diǎn),分別為:左側(cè)面測(cè)點(diǎn),距車體1 m,距地面1.5 m;右側(cè)面測(cè)點(diǎn),距車體1 m,距地面1.5 m;后端面測(cè)點(diǎn),距車體1 m,距地面1.5 m;前端面測(cè)點(diǎn)。重復(fù)測(cè)量三次,每?jī)纱螠y(cè)量結(jié)果之差不大于2 dB。

柴油機(jī)基本參數(shù)中,標(biāo)定功率為231 kW,使用環(huán)境溫度為-40～65 ℃,額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。在單臺(tái)柴油機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)工作狀態(tài)下,未加裝消聲器,柴油機(jī)排氣口1 m處噪聲為115 dB。經(jīng)40 dB級(jí)消聲器處理,柴油機(jī)排氣口1 m處噪聲降為85 dB。

根據(jù)距離聲源不同位置的聲壓級(jí)計(jì)算式,可推算得到左右側(cè)進(jìn)氣口邊緣處距離方艙進(jìn)風(fēng)位置最近距離為3 900 mm,后端面測(cè)點(diǎn)距離柴油機(jī)排氣口最近距離為2 228 mm。該位置為頂部上方聲音通過衍射傳播,聲壓級(jí)應(yīng)比水平位置距排風(fēng)口3 070 mm處聲壓級(jí)較小。以水平位置3 900 mm處聲壓級(jí)進(jìn)行估算,按上述公式計(jì)算得到73 dB,距離標(biāo)準(zhǔn)要求相差12 dB,對(duì)機(jī)外輻射噪聲貢獻(xiàn)較小。

測(cè)點(diǎn)距離柴油機(jī)排氣口最近距離為2 228 mm,在半自由聲場(chǎng)中,聲功率級(jí)為115 dB的聲源傳播到該位置的聲壓級(jí)為103 dB。

實(shí)際方艙位于聲源向外部傳播路徑中,方艙側(cè)板、頂板、中間隔板用1.5 mm厚鋼板及80 mm厚吸聲材料制成,底板由3 mm厚花紋鋁板、1.5 mm厚鋼板及60 mm厚吸聲材料制成。根據(jù)《噪聲振動(dòng)控制工程手冊(cè)》,100 Hz～3 150 Hz范圍內(nèi)隔聲量經(jīng)驗(yàn)式為:

R=1.35lgM+14

(9)

式中:R為隔聲量;M為面密度, 小于200 kg/m2。

據(jù)此估算,1.5 mm厚鋼板平均隔聲量為28.5 dB,3 mm厚鋁制花紋板+1.5 mm厚鋼板平均隔聲量為31.6 dB,40 mm厚玻璃棉平均隔聲量為10 dB,80 mm厚玻璃棉平均隔聲量為14.4 dB,距方艙1 m處噪聲為64.5 dB,距標(biāo)準(zhǔn)要求的85 dB相差20 dB左右,方艙透射噪聲對(duì)機(jī)外輻射噪聲的貢獻(xiàn)較小。

綜上所述,噪聲解決方案應(yīng)以降低排風(fēng)口輻射噪聲為主要研究方向。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

柴油機(jī)組采用水冷散熱系統(tǒng),冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流使風(fēng)扇前端形成負(fù)壓區(qū),由前端進(jìn)風(fēng)口吸入空氣,在后端冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生壓力使空氣通過排風(fēng)消聲器排出空氣。柴油機(jī)組自帶排氣消聲器,因此筆者不再對(duì)排氣消聲器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),主要考慮排風(fēng)消聲器的設(shè)計(jì)為研究方向。

從排風(fēng)消聲器的空間尺寸限制及流場(chǎng)性能要求等方面考慮,設(shè)計(jì)三種排風(fēng)消聲器。從性價(jià)比、設(shè)計(jì)要求等因素考慮,不改變?cè)M(jìn)風(fēng)消聲器,排風(fēng)消聲器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

▲圖1 排風(fēng)消聲器結(jié)構(gòu)

為了保證模型分析變量單一性,L型、U型、倒V型三種結(jié)構(gòu)的通流體積相同。同時(shí),為了保證裝配尺寸一致性,整體外形尺寸相同,均為900 mm ×1 100 mm ×1 500 mm。為保證消聲效果,消聲材料組成為1.5 mm厚鋁板、32k玻璃棉、玻璃絲布、1.0 mm厚鋁孔板,兩邊側(cè)板材料為2 mm厚鍍鋅光板,內(nèi)側(cè)材料為1.2 mm厚鋁孔板,內(nèi)部填充40 mm厚32k玻璃棉。

有限元仿真計(jì)算一般從計(jì)算效率和計(jì)算精度考慮,在保證計(jì)算結(jié)果有效性的前提下,會(huì)對(duì)模型進(jìn)行一定簡(jiǎn)化。以一定假設(shè)條件為計(jì)算的前提,對(duì)傳播介質(zhì)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。介質(zhì)黏滯性被忽略,假設(shè)靜止,不存在初始速度。介質(zhì)物理初始狀態(tài)為常數(shù),聲波傳播過程絕熱,聲波引起介質(zhì)小幅振動(dòng)。

考慮充分利用高性能計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和模型計(jì)算精度,計(jì)算用模型采用質(zhì)量較高的六面體單元,同時(shí)有效控制模型的計(jì)算量,網(wǎng)格尺寸較為均勻,為2 mm。獲得L型、U型、倒V型三種排風(fēng)消聲器網(wǎng)格模型如圖2所示,三種排風(fēng)消聲器網(wǎng)格模型的單元總數(shù)分別為296 113、298 712、310 548,三種模型所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)分別為315 742、316 430、327 562。

▲圖2 排風(fēng)消聲器網(wǎng)格模型

在進(jìn)行氣動(dòng)噪聲的數(shù)值模擬中,采用可解壓的納維-斯托克斯方程。由于聲波自身屬性能量較小,要獲得較高的計(jì)算精度,對(duì)測(cè)聲點(diǎn)劃分的網(wǎng)格要求較高,于是對(duì)系統(tǒng)提出很高的計(jì)算性能要求,否則計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng),不滿足生產(chǎn)周期的要求。

排風(fēng)消聲器的入口設(shè)置速度邊界條件,左右兩個(gè)出口處施加壓力邊界條件,相對(duì)壓力為零,內(nèi)部施加無滑移邊界條件。

采用有限元分析軟件,以質(zhì)量流量為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),模擬計(jì)算獲得L型、U型、倒V型三種排風(fēng)消聲器的仿真結(jié)果,見表1。

表1 排風(fēng)消聲器仿真結(jié)果

根據(jù)表1仿真結(jié)果可知,L型、U型、倒V型三種排風(fēng)消聲器的流場(chǎng)性能從高到低排序?yàn)榈筕型、L型、U型。

按照L型、U型、倒V型三種排風(fēng)消聲器的結(jié)構(gòu)形式,加工相應(yīng)的試樣。通道的技術(shù)參數(shù)為氣流通道高度150 mm、氣流通道寬度960 mm、氣流通道直線跨度950 mm。為保證噪聲試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確和可信性,分別將L型、U型、倒V型三種排風(fēng)消聲器加裝于整車中進(jìn)行測(cè)試。L型、U型、倒V型三種排風(fēng)消聲器整車噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖3、表2所示。

▲圖3 排風(fēng)消聲器噪聲測(cè)試結(jié)果

表2 排風(fēng)消聲器噪聲測(cè)試結(jié)果 dB

根據(jù)全尺寸仿真計(jì)算結(jié)果,由圖3可以看出,在頻率500～1 000 Hz和1 600～2 000 Hz附近,倒V型排風(fēng)消聲器聲壓級(jí)降噪效果明顯。對(duì)于整體聲壓級(jí)曲線,倒V型排風(fēng)消聲器降噪效果均優(yōu)于L型排風(fēng)消聲器和U型排風(fēng)消聲器。同時(shí),測(cè)試結(jié)果有效驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。

由表2可知,從隔聲性能考慮,倒V型排風(fēng)消聲器降噪效果最好,U型排風(fēng)消聲器降噪效果次之,L型排風(fēng)消聲器降噪效果最差。

加工倒V型排風(fēng)消聲器,樣件實(shí)物如圖4所示,噪聲值滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)85 dB的要求。

▲圖4 倒V型排風(fēng)消聲器樣件實(shí)物

5 結(jié)論

(1) 方艙透射噪聲對(duì)機(jī)外輻射噪聲貢獻(xiàn)較小,噪聲解決方案以降低排風(fēng)口輻射噪聲為主。

(2) 流體仿真模型仿真可預(yù)測(cè)不同排風(fēng)消聲器的流場(chǎng)性能。

(3) 在中高頻段,倒V型排風(fēng)消聲器聲壓級(jí)降噪效果明顯。測(cè)試結(jié)果倒V型排風(fēng)消聲器降噪效果均優(yōu)于L型排風(fēng)消聲器和U型排風(fēng)消聲器,可有效驗(yàn)證仿真結(jié)果的有效性。同時(shí),倒V型排風(fēng)消聲器噪聲值滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)85 dB的要求。