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新闻主题	柴油发电机噪声源识别、测量和控制方法

 

摘要：噪声指的是由于柴油发电机组运转时，部件间的摩擦力、撞击力或非平衡力，使机械部件和壳体产生振动而辐射噪声。机械噪声的特性与激发力特性、物体表面振动的速度、边界条件及振动模式有关。而噪声作为机械运行时发出的一种固有信号，噪声中必然携带着机械本身的结构信息和运行的状态信息。从理论上讲，完全可以用噪声信号来对发电机组的进行测量，但由于运行环境的复杂性以及声源的相互干扰性，在实际的测量中，应用噪声进行监测的效果并不那么理想。设备噪声的存在，不仅给柴油发电机的使用寿命带来不利影响，还在很大程度上给人们的身心健康和正常生活带来危害。这就要求必须对柴油发电机噪声予以高度的重视，设法将噪声降到最低。

一、柴油机噪声识别技术

 

      噪声和振动是评价柴油机的一个重要指标。作为发电机组系统中的动力部件，柴油机是主要噪声源和激振力，柴油机噪声和振动对整车的噪声特征有着决定性的影响。因此降低柴油机本身的振动和噪声就是降低整车噪声的主要措施。而进行噪声源识别是降噪研究的前提。通常柴油机的噪声识别方法包括对表面辐射噪声源的识别和内部激励噪声源的识别。识别柴油机表面辐射噪声源的方法有铅覆盖技术、声强测试技术、表面振动测量技术以及近年来出现的激光全息技术及信号处理技术等。

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，要求在消声室中进行测量，在覆盖时必须做到覆盖完全，即使部件表面有少量面积没有被覆盖，也会对测量结果产生显著影响。

2、表面声强测量法

       表面声强测量法是近年来应用比较多的方法，由于声强是矢量，一个部件在某一方向上的声强不受其它声源的影响，其测量简便快捷，但是声强测量设备价格昂贵，对测试技术的要求高，在一定程度上限制了该方法在工程实际中的广泛应用。

3、振动测量法

      振动测量法是根据柴油机的表面振动速度来估计表面辐射声功率，需要测量较多的数据和进行大量的计算，它的主要困难在于柴油机零部件辐射比的确定，需要有大量的试验资料数据作为基础。

4、激光全息技术

      激光全息技术是近年来在噪声识别领域中出现的新方法，它能够得到具有相当精度的声场辐射图谱，但由于这项技术费用昂贵.使得其在传统工业中的应用很困难。

5、信号处理技术

      信号处理技术是利用在噪声测量中所测录的声源信号时域值，再使用某种信号处理方法，按照声源信号时、频域的某种特性分解出主声源信号的方法。

      柴油机内部激励噪声源的识别主要是对燃烧噪声与机械噪声进行识别，其识别有多种方法，如倒拖法、应用相关技术分析法、喷油（点火）提前角试验法、气缸压力频谱计算法以及部分缸熄火法等，但是由于二者的关联性，要得到绝对准确的结果是很难的。同时针对机械噪声方面的活塞拍击噪声，齿轮噪声，曲轴振动噪声等的识别也逐渐成为研究热点。

      通过对柴油机进行单缸熄火，分离了燃烧噪声和机械噪声，解决降噪方向的问题。针对表面辐射问题，通过近场扫描来判断整机噪声分布情况，从而识别出各主要噪声源及辐射部件.为降噪做准备。采取降噪措施首先从内部激励开始进行改进，所以对供油提前角进行了合理的调整，降低内部激励力，然后针对扭振情况进行了扭振减振器的实验研究，降低了轴系扭振；在控制表面辐射噪声方面，主要对油底壳进行了结构改进，降低其辐射噪声。

 

二、柴油机的噪声源识别

 

1、机械噪声和燃烧噪声的分离

      设柴油机在某一工况下正常运转时的噪声声功率级为L_w，由n缸共同发出的功率为W_n，当柴油机中有1缸或m个缸发生熄火时，要保持原来的转速和其他各缸工作状态不变，就要使总的负荷发生变化。所以部分缸熄火就相当于工作的缸数减少，那么总的输出功率就会变小，相当于原来的Wn×（n-1）/n或W_n×（n-m）/n，这时柴油机所发出的噪声声功率级为L’w₁或L’w_m，这部分噪声包括机械噪声和着火燃烧各缸所激发出的燃烧噪声。所以断油熄火缸所激发出的燃烧噪声就可以通过总噪声和熄火后的噪声能量之差来求出，以第一缸为例。

      即：

      根据上式，求出单缸或m个缸的燃烧噪声后，其它缸的燃烧噪声就可以按此方法依次求出，最后通过各缸燃烧噪声加和求出总的燃烧噪声。

      这样燃烧噪声和机械噪声便通过部分缸熄火求得。在总噪声中，根据能量关系，燃烧噪声占42.1%，而机械噪声占57.8%，可见在中速中负荷的工作状态下，机械噪声要比燃烧噪声大，通过下面所进行的表面辐射噪声扫描也能看出来。

2、近场扫描噪声源识别

      在表面辐射噪声源识别技术中，比较成熟的是声强测量技术。但进行声强测量需要专业的声强测试设备，而且测试后的数据处理也比较繁琐。本次对柴油机表面噪声进行扫描测试的实验是在消声室中进行，可以采用声压代替声强进行表面辐射噪声的识别[2]。测试设备与进行整机声功率测量所用的设备相同。在距柴油机尽可能近的表面上对前、左、右和顶四个面进行扫描测试。测量时柴油机在额定工况下运转，用探头逐点从左至右，从下至上拾取柴油机表面的噪声信号，将所测量的数据存到其计算机硬盘里，然后用分析软件进行数据处理。通过测试和处理，各测量面的等声级图用2D软件绘制后示于图1、图2、图3、图4 中。

      从图中可以看出，在排气侧噪声最大的部位出现在油底壳部位，其中油底壳中间部位噪声级达到106.4dB（A），而在油底壳深裙部噪声级达到106.7dB（A），其它部位的噪声级与油底壳相比较小。缸盖罩由于暴露在侧面的面积较小，所以噪声不是很突出。

（1）在进气侧，最大噪声出现在油底壳辐射部位，其噪声声压级达到106.2dB（A），而其他部位的噪声，如机体，油泵及进气管等，要比油底壳噪声级小很多，不是主要噪声辐射部位。

（2）在前端，由于齿轮室罩属薄壁件，而且在曲轴自由端与皮带轮连接处存在空隙，导致齿轮啮合噪声很大。在噪声辐射最大处达到107.4dB（A），这里正是曲轴齿轮与惰轮啮合处。

（3）在柴油机顶面，缸盖罩同样属于薄壁件，其内部还有配气机构，所以辐射的噪声也较大。

      通过声压法对表面辐射噪声的识别可知，柴油机主要辐射噪声源是油底壳、缸盖罩和齿轮室罩，它们的声压值高出其它噪声源很多。而在三者之中，油底壳的表面积相对较大，在表面辐射噪声源中“贡献”最大，所以要对这些部件进行改进才能使得整机的噪声降低。

 

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
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、柴发噪声控制措施

 

（1）活塞敲击噪声的降低方法

① 减小活塞与汽缸壁的间隙。实践表明：当活塞与汽缸壁的间隙减小到0.05~0.10mm时，柴油发电机的噪声比正常间隙时降低3~5dB（A）。但采用这一方法时，必须采取防止拉缸的措施。

② 使活塞销孔向汽缸壁的主推力面偏移，一般取偏移量为（0.05~0.10）R（R为曲柄半径）。

③ 加长活塞裙部和减少活塞环数量。

④ 增加汽缸套的刚度。

⑤ 增加活塞敲击汽缸壁时的阻尼（如在裙部外表面增加润滑油的积存）。

（2）气门机构噪声的降低方法

① 适当减小气门间隙。

② 采用顶置凸轮。

③ 采用液力挺柱或气门液力驱动以消除气门间隙。

④ 采用新型函数凸轮轮廓线以及对缓冲过渡曲线合理设计，使气门升起和落座时的速度控制在较低值，以有效地抑制气门的跳动。

（3）正时齿轮噪声的降低方法

       正时齿轮一般都采用斜齿，由于其重叠系数较大，齿轮上分担的负荷较小，故较直齿噪声大为降低。有些柴油发电机采用夹布胶木作凸轮轴正时齿轮，也可有效地减小齿轮噪声。

（4）机械振动及噪声的降低方法出

      由于对柴油发电机运转可靠性、耐久性的考虑，要通过各种平衡措施力求使这些惯性力和惯性力矩尽可能地被减小乃至完全消除。曲轴轴系扭转振动引起的柴油发电机机体及其支承的附加振动、激发出的噪声，一般在柴油柴油机总体设计规划时就应给予考虑。

2、噪声源的控制

      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。控制噪声源的振动是最根本的办法。一般措施包括：

（1）降低激励，如减小冲击力、对旋转质量作动平衡。

（2）在发电机组安装和零部件装配时进行正确的校准和对中。

（3）保证相对运动件结合面的良好润滑并降低结合面的表面粗糙度。

（4）电气部件间的电磁力平衡。

（5）采取减振和隔振措施，以降低辐射噪声的构件对激励力的响应，如改变构件的固有频率，增大振动件或整个机械系统的阻尼等。

 

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、噪声传播的控制

      使噪声在传播途中衰减，以减少传递到接收部分的能量。一般措施包括：

（1）对噪声源采用隔声罩；在噪声源与接收部分之间设置隔声障壁。

（2）在发电机房的四壁、顶板上加附吸声材料，在空间装设吸声板。

（3）针对某些发电机组安装消声器。

（4）合理选择新建厂厂址、合理布置发电机房建筑物等。

4、噪声接收部分的控制

      当柴油发电机在额定转速1500RPM情况下，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。

      噪声控制的根本目的在于对人体健康的保护。当控制噪声源和噪声传播不能满足要求时，长期处在90～100dB（A）噪声环境中工作或在高至115dB（A）强噪声环境中从事短期工作的操作者，可使用耳塞、耳罩和头盔等个人防护装置。此外，根据声波干涉原理用“反噪声”控制噪声的反噪声技术已开始试验研究，为噪声控制开辟了又一途径。

 

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、柴发噪声测量方法

 

      噪声常以分贝（dB）表示的 A声级或声功率级作为评价标准，对不同的发电机组规定有相应的测量方法和容许标准。常用测量仪器有声级计、声功率计、频率分析仪和记录、显示仪器等。

（1）声级计分为普通和精密两种，噪声测量常规定用精密的声级计。一般精密声级计只适用于测量稳态的或非稳态的连续噪声，对脉冲噪声则应当用精密脉冲声级计测量。  

（2）频率分析仪完成对噪声的频谱分析，是分析噪声源的基本仪器，常用的有倍频程和1/3倍频程分析仪。需要进行较详细的频谱分析时可用窄恒定带宽的频率分析仪。

（3）记录仪能自动记录噪声信号的时间历程或频谱，如电平记录仪。显示仪一般为示波器，用以观察噪声的波形。

（4）为便于现场测量，常使用录音机或磁带记录仪，录下噪声信号后带回室内分析。

（5）对于复杂噪声的测量分析，如随机噪声或周期性与随机性混杂在一起的噪声，则可将录下的噪声信号输入数据处理机，进行相关分析、谱密度分析等。

（5）自从声强计出现后，噪声的评价标准有以声强级或声功率级取代A声级的趋势。

 

总结：

      综上所述，可以看出柴油机噪声检测标准有很多种分类，国家也有相应的检测标准和流程，特别是在日常生活中我们在使用柴油发电机组进行生产的时候，要从源头控制噪声源，减少冲击力，设置噪声缓冲区等措施，把柴油发电机组噪声控制在一个合理的范围内，通常的检测工具频率分析仪完成对噪声的频谱分析。因此，利用有限元法和边界元法联合求解的数值方法，能够基本预测出柴油机结构噪声特性。此外，通过柴油机的声谱分析，可得到柴油机表面具有代表性节点的辐射声压级频谱，从频谱图中可以看出柴油机各部位表面声压级的分布情况。并建立半消声室模型，进行辐射噪声计算，得到柴油机表面辐射声功率谱，确定对辐射噪声贡献较大的频率，并通过柴油机表面和声场的声压级云图，预测出柴油机辐射噪声较大部位。

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