王志剛，沈建平，姚 輝

（711研究所，上海 200090）

0 引 言

柴油機是現(xiàn)代艦船最重要的動力源設(shè)備之一，其振動噪聲水平對艦船的聲隱身性和舒適性有直接影響，其振動噪聲指標、功率密度和尺寸重量等指標是衡量船用柴油機性能的重要指標。對柴油機的結(jié)構(gòu)輻射噪聲進行預(yù)估，掌握柴油機性能指標對整機結(jié)構(gòu)輻射噪聲的影響，是實現(xiàn)柴油機低噪聲設(shè)計以及進行柴油機振動噪聲有效控制的重要技術(shù)途徑[1～3]。

本文以某型大功率船用柴油機為研究對象，采用柴油機近場輻射噪聲的預(yù)估方法，完成了從柴油機缸內(nèi)爆發(fā)壓力到柴油機近場輻射噪聲的預(yù)估，并對柴油機在 32%、50%、75%、100%和 110%的 5種工況下的輻射噪聲進行了分析，為低噪聲柴油機的研制開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1 柴油機整機噪聲分析模型

在某型大功率船用柴油機三維實體模型基礎(chǔ)上建立基于聲傳遞向量（ATV）概念的柴油機近場邊界元（BEM）分析模型。ATV為聲學系統(tǒng)輸入與輸出之間的關(guān)系矩陣——聲傳遞向量（Acoustic Transfer Vectors）矩陣，即從柴油機振動結(jié)構(gòu)表面的邊界單元到域點處的聲傳遞函數(shù)的信息集合[4]。

柴油機結(jié)構(gòu)聲輻射分析模型是由結(jié)構(gòu)有限元模型、結(jié)構(gòu)聲邊界元模型、外場域點網(wǎng)格模型組合而成的。其中，結(jié)構(gòu)有限元模型獨立于其他兩種模型而存在，結(jié)構(gòu)邊界元模型依賴于結(jié)構(gòu)有限元模型的邊界特性，外場域點的網(wǎng)格模型是依照一定規(guī)則所建立的包圍結(jié)構(gòu)聲學模型。

在柴油機結(jié)構(gòu)輻射分析模型的建模中，考慮到聲場分析的聲學介質(zhì)是空氣，其特性阻抗較小，外域聲波對結(jié)構(gòu)振動的反向作用極其微弱，故在該模型中不考慮FEM（有限元法）結(jié)構(gòu)振動模型與BEM聲學波動模型之間的相互耦合，只考慮結(jié)構(gòu)振動導(dǎo)致噪聲發(fā)生的單向作用效能。

柴油機分析模型的建立采用了Virtual Lab聲學分析軟件，網(wǎng)格劃分采用了Hypermesh前處理分析軟件。柴油機的結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

圖1 柴油機的仿真分析模型

2 柴油機噪聲分析載荷確定

柴油機整機輻射噪聲分析所考慮的載荷主要包括：柴油機的缸內(nèi)氣體爆發(fā)力、活塞側(cè)向力、各主軸承處的軸承載荷等。以上載荷具體幅值與變化規(guī)律由發(fā)動機專用動力學計算軟件 GT-crank求解得到，如圖2、圖3所示。

圖2 活塞側(cè)向力載荷時域曲線

圖3 軸承激勵力載荷時域曲線

3 柴油機在不同工況下輻射噪聲計算

圖4 32%工況柴油機聲壓級分布

應(yīng)用Virtual Lab聲學分析軟件，計算柴油機在32%、50%、75%、100%和110%的5種工況下的輻射噪聲，建立了柴油機近場的聲壓級云圖，該云圖表征了柴油機在0～2000Hz頻段內(nèi)各三分之一倍頻帶中心頻率點的結(jié)構(gòu)輻射噪聲分布。詳見圖4～8。

圖5 50%工況柴油機聲壓級分布

圖6 75%工況柴油機聲壓級分布

圖7 100%工況柴油機聲壓級分布

圖8 110%工況柴油機聲壓級分布

從以上聲壓分布圖上可以看到柴油機在不同運行工況的近場輻射噪聲分布，在聲學計算的基礎(chǔ)上，進行柴油機性能對整機輻射噪聲影響分析。

4 柴油機性能對整機輻射噪聲影響分析

對該型柴油機在0～2000Hz頻率范圍內(nèi)的不同工況下聲功率級進行分析，得出柴油機的不同運行工況對整機輻射聲功率級的影響曲線，如圖9、10所示。從圖中可以看出，柴油機的整機輻射聲功率隨負荷的增大而逐漸變大。但當負荷超過100%時，在1000～2000Hz頻段內(nèi)隨著負荷的增加整機輻射聲功率反而下降。這是由于在負荷過大時，整機功率反而會有所下降，因此激勵力和輻射聲功率也會有所減小。從整體頻譜曲線上來看，不同負荷下聲功率在0～2000Hz頻率范圍內(nèi)變化趨勢大致相同，雖然負荷不同，但是轉(zhuǎn)速是一致的，因此相應(yīng)結(jié)果只是幅值有所不同。

5 結(jié) 語

從船用柴油機聲壓分布云圖和整機聲功率級來看，對于V型氣缸排列的船用大功率柴油機，在同一頻率范圍內(nèi)，5種工況下柴油機外場聲壓分布規(guī)律基本一致，但幅值隨著柴油機負荷增加總體表現(xiàn)出上升趨勢，但這種上升并非呈明顯線性特性。并且，從柴油機的聲壓云圖分布來看，顯示柴油機頂部及缸蓋部位輻射噪聲較大，在柴油機低噪聲設(shè)計時，應(yīng)重點關(guān)注這些部位。

本文所建立的柴油機輻射噪聲計算方法可應(yīng)用于柴油機的輻射噪聲預(yù)估，支撐船用柴油機的低噪聲設(shè)計。

圖9 不同工況下柴油機聲功率頻譜曲線對比

圖10 不同工況對柴油機整機輻射聲功率級的影響曲線

[1]王 鑫，季振林. 柴油機輻射噪聲預(yù)測及控制技術(shù)研究[J]. 噪聲與振動控制，2008，02 (10)∶ 32.

[2]周建明. 內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測方法的研究[D]. 武漢：武漢理工大學碩士論文，2007. (8)∶.36-45.

[3]齊曉霞，王 文. 船用柴油機噪聲控制技術(shù)[J]. 噪聲與振動控制，2004, 02 (6)∶ 16.

[4]馮慧華，左正興. 基于BEM/FEM耦合技術(shù)的柴油機外聲場模擬技術(shù)研究[J]. 內(nèi)燃機學報，2004, 22 (2)∶ 155.