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新闻主题	柴油发电机组噪声源的结构分析与控制方法

 

摘要：柴油发电机组运行时的噪声是主要的工业污染源之一。它的噪声很复杂，因为机组本身振动大、零件多，声音频率范围也宽，但通常分为空气动力噪声和结构辐射噪声两类。由于发电机组发声的部位很多，治理的关键是先通过频谱分析等方法，找准最主要的柴油机噪声源，才能有针对性地采取降噪措施。本文通过对康明斯某款柴油机的噪声频率特征进行识别，从而来确定振动和噪声的控制重点。

 

一、噪声源组成与分析

 

      空气动力噪声和结构辐射噪声是柴油发电机组最核心的两大类噪声来源。空气动力噪声用“消”，在管路和风口上做文章；而结构辐射噪声用“隔”和“减”，在机体表面和连接处下功夫。两者叠加，才是完整的柴油发电机组噪声全貌。

1、空气动力噪声

（1）排气噪声：高温高压废气周期性排放，形成脉动气流。其频谱通常是中低频为主，穿透力极强，是发电机房外远场噪声的主要贡献者。

（2）进气噪声：空气被吸入时的高速流动，特别是涡轮增压器叶轮旋转产生的高频“啸叫”。

（3）散热风扇噪声：风扇叶片切割空气产生的旋转噪声，以及气流涡流脱落的涡流噪声，多见于发电机房进风风道区域。

2、结构辐射噪声

      机械噪声与燃烧噪声这两者常常耦合在一起，所以统称为结构辐射噪声。

（1）机械噪声：主要是活塞侧向敲击缸壁、气门撞击、齿轮啮合产生的宽频带冲击噪声。它的强弱与机件的加工精度、磨损状态密切相关。

（2）燃烧噪声：这是柴油机特有的噪声。柴油滞燃期越长，一旦着火，压力升高率就越大，机体振动就越剧烈。这种噪声的频率集中在中低频，降低隔声量对其治理效果非常关键。

3、噪声分析

      由于空气动力噪声是生活中常遇到噪声现象，不再赘述，本文着重分析结构辐射噪声问题。其中，柴油机表面具有代表性节点的辐射声压级频谱，以某款康明斯机型为例，从图1、图2中可以看出柴油机各部位表面声压级各频率下的分布情况。

（1）柴油机表面声压级最高的部位为油底壳。尤其是油底壳的后侧板和后底板，其表面声压级高达120dB 左右，其中后侧板声压级的峰值为450Hz和1250Hz两个频率； 后底板声压级的峰值出现在350Hz和1250Hz两个频率。油底壳前底板由于具有加强筋结构，因此其表面声压级比后底板小5dB左右。从图1中还可以看出，相比之下油底壳左侧板大于右侧板的表面声压级。

（2）从图2中看出，机体的前裙部在低频时表面声压级要大于后裙部，而在高频时表面声压级要小于后裙部。这是因为后裙部的刚度要大于前裙部，其主要共振频率比较高。缸盖的声辐射能量主要集中在1000Hz以下，其表面声压级也较大，在115dB 左右，因此，这个区域是控制缸盖辐射噪声的主要频段。

 

图1 油底壳的后侧板和后底板表面节点声压级频谱.

图2 机体的裙部表面节点声压级频谱

 

（3）声功率计算分析：

      通过对柴油机的辐射噪声计算，得到了柴油机表面辐射声功率谱和声场的辐射声功率谱，如图3所示。根据该频谱可以得到柴油机表面总的声功率级为118. 4dB，声场的总声功率级为107. 5dB。从柴油机表面辐射声功率谱上看，在350Hz、850Hz和1250Hz时辐射噪声出现峰值。从声场的辐射声功率谱上看，在300Hz、600Hz、850Hz和1250Hz时出现峰值。这确定了对辐射噪声贡献较大的频率，指出了改进设计的方向。

 

图3 柴油机表面和声场的辐射声功率频谱

二、噪声治理和控制措施

 

      柴油发电机组的噪声治理是一个系统工程，通常从源头控制、传播路径阻断和接收点防护三个环节入手。其意义在于履行环保法规义务、保障人员健康与设备寿命，并兼顾经济效益与社会责任。

1、排烟噪声控制措施

      排烟噪声是发动机空气动力噪声的主要部分。其噪声一般要比发动机整机高10～15dB（A），是首先要进行降噪控制的部分。

（1）加装消声器：

      消声器是控制排烟噪声的一种基本方法，正确选配消声器（或消声器组合）可使排烟噪声减弱30～40dB（A）以上。根据消声原理，消声器结构可分为阻性消声器和抗性消声器两大类：

① 阻性消声器（也称为工业型消声器）：利用多孔吸声材料，以一定方式布置在管道内，当气流通过阻性消声器时，声波便引起吸声材料孔隙中的空气和细小纤维的震动。由于摩擦和黏滞阻力，声能变为热能而吸收，从而起到消声作用。一般可降噪10～15dB（A），阻性消声器如图4（a）所示。 

② 抗性消声器（也称为住宅型消声器）：利用不同形状的管道和共震腔进行适当的组合， 借助于管道截面和形状的变化而引起的声阻抗不匹配所产生的反射和干涉作用，达到衰减噪声的目的。其消声效果与管道形状、尺寸和结构有关。适用于窄带噪声和低、中频噪声的消减。一般可降噪约25～30dB（A），抗性消声器如图4（b）所示。

注意：柴油机排烟消音器与其它消音器工况原理不一样，柴油机排烟压力低，但是排烟温度高，吸音材质选择应该注意，吸音填料不能使用超细玻璃岩棉，实践证明超细玻璃岩棉在高温情况下使用，最容易发生热粉，时间长了就会失去吸音功能。

（2）加装尾气净化装置：可采用第三代干式黑烟净化器（DPF颗粒捕集器），原理如图5所示。虽然它的主要功能是净化，但由于其内部多组金属滤芯和复杂的箱体结构，在气流通过时客观上也能起到10-15分贝的降噪效果。因此，它既是净化设备，也是消音系统中的一个有效补充。

 

图4  柴油发电机阻性和抗性消声器.

图5    柴油发电机组尾气净化装置

 

2、机械噪声和燃烧噪声的控制措施

      机械噪声主要是发动机各运动零部件在运转过程中受气体压力和运动惯性力的周期变化所引起的震动或相互冲击而产生的，传播远、衰减小，一旦形成很难隔绝。燃烧噪声是燃烧过程产生的结构震动和噪声，其中、高频段的气缸压力级易于传出。控制机械噪声和燃烧噪声的有效办法如下：

（1）对发电机组进行隔震处理：发电机组的隔震一般采用高效减震胶垫，发电机组的机座下部安装有高效减震装置，吸收发电机组90％以上的震动动能。现在这一部分技术已经非常成熟。经过隔震处理，发电机组表面的震动被有效隔断。

（2）在噪声的传播通道上进行降噪处理：减少声源对外的辐射，对于噪声指标控制特别严格的机房还要在内墙和天花板粘贴高效吸音材料，使噪声源在传出机房前已被有效衰减以提高机房的降噪效果。

3、冷却风扇和排风噪声的控制措施

      冷却风扇和排风通道连接，直接与外界相通，排风通道空气流速很大，气流噪声、风扇噪声和机械噪声经此通道辐射出去。其控制措施主要是设计一个排风吸音通道，这个吸音通道可由导风槽和排风降噪箱组成。

（1）可通过更换吸音材料（改变材料的吸音系数），改变吸音材料的厚度、排风通道的长度、宽度等参数来提高吸音效果。

（2）在设计排风吸音通道时，要特别注意排风口的有效面积必须满足发电机组散热的需要，以免排风口风阻增大而致排风噪声增大和发电机组高水温停机。

4、进风噪声的控制措施

      进气系统包括发电机组的进风通道和发动机的进气系统。为了保证发电机组的正常运行，在发电机组的结构中，应考虑机房内的散热以及新鲜空气的补充。要求发电机组中应有一定的通风，根据机房实际结构，选择发电机组最佳布置位置和进风口的布置形式。

（1）由于柴油发电机组一般都配置有空气滤清器，其本身就具有一定的消声作用。考虑到进气噪声相对较低，故对发动机的进气系统一般不做另外处理。

（2）对发电机组的进风通道，主要是设计一个良好的进风吸音通道，选用合适的进风降噪箱。进风通道采用与排风吸音通道相同的降噪方法。

（3）另外，进、排风道也可增设隔音墙，可明显地提高降噪效果。

5、墙面和门窗的隔声措施

      发电机房的墙面和门窗隔声，是切断噪声向外传播的关键。核心思路是把机房变成一个密闭的“隔声罩”，同时通过吸声处理，减少内部声音的反复反射。两种不同降噪方案可参考图6、图7所示。

（1）墙面：普通砖墙或轻质墙体隔声量往往不足。墙面隔声改造的重点在于增加墙体面密度，并做好吸声与密封材料的布置。

（2）门窗：门窗是墙面上最薄弱的环节，所以需要专门采用隔声门窗。观察窗通常保留，但必须采用隔声设计，满足巡检观察需求。

 

图6 柴油发电机机房标准降噪方案示意图1

图7  柴油发电机机房标准降噪方案示意图2

 

三、噪声控制的目的和意义

 

      柴油发电机组噪声控制的目的和意义本质上是一体两面的关系，目的是解决具体的技术与法规问题，而意义则是这些目的达成后带来的长远价值。

1、噪声控制的三大目的

（1）达标排放：这是所有治理工作的首要目标。国家《声环境质量标准》等法规对工业、商业及居民区的噪声有明确限值（如昼间不超55-60分贝）。控制噪声的根本目的，就是确保发电机组运行时的厂界噪声符合当地标准，避免因超标而面临投诉、罚款甚至停运等行政处罚。

（2）保护现场人员听力与安全：机房内未经处理的噪声常高达100-110分贝，远超安全阈值。目的是将操作位噪声降至可承受范围（如85分贝以下），保护运维人员的听力健康，防止因长期处于高噪环境引发的疲劳、注意力分散等安全隐患。

（3）保障发电机组自身散热与功率：降噪措施（如隔声罩、进排风消声器）在阻断声音的同时，必须保证发电机组燃烧和散热所需的充足气流。目的是在降噪与散热间取得平衡，确保机房温升控制在10-15℃以内，发电机组因降噪导致的功率损失不超过额定功率的5%，避免“降了噪声、坏了机器”的技术失误。

2、噪声控制带来的多维意义

（1）法律合规与经营安全：达标排放不仅是规避风险，更是确保企业正常生产、项目顺利验收的“通行证”。对数据中心、医院等关键设施而言，这也是保障备电系统合规运行、服务不中断的前提。

（2）员工福祉与人文关怀：将降噪视为对员工健康的必要投资，能有效降低职业病风险，提升工作舒适度和团队稳定性，体现企业的责任担当。

（3）社区和谐与品牌形象：发电机组运行对周边居民的影响是衡量企业社会责任感的一把尺子。主动降噪能有效化解邻里矛盾，维护良好的社区关系和企业声誉，避免因“噪声扰民”带来的负面舆论。

（4）设备长期可靠运行：合理的降噪设计会一并处理发电机组的振动问题。通过安装隔振器，能减轻机械振动对发电机组底座、连接管路和地坪的损害，降低故障率，延长设备使用寿命，其长期收益远超降噪工程的初期投入。

 

总结：

在了解上述柴油发电机组噪声源和降噪方案的设计原则后，就可以针对发电机组的各噪声源制定出相应治理措施。从噪声的频谱分析可分为低、中、高频三种，处理的办法是将其噪声进行隔断、衰减，以达到在发电机房外噪声能符合相应的要求。为了降低发电机组运行时对环境和操作者的影响，首先应对发电机组运行排烟的噪声源采取降噪措施，同时对机房的建筑设计应有必要的吸声、隔声措施。当然，要根据相应环境的噪声标准来降低发电机组的噪声，无须要求过高，避免由此会引起不必要的过高花费。

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