船用柴油機(jī)性能對其輻射噪聲影響研究

王志剛，沈建平，姚 輝

（711研究所，上海 200090）

0 引 言

柴油機(jī)是現(xiàn)代艦船最重要的動力源設(shè)備之一，其振動噪聲水平對艦船的聲隱身性和舒適性有直接影響，其振動噪聲指標(biāo)、功率密度和尺寸重量等指標(biāo)是衡量船用柴油機(jī)性能的重要指標(biāo)。對柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲進(jìn)行預(yù)估，掌握柴油機(jī)性能指標(biāo)對整機(jī)結(jié)構(gòu)輻射噪聲的影響，是實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)以及進(jìn)行柴油機(jī)振動噪聲有效控制的重要技術(shù)途徑[1～3]。

本文以某型大功率船用柴油機(jī)為研究對象，采用柴油機(jī)近場輻射噪聲的預(yù)估方法，完成了從柴油機(jī)缸內(nèi)爆發(fā)壓力到柴油機(jī)近場輻射噪聲的預(yù)估，并對柴油機(jī)在 32%、50%、75%、100%和 110%的 5種工況下的輻射噪聲進(jìn)行了分析，為低噪聲柴油機(jī)的研制開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 柴油機(jī)整機(jī)噪聲分析模型

在某型大功率船用柴油機(jī)三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上建立基于聲傳遞向量（ATV）概念的柴油機(jī)近場邊界元（BEM）分析模型。ATV為聲學(xué)系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系矩陣——聲傳遞向量（Acoustic Transfer Vectors）矩陣，即從柴油機(jī)振動結(jié)構(gòu)表面的邊界單元到域點(diǎn)處的聲傳遞函數(shù)的信息集合[4]。

柴油機(jī)結(jié)構(gòu)聲輻射分析模型是由結(jié)構(gòu)有限元模型、結(jié)構(gòu)聲邊界元模型、外場域點(diǎn)網(wǎng)格模型組合而成的。其中，結(jié)構(gòu)有限元模型獨(dú)立于其他兩種模型而存在，結(jié)構(gòu)邊界元模型依賴于結(jié)構(gòu)有限元模型的邊界特性，外場域點(diǎn)的網(wǎng)格模型是依照一定規(guī)則所建立的包圍結(jié)構(gòu)聲學(xué)模型。

在柴油機(jī)結(jié)構(gòu)輻射分析模型的建模中，考慮到聲場分析的聲學(xué)介質(zhì)是空氣，其特性阻抗較小，外域聲波對結(jié)構(gòu)振動的反向作用極其微弱，故在該模型中不考慮FEM（有限元法）結(jié)構(gòu)振動模型與BEM聲學(xué)波動模型之間的相互耦合，只考慮結(jié)構(gòu)振動導(dǎo)致噪聲發(fā)生的單向作用效能。

柴油機(jī)分析模型的建立采用了Virtual Lab聲學(xué)分析軟件，網(wǎng)格劃分采用了Hypermesh前處理分析軟件。柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

圖1 柴油機(jī)的仿真分析模型

2 柴油機(jī)噪聲分析載荷確定

柴油機(jī)整機(jī)輻射噪聲分析所考慮的載荷主要包括：柴油機(jī)的缸內(nèi)氣體爆發(fā)力、活塞側(cè)向力、各主軸承處的軸承載荷等。以上載荷具體幅值與變化規(guī)律由發(fā)動機(jī)專用動力學(xué)計(jì)算軟件 GT-crank求解得到，如圖2、圖3所示。

圖2 活塞側(cè)向力載荷時(shí)域曲線

圖3 軸承激勵(lì)力載荷時(shí)域曲線

3 柴油機(jī)在不同工況下輻射噪聲計(jì)算

圖4 32%工況柴油機(jī)聲壓級分布

應(yīng)用Virtual Lab聲學(xué)分析軟件，計(jì)算柴油機(jī)在32%、50%、75%、100%和110%的5種工況下的輻射噪聲，建立了柴油機(jī)近場的聲壓級云圖，該云圖表征了柴油機(jī)在0～2000Hz頻段內(nèi)各三分之一倍頻帶中心頻率點(diǎn)的結(jié)構(gòu)輻射噪聲分布。詳見圖4～8。

圖5 50%工況柴油機(jī)聲壓級分布

圖6 75%工況柴油機(jī)聲壓級分布

圖7 100%工況柴油機(jī)聲壓級分布

圖8 110%工況柴油機(jī)聲壓級分布

從以上聲壓分布圖上可以看到柴油機(jī)在不同運(yùn)行工況的近場輻射噪聲分布，在聲學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上，進(jìn)行柴油機(jī)性能對整機(jī)輻射噪聲影響分析。

4 柴油機(jī)性能對整機(jī)輻射噪聲影響分析

對該型柴油機(jī)在0～2000Hz頻率范圍內(nèi)的不同工況下聲功率級進(jìn)行分析，得出柴油機(jī)的不同運(yùn)行工況對整機(jī)輻射聲功率級的影響曲線，如圖9、10所示。從圖中可以看出，柴油機(jī)的整機(jī)輻射聲功率隨負(fù)荷的增大而逐漸變大。但當(dāng)負(fù)荷超過100%時(shí)，在1000～2000Hz頻段內(nèi)隨著負(fù)荷的增加整機(jī)輻射聲功率反而下降。這是由于在負(fù)荷過大時(shí)，整機(jī)功率反而會有所下降，因此激勵(lì)力和輻射聲功率也會有所減小。從整體頻譜曲線上來看，不同負(fù)荷下聲功率在0～2000Hz頻率范圍內(nèi)變化趨勢大致相同，雖然負(fù)荷不同，但是轉(zhuǎn)速是一致的，因此相應(yīng)結(jié)果只是幅值有所不同。

5 結(jié) 語

從船用柴油機(jī)聲壓分布云圖和整機(jī)聲功率級來看，對于V型氣缸排列的船用大功率柴油機(jī)，在同一頻率范圍內(nèi)，5種工況下柴油機(jī)外場聲壓分布規(guī)律基本一致，但幅值隨著柴油機(jī)負(fù)荷增加總體表現(xiàn)出上升趨勢，但這種上升并非呈明顯線性特性。并且，從柴油機(jī)的聲壓云圖分布來看，顯示柴油機(jī)頂部及缸蓋部位輻射噪聲較大，在柴油機(jī)低噪聲設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些部位。

本文所建立的柴油機(jī)輻射噪聲計(jì)算方法可應(yīng)用于柴油機(jī)的輻射噪聲預(yù)估，支撐船用柴油機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)。

圖9 不同工況下柴油機(jī)聲功率頻譜曲線對比

圖10 不同工況對柴油機(jī)整機(jī)輻射聲功率級的影響曲線

[1]王 鑫，季振林. 柴油機(jī)輻射噪聲預(yù)測及控制技術(shù)研究[J]. 噪聲與振動控制，2008，02 (10)∶ 32.

[2]周建明. 內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測方法的研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué)碩士論文，2007. (8)∶.36-45.

[3]齊曉霞，王 文. 船用柴油機(jī)噪聲控制技術(shù)[J]. 噪聲與振動控制，2004, 02 (6)∶ 16.

[4]馮慧華，左正興. 基于BEM/FEM耦合技術(shù)的柴油機(jī)外聲場模擬技術(shù)研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2004, 22 (2)∶ 155.