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柴油发电机组隔音罩构成和设计的注意事项 |
摘要：隔音罩是声学降噪中最常用的措施方案，又称静音箱、预制式集装箱电站等。静音箱式柴油发电机组的结构按功能划分，主要包括吸隔声模块，消声通风散热系统，隔声门，隔声窗以及主体承重框架等。通常视柴油发电机组在现场实际使用的需要和用户的要求有所增减，比如可增加浮筑减振地板，尾气净化装置，移动拖车以及消防装置等配置。制作方法是采用消声 、 隔振 、 吸声和隔声相结合的综合方案 , 控制和减小柴油发电机的噪声 , 使柴油发电机组隔音罩达到降噪静音的目的 。 本文通过分析柴油发电机组的各类噪声声源产生原理 , 提出消减噪声的措施 , 从而对静音箱的结构方案进行探讨并优化。
一、静音机组噪声分析
柴油发电机组可以作为主用电源、备用电源或应急电源，广泛应用于现代社会的诸多领域。但是柴油发电机组在工作时产生的噪声非常大（90 dB（A）~120 dB（A），离机组1 m处），直接影响了人们的工作和生活，迫切需要噪声小的发电机组，为此静音型柴油发电机组应运而生。静音型柴油发电机组就是将机组安置于隔音罩内，通过隔声、吸声、消声、隔振等技术措施有效地阻止或减弱噪声向外传播，将噪声源的噪声控制在箱体内部，从而降低其对外界的影响。隔音罩同时具备防雨、降噪功能，因而其结构设计非常关键，本文对柴油发电机组隔音罩的消音降噪结构方案进行分析探讨。
为有效控制机组的噪声，首先分析机组噪声的产生及其分布，以便有针对性地采用噪声控制技术。柴油发电机组主要由发动机、发电机、散热水箱、公共底座等部件组成，从噪声产生的原因和部位上来分，发电机组噪声主要是由排气噪声、机械噪声、燃烧噪声、冷却风扇和排风噪声和进风噪声、发电机噪声等6类噪声源汇集而成的综合声源。
普通柴油发电机组运行时，在距离机组1 m处的噪声平均值在120dB（A）左右，根据其传播路径（或噪声控制区域）可归纳为以下三种噪声：排气噪声、排风噪声和进气噪声。消减噪声的措施也相应地分为排气降噪、排风降噪和进气降噪。柴油发电机组噪声控制区域如图1所示，在不带隔音罩之前的设备安装示意图如图2所示。
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图1 柴油发电机组隔音罩噪声控制区域 |
图2 柴油发电机组的安装示意图（不带隔音罩） |
二、静音机组的方案设计
静音机组的总体结构设计需要考虑如下几个方面：
1、框架结构设计
隔音罩需要根据发电机组的尺寸和性能要求而设计相对密闭的具有防雨和降噪功能的箱体，其框架结构一般根据发电机组外形尺寸、机组功率、降噪要求和使用环境要求决定，常见的结构形式有标准集装箱式和折板式。集装箱式隔音罩结构常采用标准集装箱改造成隔音罩安装发电机组，辅助隔声降噪措施，其结构形式如图3所示。折板式隔音罩依据柴油发电机组的外形结构采用钢板制作的隔声箱体（罩壳），辅助隔声降噪措施，并安装隔声检修门以及隔声观察窗，其结构形式如图4所示。需根据技术性、经济性合理选择隔音罩框架结构，比如功率较大机组或者需要船运的项目或者需出口的项目，优先选用集装箱结构；要求空间小或成本低的项目，可以选择折板式结构。
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图3 集装箱式柴发机组静音箱结构 |
图4 折板式柴发机组静音箱结构 |
2、通风散热设计
柴油发动机消耗的燃油有部分热量损耗辐射到周围的空气中，提高了隔音罩内的温度，影响了发电机组的性能。隔音罩结构设计时应按发电机组燃烧和散热需要的风量计算通风所需的进风、排风截面面积，保证箱体内足够的通风量，并且通过合理布置进、排风口的位置使发电机组得到最好的冷却效果，特殊情况可考虑强制送风。
3、隔声和吸声计算及设计
利用隔声构件（墙体、门窗等）将噪声源和接受者隔开，在噪声的传播路径上降低噪声污染的技术称为隔声技术。通常采用的设置声屏障、隔音罩、隔声间等声学措施就属于隔声技术，其可降低噪声20dB（A）~50dB（A）。
当声波入射到两种媒质的分界面时将会发生反射、透射现象，不同的材料对声波的透射效果不同，透射能力越小，隔声量越大，隔声性能越好。物体的隔声量R与构件的面密度m（kg/m2）和声波激发频率f（Hz）的关系为:
R=20lgm+20lgf-42.5..............（公式1）
由公式（1）可知，对于某一固定频率，构件的隔声量是随着面密度的增加而增加的，因此箱体壁板设计时应尽量选择面密度相对较大的材料。实际工程应用时，常以平均隔声量计算壁板的隔声量，把隔声量按主要的入射声频率（100 Hz～3200 Hz）求平均，用平均隔声量R表示，其计算公式为：
R=13.5lgm+14 m≤200
R=16lgm+8 m>200..............（公式2）
由公式（2）可知，平均隔声量与面密度紧密相关，而根据实际隔声量的需求可大致确定壁板的材料和厚度。
在进行隔声处理的同时，大量的声波被反射回箱体内部，从而降低壁板的隔声效果。因此在进行隔声处理的同时还要在壁板内侧贴附吸声材料，从而对内部噪声进行吸声处理，有效降低总体噪声级。
声波在传播过程中遇到各种固体材料时，一部分声能被反射，一部分声能进入到材料内部被吸收，还有很少一部分声能透射到另一侧。通常将入射声能E；和反射声能E，的差值与入射声E；之比值称为吸声系数，记为α，即：
α=（Ei-Er）/Ei..............（公式3）
吸声系数α的取值在0~1之间，α在0.2以上的材料被称为吸声材料，α在0.5以上的材料就是理想的吸声材料。吸声系数α的值与入射声波的频率有关，同一材料不同频率的声波其吸声系数有不同的值；不同材料的吸声系数不同，其吸声效果也不同。箱体吸声降噪量ΔLp计算公式为：
ΔLp=10lg（ā1/ā2）..............（公式4）
其中：ā₁、ā₂分别为箱体表面经处理前、后的平均吸声系数。
箱体内表面的平均吸声系数计算公式为：
ā=ΣαiSi..............（公式5）
其中：Si为第i个表面的面积，m²；S为箱体内表面面积的总和，m²。
如现场条件比较复杂，平均吸声系数a难以准确计算时，可以利用吸声系数与混响时间即衰减60 dB所需要的时间Tso计算，其关系为：
T60=0.161V/S•ā..............（公式6）
其中：V为箱体容积，m³。
则公式（4）可简化为：
ΔLp=10lg（T1/T2）..............（公式7）
其中：T₁、T₂分别为吸声处理前、后的混响时间。
在吸声降噪过程中，常采用多孔吸声材料（如矿棉或硅酸铝棉等）、薄板共振吸声结构、穿孔板共振吸声结构和微穿孔板共振吸声结构等技术来实现减噪的目的。发电机组用隔音罩常采用穿孔板结合吸声材料的复合结构，如图5所示。对门进行加厚和密封处理，对观察窗采用双层玻璃结构并进行密封处理，最大限度地密封了噪声，有效地解决了噪声从门、窗和空隙中传出的问题，同时逃生门锁还需要具备内部开启功能。
4、进、排风口噪声处理
为保证发动机正常工作以及给机组本身创造良好的散热条件，机组的进风通道必须能够使进风顺畅地进入隔音罩，进风量必须大于机组的空气消耗量与排风量之和，但同时机组的机械噪声、气流噪声也会通过这个进风通道辐射到隔音罩外面。
发电机组风扇噪声是由旋转噪声和涡流噪声组成的，旋转噪声由风扇的叶片切割空气流产生周期性扰动而产生；涡流噪声是由于风扇运动导致的周围空气发生涡流脱体，使空气发生扰动，形成气体的压缩与稀疏过程而形成的，是一个宽频噪声。发电机组的排风噪声、气流噪声、风扇噪声、机械噪声等也都是通过排风通道辐射出去的。
由于隔音罩箱体采取自然进风（特殊情况采用强制送风）和强制排风，因此按照区域划分为进气噪声区和排风噪声区。为防止噪声从进、排风风道向外传播，进、排风风口均必须安装消声系统，其结构如图6所示。根据发动机风扇排风量和空气燃烧量，可以计算进、排风风量并设计进风、排风消声通道，即设计折板式阻性消声器，起到进风、排风消声作用。折板式阻性消声器是在消声器内壁或通道空间安装吸声材料（硅酸铝棉）或吸声结构，利用声波在多孔性吸声材料或吸声结构中传播，因摩擦将声能转化为热能而散发掉，使沿管道传播的噪声随距离而衰减，从而达到消声的目的。在消声器片出口处安装百叶窗（或电动百叶窗）避免雨水进入。
阻性消声器的降噪量与吸声材料的声学性能、气流通道周长、断面面积以及管道长度等因素有关，A.N．别洛夫由一维理论推导出长度为ℓ的消声器的降噪量ΔL为：
ΔL=φ（α0）•L•ℓ/S₁..............（公式8）
其中：φ（α0）为消声系数；ℓ为消声器有效部分长，m；L为消声器的通道断面周长，m；S₁为消声器的有效横截面面积，m²。
由公式（8）可推导出阻性消声器长度ℓ为：
ℓ=ΔL•S₁/φ（α0）•L..............（公式9）
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图5 柴油发电机组静音箱隔声板结构 |
图6 静音发电机组进排风消声系统 |
5、柴油发电机组噪声的控制
由于柴油发电机组排气（烟）噪声级别最强，排气管路是机组最大的噪声扩散源，在排气管上安装消声器是最直接有效的手段。整个排气（烟）系统的总阻力P计算公式为：
P=Pℊ+Pₓ..............（公式10）
其中：Pℊ为排气（烟）管的背压；Pₓ为消声器的背压。
排气（烟）管的背压计算公式为：
Pℊ=6.32L₁×Q2/｛D5×（t+273）｝
其中：L₁为排气直管当量总长度，当排气系统中采用弯管时，应将弯管折算成直管的当量长度，m；Q为废气流量，m³/s；D为排气管直径，m；t为排气（烟）温度，℃。
发电机组的最大允许排气背压为一定值（可查发动机参数表），由公式（11）可知，设计排气（烟）管路时，尽可能减小管路排气背压，通常采用降低排气通道中各部件的气流速度、少用弯头，并扩大排气管直径的方法。可采取在常规抗性消声器的基础上增加一个阻性消声器形成两级扩张式消声器，或者直接在柴油发电机组的排气（烟）口安装阻抗复合式消声器，对发电机组的排气（烟）噪声进行处理，同时对箱体内的排气（烟）管路进行隔热包扎，以减少排气（烟）系统热辐射对箱体的温升作用。在发电机排气弯头与管路连接的位置须安装波纹管，吸收和补偿排气（烟）管的热胀冷缩、防止刚性件破裂。消声器的选择必须满足发动机排气（烟）背压的要求，消声器会使排气（烟）管路的排气阻力增大，将影响柴油发电机组的使用性能。经测量可知，安装阻抗复合式消声器后的排气（烟）噪声（排气管出口1m处）可降低25 dB（A）～30 dB（A）。
6、柴油发电机组隔振设计
针对发电机组的固有频率，在发电机组的合适位置放置橡胶减振器/垫，以减少机组振动对基础或建筑物的损坏以及通过振动而传播噪声。发电机组的隔振一般采用橡胶减振器，发电机通过橡胶减振器安装在机组底座上，机组底座与隔音罩底板之间配置高效减振胶垫（或弹簧减振器），对机组进行二次隔振处理。
7、供油系统设计
柴油发电机组可配置满足机组全负荷运行8h所需的底座油箱。底座油箱与发电机组的进、回油接口用高压软油管进行连接，进油管路设置过滤器。大功率机组需考虑单独的日用油箱供油。
8、消防、配电系统设计
根据用户需求配置机组自动消防气体灭火系统，配备灭火器、消防应急灯、防火阀等消防设备设施；根据用户需求，配置对外供电接口（接线箱），并安装照明系统。
三、隔音罩的制作及注意事项
1、隔音罩的制作
吸隔声模块是隔音罩最基本也是最重要的组成部分，在其他组成部分性能恒定的情况下（密封性良好），吸隔声模块的声学性能直接决定隔音罩的降噪效果。通俗的来讲，如果隔音罩要取得达到某一数值降噪量的效果，那么吸隔声模块的整体吸隔声效果就必须要大于这一数值。因此吸隔声模块的结构，是设计隔音罩，保证其达到设计降噪效果，首要考虑的因素。进一步来讲，吸隔声模块组成结构的选材是隔音罩降噪应用成功的关键。图7、图8是隔音罩的3D模拟图。
吸隔声模块结构顾名思义，包括吸声与隔声两个部分。隔声部分主要功能是使用隔声材料阻断声音传播的空气途径，将噪声的负面影响控制在隔音罩空间区域内。吸声部分是隔声部分的补充，但是必不可少。当声波被隔声材料阻断后，就会被反射，经过多次反射后，隔音罩空间区域内的声波就会叠加，使隔音罩内的声压级高于噪声源设备原有的声压级。通过使用吸声材料，可最大限度的降低声波的反射，同时衰减吸收声波传递的声能量。
吸隔声模块结构通常选用1-2mm的优质镀锌钢板折制成型，作为隔声材料，为了抑制钢板的吻合效应，在内表面敷有一层3-5mm的阻尼涂料，来提高隔声性能。型腔内填吸声棉，根据所要隔断的噪声声波特性，选择不同的容重和厚度。吸声棉用吸声膜包裹，防止渗漏。腔外用镀锌穿孔板作为保护面，孔板穿孔率25%以上。
2、隔音罩制作的注意事项
隔声降噪应从柴油发电机组噪音的传播途径着手，柴油机的隔声，有局部隔声和整机隔声两种。
（1）局部隔声
局部隔声指仅在噪声辐射较强的表面上装隔音罩壳。采用隔音罩壳应注意以下几点。
① 罩壳的固定应有弹性，罩壳与基本结构表面应留有适当的间隔，罩壳的自振频率应控制在100～300Hz以下。
② 采用阻尼涂层或层状材料做隔音罩壳，可提高隔声效果。
③ 必须注意罩壳的密封。
（2）整机隔声
整机隔声就是在紧靠柴油机外表面装一套整机隔音罩，可以使柴油机总表面噪声降低10~35dB（A）。与局部隔声相比，整机隔声的优点是隔声量大，缺点是会使机组的外形尺寸加大，重量增加，同时需要通风散热。
① 转子斜槽后，由于径向力沿轴向长度上各处相位不同，可产生扭力力矩，导致铁芯扭转振动而产生噪声，这在大型电机及铁芯很长的电机中应特别注意。
② 增加电机定子刚度及避免机械共振增加定子铁芯轭的厚度以增加刚度，可降低电机的振动及噪声。因此，多极数电机中轭厚不能单纯从磁路计算观点考虑。再者，应避免机械共振，即避免主要的力波频率与定子机座、端盖等结构件的固有频率接近或吻合。
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图7 柴油发电机组隔音罩侧视图 |
图8 柴油发电机组隔音罩正视图 |
总结：
现代社会环境对噪声要求日趋严格，对带隔音罩的柴油发电机组的降噪要求也越来越高，在设计柴油发电机隔音罩结构方案时，需要综合利用噪声控制技术，针对柴油发电机组不同部位噪声的特点，分别采用隔声、吸声、消声和隔振等控制措施，合理选择性价比高的降噪材料，充分利用静音箱体空间来设计降噪结构方案，可使噪声降至75 dB（A），达到国家环境要求的标准。
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