船用柴油機(jī)的噪聲控制研究

李方宇 徐 飛 徐華彪

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，上海 201913）

伴隨社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展及對環(huán)境保護(hù)要求的日益提高，噪聲污染已成為人們重點(diǎn)關(guān)注的污染問題，且與水污染、空氣污染并列“三大污染源”。為了避免船舶行業(yè)發(fā)生噪聲污染問題，全球許多國家都出臺了大量與船舶噪聲控制相關(guān)的法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)。德國是全球首先提出降低船舶噪聲標(biāo)準(zhǔn)的國家，其在1968 年時就已經(jīng)發(fā)布“聯(lián)合公約”，對船舶各環(huán)節(jié)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)都有著明確的規(guī)定。國際海事組織發(fā)布“國際防止船舶污染公約”，不僅提高了船舶柴油機(jī)廢氣排放的標(biāo)準(zhǔn)，同時對噪聲污染和危害引起重視且出臺很多關(guān)于噪聲控制的標(biāo)準(zhǔn)。從船舶噪聲污染角度來看，有3/4 左右的噪聲源自于內(nèi)燃機(jī)。伴隨船舶制造技術(shù)的日益創(chuàng)新發(fā)展，柴油機(jī)逐漸向“大功率、高速化”方向發(fā)展，由此而引起更加嚴(yán)重的噪聲問題；與此同時，當(dāng)今社會人們對噪聲問題有著越來越嚴(yán)格的要求，從而引起相關(guān)人員對船用柴油機(jī)噪聲控制的高度重視。

1 船用柴油機(jī)噪聲測量技術(shù)

第一，應(yīng)對柴油機(jī)噪聲源進(jìn)行劃分，在具體實(shí)踐中，應(yīng)當(dāng)分別運(yùn)行以準(zhǔn)確分析柴油機(jī)噪聲的來源，對所有部件進(jìn)行全面檢查后，再評定噪聲的對應(yīng)等級。對機(jī)械噪聲和燃燒噪聲而言，其分辨難度比較大，可依據(jù)有關(guān)規(guī)定加以處理。比如：早在二十世紀(jì)六十年代，日本、美國等國家的高校就已經(jīng)對噪聲測量及控制技術(shù)展開較深層次的研究，且開發(fā)出比較先進(jìn)的噪聲預(yù)報和識別方法以及相應(yīng)的噪聲控制技術(shù)。通過對某船用柴油機(jī)的噪聲測量分析，其柴油機(jī)的型號為“6L20/27”、額定功率是600kW。首先對排氣噪聲進(jìn)行測量，其次對聲壓級進(jìn)行測量。再如：在某項(xiàng)目測量過程中，排氣噪聲達(dá)到109.8dB、屬于是低頻噪聲，聲能處于31.5～500Hz 范圍內(nèi)。與排氣噪聲相比，進(jìn)氣噪聲顯得更大，同時表現(xiàn)出顯著的中高頻特性。經(jīng)過對燃燒、機(jī)械以及風(fēng)扇等噪聲的測量可以發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)最大噪聲源就是排氣和進(jìn)氣噪聲[1]。

第二，應(yīng)對表面輻射噪聲加以明確，現(xiàn)階段常用的分析方法主要有聲通道法、振動測量法以及鉛板覆蓋法等。

第三，確定空間噪聲測量規(guī)范及測量手段，經(jīng)由分析可知柴油機(jī)內(nèi)部工件和空氣波動極易導(dǎo)致空間噪聲，利用“‘CIMAC’推薦的對于測量往復(fù)式柴油發(fā)動機(jī)整體噪聲”對噪聲級實(shí)施測量，同時以數(shù)值來顯示噪聲相應(yīng)的聲壓級。經(jīng)過對柴油機(jī)周圍點(diǎn)的測量，計(jì)算出平均聲級便可得到聲強(qiáng)的均值，同時需基于柴油機(jī)的體積大小來確定具體的測量位置，選取3 個不同的位置，且各位置與柴油機(jī)間的距離應(yīng)保持在1m 左右。

2 船用柴油機(jī)常見噪聲及其控制措施

2.1 風(fēng)扇噪聲

船用柴油機(jī)風(fēng)扇噪聲主要是因?yàn)槔鋮s風(fēng)扇不停地轉(zhuǎn)動而形成的，其噪聲大小與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速成正比。風(fēng)扇噪聲是因?yàn)轱L(fēng)扇葉片空氣進(jìn)行切割又或是風(fēng)扇后的部件所形成的空氣紊流而引起的，經(jīng)過改變風(fēng)扇葉片的材料、形狀、數(shù)量或者是調(diào)整風(fēng)罩、風(fēng)扇和散熱器的相對位置，就能夠有效控制柴油機(jī)風(fēng)扇噪聲。

第一，風(fēng)扇葉片的材料、形狀及數(shù)量。風(fēng)扇葉片的形狀對風(fēng)扇效率影響也很大。從葉片材料角度來看，其對風(fēng)扇噪聲有著不同程度的影響。比如：與沖壓鋼板葉片相比，鑄鋁葉片的噪聲更??；尼龍葉片相較于金屬葉片的噪聲更小[2]。正常情況下，如果材料的損耗系數(shù)比較大，則其噪聲也就較大。從葉片形狀角度來看，其對葉片周圍的渦流強(qiáng)度有著直接性的影響，進(jìn)而對風(fēng)扇效率產(chǎn)生影響。所以，優(yōu)化葉片形狀，使得其具有更加適宜的彎曲角度及更好的流線型，不但有助于降低渦流噪聲，同時還能夠在很大程度上加強(qiáng)風(fēng)扇效率。從葉片數(shù)量角度來看，在轉(zhuǎn)速未發(fā)生變化的環(huán)境下，如果葉片數(shù)量有增加，則可提高風(fēng)扇的風(fēng)量；又或是在保持同等風(fēng)量的基礎(chǔ)上，可使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有所降低，進(jìn)而降低風(fēng)扇噪聲。然而，如果葉片數(shù)超過6 片，則風(fēng)量增加也就十分有限，同時在降噪特性方面通常有著負(fù)面影響。在風(fēng)量相同的條件下，高速窄葉風(fēng)扇通常較低速寬葉風(fēng)扇造成的噪聲聲壓級高4dB（A），同時功率消耗夜也高27%。減少護(hù)風(fēng)圈和風(fēng)扇的間隙，避免氣流發(fā)生紊亂，可有效控制風(fēng)扇噪聲。根據(jù)相關(guān)研究可知，如果間隙為0，則風(fēng)量可以增加27%、噪聲降低3dB（A），降低轉(zhuǎn)速使得風(fēng)量恢復(fù)至最初水平，噪聲還可降低2dB（A）[3]。

第二，風(fēng)罩、風(fēng)扇和散熱器的相對位置。風(fēng)扇噪聲的降低，同樣需充分考慮風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及所有部件間的互相位置。合理調(diào)整風(fēng)罩和風(fēng)扇間的間隙、散熱器和風(fēng)扇間的距離，有利于實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇噪聲的降低。如果散熱器和風(fēng)扇間的距離有所增加，則風(fēng)扇的冷卻能力、噪聲以及流量等均需增加。與此同時，各自在某點(diǎn)達(dá)到相應(yīng)的最大值時，而后依次減小。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)可知，散熱器芯子與風(fēng)扇端面間的距離過遠(yuǎn)或者過近，會產(chǎn)生回流現(xiàn)象或者形成無風(fēng)區(qū)。散熱器芯子與風(fēng)扇端面間的距離應(yīng)當(dāng)是風(fēng)扇直徑的10%左右，如此不但可以全面發(fā)揮出風(fēng)扇的冷卻能力，而且還能夠?qū)⒃肼暱刂圃谧畹退健ｏL(fēng)扇前后的導(dǎo)風(fēng)罩同樣是引起渦流噪聲的主要來源，風(fēng)扇入口處應(yīng)呈現(xiàn)流線型，導(dǎo)風(fēng)罩和風(fēng)扇構(gòu)成的氣流通道外表應(yīng)確保光滑，以優(yōu)化冷卻風(fēng)的流動狀態(tài)，進(jìn)而促使冷卻系統(tǒng)噪聲的降低。導(dǎo)風(fēng)罩和風(fēng)扇間應(yīng)當(dāng)有適當(dāng)?shù)木嚯x，徑向間隙通?？刂圃陲L(fēng)扇直徑的2.5%左右，最大不得超過3%，否則將會對風(fēng)扇效率產(chǎn)生極大的影響。一般情況下，風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩的前后關(guān)系為：有2/3 風(fēng)扇投影寬度在導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)；風(fēng)扇在導(dǎo)風(fēng)罩中的寬度應(yīng)為風(fēng)扇葉片寬度的1/3[4]。

2.2 燃燒噪聲

船用柴油機(jī)的燃燒噪聲根據(jù)其燃燒過程可分為四個不同時期：滯燃期、速燃期、緩燃期、補(bǔ)燃期。

第一，滯燃期。燃料還沒有燃燒，仍在進(jìn)行著相應(yīng)的化學(xué)及物理準(zhǔn)備，氣缸內(nèi)的溫度及壓力有較小幅度的變化，所以對噪聲的影響也是非常小的；然而，滯燃期對于燃燒過程的影響是極大的，所以對于燃燒噪聲有著間接性的影響。

第二，速燃期。燃料快速燃燒，氣缸中的壓力快速上升，對柴油機(jī)的振動及噪聲有直接性的影響。對速燃期壓力上升有影響的因素主要包括著火延遲期以及供油規(guī)律等。著火延遲期愈久，噴入氣缸中的燃料也就愈多，壓力也就會快速上升。

第三，緩燃期。氣缸壓力上升，然而速率較低，所以可引起不同程度的燃燒噪聲，然而對噪聲并沒有明顯的影響。在此時期，主要是對柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及動力性產(chǎn)生影響。

第四，補(bǔ)燃期。由于活塞處于下行狀態(tài)，同時大部分燃料在前兩個階段已完全燃燒，因此對燃燒噪聲并無太大的影響。

船用柴油機(jī)燃燒噪聲的控制措施如下：首先，從形成根源方面看，應(yīng)推動氣缸壓力頻譜曲線的降低，尤其是降低中高頻的頻率成分。對于此，可采用有效措施以減少滯燃期內(nèi)產(chǎn)生的可燃混合氣量，相關(guān)措施主要包含選擇較高十六烷值的燃料、增加壓縮溫度及壓力、采用低噪聲的燃燒室、組織強(qiáng)度適宜的氣體流動、合理延長供油時間、科學(xué)組織供油等等。其次，從噪聲傳播渠道方面看，提高柴油機(jī)結(jié)構(gòu)對于燃燒室噪聲的削弱，尤其是中高頻頻率成分的削弱。對于此，可采取如下措施：提升缸套和機(jī)體的剛性、縮小活塞曲柄連桿機(jī)構(gòu)各部件間的距離、選用合理的隔聲和隔振手舉措以及增加油膜厚度等等。

2.3 排氣噪聲

船用柴油機(jī)的排氣噪聲主要是因?yàn)橹芷谛浴案邷?、高壓、廢氣”排放，導(dǎo)致四周空氣的密度及壓強(qiáng)受到大量擾動而引起的噪聲，其常見類型有：

第一，基頻排氣噪聲，當(dāng)開啟氣缸排氣門時，氣缸內(nèi)部的燃?xì)鈩t會以高速向外噴出，氣流沖擊到氣門周圍的氣體上，導(dǎo)致其發(fā)生壓力劇變而產(chǎn)生壓力波，進(jìn)而形成噪聲。因?yàn)榕艢忾T是周期性運(yùn)作的，所以此類噪聲同樣是周期性出現(xiàn)的，有著顯著的低頻特性。

第二，管道內(nèi)氣柱共振噪聲，管道內(nèi)的空氣柱，由于受到周期性排氣噪聲帶來的影響，因形成共振而引起空氣柱產(chǎn)生共振噪聲。

第三，氣缸亥姆霍茲共振噪聲，當(dāng)單缸機(jī)排氣門處于開啟狀態(tài)時，氣缸和排氣管相互連通，這時排氣管內(nèi)的氣體在聲波影響下而發(fā)生運(yùn)動，具備相應(yīng)的慣性及質(zhì)量，又可稱作“聲質(zhì)量”；此外，充滿氣體的氣缸就像是“彈簧”，具備影響壓力變化的特征，稱作“聲順”，由其共同組成了亥姆霍茲共振器，因?yàn)闅飧字袣怏w的共振，從而引起噪聲。

第四，廢氣噴注與沖擊噪聲，在自由排氣過程中，排氣門位置處會因?yàn)檩^高速度的氣流噴注而形成極大的噴注噪聲；因?yàn)闅怏w具有粘性，在排出廢氣以后，則會帶動排氣門后的氣體同時運(yùn)動，形成卷吸作用，導(dǎo)致四周氣體形成旋轉(zhuǎn)、出現(xiàn)渦流，輻射出渦流噪聲[5]。除此以外，排氣門周圍有著氣體壓力的不連續(xù)面，形成沖擊波，進(jìn)而引起沖擊噪聲。

總之，柴油機(jī)排氣噪聲含有大量比較復(fù)雜的成分，各類成分有著不同的形成機(jī)理，且其頻譜特性也是完全不同的，所以，控制排氣噪聲是非常嚴(yán)峻的任務(wù)?，F(xiàn)階段，對于船用柴油機(jī)排氣噪聲，最為有效的控制方式就是設(shè)計(jì)出性能更強(qiáng)大的排氣消聲器。

3 船用柴油機(jī)噪聲控制技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 進(jìn)排氣消聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

對于柴油機(jī)火星熄滅消音器及進(jìn)排氣消聲器的設(shè)計(jì)而言，火星熄滅效率、阻力損失以及聲學(xué)性能的試驗(yàn)測量和計(jì)算方法是其根本前提所在，充分結(jié)合各類因素造成的影響（主要包含穿孔部件、三維氣體流動效應(yīng)、凈化載體、吸聲材料、火星熄滅部件以及降阻部件等等），開發(fā)精準(zhǔn)度更高的試驗(yàn)測量及計(jì)算方法是未來發(fā)展的主要趨勢，同樣是挑戰(zhàn)性極大的研究內(nèi)容。從柴油機(jī)進(jìn)排氣消聲器的發(fā)展趨勢看，主要包含結(jié)構(gòu)更加緊湊、消聲量更高、流動阻力更低、動態(tài)插入損失更加穩(wěn)定等。為實(shí)現(xiàn)對消聲器插入損失的精準(zhǔn)預(yù)測，則應(yīng)充分掌握柴油機(jī)進(jìn)排氣噪聲源的阻抗大小，采取多負(fù)載法取得聲源阻抗是切實(shí)可行的方式，科學(xué)化負(fù)載匹配是精準(zhǔn)掌握進(jìn)排氣聲源阻抗的重點(diǎn)所在。

3.2 聲源識別技術(shù)

現(xiàn)場環(huán)境下，船用柴油機(jī)燃燒噪聲與機(jī)械噪聲及其特性識別的精確程度，對于船用柴油機(jī)的低噪聲設(shè)計(jì)、噪聲控制設(shè)計(jì)以及最終測量結(jié)果是否能夠用于噪聲預(yù)報檢驗(yàn)等有著直接性的影響。近幾年內(nèi)，頻譜測量分析技術(shù)、聲列陣測試技術(shù)、聲場重建、聲源分離技術(shù)、小波分析技術(shù)、波束形成等技術(shù)的快速發(fā)展，使得輕度混響條件下柴油機(jī)噪聲源的識別及分離成為可能。未來的發(fā)展趨勢是，開發(fā)更加精準(zhǔn)的可用于識別柴油機(jī)各種噪聲的方法和技術(shù)。探索效率更高的噪聲測量技術(shù)，把握柴油機(jī)噪聲的空間布局狀況和具體流動方向，對噪聲源進(jìn)行更加精準(zhǔn)的定位。

3.3 低噪聲設(shè)計(jì)預(yù)報技術(shù)

對柴油機(jī)噪聲預(yù)報技術(shù)進(jìn)行更深層次的分析，處理好當(dāng)前噪聲預(yù)報技術(shù)所面對的難題，借此以提高預(yù)測數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。比如：“在特征波數(shù)處解的非唯一性問題”是邊界元方法研究在全波數(shù)范圍內(nèi)對振動聲輻射進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算所亟待解決的技術(shù)難題；在柴油機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)通常會出現(xiàn)各式各樣的隨機(jī)激勵力，對模型進(jìn)行科學(xué)的加載是提高噪聲預(yù)測精度的關(guān)鍵因素；對于整機(jī)預(yù)測而言，應(yīng)采取子結(jié)構(gòu)法，考慮曲軸、機(jī)體、氣缸蓋、連桿、主軸承蓋、氣缸套以及主軸瓦等與各主要螺栓間的聯(lián)合作用，并且還需對外力傳遞進(jìn)行更加精準(zhǔn)的模擬。經(jīng)過探討聲輻射模態(tài)方法在控制柴油機(jī)噪聲方面的運(yùn)用，明確對柴油機(jī)輻射噪聲有所影響的主要模態(tài)，進(jìn)而大大提高柴油機(jī)噪聲的控制效果。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著全球船舶制造業(yè)迅速發(fā)展，船舶噪聲問題尤其是柴油機(jī)噪聲問題也逐漸暴露出來，且已引起業(yè)界人士的高度重視?，F(xiàn)階段，船用柴油機(jī)常見的噪聲問題主要有風(fēng)扇噪聲、燃燒噪聲、排氣噪聲等等。未來，應(yīng)積極推動柴油機(jī)聲源識別技術(shù)、進(jìn)排氣消聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、低噪聲設(shè)計(jì)預(yù)報技術(shù)等技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)對船用柴油機(jī)噪聲的有效控制。