吸聲材料在變頻發(fā)電機(jī)組噪聲控制中的應(yīng)用

嚴(yán)天雄， 劉進(jìn)偉， 吳曉佳， 黃國(guó)鵬

(隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司 技術(shù)中心， 重慶 400052)

吸聲材料因其在中高頻具有較好的降噪效果得到廣泛應(yīng)用，對(duì)吸聲材料的研究也越來越多[1-3]。張宏宇等[4]研究了吸聲材料的流阻率、孔隙率、形狀因子、黏性及熱特征長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)阻性消聲器傳遞損失的影響；張勝?gòu)?qiáng)等[5]研究了二甲基硅油含量、不同材料厚度和不同厚度空氣層等參數(shù)對(duì)吸聲性能的影響，為聚氨酯海綿在汽車上的應(yīng)用提供指導(dǎo)；李青等[6]研制了一種新型的多孔水泥基陶粒吸聲材料，研究了顆粒級(jí)配、壓縮比、空腔、表面形態(tài)、不同安裝方法等對(duì)吸聲性能的影響；周宇雯等[7]研究了材料孔隙率和厚度對(duì)吸聲效果的影響，對(duì)船舶的噪聲控制提供了參考價(jià)值；Lumnitzer等[8]研究發(fā)現(xiàn)了用輪胎、廢泡沫和內(nèi)飾材料進(jìn)行降噪，通過設(shè)計(jì)并測(cè)試多種吸聲材料，找到100～5 000 Hz頻率范圍降噪的最佳參數(shù)；Aslan等[9]設(shè)計(jì)了一種吸聲材料和穿孔板的聲學(xué)結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同頻段的降噪性能進(jìn)行研究。

吸聲材料在各種設(shè)備及器件噪聲控制中取得良好的降噪效果。文獻(xiàn)[10]中使用環(huán)保吸聲棉和超細(xì)環(huán)保吸聲棉組成的復(fù)合吸聲棉作為吸聲材料，結(jié)合吸聲立柱和消聲器設(shè)計(jì)對(duì)電源車的車廂進(jìn)行降噪處理，使電源車噪聲達(dá)到控制要求；文獻(xiàn)[11]在高速列車空調(diào)風(fēng)道內(nèi)粘貼不同的吸聲材料對(duì)比降噪效果，得到在風(fēng)道內(nèi)粘貼厚度為25 mm，且其長(zhǎng)度大于1.785 m時(shí)吸聲材料時(shí)降噪效果較明顯；文獻(xiàn)[12]通過在艙室內(nèi)鋪設(shè)吸聲材料等降噪措施，有效地控制了鉆井平臺(tái)艙室的噪聲。

發(fā)電機(jī)組作為備用電源、應(yīng)急電源、移動(dòng)電源得到廣泛應(yīng)用[13]。因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，本文以某額定輸出功率為1.7 kW的便攜式靜音變頻發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，分析吸聲材料對(duì)發(fā)電機(jī)組的降噪效果。

1 吸聲材料在發(fā)電機(jī)組上的使用

便攜式靜音變頻發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)如圖1所示，發(fā)電機(jī)組搭載的動(dòng)力為單缸四沖程自然吸氣式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)排量為121 mL。使用隔聲罩對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行降噪處理。

圖1 發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)

發(fā)電機(jī)組的噪聲控制通常有采用隔振降低結(jié)構(gòu)輻射噪聲[14]、結(jié)構(gòu)模態(tài)避頻[15]、消聲器和隔聲罩設(shè)計(jì)[16]等方法。除此之外，吸聲材料常用于傳遞路徑上的噪聲控制，本文將吸聲材料粘貼在該機(jī)組的隔聲罩上，如缸頭側(cè)面板、啟動(dòng)拉手側(cè)面板、左右提手頂部、排氣側(cè)面板和觀察窗蓋等位置進(jìn)行降噪處理，如圖2所示。

圖2 吸聲材料的粘貼位置

機(jī)組原狀態(tài)吸聲材料材質(zhì)為聚氨酯材料，密度為22 kg/m3，厚度為10 mm。

2 原狀態(tài)吸聲材料降噪效果分析

2.1 發(fā)電機(jī)組噪聲試驗(yàn)方案

在特定噪聲測(cè)試間內(nèi)進(jìn)行機(jī)組噪聲測(cè)試，將發(fā)電機(jī)組置于中央的試驗(yàn)臺(tái)上，為了避免反射對(duì)噪聲的影響，采用穿孔板和吸聲材料對(duì)墻面和試驗(yàn)臺(tái)表面進(jìn)行處理，測(cè)試環(huán)境的背景噪聲為45.2 dB(A)。

距離地面高度1 m，發(fā)電機(jī)組表面1 m處分別布置4個(gè)傳感器，根據(jù)發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)位置定義為面板、缸頭、排氣和拉手。測(cè)試4種不同負(fù)載(空載、25%、50%和75%負(fù)載)下的噪聲值，采用負(fù)載控制系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)組提供負(fù)載輸出，如圖3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)組噪聲測(cè)試

數(shù)據(jù)采集設(shè)備為OROS公司32通道的OR38振動(dòng)噪聲測(cè)試設(shè)備，利用配套的NV Gate軟件進(jìn)行噪聲信號(hào)采集，麥克風(fēng)為GRAS公司46AE型傳感器，測(cè)試前需要對(duì)其靈敏度進(jìn)行校準(zhǔn)以保證測(cè)試精度。采樣頻率設(shè)置為20 480 Hz，采樣分辨率為1 Hz，采樣時(shí)間為15 s。

2.2 原狀態(tài)吸聲材料降噪效果分析

為了分析原狀態(tài)吸聲材料對(duì)發(fā)電機(jī)組的降噪效果，分別測(cè)試發(fā)電組隔聲罩上粘貼和不貼吸聲材料兩種狀態(tài)的整機(jī)噪聲值，對(duì)比兩種狀態(tài)下的噪聲差異。發(fā)電機(jī)組隔聲罩上不貼吸聲材料的整機(jī)噪聲測(cè)試值見表1，經(jīng)計(jì)算得到4點(diǎn)的平均噪聲值。

表1 隔聲罩無吸聲材料的整機(jī)噪聲值 單位：dB(A)

從表1中可以看出，隨著負(fù)載的增加，噪聲呈逐漸增大的趨勢(shì)。4個(gè)面的噪聲進(jìn)行比較可知，排氣側(cè)的噪聲最大，缸頭側(cè)的噪聲次之，面板側(cè)和拉手側(cè)的噪聲水平相當(dāng)，噪聲值較小。

發(fā)電機(jī)組隔聲罩上粘貼吸聲材料后整機(jī)的噪聲測(cè)試值和平均值見表2。與無吸聲材料狀態(tài)機(jī)組噪聲相比，空載時(shí)機(jī)組4個(gè)面的噪聲均增大了，面板側(cè)、缸頭側(cè)和拉手側(cè)均增大了1 dB(A)，排氣側(cè)噪聲增大了1.3 dB(A)。

表2 隔聲罩粘貼吸聲材料后的整機(jī)噪聲值 單位：dB(A)

各個(gè)負(fù)載下吸聲材料的降噪效果如圖4所示。空載狀態(tài)，噪聲平均增大了1.1 dB(A)，25%負(fù)載噪聲平均降低了0.3 dB(A)，50%負(fù)載噪聲平均降低了0.4 dB(A)，75%負(fù)載噪聲平均降低了0.1 dB(A)。因此，機(jī)組所使用的原狀態(tài)吸聲材料降噪效果不佳。

為進(jìn)一步分析空載狀態(tài)使用吸聲材料后噪聲增大的原因，對(duì)該狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的1/3噪聲倍頻程圖進(jìn)行對(duì)比分析。有無吸聲材料兩種狀態(tài)下面板側(cè)的1/3倍頻程噪聲值如圖5所示。機(jī)組無吸聲材料時(shí)面板的噪聲主要集中在500～2 500 Hz的中頻段。吸聲材料的降噪頻段主要在5 000 Hz以上的高頻段，在400 Hz以下的低頻段吸聲材料無降噪效果，在500～1 000 Hz中頻段存在噪聲放大的現(xiàn)象，500、630、800、1 000 Hz 4個(gè)主要噪聲頻率處噪聲分別增大了1.8、1.7 、2.4、2.3 dB(A)。綜合分析可知，中頻段噪聲被放大是導(dǎo)致使用吸聲材料后面板側(cè)噪聲增大的主要原因。

圖4 不同負(fù)載下吸聲材料降噪效果

圖5 面板側(cè)噪聲1/3倍頻程噪聲值

有無吸聲材料兩種狀態(tài)下缸頭側(cè)的1/3倍頻程噪聲值如圖6所示。吸聲材料在125～400 Hz的低頻段有一定的降噪效果，在125 Hz以下的低頻段和1 000 Hz以上的中高頻段無降噪效果， 主要的峰值頻率處噪聲增大明顯，500、630、800 Hz 3個(gè)主要噪聲頻率處噪聲分別增大了2.2、2.4 、1.8 dB(A)。

有無吸聲材料兩種狀態(tài)下排氣側(cè)的1/3倍頻程噪聲值如圖7所示。吸聲材料在20～20 000 Hz的全頻段內(nèi)幾乎均無降噪效果，在400～4 000 Hz的主要頻段噪聲有所增大，630 Hz處噪聲增大了4 dB(A)，1 600 Hz和4 000 Hz處噪聲均增大了2.1 dB(A)。

有無吸聲材料兩種狀態(tài)下拉手側(cè)的1/3倍頻程噪聲值如圖8所示。吸聲材料在8 000 Hz以上的高頻段有微弱的降噪效果，在500～6 300 Hz的主要頻段噪聲有所增大，500 Hz處噪聲增大了1.6 dB(A)，2 000 Hz處噪聲增大了2.4 dB(A)，2 500 Hz處噪聲增大了1.7 dB(A)。

圖6 缸頭側(cè)噪聲1/3倍頻程噪聲值

圖7 排氣側(cè)噪聲1/3倍頻程噪聲值

圖8 拉手側(cè)噪聲1/3倍頻程噪聲值

綜上分析可得，原狀態(tài)吸聲材料在部分頻段有降噪效果，但在機(jī)組主要噪聲頻段沒有起到降噪作用，從而導(dǎo)致空載狀態(tài)使用吸聲材料后噪聲增大，帶載狀態(tài)下的降噪效果也不明顯。

3 吸聲材料選型分析

經(jīng)上述分析可知，原狀態(tài)吸聲材料的降噪效果不佳，為進(jìn)一步降低發(fā)電機(jī)組的噪聲，重新對(duì)吸聲材料進(jìn)行選型。

3.1 選型吸聲材料樣本

吸聲材料廠家提供了4種吸聲材料進(jìn)行對(duì)比測(cè)試降噪效果，吸聲材料根據(jù)隔聲罩的尺寸利用刀模切割形成樣本，如圖9所示。

4種吸聲材料的參數(shù)見表3。與原狀態(tài)的吸聲材料相比，1#材料增加了材料厚度，2#材料增加了材料的密度，3#材料同時(shí)增加材料的厚度和密度，4#材料更換了材質(zhì)。

3.2 選型吸聲材料降噪效果分析

根據(jù)2.1節(jié)中的噪聲測(cè)試方法，分別在隔聲罩上更換4種選型吸聲材料進(jìn)行噪聲測(cè)試。各吸聲材料的降噪效果如圖10所示。從圖中可以看出，所有的吸聲材料在機(jī)組空載狀態(tài)不但沒有降噪效果，反而會(huì)將噪聲放大，在中高負(fù)載(50%和75%負(fù)載)均有不同程度的降噪效果，在25%負(fù)載下，選型材料1#和4#無降噪效果。

圖10 吸聲材料降噪效果對(duì)比

從5種不同吸聲材料的降噪效果來看，2#選型吸聲材料的降噪效果最好，空載工況噪聲僅增大了0.1 dB(A)，25%負(fù)載工況噪聲降低1 dB(A)，50%負(fù)載工況噪聲降低0.6 dB(A)，75%負(fù)載工況噪聲降低0.7 dB(A)。

從圖10中可以看出，與原狀態(tài)吸聲材料降噪效果相比，使用2#吸聲材料機(jī)組在各個(gè)載荷下噪聲均得到改善，其中空載噪聲降低1.1 dB(A)，25%負(fù)載工況噪聲降低0.8 dB(A)，50%負(fù)載工況噪聲降低0.2 dB(A)，75%負(fù)載工況噪聲降低0.6 dB(A)，2#吸聲材料對(duì)發(fā)電機(jī)組的降噪效果優(yōu)于原狀態(tài)吸聲材料。

從圖10中可以看出，1#選型吸聲材料在空載和25%負(fù)載對(duì)機(jī)組噪聲有明顯的放大，空載工況噪聲放大了2.5 dB(A)，25%負(fù)載工況噪聲放大了1.2 dB(A)。1#選型吸聲材料與原狀態(tài)相比僅增加了材料厚度，表明增加吸聲材料厚度不能改善機(jī)組低負(fù)載的噪聲。從3#吸聲材料與原狀態(tài)相比同時(shí)增加材料厚度和密度，但從圖10中的降噪效果來看，除25%負(fù)載工況外，其余負(fù)載工況的降噪效果比原狀態(tài)好。4#吸聲材料使用橡塑材質(zhì)，與原狀態(tài)的材質(zhì)不一樣，從圖10中降噪效果看，除75%負(fù)載工況外，其余負(fù)載工況的降噪效果均比原狀態(tài)差，對(duì)發(fā)電機(jī)組的噪聲改善不明顯。

鑒于2#吸聲材料在空載的降噪效果較明顯，進(jìn)一步對(duì)該工況下的降噪特性進(jìn)行分析。在空載工況下，發(fā)電機(jī)組粘貼2#選型吸聲材料與原狀態(tài)吸聲材料面板側(cè)的1/3倍頻程噪聲值如圖11所示。從圖11中可以看出，在主要噪聲頻率段，粘貼2#選型吸聲材料機(jī)組噪聲除在315 Hz和1 250 Hz處比原狀態(tài)分別大2.2 dB(A)和1.1 dB(A)外，其余主要噪聲頻率段都比原狀態(tài)噪聲低。尤其是在主要的峰值頻率處起到了較好的降噪作用，以致面板側(cè)的噪聲降低。

在空載工況下，發(fā)電機(jī)組粘貼2#選型吸聲材料與原狀態(tài)吸聲材料缸頭側(cè)的1/3倍頻程噪聲值如圖12所示。從圖12中可以看出，粘貼2#選型吸聲材料機(jī)組噪聲除160～400 Hz頻率外比原狀態(tài)噪聲低，而該頻段不是缸頭側(cè)噪聲的主要頻段。特別是在最大峰值頻率630 Hz處噪聲降低了2.4 dB(A)，對(duì)該側(cè)的噪聲降低起到關(guān)鍵的作用。

圖11 粘貼不同吸聲材料面板側(cè)噪聲1/3倍頻程噪聲值

圖12 粘貼不同吸聲材料缸頭側(cè)噪聲1/3倍頻程噪聲值

在空載工況下，發(fā)電機(jī)組粘貼2#選型吸聲材料與原狀態(tài)吸聲材料排氣側(cè)的1/3倍頻程噪聲值如圖13所示。從圖13中可以看出，在主要的峰值頻率段，粘貼兩種吸聲材料的噪聲呈現(xiàn)交錯(cuò)分布，兩種吸聲材料下排氣側(cè)的噪聲水平相當(dāng)，表明2#吸聲材料對(duì)排氣側(cè)的噪聲改善不明顯。

在空載工況下，發(fā)電機(jī)組粘貼2#選型吸聲材料與原狀態(tài)吸聲材料拉手側(cè)的1/3倍頻程噪聲值如圖14所示。從圖14中可以看出，粘貼2#選型吸聲材料拉手側(cè)的噪聲雖然在80 Hz處增加了2.4 dB(A)，增加的幅值較大，但該頻段不是主要的噪聲分布頻率。而在1 000 Hz以上的中高頻段具有明顯的降噪效果，表明2#吸聲材料對(duì)拉手側(cè)的噪聲具有較好的改善效果。

綜合上述分析可得，吸聲材料的密度由22 kg/m3增加到35 kg/m3，能夠有效降低發(fā)電機(jī)組的噪聲，吸聲材料的密度是影響發(fā)電機(jī)組噪聲的關(guān)鍵因素之一。而增加吸聲材料的厚度和更換為橡塑材質(zhì)的吸聲材料均不能對(duì)該發(fā)電機(jī)組起到良好的降噪作用。

圖13 粘貼不同吸聲材料排氣側(cè)噪聲1/3倍頻程噪聲值

圖14 粘貼不同吸聲材料拉手側(cè)噪聲1/3倍頻程噪聲值

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過測(cè)試分析表明，發(fā)電機(jī)組原狀態(tài)吸聲材料降噪效果不佳，25%～75%負(fù)載噪聲僅僅降低了0.1～0.4 dB(A)，空載工況下機(jī)組噪聲反而增大了1.1 dB(A)。

2)對(duì)4種不同參數(shù)的吸聲材料進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)材質(zhì)為聚氨酯，密度為35 kg/m3，厚度為10 mm的吸聲材料降噪效果最好。與原狀態(tài)相比，空載噪聲降低1.1 dB(A)，25%負(fù)載工況噪聲降低0.8 dB(A)，50%負(fù)載工況噪聲降低0.2 dB(A)，75%負(fù)載工況噪聲降低0.6 dB(A)。發(fā)電機(jī)組的噪聲得到進(jìn)一步改善。

3)增加吸聲材料厚度和更換橡塑材質(zhì)的吸聲材料均不能降低發(fā)電機(jī)組的噪聲，吸聲材料的密度才是影響發(fā)電機(jī)組噪聲的關(guān)鍵因素之一。該分析結(jié)果能夠?yàn)榘l(fā)電機(jī)組的噪聲控制提供思路。