船舶柴油機(jī)排氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

王篤勇，徐貝貝，朱金晏，朱曉健

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 201108）

1 引言

近年來，船舶柴油機(jī)排氣噪聲問題引起了人們的極大關(guān)注。船舶上的主要噪聲源之一是柴油機(jī)，而柴油機(jī)的最大噪聲源為排氣噪聲[1]。

為了滿足相關(guān)組織對船舶噪聲限值的要求，通常在排氣系統(tǒng)中安裝消聲器用以降低排氣噪聲。但是，當(dāng)排氣系統(tǒng)發(fā)生聲模態(tài)共振時(shí)，消聲器在共振頻率附近的消聲量會大大降低，甚至可能導(dǎo)致靠近排氣口區(qū)域的艙室噪聲水平超標(biāo)。排氣噪聲超標(biāo)將導(dǎo)致船舶無法通過驗(yàn)收，最終影響交船進(jìn)度。

當(dāng)排氣系統(tǒng)發(fā)生聲模態(tài)共振后再對其進(jìn)行治理，所花費(fèi)的代價(jià)通常較高。而在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就對其管路進(jìn)行聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅可避免聲模態(tài)共振現(xiàn)象的發(fā)生，還可充分利用排氣管路結(jié)構(gòu)增加額外的消聲效果，降低對消聲器的消聲量要求，減少消聲器帶來的壓力損失，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，還可減少消聲器的外形尺寸，節(jié)省船舶空間。

2 排氣系統(tǒng)聲學(xué)性能仿真計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)

柴油機(jī)排氣系統(tǒng)主要是管道結(jié)構(gòu)，利用聲學(xué)軟件LMS Virtual Lab Acoustics對其聲模態(tài)和聲場分布特性進(jìn)行計(jì)算分析，可以充分掌握其聲學(xué)特征，為排氣系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

與結(jié)構(gòu)共振類似，分析排氣系統(tǒng)聲模態(tài)共振之前，需弄清楚聲激勵源的特性。顯然，柴油機(jī)排氣系統(tǒng)的聲激勵源是柴油機(jī)的排氣噪聲，其頻率計(jì)算公式如下[2]。

式中：z為氣缸數(shù)；n為轉(zhuǎn)速；τ為沖程數(shù)；時(shí)，f1為基頻，v≥2時(shí)，fv為高次諧頻，其強(qiáng)度將逐次減弱。一般情況下，考慮到前3階諧頻即可。

2.1 聲學(xué)仿真計(jì)算簡介

本文對于排氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能仿真計(jì)算基于聲學(xué)有限元理論。具體計(jì)算流程如下：1）利用ANSYS軟件建立聲學(xué)有限元模型；2）打開LMS Virtual Lab Acoustics軟件中的聲學(xué)有限元模塊，將聲學(xué)模型導(dǎo)入，定義材料屬性，施加邊界條件，設(shè)定計(jì)算頻率范圍；3）求解管道內(nèi)聲場分布特性[3]。

2.2 實(shí)船排氣系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以廣州某船廠在建某型實(shí)船艙室噪聲超標(biāo)為例，簡要介紹排氣系統(tǒng)聲學(xué)性能優(yōu)化的過程。

針對船廠反映的該船艙室噪聲超標(biāo)的現(xiàn)象，有關(guān)單位利用聲級計(jì)（型號：B&K 2250）對噪聲超標(biāo)的艙室進(jìn)行了測量，測量結(jié)果見圖1〔2000Hz以上頻率聲壓級均在50dB（A）以下，可以忽略不計(jì)〕。根據(jù)圖1所示的艙室噪聲頻譜分析，40Hz頻率處聲壓級遠(yuǎn)高于其他頻率，對總聲壓級的貢獻(xiàn)占主要成分，該測點(diǎn)噪聲超標(biāo)的原因也是由于40Hz頻率處聲壓級過高所致。

圖1 噪聲超標(biāo)艙室內(nèi)聲壓級頻譜

該船柴油機(jī)機(jī)型為MAN 7L27/38，轉(zhuǎn)速720rpm，利用上式計(jì)算得出排氣噪聲基頻為42Hz。并且該艙室位于柴油機(jī)排氣口附近。綜合各方因素，可確定艙室噪聲測試數(shù)據(jù)中40Hz（1/3倍頻程中心頻率）處聲壓級峰值來源于柴油機(jī)基頻排氣噪聲。

在進(jìn)行噪聲測試時(shí)，排氣系統(tǒng)安裝有消聲器，且該消聲器已針對柴油機(jī)排氣噪聲基頻頻率有針對性的設(shè)計(jì)，所以推測是排氣系統(tǒng)在42Hz發(fā)生了聲模態(tài)共振。為了驗(yàn)證上述推論，對排氣管路進(jìn)行聲學(xué)仿真計(jì)算，計(jì)算模型見圖2。

在排氣管路的進(jìn)氣端施加單位振速聲源，在排氣端施加大氣阻抗，模擬噪聲排向大氣中。同時(shí)，在排氣管道內(nèi)部均勻讀取7處聲壓級，然后進(jìn)行能量平均，獲取排氣管道內(nèi)部平均聲壓級，見圖3。

圖2 排氣管路聲學(xué)有限元模型

圖3 修改前后排氣管路內(nèi)部平均聲壓級

從圖3可看出，在42Hz處管道內(nèi)的聲壓級出現(xiàn)了峰值，且峰值遠(yuǎn)高于其他頻率，顯然排氣系統(tǒng)在42Hz處發(fā)生了聲模態(tài)共振，驗(yàn)證了之前的推測。

由于進(jìn)行噪聲測試時(shí)該船的排氣管路已安裝完畢，無法對排氣管路的走向進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過分析論證，決定通過增加排氣管路長度的方法改變其聲學(xué)共振頻率，從而避開柴油機(jī)排氣噪聲基頻頻率。經(jīng)過與船廠溝通，可在靠近排氣口處增加一段直管。

針對不同長度的直管段設(shè)計(jì)，利用LMS Virtual Lab Acoustics軟件進(jìn)行了多次計(jì)算，最終決定所增加的直管段長度為1m。增加直管段長度前后的排氣管內(nèi)部平均聲壓級對比見圖3。可見，柴油機(jī)排氣管路增加1m后，其管內(nèi)平均聲壓級最大峰值頻率移到了47Hz，且在42Hz處沒有聲壓級峰值，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的。

2.3 降噪效果實(shí)船測試驗(yàn)證

為了驗(yàn)證管路修改后的降噪效果，在同一艙室的相同位置的測點(diǎn)進(jìn)行噪聲測試。測試結(jié)果見圖4。從圖4可看出，40Hz處聲壓級降低了約5dB（A），排氣噪聲總聲壓級也降到了限值以內(nèi)。

圖4 排氣管路改造前后排氣噪聲對比

以上案例表明，對排氣系統(tǒng)進(jìn)行聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)有助于降低排氣噪聲。如果在排氣管路設(shè)計(jì)階段，就對其聲學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化，完全可以避免排氣噪聲超標(biāo)的現(xiàn)象發(fā)生，從而節(jié)省大量的人力物力。

3 排氣系統(tǒng)中彎頭結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于排氣管路布置的需要，經(jīng)?？煽吹饺鐖D5（a）所示的彎頭。這類結(jié)構(gòu)消聲作用基本可忽略，但只需稍加改造即可將其變?yōu)榫哂辛己孟暷芰Φ南暯Y(jié)構(gòu)。

彎頭原始結(jié)構(gòu)見圖5（a），其直徑為600mm，氣流從左下端進(jìn)入，右上端排出?；趥?cè)枝共振器消聲原理[4]，改造后的結(jié)構(gòu)見圖5（b）～（d）。相對于原始結(jié)構(gòu)圖5（a），結(jié)構(gòu)A在左端增加了500mm，結(jié)構(gòu)B在右下端增加了800mm，新結(jié)構(gòu)C同時(shí)在左端500mm和在右下端增加800mm，改造后的彎頭結(jié)構(gòu)像英文字母T，故又稱T型共振器。

圖5 排氣管路彎頭結(jié)構(gòu)

由于吸聲材料在中高頻的消聲效果較好，所以共振消聲主要應(yīng)用在低頻范圍內(nèi)。故對于彎頭消聲量的考察頻率范圍確定為300Hz以內(nèi)。

改造前后的各個(gè)彎頭的傳遞損失見圖6。從圖6可見，原始彎頭在300Hz以內(nèi)的消聲量幾乎可以忽略。結(jié)構(gòu)A的消聲頻率在170Hz附近，消聲量在20dB（A）以上；結(jié)構(gòu)B的消聲頻率在120Hz附近，消聲量也在20dB（A）以上；結(jié)構(gòu)C將結(jié)構(gòu)A和B組合到一起，其消聲帶寬明顯拓寬，在120～170Hz的消聲量在20dB（A）左右。

圖6 不同彎頭傳遞損失仿真計(jì)算值

以上僅是對一個(gè)彎頭進(jìn)行改造，如果有兩個(gè)或三個(gè)彎頭可以進(jìn)行上述設(shè)計(jì)改造，完全可以滿足低頻范圍內(nèi)的消聲量需要，額外安裝的消聲器只需針對中高頻率設(shè)計(jì)即可。這樣額外安裝的消聲器的壓力損失會大大降低，且所占空間也會明顯減小。

4 結(jié)論

根據(jù)對該實(shí)體船排氣管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了排氣噪聲超標(biāo)的問題。這說明基于聲學(xué)有限元法對排氣管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。

通過排氣管路中的彎頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)針對特定頻率的消聲器，仿真計(jì)算結(jié)果表明，對于降低排氣噪聲中的低頻噪聲具有良好效果。這對于降低排氣系統(tǒng)壓力損失和減少所占空間具有重要的意義。

相對于常規(guī)船舶，高性能船舶對排氣噪聲控制更為嚴(yán)格，且所能提供的空間也極為有限，故在排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對其進(jìn)行聲學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)具有更大的意義。