40kW柴油發(fā)電機組噪聲源識別與降噪研究

嚴天雄，楊 林，劉進偉，歐陽旭，吳曉佳，賓成勝

（1.隆鑫通用動力股份有限公司技術(shù)中心，重慶400052；2.廣州威能機電有限公司，廣州511400）

近年來柴油發(fā)電機組的應用越來越廣泛，作為備用電源常用于醫(yī)院、企業(yè)、居民區(qū)、商場等公共場所，作為臨時電源常用于礦山開采、野外工地作業(yè)、道路交通維護等。但機組在工作過程中會產(chǎn)生較大的噪聲，帶來非常嚴重的噪聲污染問題。因此，對柴油發(fā)電機組進行噪聲源識別，采取相對應的降噪措施，對于柴油發(fā)電機組的噪聲控制和減少周圍環(huán)境噪聲污染都具有重要的意義[1]。

針對發(fā)電機組的噪聲控制，國內(nèi)外學者做了大量的研究。Ju 等[2]基于間接邊界元法(Indirect boundary element method，IBEM)設(shè)計了帶通風管道消聲器的隔聲罩，并通過試驗驗證了冷卻和低噪聲性能。朱金晏等[3]采用三維數(shù)值計算方法對柴油發(fā)電機組排氣消聲器進行聲傳遞損失和流動阻力損失預測，采用改進膨脹腔、插入管結(jié)構(gòu)和增加吸聲材料等方法，降低了發(fā)電機組的排氣噪聲。Zhou 等[4]基于聲學邊界元法對開口隔聲罩的插入損失進行預測，并基于經(jīng)試驗驗證的預測模型對聲學影響因素進行靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)開口尺寸和吸聲材料布局對插入損失的影響最大。

本文對某40 kW 柴油發(fā)電機組進行試驗分析，確定了主要的噪聲源位置，結(jié)合模態(tài)分析提出了相應的優(yōu)化方法，通過試驗證明，距離發(fā)電機組1 m處的噪聲聲壓級在不同負載下降低了2.2 dB(A)～2.4 dB(A)。

1 柴油發(fā)電機組介紹

1.1 柴油發(fā)電機組結(jié)構(gòu)組成

柴油發(fā)電機組通常由發(fā)動機、發(fā)電機、散熱系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、隔聲罩以及其他附件組成，某40 kW 柴油發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)電機組結(jié)構(gòu)組成

該機組所采用的發(fā)動機為直列式4 缸4 沖程發(fā)動機，發(fā)動機的工作轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，發(fā)電機與發(fā)動機直連，輸出功率為40 kW，機組及部件相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機組及部件相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1.2 柴油發(fā)電機組噪聲源組成及傳播方式

柴油發(fā)電機組的噪聲成分比較復雜，主要噪聲源主要由以下幾部分組成[5–6]：發(fā)動機本體機械噪聲、燃燒噪聲、進排風噪聲、冷卻風扇噪聲以及發(fā)電機電磁噪聲。

外罩系統(tǒng)具有一定的隔聲作用，當機組工作時，噪聲會通過以下幾種方式向周圍環(huán)境傳播[7]：

（1）箱體內(nèi)部噪聲直接通過箱體上的通風開口衍射到機組外部；

（2）發(fā)動機與發(fā)電機的振動經(jīng)懸置系統(tǒng)傳遞到箱體上，引起箱體的振動，產(chǎn)生輻射噪聲；

（3）噪聲穿透箱體直接透射到環(huán)境中。

2 發(fā)電機組噪聲源識別

2.1 聲源識別試驗

噪聲源識別是發(fā)電機組噪聲控制最主要也是最基本的技術(shù)手段之一。只有對發(fā)電機組的主要噪聲源進行準確識別和分析，才能確定具體的噪聲控制措施[8]。

為了確定機組的聲源分布和噪聲頻譜特性，對其進行噪聲試驗，采用Microflown 公司的Scan &Paint 2.2 掃描設(shè)備對機組表面進行掃描測試，測試包括帶有隔聲罩和裸機兩種狀態(tài)。

掃描過程中，P/U 麥克風探頭距離隔聲罩表面50 mm，掃描過程中勻速移動探頭，在裸機狀態(tài)下測試時，拉線模擬隔聲罩表面。分別進行了兩種常用于噪聲評價的工況試驗：0負載和75%負載，掃描測試如圖2所示。

圖2 噪聲掃描測試

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

發(fā)電機組去隔聲罩狀態(tài)被定義為機組裸機狀態(tài)，如圖1(a)所示，通過聲學掃描得到0和75%兩種負載下裸機機組表面的聲壓云圖，分別如圖3(a)和圖3(b)所示。從圖中可看出，主要噪聲源位于發(fā)電機附近和消聲器排氣口位置。0和75%兩種負載下頻譜圖如圖4(a)和圖4(b)所示，從頻譜圖中可以看出，噪聲頻譜圖中存在明顯的峰值，最大峰值對應的頻率分別為52.7 Hz和49.8 Hz。

圖3 裸機兩種負載工況下機組的噪聲聲壓云圖

圖4 裸機兩種負載工況下機組的噪聲頻譜圖

發(fā)電機組處于帶隔聲罩狀態(tài)時，0 和75%兩種負載下機組表面的聲壓云圖分別如圖5(a)和圖5(b)所示。從聲壓云圖可以看出，0 和75%負載下的主要噪聲源均位于發(fā)電機端。對于帶隔聲罩狀態(tài)，0和75%兩種負載下噪聲頻譜圖分別如圖6(a)和圖6(b)所示。從頻譜圖中可以看出，噪聲頻譜也存在明顯的峰值，對應的頻率也分別為52.7 Hz和49.8 Hz。

圖5 帶隔聲罩兩種負載工況下機組噪聲聲壓云圖

圖6 帶隔聲罩兩種負載工況下機組噪聲頻譜圖

根據(jù)上述機組噪聲的分析結(jié)果可知，該柴油發(fā)電機組噪聲頻譜峰值頻率在50 Hz 附近，不隨載荷和機組的狀態(tài)發(fā)生改變。同時，在機組穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，主觀評價有金屬薄壁件振動產(chǎn)生的聲音，因此初步確定發(fā)電機組的主要噪聲來源為結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的噪聲，這將進一步通過結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真計算進行確認。

3 模態(tài)仿真計算

3.1 基本理論

模態(tài)分析就是求解有限個自由度的無阻尼及外載荷狀態(tài)下的運動方程的模態(tài)矢量，當滿足定常線性系統(tǒng)要求時，系統(tǒng)的數(shù)學模型可用式（1）表示[9]：

式中：M、C、K分別為質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，x為位移，f(t)為作用力向量。因結(jié)構(gòu)的阻尼對模態(tài)頻率和振型的影響很小，可以忽略，故系統(tǒng)的無阻尼自由振動方程表達式為[10]

假設(shè)系統(tǒng)各坐標作同步諧振動，即：

把式（3）代入式（2）可得：

其特征方程為

解方程式（5）可得到n（n為系統(tǒng)自由度）個非負解ω1，…，ωn(0≤ω1≤…≤ωn)，令fi=ωi/2π(i=1，…，n)，稱f1，…，fn為系統(tǒng)的n階固有頻率，分別把ω1，…，ωn代入式（2）中可得n組向量Ф1，…，Фn，稱Ф1，…，Фn為系統(tǒng)的n階模態(tài)振型。

3.2 有限元模型

接線盒（見圖7）固定在發(fā)電機的上端，如圖1(a)中所示，用于保護機組線纜。由頂蓋、前后側(cè)蓋和左右側(cè)蓋組成，通過螺栓裝配在一起，均為1.2 mm 厚的薄壁件結(jié)構(gòu)。為進一步確認發(fā)電機端的噪聲源是否由結(jié)構(gòu)共振引起，需對發(fā)電機上端的接線盒進行模態(tài)分析。

圖7 接線盒三維模型

對接線盒進行二維網(wǎng)格劃分，采用RBE2 單元模擬螺栓連接，有限元仿真模型如圖8 所示。模型共有單元數(shù)14 960 個，節(jié)點數(shù)15 434 個。接線盒的材料為Q235 鋼，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×1011Pa。

圖8 接線盒有限元網(wǎng)格模型

3.3 模態(tài)結(jié)果分析

求解得到接線盒前6階模態(tài)振型，如圖9所示。接線盒原狀態(tài)的模態(tài)頻率計算結(jié)果如表2所示。其2階固有頻率為52.6 Hz，與該機組的激勵頻率50 Hz相近，機組工作時接線盒將產(chǎn)生共振，由此判定機組電機端主要噪聲來源于接線盒的結(jié)構(gòu)共振。

圖9 接線盒前6階模態(tài)振型圖

4 降噪方案及效果驗證

4.1 降噪方案

為了使接線盒的2階固有頻率避開發(fā)動機的激勵頻率，對接線盒進行優(yōu)化設(shè)計，采用點焊的方式在接線盒的前、后側(cè)蓋上分別加筋，兩加強筋的尺寸均為：長340 mm，寬20 mm，厚2 mm，如圖10所示。建立有限元分析模型（見圖11），求解優(yōu)化后接線盒的前6階固有頻率，如表2所示。

圖10 接線盒加筋優(yōu)化模型（去頂蓋）

圖11 接線盒加筋優(yōu)化有限元模型（去頂蓋）

表2 接線盒優(yōu)化前后前6階模態(tài)頻率對比/Hz

在接線盒前后側(cè)蓋上加筋后，2階固有頻率提高到65.6 Hz，從而避開了發(fā)動機激勵頻率，避免接線盒共振產(chǎn)生輻射噪聲，發(fā)電機組的噪聲將會得到改善。

4.2 降噪效果驗證

為了驗證接線盒加筋前后機組噪聲的變化情況，根據(jù)優(yōu)化降噪方案制作樣件進行噪聲試驗，方案樣件如圖12所示。

圖12 方案試驗樣件

進行機組噪聲試驗時，參照國標《GBT 2820.10－2002 噪聲的測量包面法》規(guī)定的發(fā)電機組噪聲測試方法，根據(jù)機組表1中的尺寸參數(shù)，在發(fā)電機組周圍距離機組表面1 m處布置9個聲學傳感器，如圖13 所示。分別測試0 和75%負載下機組接線盒加筋前后的噪聲值。

圖13 測試發(fā)電機組噪聲時麥克風布置圖

75%負載下，優(yōu)化前后距離發(fā)電機端較近的測點1的噪聲聲壓級曲線如圖14所示。

從圖14 中可以看出，在75%負載下，優(yōu)化后測點1 的噪聲聲壓級在1 000 Hz 以內(nèi)，基本都優(yōu)于原狀態(tài)，尤其在引起接線盒共振的50 Hz頻率處，噪聲降低了10 dB(A)，說明降噪方案有效。

圖14 優(yōu)化前后測點1的噪聲聲壓級對比圖

測試得到每個測點的聲壓級值后，根據(jù)式（6）計算機組的噪聲值，結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化前后各負載下機組的噪聲值/dB(A)

式中：

LPAi為在第i個測點處的A計權(quán)聲壓級對本底噪聲和環(huán)境干擾修正后的平均A計權(quán)聲壓級；n為測點總數(shù)；K2A為本底噪聲和環(huán)境干擾修正系數(shù)。

從表3 中可以看出，接線盒加筋后，0%和75%負載下發(fā)電機組的噪聲分別降低了2.4 dB(A)和2.2 dB(A)，表明優(yōu)化方案改善機組噪聲效果明顯。

5 結(jié)語

（1）通過發(fā)電機組表面噪聲掃描測試分析，確定了發(fā)電機組的最大噪聲源位置及噪聲頻譜特性，結(jié)合模態(tài)分析方法確定機組噪聲主要來源于發(fā)電機上端接線盒的共振。

（2）對發(fā)電機組發(fā)電機端接線盒結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，將其2階固有頻率提高到65.6 Hz，避開了發(fā)動機的激勵頻率。經(jīng)試驗驗證，機組噪聲在0 和75%兩種負載下分別降低了2.4 dB(A)和2.2 dB(A)。

（3）文中的噪聲源識別和模態(tài)有限元優(yōu)化分析方法對發(fā)電機組降噪具有重要的指導意義。