從設計者角度探討低噪聲柴油發電機組噪聲抑制的兩種設計方法

　　簡要說明：柴油發電機組的噪聲是一種嚴重的環境污染，對人們的身心健康危害極大。隨著人們環保意識的日益增強，降噪呼聲越來越高。所以，如何抑制柴油發電機組的噪聲，乃是設計工作者急待解決的課題。本文通過幾種低噪聲柴油發電機組新產品的開發設計以及實驗測試，從設計角度闡述柴油發電機組噪聲抑制的具體方法。

　　低噪聲柴油發電機組廣泛應用于部隊、郵電通訊、工程施工等場，作為常用或備用電源。國外許多先進工業國家早在60年代就開始研究低噪聲電站，目前已形成系列產品。國內這方面研究起步較晚，近幾年，雖已先后研制出幾種規格的低噪聲柴油發電機組，但仍不能滿足市場需求。況且其降噪措施及設計方法還不成熟，有必要進一步深入研究探討。筆者通過幾種低噪聲柴油發電機組新產品的開發設計以及實驗測試，積累了許多寶貴經驗與數據，從設計角度闡述柴油發電機組噪聲抑制的具體方法。
　　
　　1　柴油發電機組的噪聲
　　
　　柴油發電機組是由柴油機、發電機等聯接而成,其噪聲聲壓級一般在90～110dB(A)之間，大大超過了有關噪聲保護標準的規定。
　　
　　柴油機的噪聲包括：各運轉件的摩擦、沖擊產生的機械噪聲，風扇噪聲、燃燒噪聲，進氣噪聲、排氣噪聲等；發電機的噪聲包括:電磁噪聲,機械噪聲、風扇噪聲等。
　　
　　機組噪聲向空間輻射主要通過以下三個途徑：　　
　　(1)通過外表面向外輻射機體的機械噪聲(包括風扇噪聲、進氣噪聲)；
　　(2)通過廢氣排氣口向外輻射的排氣噪聲；　　
　　(3)機組振動通過公共底架等周圍構件傳播的固體聲,機械噪聲多是寬帶連續頻譜,其最強的頻率一般在125～1000Hz之間。
　　
　　排氣噪聲呈低頻特性，它一般較機械噪聲高約10dB(A)，其最強噪聲的頻率與柴油機轉速、缸數成正比，與沖程數成反比。
　　
　　固體聲一般不大，呈中、高頻特性。
　　
　　大量實驗統計結果表明：頻率不同，即使聲壓級相同，人耳感覺的響度也不同，人耳對1000Hz的聲音最敏感，對高頻聲比對低頻聲的靈敏性要好，為此，應將降低機組噪聲的重點放在500～3000Hz頻率上。
　　
　　2　降低噪聲的方法
　　
　　降低噪聲的方法很多，目前國內外主要針對機組噪聲輻射的三個途徑分別進行抑制，即設計一個機組隔聲罩及高性能的排氣消聲器，以降低機械噪聲和排氣噪聲；采取減振措施，降低振動，以減少固體聲的傳播與再生噪聲的產生。
　　
　　降低噪聲處理后機組噪聲一般能降低20～30dB(A)，總體噪聲能達到65～85dB(A)(距離聲罩周圍1m處)。
　　
　　2.1　隔聲罩的設計
　　
　　隔聲罩是低噪聲柴油發電機組的主要部件，它主要用于降低機組機械噪聲，風扇排氣噪聲，進氣噪聲與發電機的電磁噪聲等。
　　
　　隔聲罩主要依據聲學原理進行設計，其罩壁有單層、雙層及多層結構，為降低成本，縮小外形尺寸，柴油發電機組隔聲罩通常設計成單層結構。其罩壁一般是外殼采用鋼板或鋁板，板內鋪貼上多孔吸聲材料，隔聲與吸聲同時起作用，使降噪效果更好。
　　
　　多孔吸聲材料如：玻璃絲棉、巖棉、超細玻璃棉、泡沫塑料等。吸聲材料外表貼上玻璃絲布，亦可在其外表覆蓋一層穿孔率為20%左右的穿孔板，以保護表面不致散落破壞，并提高吸聲性能。對隔聲罩來說，共振頻率與臨界頻率是兩個特別應注意的頻率。當聲波頻率等于板的共振頻率fo或fo的整數倍數時，板與聲波將發生共振,隔聲效果急驟下降，此時的頻率稱為共振頻率。

    fx.g=0.45Cph[(x/a)²+(y/b)²]式中　
    fx.y——板的x、y階固有共振頻率；
    Cp——板中縱波速度m/s，鋼板Cp=5.2×103m/s；
    h——板的厚度；
    a、b——板的長與寬；
    x、y——任意正整數。

    當某一頻率的聲波以一定的角度投影到隔聲板上，人射聲波的波長在板上的投影剛好等于板的固有彎曲波的波長，從而激發板材發生彎曲波形式的振動，使得隔聲效果下降，這種現象謂之“吻合效應”。臨界頻率是指發生聲波吻合效應的最低頻率，對于鋼板,臨界頻率fc=12800t(Hz)，其中t為板厚(mm)。在有可能產生共振的隔聲板上必須涂粘阻尼材料,如:瀝青浸麻袋片、玻璃布、氈類、石棉絨以及阻尼漆等。應盡量選用重而軟的隔聲板,使其臨界頻率高于聲波頻率，或者選用厚且剛度大的隔聲板，使其臨界頻率低于聲波頻率，以免產生吻合效應。

    進行降噪處理時，需按照國家或部門的有關規定確定容許隔聲量，分析柴油發電機組的噪聲特性和分布狀況，以確定合理的隔聲方案及隔聲罩結構。由于柴油機正常運行時需要不斷地吸入新鮮空氣及通風散熱，故隔聲罩設計時不僅要考慮噪聲的降低，而且還要考慮通風散熱，這兩者是相互矛盾的。如果要降低噪聲，隔聲罩開口就要小一些，但開口太小，柴油機燃燒用空氣及通風散熱又滿足不了，開口太大，噪聲又會外泄。所以，隔聲罩設計時要綜合考慮這矛盾的兩個方面，并在進、排風道上加裝片式阻性消聲器。
　　
　　這種消聲器結構簡單，中、高頻消聲效果較好，消聲量一般可達15～20dB/m，阻力系數也不大，片間距離可取0.1～0.2m，片厚可取0.05～0.15m。為滿足消聲量及隔聲罩結構要求，可將風道設計成彎角，突(漸)縮、突(漸)擴等形狀。隔聲罩設計時應盡量減少孔隙漏聲，否則，煞費苦心的設計也會因漏聲而達不到預期效果。
　　
　　2.2　排氣消聲器的設計
　　
　　排氣消聲器主要從消聲性能、空氣動力性能與結構性能三個方面進行評價,它應有較高的、頻帶較寬的消聲量、較小的阻力損失及結構簡單等特點。柴油機排氣消聲器,通常設計成微穿孔板阻抗復合式,它在低、中、高頻都具有較高的消聲量,能夠承受高溫和氣流的沖擊,阻損低,再生噪聲小,消聲量可達20dB(A)以上。常用微穿孔板阻抗復合式消聲器結構見圖3。
　　
　　此種消聲器特別是微穿孔管段的有關理論和計算方法還不完善,一般須通過實驗測量后方可評價其性能優劣。消聲器的膨脹比m(m=D2/d2)與消聲量關系較大,故設計時要合理選擇,一般宜控制在4～15之間,在一定范圍內,m越大,消聲效果越好,但m不能太大,否則膨脹室截面過大,使中、高頻聲波在消聲器內不以平面波形式傳播,而呈束狀波通過,遂導致消聲量顯著下降。在低頻范圍內,當波長比膨脹室尺寸大得多時,由于膨脹室自身相當于一個低通濾波器,因此會影響消聲器有效的低頻消聲范圍。穿孔板吸聲結構的主要指標——吸聲系數和頻帶寬度主要由穿孔率和孔徑確定。微穿孔板的孔徑在0.5～1mm范圍,穿孔率在1%～3%比較好,厚度一般在0.5～1mm之間。通常多采用雙層微穿孔板,以達到寬頻帶與高頻吸收,前面接近氣流的一層穿孔率有時略高于后層,前、后腔深可相同也可不同,但前、后腔深比例不宜大于1:3。
　　
　　3　結束語
　　
　　(1)柴油發電機組的噪聲是一種嚴重的環境污染,對人們的身心健康危害極大。隨著人們生活水平的不斷提高,環保意識的日益增強,降噪呼聲越來越高。所以,如何抑制柴油發電機組的噪聲,乃是設計工作者急待解決的課題。
　　
　　(2)本文提出的隔聲罩與排氣消聲器的設計要點是切實可行的,有明顯的降噪效果,可供設計者借鑒。
　　
　　(3)低噪聲柴油發電機組的降噪效果,因受制造、材料等因素的影響,會產生偏差,所以,其實際水平應經過嚴格測試、綜合比較后才能評定。