嚴(yán)天雄，楊 林，劉進(jìn)偉，歐陽旭，吳曉佳，賓成勝

（1.隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司技術(shù)中心，重慶400052；2.廣州威能機(jī)電有限公司，廣州511400）

近年來柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用越來越廣泛，作為備用電源常用于醫(yī)院、企業(yè)、居民區(qū)、商場等公共場所，作為臨時(shí)電源常用于礦山開采、野外工地作業(yè)、道路交通維護(hù)等。但機(jī)組在工作過程中會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲，帶來非常嚴(yán)重的噪聲污染問題。因此，對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行噪聲源識(shí)別，采取相對(duì)應(yīng)的降噪措施，對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲控制和減少周圍環(huán)境噪聲污染都具有重要的意義[1]。

針對(duì)發(fā)電機(jī)組的噪聲控制，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。Ju 等[2]基于間接邊界元法(Indirect boundary element method，IBEM)設(shè)計(jì)了帶通風(fēng)管道消聲器的隔聲罩，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了冷卻和低噪聲性能。朱金晏等[3]采用三維數(shù)值計(jì)算方法對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組排氣消聲器進(jìn)行聲傳遞損失和流動(dòng)阻力損失預(yù)測，采用改進(jìn)膨脹腔、插入管結(jié)構(gòu)和增加吸聲材料等方法，降低了發(fā)電機(jī)組的排氣噪聲。Zhou 等[4]基于聲學(xué)邊界元法對(duì)開口隔聲罩的插入損失進(jìn)行預(yù)測，并基于經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的預(yù)測模型對(duì)聲學(xué)影響因素進(jìn)行靈敏度分析，發(fā)現(xiàn)開口尺寸和吸聲材料布局對(duì)插入損失的影響最大。

本文對(duì)某40 kW 柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn)分析，確定了主要的噪聲源位置，結(jié)合模態(tài)分析提出了相應(yīng)的優(yōu)化方法，通過試驗(yàn)證明，距離發(fā)電機(jī)組1 m處的噪聲聲壓級(jí)在不同負(fù)載下降低了2.2 dB(A)～2.4 dB(A)。

1 柴油發(fā)電機(jī)組介紹

1.1 柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)組成

柴油發(fā)電機(jī)組通常由發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、散熱系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、懸置系統(tǒng)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、隔聲罩以及其他附件組成，某40 kW 柴油發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)組成

該機(jī)組所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)為直列式4 缸4 沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)直連，輸出功率為40 kW，機(jī)組及部件相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)組及部件相關(guān)技術(shù)參數(shù)

1.2 柴油發(fā)電機(jī)組噪聲源組成及傳播方式

柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲成分比較復(fù)雜，主要噪聲源主要由以下幾部分組成[5–6]：發(fā)動(dòng)機(jī)本體機(jī)械噪聲、燃燒噪聲、進(jìn)排風(fēng)噪聲、冷卻風(fēng)扇噪聲以及發(fā)電機(jī)電磁噪聲。

外罩系統(tǒng)具有一定的隔聲作用，當(dāng)機(jī)組工作時(shí)，噪聲會(huì)通過以下幾種方式向周圍環(huán)境傳播[7]：

（1）箱體內(nèi)部噪聲直接通過箱體上的通風(fēng)開口衍射到機(jī)組外部；

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)的振動(dòng)經(jīng)懸置系統(tǒng)傳遞到箱體上，引起箱體的振動(dòng)，產(chǎn)生輻射噪聲；

（3）噪聲穿透箱體直接透射到環(huán)境中。

2 發(fā)電機(jī)組噪聲源識(shí)別

2.1 聲源識(shí)別試驗(yàn)

噪聲源識(shí)別是發(fā)電機(jī)組噪聲控制最主要也是最基本的技術(shù)手段之一。只有對(duì)發(fā)電機(jī)組的主要噪聲源進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別和分析，才能確定具體的噪聲控制措施[8]。

為了確定機(jī)組的聲源分布和噪聲頻譜特性，對(duì)其進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，采用Microflown 公司的Scan &Paint 2.2 掃描設(shè)備對(duì)機(jī)組表面進(jìn)行掃描測試，測試包括帶有隔聲罩和裸機(jī)兩種狀態(tài)。

掃描過程中，P/U 麥克風(fēng)探頭距離隔聲罩表面50 mm，掃描過程中勻速移動(dòng)探頭，在裸機(jī)狀態(tài)下測試時(shí)，拉線模擬隔聲罩表面。分別進(jìn)行了兩種常用于噪聲評(píng)價(jià)的工況試驗(yàn)：0負(fù)載和75%負(fù)載，掃描測試如圖2所示。

圖2 噪聲掃描測試

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

發(fā)電機(jī)組去隔聲罩狀態(tài)被定義為機(jī)組裸機(jī)狀態(tài)，如圖1(a)所示，通過聲學(xué)掃描得到0和75%兩種負(fù)載下裸機(jī)機(jī)組表面的聲壓云圖，分別如圖3(a)和圖3(b)所示。從圖中可看出，主要噪聲源位于發(fā)電機(jī)附近和消聲器排氣口位置。0和75%兩種負(fù)載下頻譜圖如圖4(a)和圖4(b)所示，從頻譜圖中可以看出，噪聲頻譜圖中存在明顯的峰值，最大峰值對(duì)應(yīng)的頻率分別為52.7 Hz和49.8 Hz。

圖3 裸機(jī)兩種負(fù)載工況下機(jī)組的噪聲聲壓云圖

圖4 裸機(jī)兩種負(fù)載工況下機(jī)組的噪聲頻譜圖

發(fā)電機(jī)組處于帶隔聲罩狀態(tài)時(shí)，0 和75%兩種負(fù)載下機(jī)組表面的聲壓云圖分別如圖5(a)和圖5(b)所示。從聲壓云圖可以看出，0 和75%負(fù)載下的主要噪聲源均位于發(fā)電機(jī)端。對(duì)于帶隔聲罩狀態(tài)，0和75%兩種負(fù)載下噪聲頻譜圖分別如圖6(a)和圖6(b)所示。從頻譜圖中可以看出，噪聲頻譜也存在明顯的峰值，對(duì)應(yīng)的頻率也分別為52.7 Hz和49.8 Hz。

圖5 帶隔聲罩兩種負(fù)載工況下機(jī)組噪聲聲壓云圖

圖6 帶隔聲罩兩種負(fù)載工況下機(jī)組噪聲頻譜圖

根據(jù)上述機(jī)組噪聲的分析結(jié)果可知，該柴油發(fā)電機(jī)組噪聲頻譜峰值頻率在50 Hz 附近，不隨載荷和機(jī)組的狀態(tài)發(fā)生改變。同時(shí)，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，主觀評(píng)價(jià)有金屬薄壁件振動(dòng)產(chǎn)生的聲音，因此初步確定發(fā)電機(jī)組的主要噪聲來源為結(jié)構(gòu)共振產(chǎn)生的噪聲，這將進(jìn)一步通過結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真計(jì)算進(jìn)行確認(rèn)。

3 模態(tài)仿真計(jì)算

3.1 基本理論

模態(tài)分析就是求解有限個(gè)自由度的無阻尼及外載荷狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)方程的模態(tài)矢量，當(dāng)滿足定常線性系統(tǒng)要求時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型可用式（1）表示[9]：

式中：M、C、K分別為質(zhì)量、阻尼、剛度矩陣，x為位移，f(t)為作用力向量。因結(jié)構(gòu)的阻尼對(duì)模態(tài)頻率和振型的影響很小，可以忽略，故系統(tǒng)的無阻尼自由振動(dòng)方程表達(dá)式為[10]

假設(shè)系統(tǒng)各坐標(biāo)作同步諧振動(dòng)，即：

把式（3）代入式（2）可得：

其特征方程為

解方程式（5）可得到n（n為系統(tǒng)自由度）個(gè)非負(fù)解ω1，…，ωn(0≤ω1≤…≤ωn)，令fi=ωi/2π(i=1，…，n)，稱f1，…，fn為系統(tǒng)的n階固有頻率，分別把ω1，…，ωn代入式（2）中可得n組向量Ф1，…，Фn，稱Ф1，…，Фn為系統(tǒng)的n階模態(tài)振型。

3.2 有限元模型

接線盒（見圖7）固定在發(fā)電機(jī)的上端，如圖1(a)中所示，用于保護(hù)機(jī)組線纜。由頂蓋、前后側(cè)蓋和左右側(cè)蓋組成，通過螺栓裝配在一起，均為1.2 mm 厚的薄壁件結(jié)構(gòu)。為進(jìn)一步確認(rèn)發(fā)電機(jī)端的噪聲源是否由結(jié)構(gòu)共振引起，需對(duì)發(fā)電機(jī)上端的接線盒進(jìn)行模態(tài)分析。

圖7 接線盒三維模型

對(duì)接線盒進(jìn)行二維網(wǎng)格劃分，采用RBE2 單元模擬螺栓連接，有限元仿真模型如圖8 所示。模型共有單元數(shù)14 960 個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)15 434 個(gè)。接線盒的材料為Q235 鋼，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×1011Pa。

圖8 接線盒有限元網(wǎng)格模型

3.3 模態(tài)結(jié)果分析

求解得到接線盒前6階模態(tài)振型，如圖9所示。接線盒原狀態(tài)的模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果如表2所示。其2階固有頻率為52.6 Hz，與該機(jī)組的激勵(lì)頻率50 Hz相近，機(jī)組工作時(shí)接線盒將產(chǎn)生共振，由此判定機(jī)組電機(jī)端主要噪聲來源于接線盒的結(jié)構(gòu)共振。

圖9 接線盒前6階模態(tài)振型圖

4 降噪方案及效果驗(yàn)證

4.1 降噪方案

為了使接線盒的2階固有頻率避開發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率，對(duì)接線盒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用點(diǎn)焊的方式在接線盒的前、后側(cè)蓋上分別加筋，兩加強(qiáng)筋的尺寸均為：長340 mm，寬20 mm，厚2 mm，如圖10所示。建立有限元分析模型（見圖11），求解優(yōu)化后接線盒的前6階固有頻率，如表2所示。

圖10 接線盒加筋優(yōu)化模型（去頂蓋）

圖11 接線盒加筋優(yōu)化有限元模型（去頂蓋）

表2 接線盒優(yōu)化前后前6階模態(tài)頻率對(duì)比/Hz

在接線盒前后側(cè)蓋上加筋后，2階固有頻率提高到65.6 Hz，從而避開了發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)頻率，避免接線盒共振產(chǎn)生輻射噪聲，發(fā)電機(jī)組的噪聲將會(huì)得到改善。

4.2 降噪效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證接線盒加筋前后機(jī)組噪聲的變化情況，根據(jù)優(yōu)化降噪方案制作樣件進(jìn)行噪聲試驗(yàn)，方案樣件如圖12所示。

圖12 方案試驗(yàn)樣件

進(jìn)行機(jī)組噪聲試驗(yàn)時(shí)，參照國標(biāo)《GBT 2820.10－2002 噪聲的測量包面法》規(guī)定的發(fā)電機(jī)組噪聲測試方法，根據(jù)機(jī)組表1中的尺寸參數(shù)，在發(fā)電機(jī)組周圍距離機(jī)組表面1 m處布置9個(gè)聲學(xué)傳感器，如圖13 所示。分別測試0 和75%負(fù)載下機(jī)組接線盒加筋前后的噪聲值。

圖13 測試發(fā)電機(jī)組噪聲時(shí)麥克風(fēng)布置圖

75%負(fù)載下，優(yōu)化前后距離發(fā)電機(jī)端較近的測點(diǎn)1的噪聲聲壓級(jí)曲線如圖14所示。

從圖14 中可以看出，在75%負(fù)載下，優(yōu)化后測點(diǎn)1 的噪聲聲壓級(jí)在1 000 Hz 以內(nèi)，基本都優(yōu)于原狀態(tài)，尤其在引起接線盒共振的50 Hz頻率處，噪聲降低了10 dB(A)，說明降噪方案有效。

圖14 優(yōu)化前后測點(diǎn)1的噪聲聲壓級(jí)對(duì)比圖

測試得到每個(gè)測點(diǎn)的聲壓級(jí)值后，根據(jù)式（6）計(jì)算機(jī)組的噪聲值，結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化前后各負(fù)載下機(jī)組的噪聲值/dB(A)

式中：

LPAi為在第i個(gè)測點(diǎn)處的A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)對(duì)本底噪聲和環(huán)境干擾修正后的平均A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)；n為測點(diǎn)總數(shù)；K2A為本底噪聲和環(huán)境干擾修正系數(shù)。

從表3 中可以看出，接線盒加筋后，0%和75%負(fù)載下發(fā)電機(jī)組的噪聲分別降低了2.4 dB(A)和2.2 dB(A)，表明優(yōu)化方案改善機(jī)組噪聲效果明顯。

5 結(jié)語

（1）通過發(fā)電機(jī)組表面噪聲掃描測試分析，確定了發(fā)電機(jī)組的最大噪聲源位置及噪聲頻譜特性，結(jié)合模態(tài)分析方法確定機(jī)組噪聲主要來源于發(fā)電機(jī)上端接線盒的共振。

（2）對(duì)發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)端接線盒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其2階固有頻率提高到65.6 Hz，避開了發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)組噪聲在0 和75%兩種負(fù)載下分別降低了2.4 dB(A)和2.2 dB(A)。

（3）文中的噪聲源識(shí)別和模態(tài)有限元優(yōu)化分析方法對(duì)發(fā)電機(jī)組降噪具有重要的指導(dǎo)意義。