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柴油发动机消声器噪声试验标准与步骤 |
摘要：柴油发电机组排气系统的噪声来源于排气管、消声器、管道吊架及附件共同构成的整体，其原因是在发动机燃烧过程中产生的高温高压气体经排气管高速排放至大气，由此引发振动与噪声。针对这一问题，康明斯公司依照ISO3745标准，对排气管消声器的噪声等级进行测量。通过分析声压级数据，可评估消声器对噪声的实际控制效果，并据此验证消声器与柴油发动机匹配设计的科学性与有效性。
一、消声器试验的引用标准
柴油发动机排气消声器的试验项目涵盖台架试验、密封性试验、耐压强度试验、内压耐久性试验、振动试验、功率损失试验、噪声试验、排气背压测量及插入损失试验等，都应尽量符合以下所列标准。
1、通用方法与指南
这类标准适用于多种类型的消声器，规定了通用的测量方法和选用原则。
（1）GB/T 4760-1995《声学消声器测量方法》：这是消声器测量领域最基础的方法标准，规定了实验室和现场测量消声器插入损失、气流噪声声功率级和压力损失的方法，主要适用于以阻性为主的管道消声器。
（2）GB/T 19512-2004《声学消声器现场测量》：该标准专注于消声器在实际应用现场的测量方法，用于声学分析、验收试验和评价。
（3）GB/T 20431-2006《声学消声器噪声控制指南》：这是一份指导性标准，为在气体介质噪声控制中选择消声器提供实际指导。
（3）GB/T 25516-2010《声学管道消声器和风道末端单元的实验室测量方法插入损失、气流噪声和全压损失》：这是管道消声器最核心的实验室测量标准，规定了在有/无气流下测量插入损失、气流再生噪声声功率级和全压损失的方法。
2、实验室简易与专用测试方法
这类标准针对特定测试条件或特定部件，提供简化的或专用的测试方案。
（1）GB/T 16405-1996《声学管道消声器无气流状态下插入损失测量实验室简易法》：提供了一种更经济的实验室替代测量方法，专门用于确定管道消声器在无气流状态下的插入损失。
（2）GB/T 36079-2018《声学单元并排式阻性消声器传声损失、气流再生噪声和全压损失系数的测定等效法》：专门针对“单元并排式阻性消声器”这一特定类型，规定了测定其传声损失、气流再生噪声和全压损失系数的等效方法。
（3）GB/T 33928-2017《往复式内燃机排气消声器测量方法声压法排气噪声声功率级和插入损失及功率损失比》：专用于往复式内燃机排气消声器，规定了使用声压法测量其排气噪声声功率级、插入损失和功率损失比的方法。
3、内燃机专用技术条件
这类标准聚焦于特定动力的排气消声器技术要求。
（1）GB/T 4759-2009《内燃机排气消声器测量方法》：规定了内燃机排气消声器的测量方法，是内燃机消声器性能检测的依据。
（2）GB/T 24658-2009《拖拉机排气消声器技术条件》：专门针对拖拉机用的排气消声器，规定了其技术要求、试验方法和检验规则等。
（3）JB/T 5081-2008《中小功率柴油机排气消声器》：行业标准，针对中小功率柴油机排气消声器，规定了其技术要求、试验方法和检验规则。
4、环保与行业专用产品技术条件
这部分标准来自环保（HJ）和机械（JB）行业，针对特定领域或应用的消声器产品，规定了具体的技术要求和性能指标。
（1）HJ 2523-2012《环境保护产品技术要求通风消声器》：替代或更新了HJ/T 16-1996，规定了作为环保产品的通风消声器的技术要求。
（2）HJ/T 382-2007《环境保护产品技术要求高压气体排放小孔消声器》：专门针对高压气体排放时使用的小孔消声器的技术要求。
（3）HJ/T 383-2007《环境保护产品技术要求汽车发动机排气消声器》：针对汽车发动机排气消声器的环保产品技术要求。
（4）JB/T 12705-2016《气动消声器》：适用于气动系统（如气缸、气阀排气口）使用的消声器。
（5）JB/T 11470-2013《低速汽车排气消声器技术条件》：针对低速汽车（如三轮汽车、低速货车）排气消声器的技术条件。
（6）JB/T 4364-2014《风机配套消声器性能试验方法》：专门针对风机配套用消声器的性能试验方法。
二、消声器检测种类
1、抗性消声器检测分析
抗性消声器也称为反应消声器，是一种由声学阻抗组件组成的消声器，结构如图1所示。声阻元件类似于AC电路中的电抗元件的电容或电感。它是抵消声压变化和声音振动速度变化的一个组成部分。它们不消耗声能，但可以存储和反射声能。阻尼消声器的特点是：它不使用吸音材料，而是将管段连接到管道上的截面或旁通腔的突然变化，并利用声阻抗不匹配来产生某些声波。频率出现在声阻抗突然的界面处。反射，干扰等，达到降噪的目的。耐低温消声器对低IF范围内的噪声具有良好的消声效果，其检测类型主要包括扩张室式消声器， 共振腔式消声器，微穿孔板式消声器和干涉型消声器。
2、阻性消声器检测分析
阻性消声器也称为吸收消声器，是利用吸声材料的吸音使沿着通道传播的噪声被吸收并逐渐衰减的装置，结构如图2所示。吸声材料固定在空气流过的管道的周壁上，或者以某种方式设置在通道中以形成电阻消声器。噪声消除的原理是：当声波进入消声器时，它会在电阻消声器中的多孔材料中引起空气和纤维振动。由于摩擦阻力和粘性阻力，一部分声能被转换成热能并且丢失，并且声音被消除。电阻消声器对中高频范围的噪声具有良好的消声效果，应用范围广。其检测类型包括直管消声器，芯片消声器，蜂窝消声器，折叠板消声器，声流消声器，弯管消声器和迷宫消声器。
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图1 柴油机抗性消声器结构 |
图2 柴油机阻性消声器结构 |
3、阻抗复合型消声器检测分析
阻抗复合消声器，它是电阻消声器与阻力消声部分组合而成的一部分，结构如图3所示。通常，复合消音器的电阻在前面，电阻在后面，即首先消除低频声音，然后消除高频声音。总消声量可以视为两者的总和。然而，由于声波传播期间的反射，衍射，折射和干涉的特性，降噪量不是简单的叠加关系。阻抗复合消声器结合了电阻和电阻消声器的特性，可在低，中，高频率范围内实现更好的噪声消除。
消声器特性试验可采用ANSYS CFX流场分析的排气背压作为声学分析的声源。将CFD网格上背压数据与声学网格建立对应关系，其数据传递具体流程如图4所示。观察其能确保计算精度的最小计算频率是否大于等于3 600 Hz，是则进行计算，否则重新调整。
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图3 柴油机阻抗复合型消声器结构 |
图4 柴油机消声器消音器特性试验框图 |
三、消声器噪声试验步骤
在进行振动噪声测量前，需要根据实际情况制定测试方案。一般来说，噪声测量一般需要在不同的载荷条件下进行，以模拟不同的带载运行情况。
1、试验装置
在试验测量中，柴油发动机应按照GB/T6072.1-2000中规定的标准工况，即在标定功率和相应的转速下稳定运转。油温、水温达到适宜值时进行测量，测量未加消声器的排气噪声时应加装和消声器长度相同，管径和排气管相同的空管。测点要求布置与在排气口气流轴向成45°角、距离为0.5米处，声级计指向排气口。为保证测量时声场分布情况不变，四周应为宽阔场地，保证测点附近符合自由声场的条件。
DASP是INV303/306多功能采集处理系统的一个主要软件包。它基本具备以下功能：
（1）记忆示波器；
（2）磁带记录器（十六通道到三十二通道）；
（3）静动态数据记录处理机，各种数字电压表，频率计：
（4）各种波谱分析功能：时域、幅域、频域、概率、相关、互谱、传递、相干、谱阵、滤波等；
（5）模态分析和结构动力学修改，结构灵敏度分析，结构动力有限元分析等；
（6）故障诊断和状态的在线检测功能；
（7）各种信号处理、噪声分析、应力应变分析、地震和天然脉动记录分析及生物医学分析等；
（8）大容量长时间数据的采集、记录与大容量数据的分析。
2、试验用消声器
试验用消声器为康明斯柴油发动机配套的消声器，由GB1495-2002可知，其A声级允许加速噪声限值为83dB，根据噪声评价曲线NR数与A声级允许加速噪声限值以及近场噪声限值的关系换算得到噪声限值。先根据柴油发动机类型选定消声器结构，再设定各优化参数初始值和计算范围：穿孔管的穿孔率p的初始值为0.2，计算上下限为0.2～0.4，穿孔板的孔数n的初始值为280，计算上下限为280～560。然后用优化软件计算得到各优化参数的最优值：穿孔管的穿孔率为0.32，穿孔板的孔数约为370个。
实际测量的频率范围是31.5-8000Hz，记录了倍频程中心频率处的声级。测量的转速为1500转/分钟、1800转/分钟。试验分别测量了安装空管和安装消声器时管口处的声级。
四、试验数据处理与分析
以康明斯发动机在额定1500转/分钟和1800转/分钟工况下试验测得的未安装消声器和安装消声器时的噪声谱以及其与噪声限值的比较。
从图5、图6可以看出，在两种转速下安装了优化的消声器后的排气噪声声压级基本都在噪声限值以下，说明此软件有较高的精度，因此在实际运用中，可以利用优化软件计算结果来指导消声器与柴油发动机的匹配。当柴油发动机转速较高时，其排气噪声声压级有时会超过噪声限值，说明此软件有一定的误差。产生误差的原因主要有以下几点：
1、气体流动对消声性能的影响
在柴油发动机排气口辐射的噪声可以分为以下几类：
（1）排气门开启、落座时机械振动产生的噪声；
（2）气缸燃烧压力波动所产生的噪声；
（3）排气流在排气系统内部的不稳定流动产生的空气动力性噪声；
（4）排气流在排气口附近的紊流扩散产生的空气动力性噪声；
有关研究表明，前两项的影响所占的比重比较小，排气噪声是一种空气动力性噪声，其中在排气门附近由于剧烈的排气而产生的空气动力性噪声是主要部分，这也就是作为消声器入口处的声源的主要组成部分。
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柴油机排气噪声倍频程频谱（1500转） |
柴油机排气噪声倍频程频谱（1800转） |
当柴油发动机排出的高速进入消声器时，脉动气流不仅能产生噪声，而且气流与声波之间还能产生干涉作用，这显然会对消声器的消声效果产生较大的影响。
消声器中由于气体不稳定流动产生的噪声，一部分是由于气流在消声器中遇到截面突变、穿孔元件以及和管道壁面产生摩擦时产生涡流并激发出噪声。这种噪声的声功率和气流速度的六次方成正比，因此当气流速度较高时，将会产生很强的再生噪声。另一部分是当速度高到一定程度时产生的喷气噪声，其声功率和气流速度的八次方成正比。这些再生噪声属于中高频，抗性消声器对它们的消声效果不明显，从而使消声器在中高频范围的消声效果变差。
本文只考虑了平均流动速度的影响，显然和实际存在的脉动气流之间有着差距，另外，对于平均气流速度的考虑也主要表现在对声速及其传播特性的影响方面，而不是气流速度和再生噪声之间的关系方面。所以，试验结果和理想值在中高频段上出现了一定的差距。
高速脉动气流在消声器中还会冲击管道、壳体、隔声板等，从而激发振动产生固体辐射噪声。气流速度的变化还会影响尾管辐射声阻抗的变化。气流在尾管处还会由于素流扩散而产生空气动力性噪声。
由此可见，气流的存在对消声器的消声性能有着较大的影响，这也是前面计算和试验之间误差的主要原因。
2、平面波假设的影响
传递矩阵法作为一维近似理论，在频率较低且管道截面变化较小时成立。在遇到扩张室等截面较大的情形时，平面波的假设不再成立。在实际的消声器中，扩张室的形状不规则，室内声场分布复杂，这时声的传播已不是平面波的传播，这也是利用传递矩阵法进行性能计算和优化设计时产生误差的主要原因之一。
3、试验环境的影响
在测量过程中，测功机的噪声不能完全屏蔽，它会影响到测量结果。由于柴油发动机其他类型噪声的存在（例如表面辐射噪声），使得记录的结果不仅仅是排气噪声。这两点使得试验结果产生了误差。
4、其他因素的影响
在消声器中存在着复杂的传热现象，因此，将其视为等嫡过程或认为是线性温度梯度显然和实际情况有出入。此外，参数优化模型和优化计算的精度也与误差有一定的关系。
在进行噪声测量时，需要将测试发动机启动，让其处于相应的转速状态下，同时对振动和噪声进行测量。一般来说，需要进行多次测量，并对测量结果进行平均处理，以得到最终的测试结果。
总结：
本文章借助优化设计软件，计算出柴油发电机组配套消声器关键参数的优化值，并通过试验结果验证了声学设计模型的正确性。试验结果表明，安装优化消声器后，排气噪声声压级基本控制在限值以内，证明该消声器优化设计所采用的声学模型合理有效。在实际应用中，该优化软件对消声器与柴油发动机的匹配设计具有一定的参考价值。康明斯公司希望通过上述分析与测试结果，全面展示排气管消声器的性能，以便您充分了解产品的优势与适用性。
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