某發(fā)電機(jī)組靜音機(jī)箱噪聲分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高碩，袁帥，郭彬，董瑞

濰柴動(dòng)力股份有限公司國(guó)際應(yīng)用工程中心，山東濰坊 261000

0 引言

作為一種備用發(fā)電設(shè)備，發(fā)電機(jī)組因其移動(dòng)性強(qiáng)、設(shè)備運(yùn)行維護(hù)方便快捷等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。然而，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)引起較大的振動(dòng)噪聲，不僅影響人的正常工作和生活，還會(huì)危害人體健康。針對(duì)發(fā)電機(jī)組的噪聲問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)研究或仿真分析等方法對(duì)其噪聲特性、噪聲源以及噪聲控制等方面進(jìn)行了大量研究。

TANDON等用聲強(qiáng)法對(duì)某柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行噪聲測(cè)試，針對(duì)主要噪聲源對(duì)機(jī)組做出結(jié)構(gòu)改進(jìn)，即加入部分隔聲罩，降低了機(jī)組輻射噪聲。ZHOU等基于聲學(xué)邊界元法對(duì)隔聲罩進(jìn)行了輻射噪聲預(yù)測(cè)，并通過(guò)聲學(xué)靈敏度分析，探究了對(duì)插入損失影響最大的因素。畢鳳榮等研究了某小型柴油發(fā)電機(jī)組的聲源及噪聲特性,據(jù)此對(duì)不同頻率范圍的噪聲提出了具體的隔聲罩結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施，使發(fā)電機(jī)組輻射噪聲得到了有效降低。張樹(shù)峰以某靜音型柴油發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，通過(guò)試驗(yàn)與CAE仿真相結(jié)合的方法，對(duì)機(jī)組隔聲罩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，顯著降低了發(fā)電機(jī)組噪聲水平。

綜上可以看出，工程中多利用隔聲罩及其內(nèi)附的吸聲材料來(lái)降低發(fā)電機(jī)組的噪聲，并通過(guò)試驗(yàn)及現(xiàn)代CAE仿真的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)隔聲罩(文中統(tǒng)稱(chēng)為靜音機(jī)箱)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。西門(mén)子的Simcenter3D是一種有力的CAE聲學(xué)仿真工具，作為一種綜合性的有限元建模和結(jié)果可視化產(chǎn)品，其包括一整套前、后處理工具，支持諸多業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)求解器(如Simcenter Nastran、MSC Nastran、ANSYS和Abaqus等)以及多種產(chǎn)品性能評(píng)估解算方案。

據(jù)此，本文基于Simcenter3D聲學(xué)仿真軟件，選用間接聲學(xué)邊界元法，對(duì)某型發(fā)電機(jī)組兩種不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的靜音機(jī)箱進(jìn)行聲學(xué)仿真分析，通過(guò)對(duì)比仿真結(jié)果，探究不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)形式對(duì)靜音機(jī)箱隔聲性能的影響，同時(shí)通過(guò)對(duì)通風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升靜音機(jī)箱的降噪能力，為該型發(fā)電機(jī)組的降噪提供理論指導(dǎo)。

1 靜音機(jī)箱聲學(xué)仿真分析

所研究的發(fā)電機(jī)組靜音機(jī)箱尺寸相對(duì)較大，模型較為復(fù)雜，如果采用有限元法進(jìn)行聲學(xué)分析，其網(wǎng)格數(shù)量會(huì)極大地影響計(jì)算效率，且所研究靜音機(jī)箱為不封閉的箱體，因而選用間接邊界元法對(duì)兩種不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的靜音機(jī)箱進(jìn)行聲學(xué)仿真分析，聲學(xué)仿真的前處理工作具體如下。

1.1 靜音機(jī)箱三維建模

文中的研究對(duì)象為兩種不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)組靜音機(jī)箱，分別為U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱和百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱。兩種機(jī)箱基本由鋼制薄板組成，U型窗、百葉窗位于機(jī)箱左右兩側(cè)及前側(cè)(近發(fā)電機(jī)處)，機(jī)箱后側(cè)及上側(cè)開(kāi)有通風(fēng)攔網(wǎng)，圖1為經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化處理的兩種不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱的三維模型。

圖1 不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱的三維模型

1.2 靜音機(jī)箱聲學(xué)網(wǎng)格劃分

靜音機(jī)箱三維模型準(zhǔn)備完成后，在Simcenter3D的Fem環(huán)境中進(jìn)行聲學(xué)網(wǎng)格劃分工作。為保證計(jì)算精度，在劃分線性單元網(wǎng)格時(shí)，通常認(rèn)為最小波長(zhǎng)等于最大單元尺寸的6倍，即網(wǎng)格尺寸的大小滿足：

(1)

式中：為聲速，空氣中其值為340 m/s；為計(jì)算的最高頻率。

最高計(jì)算頻率為3 500 Hz，代入式(1)可得最大網(wǎng)格尺寸=16 mm。為保證網(wǎng)格質(zhì)量有效性，選取網(wǎng)格尺寸=12 mm，網(wǎng)格單元類(lèi)型為聲學(xué)殼單元(acoustic shell)。U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱生成單元數(shù)為185 990，節(jié)點(diǎn)數(shù)為94 716；百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱生成單元數(shù)為181 781，節(jié)點(diǎn)數(shù)為92 186。兩種靜音機(jī)箱的聲學(xué)網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 兩種靜音機(jī)箱的聲學(xué)網(wǎng)格模型

文中僅存在空氣這一種流體介質(zhì)，靜音機(jī)箱聲學(xué)網(wǎng)格劃分完成后，選用Simcenter3D材料庫(kù)中的空氣為其定義流體材料屬性。

1.3 靜音機(jī)箱場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格劃分

圖3 機(jī)組噪聲測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置

依據(jù)圖3建立了兩種靜音機(jī)箱的場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格，其模型如圖4所示。其中平面麥克風(fēng)網(wǎng)格平行于靜音機(jī)箱的5個(gè)面，與各面相距1 m，網(wǎng)格大小為50 mm，點(diǎn)麥克風(fēng)網(wǎng)格分別與圖3中9個(gè)典型測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。

圖4 兩種靜音機(jī)箱場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格模型

1.4 聲源激勵(lì)加載及邊界條件設(shè)置

邊界元網(wǎng)格和場(chǎng)點(diǎn)網(wǎng)格建立完成后，在Simcenter3D的Sim環(huán)境下進(jìn)行聲源加載和邊界條件設(shè)置。

(1)聲源激勵(lì)加載。對(duì)比分析兩種通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱的隔聲性能時(shí)，實(shí)際聲源激勵(lì)對(duì)分析結(jié)果的影響不大，因而文中僅在機(jī)組設(shè)置一個(gè)功率為1 W的單極理想聲源，用于兩種靜音機(jī)箱的聲學(xué)仿真計(jì)算。

(2)邊界條件設(shè)置。首先為兩種靜音機(jī)箱添加海綿的吸聲屬性，聲阻為830 kg/(m·s)，聲抗為3 030 kg/(m·s);其次利用Simcenter3D中的無(wú)限平面功能代替真實(shí)地面環(huán)境，模擬與半消聲室條件相似的聲學(xué)分析環(huán)境;最終建立完成的發(fā)電機(jī)組靜音機(jī)箱聲學(xué)邊界元模型如圖5所示。

圖5 發(fā)電機(jī)組靜音機(jī)箱聲學(xué)邊界元模型

2 靜音機(jī)箱聲學(xué)仿真結(jié)果對(duì)比

前處理工作完成后，進(jìn)行靜音機(jī)箱聲學(xué)仿真分析。為提高計(jì)算效率，采用Simcenter3D中的H-Matrix模型公式分析兩種不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱在1/3倍頻程中心頻率,即：50、63、125、250、500、1 000、2 000、3 500 Hz下的1 m聲場(chǎng)聲壓分布云圖，同時(shí)提取5個(gè)噪聲測(cè)量面上9個(gè)典型測(cè)點(diǎn)在50～3 500 Hz頻段下的聲壓級(jí)變化曲線。

2.1 兩種靜音機(jī)箱典型測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)變化曲線對(duì)比分析

圖6為兩種靜音機(jī)箱4個(gè)典型測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)變化曲線對(duì)比。限于篇幅關(guān)系，僅取9個(gè)典型測(cè)量點(diǎn)中的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，即對(duì)應(yīng)于4個(gè)通風(fēng)口結(jié)構(gòu)(U型窗、百葉窗)所在測(cè)量面中心位置的測(cè)點(diǎn)1、2、3、4進(jìn)行對(duì)比分析。

圖6 兩種靜音機(jī)箱4個(gè)典型測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)變化曲線對(duì)比

由圖6可知，由于計(jì)算時(shí)選取的步長(zhǎng)值(50 Hz)較小，兩種靜音機(jī)箱4個(gè)測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)變化曲線存在頻段內(nèi)一定的波動(dòng)，但兩種靜音機(jī)箱聲壓級(jí)曲線的變化趨勢(shì)大體一致。對(duì)比分析兩種靜音機(jī)箱的聲壓級(jí)變化曲線可知：

(1)對(duì)于測(cè)點(diǎn)1、2、4，在低頻范圍內(nèi)U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱隔與百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱的聲壓級(jí)幅值相差不大，表明兩者在低頻范圍的隔聲性能相仿；

(2)在中高頻頻段，U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱測(cè)點(diǎn)1、2、4的聲壓級(jí)幅值較明顯的低于百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱測(cè)點(diǎn)1、2、4的聲壓級(jí)幅值，表明在中高頻范圍U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱隔聲效果更優(yōu)；

(3)對(duì)于測(cè)點(diǎn)3，在50～3 500 Hz整個(gè)頻段內(nèi)，除聲壓級(jí)變化曲線上少部分?jǐn)?shù)值外，兩種機(jī)箱的聲壓級(jí)幅值相差不大，且兩種靜音機(jī)箱在該測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)幅值最大。

2.2 兩種靜音機(jī)箱1 m聲場(chǎng)聲壓云圖對(duì)比分析

由圖6各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)變化曲線可知，兩種靜音機(jī)箱的測(cè)點(diǎn)1在中高頻段下的聲壓級(jí)變化曲線差異最為明顯，因而文中選取兩種靜音機(jī)箱測(cè)點(diǎn)1所對(duì)應(yīng)的A測(cè)量面，在1/3倍頻程中心頻率，即1 000、2 000、3 500 Hz下的1 m聲場(chǎng)聲壓分布云圖進(jìn)行對(duì)比分析，如圖7所示。

圖7 兩種靜音機(jī)箱聲壓分布云圖對(duì)比

通過(guò)圖6的聲壓級(jí)變化曲線可知，U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱具有更低的聲壓級(jí)幅值。因此為便于直觀分析兩種靜音機(jī)箱同頻率下的聲壓分布情況，將云圖設(shè)定在同一圖例限值下展示，如圖7所示。

由圖7可知，隨著頻率的提高，兩種靜音機(jī)箱的聲場(chǎng)聲壓分布均表現(xiàn)為越發(fā)不集中，表明聲場(chǎng)輻射隨著頻率的增加越來(lái)越發(fā)散；在同一頻率下，U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱的高聲壓區(qū)域要少于百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱。

綜合聲壓級(jí)變化曲線及聲場(chǎng)聲壓云圖的分析可得，對(duì)于該型發(fā)電機(jī)組，U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱較百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱具有更好的隔聲性能。

2.3 兩種靜音機(jī)箱各測(cè)量面總聲壓級(jí)對(duì)比分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)論，依據(jù)所得9個(gè)典型測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)變化曲線，以各測(cè)點(diǎn)曲線上最大的聲壓級(jí)值作為工程測(cè)量中測(cè)點(diǎn)處的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 U型窗靜音機(jī)箱9個(gè)典型測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí) 單位:dB

表2 百葉窗靜音機(jī)箱9個(gè)典型測(cè)點(diǎn)A計(jì)權(quán)聲壓級(jí) 單位:dB

總聲壓級(jí)計(jì)算公式為：

(2)

式中:為總聲壓級(jí)；為各測(cè)點(diǎn)的聲壓級(jí)。

由式(2)計(jì)算出兩種靜音機(jī)箱5個(gè)測(cè)量面(點(diǎn)1、2、3、4、9分別對(duì)應(yīng)測(cè)量面、、、、)的總聲壓級(jí)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 兩種靜音機(jī)箱5個(gè)測(cè)量面的總聲壓級(jí) 單位:dB

由表3可知：

(1)兩種靜音機(jī)箱的最大噪聲面為均，即測(cè)點(diǎn)3所對(duì)應(yīng)的測(cè)量面。主要原因?yàn)椋红o音機(jī)箱在此處的通風(fēng)口結(jié)構(gòu)為通風(fēng)攔網(wǎng)，該結(jié)構(gòu)相較于百葉窗、U型窗會(huì)產(chǎn)生更嚴(yán)重的聲能泄漏，因而總聲壓級(jí)較大。

(2)U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱各測(cè)量面的總聲壓級(jí)均比百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱低1～2.5 dB，進(jìn)一步表明U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱具有更好的隔聲性能。

3 靜音機(jī)箱優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真分析

為提升原U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱的降噪性能，對(duì)其4個(gè)通風(fēng)口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，即將原U型窗通風(fēng)口及通風(fēng)攔網(wǎng)均改為加裝擋風(fēng)蓋(帶有吸聲海綿)的組合通風(fēng)口結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)既可以改變聲波的傳播路徑、增加聲傳播時(shí)的能量消耗，又能夠利用吸音海綿吸收部分聲能，改進(jìn)后的通風(fēng)口結(jié)構(gòu)及靜音機(jī)箱模型如圖8所示。

圖8 改進(jìn)后的通風(fēng)口結(jié)構(gòu)及靜音機(jī)箱模型

對(duì)改進(jìn)通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的新型靜音機(jī)箱進(jìn)行聲學(xué)仿真分析，研究?jī)?yōu)化后的通風(fēng)口結(jié)構(gòu)對(duì)靜音機(jī)箱降噪能力的影響。4個(gè)通風(fēng)口分別對(duì)應(yīng)、、、測(cè)量面，取改進(jìn)前后各測(cè)量面中心典型測(cè)點(diǎn)即1、2、3、4的聲壓級(jí)變化曲線進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，經(jīng)改進(jìn)通風(fēng)口結(jié)構(gòu)后的靜音機(jī)箱，測(cè)點(diǎn)1～4的聲壓級(jí)較改進(jìn)前均在整體上得到降低。經(jīng)計(jì)算，測(cè)點(diǎn)1的聲壓級(jí)整體上平均降低4.2 dB，測(cè)點(diǎn)2平均降低3.2 dB，測(cè)點(diǎn)3平均降低8.4 dB，測(cè)點(diǎn)4平均降低3.9 dB，可知最大噪聲測(cè)量面的噪聲問(wèn)題得到最為顯著的治理，充分表明改進(jìn)后的各通風(fēng)口較改進(jìn)前具有更好的隔聲性能，靜音機(jī)箱降噪能力得到有效提升。

圖9 通風(fēng)口改進(jìn)前后靜音機(jī)箱典型測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)變化曲線對(duì)比結(jié)果

4 結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)比U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱與百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱的1 m聲場(chǎng)典型測(cè)點(diǎn)聲壓級(jí)變化曲線，表明低頻范圍兩種靜音機(jī)箱隔聲效果相差不大，中高頻范圍U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱隔聲效果更優(yōu)。

(2)通過(guò)對(duì)比兩種靜音機(jī)箱1 m聲場(chǎng)的聲壓分布云圖，表明在同一頻率下，U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱輻射聲壓低于百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱。

(3)通過(guò)對(duì)比兩種靜音機(jī)箱各測(cè)量面的總聲壓級(jí)，表明U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱比百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱低1～2.5 dB。

(4)通過(guò)對(duì)原U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱各通風(fēng)口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使靜音機(jī)箱典型測(cè)點(diǎn)1、2、4的1 m聲場(chǎng)聲壓級(jí)降低平均3～4 dB，測(cè)點(diǎn)3聲壓級(jí)平均降低8.4 dB，最大噪聲測(cè)量面的降噪效果最為顯著。

綜上所述，對(duì)于該型發(fā)電機(jī)組，U型窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱在整體上比百葉窗通風(fēng)口結(jié)構(gòu)靜音機(jī)箱具有更好的隔聲性能；改進(jìn)優(yōu)化后的新型通風(fēng)口結(jié)構(gòu)使靜音機(jī)箱的降噪性能得到有效提升。