某電站方艙降噪方法研究及工程實踐

伍 力，劉賢鵬，代緒強

(1.中國電子科技集團公司第二十八研究所 裝備事業(yè)部，江蘇 南京 210001；2.軍委裝備發(fā)展部軍代局駐南京地區(qū)第二軍代室，江蘇 南京 210001)

噪聲廣泛存在于日常生活中，長時間處于噪聲環(huán)境中會對人的身心造成損傷。因此，降噪設(shè)計是產(chǎn)品人-機-環(huán)設(shè)計中不可或缺的部分。在方艙類產(chǎn)品中，受限于空間小，很難將噪聲源遠離人員區(qū)域，因此，需要從吸音、隔音等方面進行降噪設(shè)計。電站方艙是方艙類產(chǎn)品中的一類典型產(chǎn)品。電站方艙在方艙中安裝大功率油機，可在無市電供應(yīng)情況下，為整個工程系統(tǒng)提供電量供應(yīng)。電站方艙在軍事、應(yīng)急保障等領(lǐng)域有著廣泛的運用。但油機工作噪聲較大，非靜音類油機在工作時，噪聲能達到100 dB以上，使得電站艙工作環(huán)境極為惡劣。相關(guān)國軍標(biāo)中，要求電站方艙噪聲在80 dB以下[1]，本文結(jié)合工程實際，對某電站方艙進行降噪設(shè)計，將整艙噪聲由100 dB以上降低到80 dB以下，使得整艙工作舒適性得到較大提高。

1 電站方艙布局及噪聲源分析1.1 電站方艙布局

該項目為車載式電站，電站方艙裝載在北奔重型汽車集團有限公司的3255LA底盤上。整車結(jié)構(gòu)如圖1所示。方艙長7 900 mm，寬2 580 mm，高2 100 mm。整車長12 000 mm，寬2 700 mm，高3 500 mm。方艙前部安裝空調(diào)。從前向后，方艙依次分為工作艙、油機艙和消音艙。工作艙右側(cè)設(shè)置人員進出艙門，油機艙左右側(cè)各設(shè)置1扇雙開維修門，油機艙尾部為百葉窗，冷卻風(fēng)及燃燒用風(fēng)從機組艙前部兩側(cè)的進風(fēng)百葉進入，在冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動下，經(jīng)過發(fā)電機、柴油機后，進入散熱器，然后經(jīng)消聲器間向上排出。

圖1 車載移動式電站方艙外部布局

方艙內(nèi)部布局如圖2所示。工作艙內(nèi)布置備件柜、工作柜等，為人員活動主要區(qū)域。油機艙內(nèi)中間位置布置2臺發(fā)電機組、蓄電池及加熱器，機組相對于艙體左右對稱放置。消聲艙主要用來固定消聲器、排煙口等設(shè)備，并根據(jù)需要設(shè)置排風(fēng)消音體等結(jié)構(gòu)。

圖2 電站方艙內(nèi)部布局

由布局可知，在電站方艙中，主要噪聲源是油機。油機工作時的振動、進氣及排氣，都會引起較大的噪聲。電站方艙為大板式方艙，方艙大板由鋁制骨架填充聚氨酯泡沫，兩側(cè)粘接鋁蒙皮[2]。聚氨酯泡沫本身能吸收一部分噪聲[3]，但根據(jù)工程經(jīng)驗，僅靠方艙大板中的聚氨酯泡沫不足以將噪聲降低到80 dB以下，必須采用吸音、隔音等措施用于降噪[4]。

1.2 油機裸機噪聲測試

為了更好地控制電站方艙的噪聲，對電站方艙柴油發(fā)電機組的柴油機進行裸機噪聲測試，以了解油機的噪聲水平。用于噪聲測試的柴油機BF4M1013FC照片如圖3所示。

圖3 柴油機裸機照片

噪聲測試的測點分布如圖4所示。對油機的飛輪側(cè)、維修側(cè)、風(fēng)扇側(cè)、排煙口和排氣側(cè)進行測試。

圖4 柴油機噪聲測點分布

柴油機裸機噪聲測試的結(jié)果見表1。

表1 柴油機裸機噪聲測試的結(jié)果記錄表

從表1可以看出，在7 m處，所有的測試點噪聲均超過了80 dB；在1 m處測量，所有測試點的噪聲均超過了90 dB，且散熱風(fēng)扇側(cè)和排氣側(cè)噪聲更高；在1 m處測量，排氣側(cè)和風(fēng)扇側(cè)的噪聲超過了100 dB。

通過上述分析和測試可以得出，柴油發(fā)電機組噪聲由多種聲源構(gòu)成，包括風(fēng)扇噪聲、排氣噪聲、機械噪聲、燃燒噪聲和進氣噪聲(見圖5)，且發(fā)電機組裸機噪聲很高，1 m處平均噪聲>102 dB(A)，且聲波頻率主要集中在人耳比較敏感的1～4 kHz范圍內(nèi)[5]。

圖5 柴油發(fā)電機組主要噪聲源

在整車留給機組艙的空間有限的情況下，油機艙布置了2臺發(fā)電機組、蓄電池、加熱器，需要綜合采用吸聲、隔聲、消聲、隔振、阻尼減振等降噪措施[6]?？紤]裸機測試時，單臺柴油發(fā)電機組運行噪聲值為102 dB(A)，根據(jù)工程經(jīng)驗，機組艙內(nèi)部需安裝2臺柴油發(fā)電機組則噪聲疊加量約3 dB(A)，以及由原來的半自由聲場轉(zhuǎn)換成室內(nèi)聲場則混響聲疊加量約5 dB(A)，機組艙內(nèi)部噪聲值約為110 dB(A)，要將電站方艙1 m處的噪聲降低到80 dB(A)以下，則降噪量必須達到30 dB(A)以上。

油機艙的降噪和通風(fēng)散熱是一對尖銳的矛盾，降噪的結(jié)果往往會使艙內(nèi)溫度升高，因此強制通風(fēng)散熱如果解決不好，將會對發(fā)電機組性能造成不良影響，因此要兼顧噪聲和通風(fēng)散熱控制水平。

2 降噪方案設(shè)計

2.1 概述

為指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計，減少設(shè)計的盲目性，降低試制的成本，在制定方艙降噪方案前，需要對油機艙進行聲場的數(shù)值模擬，計算各個中心頻率上的聲壓激勵在方艙隔間內(nèi)外產(chǎn)生的響應(yīng)。由于電站方艙發(fā)電機組在頻率為1 kHz和2 kHz噪聲最高，所以設(shè)計時應(yīng)重點考慮此頻率點的噪聲控制。為消除電站方艙機組間混響，且盡量避免破壞艙壁原有的隔聲性能，需要對電站方艙艙壁進行吸聲、隔聲綜合設(shè)計。

電站方艙的降噪吸音設(shè)計遵循盡量少占用方艙隔間內(nèi)空間的原則，采用普通穿孔板、玻璃布、充填離心玻璃棉或者聚氨酯泡沫吸聲，再加上方艙隔間外壁隔聲的結(jié)構(gòu)，這樣既不會占據(jù)太大的空間，又可以保證較好的吸聲降噪效果。

2.2 吸聲降噪計算

吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲性能好壞，主要用其吸聲系數(shù)的高低來表示。吸聲系數(shù)是指聲波入射到物體表面時，其能量被吸收的百分率，即被吸收的聲能與入射總聲能之比，通常用符號α來表示。吸聲材料種類繁多，在本次設(shè)計中，吸聲材料的選擇主要考慮如下幾個方面。

1)吸聲材料的吸聲頻段。在選用吸聲材料時，首先應(yīng)滿足有利于降低聲波頻譜中峰值頻段的噪聲。降低峰值頻段的噪聲，其他頻段的噪聲會相應(yīng)地降低。柴油發(fā)電機組的噪聲集中在中、低頻段，為此，在材料的選擇時，就要考慮在中、低頻段的吸聲系數(shù)較大的吸聲材料。在材料厚度不變的情況下，材料的容重越大，則其對頻率越低的聲音吸聲效果越好，其吸聲系數(shù)就越大。所以在厚度不變的情況下，材料的容重要在合適的最佳范圍內(nèi)盡量大一些，這樣才能在中、低頻段有較好的吸聲效果。

2)吸聲材料的物理特性。由于發(fā)電機組工作時散熱量大，機組艙內(nèi)的溫度較高，所以在吸聲材料的選擇上應(yīng)兼顧考慮材料的耐熱性能。目前工程上常用的離心玻璃棉、聚氨酯泡沫等具有阻燃、耐熱、吸聲效果好、可塑性強等特點，其中離心玻璃棉具有保溫吸聲效果好、工程造價低、施工周期短、無毒、不刺激皮膚，確保施工人員健康、外形美觀大方等特點。且在施工中還可根據(jù)需要任意剪裁，目前主要用于建筑室內(nèi)，消聲系統(tǒng)、交通工具、制冷設(shè)備和家用電器的減震、吸聲、降噪處理，效果十分理想。表2中展示了容重為32K的離心玻璃棉在各聲波頻段的吸聲性能。

表2 32K離心玻璃棉在各聲波頻段的吸聲性能

由表2中的數(shù)據(jù)可知，32K離心玻璃棉在1 kHz、2 kHz這2個頻率點上有很好的吸聲效果，而這2個頻率正是柴油發(fā)電機組噪聲最嚴重的頻率范圍，所以選擇離心玻璃棉是合適的。

離心玻璃棉的平均吸聲系數(shù)

2.3 降噪吸聲量計算

考慮到方艙隔間內(nèi)布置不同吸聲系數(shù)的表面積材料，方艙隔間的總吸聲量可表示為：

A=∑(ai×Si)

式中，ai是表面積為Si的材料的吸聲系數(shù)。

用平均吸聲系數(shù)來評價整個方艙隔間的吸聲特性，方艙隔間平均吸聲系數(shù)的定義為不同吸聲系數(shù)的表面積加權(quán)平均，用公式表示為：

2.4 吸聲結(jié)構(gòu)設(shè)計

吸聲結(jié)構(gòu)采用鍍鋅穿孔板，內(nèi)、外壁夾層中填充吸聲材料的結(jié)構(gòu)(見圖6)。由內(nèi)向外結(jié)構(gòu)為穿孔板為l mm厚鋼板，穿孔率為23%，孔徑為3 mm，孔間距為6 mm；后貼厚度為50 mm、容重為32 kg/m3的離心玻璃棉配3 mm厚玻璃布為襯層；艙壁內(nèi)側(cè)增加一層3 mm阻尼氈；在機組間艙內(nèi)壁采用1.5 mm厚的鋼板整鋪，這種材料的平均隔聲量可達26 dB(A)，加上艙內(nèi)壁和各層材料的吸聲降噪量為8.45 dB(A)，可以達到設(shè)計要求的艙壁降噪量32 dB(A)以上。

圖6 柴艙壁吸隔聲結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 進風(fēng)消聲器的設(shè)計

由噪聲源分析可知，油機的進排風(fēng)口噪聲可達100 dB以上，因此，進排風(fēng)口處降噪設(shè)計是整個方艙降噪的重點。在機組間兩側(cè)設(shè)置降噪消聲百葉可以減小柴油機的進氣噪聲。將進氣風(fēng)道設(shè)計為迷宮式進氣，可顯著提高降噪效果[7]。進風(fēng)道消音器外形如圖7所示，內(nèi)部截面如圖8所示。由圖8可以看出，風(fēng)道內(nèi)部為折彎式，可以增加聲波經(jīng)過風(fēng)道的反射次數(shù)，每反射一次，均會吸收一部分聲波，從而實現(xiàn)降噪的目的。

圖7 進風(fēng)消聲器外形示意圖

圖8 進風(fēng)消聲器內(nèi)部截圖示意圖

2.6 艙體隔聲門的設(shè)計

方艙隔間的左右、前后各設(shè)有1個維修門，艙門由門板、閉鎖、限位器、鉸鏈等組成。門板用型材制作，艙門采用大板的結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部填充聚氨酯泡沫，門與門框之間壓裝屏蔽絲網(wǎng)條和密封膠條，具有隔聲、磁屏蔽和密封性好，經(jīng)久耐用等優(yōu)點。門鎖采用三點插銷式。艙門密封良好，隔音效果好。艙門外形示意及門與門框結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 艙門外形示意圖

2.7 機組減振設(shè)計

除油機在工作時，氣缸做功引起噪聲和進風(fēng)、排風(fēng)噪聲外，機組自身的機械振動也會引起較大的噪聲。在工程實踐中，在油機與方艙之間安裝減震器能有效降低油機自身機械振動引起的噪聲。橡膠減震器有著許多優(yōu)勢，使得橡膠減震器在各類機械設(shè)備中得到了廣泛運用[8-9]：1)橡膠減震器通過調(diào)整橡膠配方組分來控制硬度，可滿足對各個方向剛度和強度的要求；2)橡膠減震器內(nèi)部摩擦大，減震效果好，有利于越過共振區(qū)，衰減高頻振動和噪聲；3)橡膠減震器彈性模量比金屬小得多，可產(chǎn)生較大彈性形變；4)橡膠減震器沒有滑動部分，易于保養(yǎng)；5)質(zhì)量小，安裝和拆卸方便；6)橡膠減震器沖擊剛度高于靜剛度和動剛度，有利于沖擊變形[10]。

在本電站方艙中，在油機底部安裝橡膠減震器，使得油機的機械振動得到了有效的緩沖，降低了整體機組的噪聲。

3 降噪實施及測試效果

3.1 電站艙降噪方案實施

根據(jù)上述分析，本電站方艙的降噪主要通過艙內(nèi)貼吸音材料、安裝進風(fēng)迷宮消聲器、機組安裝減震器等措施。

根據(jù)隔音設(shè)計方案，在油機艙艙壁上貼吸聲材料，從艙壁向外依次為隔音氈、玻璃棉、玻璃布和穿孔板。同時，為了保證艙內(nèi)外觀一致、美觀，穿孔板盡量選用整張微孔鋁板，以減少接縫，同時，外表面噴涂冰灰氟碳漆，和其他艙室保持一致。吸聲材料安裝完畢后效果如圖10所示。

圖10 油機艙內(nèi)壁貼吸音材料

由于進排風(fēng)口噪聲可達100 dB以上，因此，在制定降噪設(shè)計方案時，設(shè)計迷宮式進排氣風(fēng)道，以增加聲波對外傳播的反射次數(shù)。由于排熱風(fēng)艙箱體頂部空間可能存在不足，難以設(shè)置有效排風(fēng)消聲器，故消聲器設(shè)置在機組艙與排熱風(fēng)艙艙壁開口處，為了防止排風(fēng)扇噪聲通過排熱風(fēng)艙頂部排風(fēng)設(shè)備至箱體外，排熱艙箱體頂部采用防雨百葉設(shè)計。排氣風(fēng)道安裝后如圖11所示。

圖11 安裝迷宮式排氣風(fēng)道

油機的機械振動是噪聲的重要原因。因此，在油機與艙體之間加裝減震器，橡膠減震器可吸收油機的振動，實現(xiàn)緩沖、吸音的目的。艙內(nèi)油機如圖12所示，減震器安裝如圖13所示。

圖12 油機布置

圖13 安裝減震器

3.2 降噪測試結(jié)果

為對比降噪效果，在距離油機1 m處測量噪聲，將結(jié)果與裸機測試時距離油機1 m的組別測試結(jié)果進行對比。由于油機安裝在艙內(nèi)，關(guān)閉艙門后，無法復(fù)現(xiàn)表1中的多處測點，因此啟動油機后，在艙外左右側(cè)靠近進排氣口處測量噪聲，同時在工作艙內(nèi)測量噪聲，每個測試點測量5次，取平均值，結(jié)果見表3。

表3 艙外測量油機噪聲記錄表

由表3中記錄的結(jié)果可以看出，在采取降噪措施后，所有測試點的噪聲均比裸機測試時有明顯的降低。人員艙內(nèi)平均噪聲為67.9 dB(A)，較裸機測試時飛輪側(cè)噪聲95.4 dB(A)降低了27.5 dB(A)；左排氣側(cè)平均噪聲為75.4 dB(A)，較裸機測試時排氣側(cè)103 dB(A)降低了27.6 dB(A)；右排氣側(cè)平均噪聲為75.0 dB(A)，較裸機測試時排氣側(cè)103 dB(A)降低了28.0 dB(A)。結(jié)果表明，降噪效果明顯，且各處降噪效果幾乎一致，降噪措施有效。

4 結(jié)語

電站方艙的降噪設(shè)計具有廣泛的使用前景和應(yīng)用需求。油機的噪聲主要來自進排風(fēng)口的進氣噪聲、機組自身機械振動引起的噪聲和氣缸做功引起的噪聲。采用減振、吸音、隔音等措施可有效降低電站方艙的噪聲水平。本文通過在艙內(nèi)布置吸音材料、進氣口布置迷宮進氣道和油機底部安裝減震器等措施，將1 m處噪聲由100 dB以上降低到80 dB以下，有效降低了整艙噪聲，提高了艙內(nèi)人員工作的舒適度。