船用低速柴油機(jī)振動噪聲特性及控制研究

黃啟芮 程鉑森 張宇

摘要：柴油機(jī)是船舶的重要動力設(shè)備，振動噪聲作為柴油機(jī)的重要性能參數(shù)之一，一直成為相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。如果柴油機(jī)的振動噪聲水平過高，不但會影響船舶的綜合性能，更會影響到乘員的舒適性，因此研究船用柴油機(jī)的振動噪聲特性并對其進(jìn)行控制具有重要的現(xiàn)實意義。但柴油機(jī)的振動與很多因素有關(guān)，其噪聲特性相對復(fù)雜，本文采用有限元分析方法對船用低速柴油機(jī)振動噪聲特性進(jìn)行了研究，為相關(guān)領(lǐng)域提供了理論和實踐參考。

關(guān)鍵詞：船船動力；低速柴油機(jī)；振動噪聲；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1柴油機(jī)振動特性研究方法

隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，目前人們已經(jīng)普遍采用計算機(jī)仿真軟件對柴油機(jī)的振動過程進(jìn)行模擬，以探索其基本原理，從而尋求解決方案。從文獻(xiàn)檢索的結(jié)果來看，有關(guān)柴油機(jī)振動和噪聲的研究主要集中振動機(jī)理、傳播特性、作用機(jī)制、控制方法等方面的探索，取得了一系列的研究成果，提高了人們對柴油機(jī)振動的認(rèn)識水平。常用的計算機(jī)仿真方法包括有限元法、模態(tài)分析法、瞬態(tài)動力學(xué)分析法和邊界元法等等。其中有限元法（FEM）的應(yīng)用最為廣泛。其基本思想是把研究對象進(jìn)行離散分解成許多小網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)分解粒度小到一定程度時，即可將其物理特性看成是線性的，然后對每個網(wǎng)格進(jìn)行分別求解，再層層迭代，最終求出整個結(jié)構(gòu)的近似解。有限元法的仿真精度與其離散的程度有關(guān)，仿真精度與網(wǎng)格的尺寸成反比，與計算量成正比。

在各種信號處理算法不斷優(yōu)化的背景下，各種針對振動信號先進(jìn)的信號處理方法也不斷涌現(xiàn)。許多學(xué)者開始將目光轉(zhuǎn)移至柴油機(jī)振動信號特征提取、在線故障診斷等方向的研究，并把分形技術(shù)、灰度理論、粗糙集、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別等技術(shù)引入到柴油機(jī)振動噪聲分析體系中來，形成了豐富的理論研究體系[5]。

2柴油機(jī)振動噪聲特性分析

2.1分析方法的確定

在柴油機(jī)振動噪聲的輻射特性求解中，常見的方法有主要有有限元法（FEM）、邊界元法（BEM）、能量分析法（SEA）等等。大量研究表明，低速二沖程柴油機(jī)振動所造成的噪聲，其頻率主要集中在中低頻段。而根據(jù)有限元法對網(wǎng)絡(luò)分割尺寸的要求，至少應(yīng)把各網(wǎng)絡(luò)的尺寸控制在1/6倍波長以下，才能保證仿真精度，取得可靠的分析結(jié)果。如果需要求解的頻率范圍較寬，網(wǎng)絡(luò)數(shù)量會以指數(shù)的速度增長，這對于普通計算機(jī)性能而言是無法接受的。統(tǒng)計分析法需要可以在很大程度上解決高頻噪聲輻射仿真的問題，但它是基于統(tǒng)計學(xué)原理來求解問題的，對于本文研究的船用柴油機(jī)而言明顯達(dá)不到所需的精度。而有限元法可以在求解頻率和精度兩個方面達(dá)到平衡，因此符合本文的分析要求。

2.2輻射噪聲特性仿真

為了對柴油機(jī)整機(jī)的噪聲輻射特性進(jìn)行研究，本文在模態(tài)分析和瞬態(tài)響應(yīng)的基礎(chǔ)，構(gòu)建了低速二沖程柴油機(jī)的邊界元模型，并在其周邊1米的空間范圍內(nèi)建立場點(diǎn)，如圖1所示。

通過商用仿真軟件Virtual lab對柴油機(jī)的輻射噪聲進(jìn)行求解，以圖1（b）聲學(xué)包絡(luò)網(wǎng)格和場點(diǎn)風(fēng)格等信息作為輸入，按照瞬態(tài)邊界元法的仿真要求對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并選取相應(yīng)的材料屬性，即可開始對模型進(jìn)行求解。為了使求解結(jié)果盡量精確，本文進(jìn)行了五個周期的聲學(xué)仿真，并取結(jié)果的均值進(jìn)行評價。按照業(yè)內(nèi)規(guī)范，在場點(diǎn)上隨機(jī)選取19個計算參考點(diǎn)，通過平均聲壓級來反映噪聲水平的高低，該方法在業(yè)內(nèi)又稱為“19點(diǎn)法”。聲壓級可以表示為

其中pe表示實測聲壓值， 表示參考聲壓值。噪聲由柴油機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生并向環(huán)境中輻射之后，其噪聲可以通過表面各計算參考點(diǎn)平均聲壓級來描述

其中表示第i個計算參考點(diǎn)的聲壓級，單位為dB，N表示計算參考點(diǎn)數(shù)量。各參考點(diǎn)的的平均輻射聲壓級仿真結(jié)果如表1所示。

對所有輻射面的聲壓級進(jìn)行能量疊加，得到整機(jī)平均聲壓級如表2所示。

2.3 數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

從仿真結(jié)果不難分析，柴油機(jī)在不同的方向上的噪聲輻射強(qiáng)度是不同的，其中觀察窗和增壓器所在的方向噪聲輻射強(qiáng)度最高，達(dá)到113.9和113.3dB，輸出端面和飛輪殼面噪聲水平較低，整機(jī)平均聲壓級為112.5dB。根據(jù)船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)的振動噪聲主要是經(jīng)過缸套、水套等位置輻射出來的，因為這些位置的結(jié)構(gòu)厚度相對較小，對噪聲的吸收和阻擋能力較弱。因此，通過對船用柴油機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及外殼薄壁設(shè)計，可以大大減小振動噪聲水平。

3振動噪聲的控制與優(yōu)化探討

對于低速船用柴油機(jī)而言，其噪聲控制涉及到多學(xué)科領(lǐng)域的綜合運(yùn)用，在噪聲水平的同時，也需要保證功率密度和油耗量保持在合理的范圍，從而確保機(jī)器整體性能。根據(jù)本文的仿真結(jié)果，噪聲的輻射主要是通過排氣管架、觀察窗等薄弱部位來實現(xiàn)的，因此對這些局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是控制船用柴油機(jī)振動噪聲的關(guān)鍵。

首先，為了避免零件加工誤差和機(jī)械裝配不良帶來的機(jī)器噪聲，可以進(jìn)一步控制零件精度，并采用自動化裝配流水線，減少人為造成的裝配不良。應(yīng)減少小十字頭滑塊與軌道之間的間隙，使其嚴(yán)格在軌道上運(yùn)動，防止發(fā)生橫向的漂移而產(chǎn)生碰撞或摩擦噪聲。

其次，為了防止噪聲通過管架等結(jié)構(gòu)向外傳播，應(yīng)加強(qiáng)管架端面的強(qiáng)度，提高結(jié)構(gòu)剛度，例如可以在相應(yīng)部位設(shè)計加強(qiáng)筋，使其對振動的敏感性大大降低。輸出端面和觀察窗附近的結(jié)構(gòu)改進(jìn)思路也與此類似。

再次，低板結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)也可以在一定程度上減輕振動噪聲的影響。一般來說，底板位于基座之下，由于功能性不強(qiáng)，因此在設(shè)計時出于成本考慮往往結(jié)構(gòu)比較簡單，厚度也較薄，但包含了大量的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，使局部模態(tài)變得更加復(fù)雜。因此也可以通過增加加強(qiáng)筋或增加厚度的方法來改善底板的防噪聲性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]閆力奇.船用低速柴油機(jī)振動噪聲特性及控制研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2016.

[2]李均勇，詹淑文.柴油機(jī)管道振動處理[J].內(nèi)燃機(jī)，2014（1）：19-20.

個人簡介：黃啟芮，1998年2月15日，男，漢，山東濟(jì)寧，青島理工大學(xué)，本科，在讀學(xué)生，本科在讀，機(jī)械設(shè)計制造及其自動化機(jī)械設(shè)計制造及其自動化