摘要：在柴油发电机组运行过程中，部件间的摩擦力、撞击力及非平衡力使机械部件和壳体产生振动，进而向周围介质辐射声波，形成噪声。作为机械设备运行时发出的一种固有信号，噪声中必然携带设备本身的结构信息和运行状态信息。从理论上讲，完全可借助噪声信号对发电机组状态进行监测，但由于运行环境复杂及多声源相互干扰，在实际测量中，应用噪声进行状态监测的效果尚不够理想。更为重要的是，设备噪声不仅影响柴油发电机组的使用寿命与运行可靠性，还对操作人员的身心健康和周边生活环境造成直接危害。因此，必须将柴油发电机组的噪声控制置于重要位置，采取系统性措施将噪声降至合理范围。本文围绕柴油机噪声源识别技术、机械噪声与燃烧噪声的分离方法、表面辐射噪声扫描及控制策略进行系统阐述，为发电机组降噪工程提供技术参考。
一、柴油机噪声识别的主要技术方法
噪声与振动是评价柴油机性能的重要指标。作为发电机组系统中的核心动力部件，柴油机是主要的噪声源和激振力来源，其噪声与振动特性对整机的声学表现具有决定性影响。因此，开展噪声源识别是降噪研究的前提。当前，柴油机噪声识别方法主要分为表面辐射噪声源识别和内部激励噪声源识别两大类。
1. 表面辐射噪声源识别技术
（1）铅覆盖技术
铅覆盖技术是内燃机噪声源识别的传统方法，需在消声室环境中进行。其原理为用铅皮逐次覆盖部件表面，通过测量覆盖前后声功率的变化来确定各部位的辐射贡献。该方法要求覆盖完全，即使部件表面有少量面积未被覆盖，也会对测量结果产生显著影响，操作较为繁琐。
（2）表面声强测量法
表面声强测量法是近年来应用较广泛的方法。由于声强为矢量，某一部件在特定方向上的声强不受其他声源的影响，测量简便快捷。但声强测量设备价格较高，对测试人员技术要求严格，在一定程度上限制了该方法在工程实际中的大规模推广。
（3）振动测量法
振动测量法根据柴油机表面振动速度来估计表面辐射声功率。其需要测量较多数据并进行大量计算，主要难点在于柴油机零部件辐射比的确定，需依赖大量试验数据作为基础支撑。
（4）激光全息技术
激光全息技术是近年来在噪声识别领域出现的新方法，能够获得具有较高精度的声场辐射图谱。但由于设备昂贵，其在传统工业领域的应用推广面临成本障碍。
（5）信号处理技术
信号处理技术利用在噪声测量中记录的声源信号时域值，通过某种信号处理方法，按照声源信号时域或频域特性分解出主声源信号，是一种以数据分析为核心的识别途径。
2. 内部激励噪声源识别
柴油机内部激励噪声源识别主要针对燃烧噪声与机械噪声的区分。常用方法包括倒拖法、相关技术分析法、喷油提前角试验法、气缸压力频谱计算法及部分缸熄火法等。但由于燃烧噪声与机械噪声在时域和频域上存在交叠，二者关联性强，要获得绝对精确的分离结果存在较大难度。同时，针对机械噪声中活塞拍击噪声、齿轮噪声及曲轴振动噪声等子类的识别，也逐渐成为研究热点。
通过单缸熄火试验可分离燃烧噪声与机械噪声，为确定降噪方向提供依据。针对表面辐射问题，通过近场扫描判断整机噪声分布，识别主要噪声源及辐射部件。在降噪措施方面，首先应从内部激励入手，合理调整供油提前角以降低激振力；针对扭振问题开展扭振减振器试验研究，降低轴系扭振；在表面辐射噪声控制方面，重点对油底壳进行结构改进，降低其辐射效率。
二、机械噪声与燃烧噪声的分离及表面辐射扫描
1. 部分缸熄火法分离燃烧噪声与机械噪声
设柴油机在某一工况下正常运转时的噪声声功率级为Lw，由n个气缸共同发出声功率Wn。当其中1个或m个气缸熄火时，为保持原转速及其他各缸工作状态不变，需调整总负荷。此时输出功率相应减小，相当于原功率的(n-1)/n或(n-m)/n。此时测量得到的噪声声功率级L'w1或L'wm，包含机械噪声与仍在工作的各缸所激发的燃烧噪声。
断油熄火缸所激发出的燃烧噪声可通过总噪声与熄火后噪声能量之差求得，以第一缸为例，其数学关系为：
依次求得各缸燃烧噪声后，经加和即可得到总的燃烧噪声。机械噪声则为总噪声与总燃烧噪声之差。通过该方法可定量获得两者在总噪声中的能量占比。
以某中速中负荷工况为例，燃烧噪声约占42.1%，机械噪声约占57.8%，表明在该工况下机械噪声贡献更大。这一结论亦可通过表面辐射噪声扫描得到验证。
2. 近场扫描声压法噪声源识别
在表面辐射噪声源识别技术中，声强测量法较为成熟，但需专业设备且数据处理繁琐。本次试验在消声室中进行，采用声压代替声强进行表面辐射噪声识别，测试设备与整机声功率测量相同。在距柴油机表面尽可能近的位置，对前、左、右、顶四个面进行逐点扫描，分别如图1~图4所示。测量在额定工况下进行，探头逐点从左至右、从下至上拾取噪声信号，经软件处理生成等声级图。
（1）排气侧：最大噪声出现在油底壳部位，其中油底壳中间部位噪声级达106.4dB(A)，深裙部达106.7dB(A)，其他部位噪声显著低于油底壳。缸盖罩暴露面积较小，噪声不突出。
（2）进气侧：最大噪声同样出现在油底壳辐射部位，声压级达106.2dB(A)，机体、油泵及进气管等部位辐射较弱。
（3）前端面：齿轮室罩为薄壁件，且曲轴自由端与皮带轮连接处存在空隙，齿轮啮合噪声较大，最大处达107.4dB(A)，位于曲轴齿轮与惰轮啮合处。
（4）顶面：缸盖罩为薄壁件，内部为配气机构，辐射噪声亦较高。
通过声压法扫描识别可知，柴油机主要辐射噪声源为油底壳、缸盖罩和齿轮室罩。其中油底壳表面积最大，对表面辐射噪声的“贡献”最为显著。因此，针对上述部件的结构改进是实现整机降噪的重点方向。
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图1 柴油发电机排气侧等声级图 |
图2 柴油发电机进气侧等声级图 |
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图3 柴油发电机前端面等声级图 |
图4 柴油发电机顶面等声级图 |
三、柴油机噪声控制措施
1. 机械噪声控制
（1）活塞敲击噪声的降低方法
减小活塞与气缸壁的间隙至0.05～0.10mm时，可比正常间隙降低3～5dB(A)，但需同步采取防拉缸措施；使活塞销孔向气缸壁主推力面偏移(0.05～0.10)R（R为曲柄半径）；加长活塞裙部并减少活塞环数量；增加气缸套刚度；在裙部外表面增加润滑油积存以增大阻尼。
（2）气门机构噪声的降低方法
适当减小气门间隙；采用顶置凸轮轴；采用液力挺柱消除气门间隙；优化凸轮轮廓线及缓冲过渡曲线设计，控制气门落座速度，抑制跳动。
（3）正时齿轮噪声的降低方法
采用斜齿齿轮以增大重叠系数、减小负荷分担；采用夹布胶木等非金属材料制造凸轮轴正时齿轮，可有效降低啮合噪声。
（4）机械振动及噪声的降低方法
通过动平衡措施尽量减小或消除惯性力与惯性力矩；在总体设计阶段对曲轴轴系扭转振动进行规划，配置扭振减振器。
2. 噪声源的控制
控制噪声源振动是最根本的降噪途径。柴油机振动信号曲线如图5所示，而图6是350HZ频率下柴油机表面声压级云图。
一般措施包括：降低激励力，如减小冲击力、对旋转件进行动平衡；安装与装配时进行精确校准与对中；保证相对运动件结合面良好润滑并降低表面粗糙度；实现电气部件间电磁力平衡；采取减振与隔振措施，通过改变构件固有频率、增大系统阻尼降低辐射响应。
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图5 柴油机振动信号曲线图 |
图6 350HZ频率下柴油机表面声压级云图 |
3. 噪声传播路径的控制
使噪声在传播途中衰减，以减少传递至接收部分的能量。主要措施包括：对噪声源加装隔声罩，在声源与接收点之间设置隔声屏障；在机房四壁及顶板敷设吸声材料，空间装设吸声板；针对排气噪声安装消声器；合理选址及布置机房建筑物，利用距离衰减与遮蔽效应降低噪声影响。
4. 噪声接收部分的防护
当控制声源与传播路径仍不能满足要求时，长期处于90～100dB(A)噪声环境或短期处于115dB(A)强噪声环境的操作人员，应使用耳塞、耳罩及头盔等个人防护装置。此外，根据声波干涉原理利用“反噪声”进行有源噪声控制的技术已进入试验研究阶段，为未来噪声控制提供了新方向。气缸压力是0.4MPa时的噪声曲线如图7所示；气缸压力是0.6MPa时的噪声曲线如图8所示。
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图7 柴油机气缸压力为0.4 MPa的噪声 |
图8 柴油机气缸压力P为0.6 MPa的噪声 |
四、柴油机噪声测量方法与标准
柴油机噪声常以A声级或声功率级（分贝dB）作为评价指标，不同机型规定有相应的测量方法与容许标准。常用测量仪器包括：
（1）声级计：分为普通型和精密型，噪声测量通常规定使用精密声级计。普通精密声级计适用于稳态或非稳态连续噪声，脉冲噪声应使用精密脉冲声级计测量。
（2）频率分析仪：用于完成噪声频谱分析，是分析噪声源的基本仪器，常用倍频程和1/3倍频程分析仪，需详细分析时可采用恒定带宽分析仪。
（3）记录与显示仪器：电平记录仪可自动记录噪声信号的时间历程或频谱，示波器用于观察噪声波形。
（4）现场记录设备：录音机或磁带记录仪可用于现场采集噪声信号，带回实验室进行详细分析。
（5）数据处理系统：对随机噪声或周期性与随机性混杂噪声，可将录制信号输入数据处理机进行相关分析、功率谱密度分析等。
（6）声强计：近年来声强计的出现使噪声评价标准有以声强级或声功率级取代A声级的趋势，可实现现场测量且对环境要求相对宽松。
结语
柴油发电机组噪声控制是一项涉及声源识别、结构改进、传播路径阻断与个人防护的系统工程。从铅覆盖法到声强测量，从振动扫描到激光全息，各类噪声识别技术各有其适用范围与优缺。单缸熄火法分离燃烧与机械噪声、近场扫描定位主要辐射部件，为有针对性的降噪措施提供了科学依据。针对油底壳、缸盖罩、齿轮室罩等主要辐射部件进行结构优化，配合合理的内部激励调整与传播路径隔断，可显著降低整机噪声水平。结合声级计、频率分析仪及数据处理器等测量手段，可对降噪效果进行量化验证，构建“识别-改进-验证”的闭环降噪流程。随着有源噪声控制等新技术的成熟，未来柴油发电机组的噪声控制将更加智能、高效与精准。
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