（机械制造及其自动化专业论文）柴油发电机组的降噪仿真分析.pdf

摘要 目前，工业噪声污染已经成为人们日益关注问题。降低柴油机发电机组噪 声己成为发电机组生产的重要任务。本文主要内容是针对北京宝和源有限公司 提供的柴油发电机组的降噪需求指标，运用现代化的设计方案，通过数值仿真 分析对发电机组的降噪进行分析，从而为静音箱和消声器的结构设计提供了快 速和直观的分析依据，并提供出优化的设计方案，这对噪声性能的预测以及计 算提供了重要的参考价值。 基于振动和噪声控制的理论基础，以发电机组静音箱体为研究对象。最初 运用有限元法和a n s y s 软件对静音箱的结构进行动态特性分析，将分析结果 导入s y s n o i s e 软件平台，结合边界元法及有限元法的耦合理论及其组合的方 法对箱体进行声场分析，在此基础上完成对箱体的噪声仿真。然后，针对箱体 前后侧板不同位置加筋处理的条件下，对箱体结构振动与外声场噪声变化进行 分析研究。分析出筋板相对距离的不同会引起噪声抑制频率和抑制幅度变化， 当筋扳相对距离达到箱体侧板总长的0 2 0 3 时才能得到最优的降噪效果。 以发电机组排气消声器为研究对象，在消声器的基本原理和消声性能的有 限元分析方法的基础上，建立了消声器声学有限元的数学模型，并运用a n s y s 软件建立消声器的有限元模型及其网格划分，通过s y s n o i s e 软件平台来实现 对消声器的传递损失的分析。然后，分别对不同结构参数的消声器进行数值分 析，通过对不同的传递损失数值分析结果的比较，获得优化的结构设计方案。 关键词发电机组；静音箱；消声器；噪声控制 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h ei n d u s u 电a ln o i s ep o l l u t i o nh a sa l r e a d yb e c o m eag r o w i n gc o n o e l l l r e d u c i n g t h eg e n e r a t i n gs e tn o 缸o f t h ed i e s e le n g i n eh a sa l r e a d yb e c o m et h ei m p o r u m tt a s ki np r o d u c t i o n t h em a i nc o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do nt h er e q u b e m e n to f r e d u c i n gn o i s eo f b a o h e y u a n c o ，h 正，t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i so fn u m b e rv a l u e ，t h ep a p e ru t i l i z e st h em o d e r n i z e d d e s i g np l a nt oa n a l y z et h en o i s er e d u c t i o no f t h eg e n e r a t i n gs e t t h u s ，i th a sp r o v i d e df a s ta n dt h e d i r e c t - v i e w i n ga n a l y s i si n s i sf o rs t r u c t u r a ld i g no ft h em u f f l ea n dt h es o u n da t t e n u a t e d e n c l o s u r e ，a n dp r o v i d e st h eo p t i m i z e dd e s i g np r o p o s a l t h ep a p e rp r o v i d e dt h ei m p o r t a n t r c e r m c ev a h l ca n dt h ec o m p u t a t i o nf o rt h en o i s ep e r f o m m c ef o r e c a s t b u e do nt h ev i b r a t i o na n d1 1 0 i s ec o n r o ir a t i o n a l e ，i tt a k e ss o u n da t t e n u a t e d c l o s l n oa s r e s e a r c ho b j e c lt of i n i s ht h en o i s ee m u l a t i o nt ot h eb o d yo fs o u n da t t e n u a t e de a c l o s u r e ，f i r s t l y , t h i sp a p e ru s e st h ef m i t ed e m e n ta n da n s y s 蚰瞳1 w 啪t oa n a l y z e 耽m c t l 吼l 由疵 c h 剐d 呛f i 鲥i ca n dt h e 嗣玎k 聋它- a c o 嘶cc o u p l i n g , a n dt h e n , t h r o u g ht h eb o u n d a r ye l e m 衄ta n d f i n i t ee l e m e n tc o u p l i n gt h e o r y , i 印u 协t h er e s u l to f a n a l y s i si n t os y s n o i s es o f t w a r ep l a t f o r mt o a n a l y z e t h ea c o u s t i c f i e l d o f t h e b o d y o f e n c l o s u r e ，s e c o n d l y , t h r o u g hs t u d y i n g d i f f e r e n t p o s i t i o n o ft h es t i f f e n e dp l a t e ，t h ev a r i a t i o nr u l eo ft h en o i s ea b a t e m e n tf r e q u e n c ya n dt h es u p p r e s s i o n a m p f i t o d ew h i c ht h er e l a t i v ed i s t a n c eo ft h ep l a t ec a u s e dc b eg a i n e d , a n dc o u l dg e tt h e o p 血n u mn o i s er e d u c t i o nr e s u l tw h e nt h em u s c l eb o a r di sr e l a t i v eb e f o r er e a c h i n g0 2 - 0 3o ft h e b o d ys i d e b o a r d c o m b i n gt h ep r i n c i p l eo ft h em - u f f i e ra n dt h ea n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n tt o e s t a b l i s ht h e m a t h e m a t i c a lm o d e l t h ep a p e ru 8 a n s y ss o l , r a r et os e tu pt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h e m u f f l e ra n ds t u d i e st h et r a n s m i s s i o nl o s so ft h em u f f l e rb ys y s n o i s es o f l - w a x ep l a t f o r m a n d t h e n ，t l o u g ht h ed i f f e r e n ts t m c t o r a lt m r m n e t e ro ft h em u f f l e r , t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r a lc a l lb e g a i n e d k e y w o r d sg e n e r a t i o ns e t s ；s o u n da t t e n u a t e de n c l o s u r e ；m u f f l e r ；, n o i s ec o n t r o l 独创性声明 本入声明所呈交的论文是我个入在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：蛆吼霉班 关于论文使用授权的说明 本入完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师躲盔堑吼冯y 第l 章绪论 第1 章绪论 i i 选题的来源及其意义 本课题来源于北京宝和源有限公司柴油发电机组降噪项目，要求对机组降噪 控制方案进行噪声仿真和预测，并在次基础上对其结构进行优化，使其到达总体 噪声指标满足研制任务要求。 近年来，噪声问题日益严重，己成为环境污染的一大公害，并日益严重影响 人类的身体健康。科学家们已经全面研究了噪声对生物和人类的影响。如小白鼠 在1 6 0 分贝的环境中，几分钟就会死亡。人在喷气发动机5 米处，几分钟就变成 聋子。一般认为4 0 分贝是正常的环境声音，在此以上就是有害的噪声。而在现 代社会中，随着工业化及第三产业的不断发展，各地区对电力的需求非常之大， 导致供应紧张、电网供电不足，经常出现区域轮流供电以满足整体电力需求。在 这种情况下，许多单位常常自备柴、汽油发电机组，以缓解电力供应不足的现状。 然而，一般情况下，这种场合所用备用电源的功率在2 0 0 k w 2 5 0 k w 之间，其 噪声高达1 0 0 d b ( a ) 以上，由此产生的噪声危害及废气污染问题，干扰了人们的 日常生活，影响了工作效率，损害了人体健康，在较大范围内对社会环境造成了 严重的污染。过去，为了满足人们对提高居住环境质量的需求，一些急需应电的 使用部门不得不对放置机组的房问进行隔音改造，此时，一旦杌组需要搬移，将 会造成较大的浪费和不便，若直接设计成低噪声的发电机组将会消除这种弊端。 传统的发电机噪声控制研究，一般都采用对已成型的产品进行噪声评价、试 验、声源识别、试验提出控制措施，修改样件一再试制样件一再评价的反复的设 计流程，这种以试验为主的研究方法往往需要经过多次样件的试制和漫长的设计 修改过程，这种传统的噪声控制模式设计周期长、成本高、资源消耗大，很难满 足现代的市场需求、产品开发进度及产品更新换代快速响应的要求i i j 。 当前，由于数值计算理论，特别是有限元与边界元理论的快速发展与应用， 以及计算机技术的进步，使得应用数值计算方法对噪声模拟计算成为可能1 2 1 。本 文即是利用现代c a d c a e 技术，应用有限元、边界元的方法对发电机组噪声的 声学特性进行计算，从而实现通过理论分析的方法来预测发电机的振动、表面辐 射噪声量级及其分布状况，进而对其声学特性进行评价，有的放矢的提出改进措 施，并通过修改结构，优化设计方案使所在噪声控制设计具有优良的噪声特性， 从而更好的降低发电机噪声辐射水平。这种以仿真计算为主的噪声控制研究方法 以缩短产品设计周期，提高改进质量，适应快速变化的市场需求，降低产品成本， 以增强市场竞争力，具有非常重要的现实意义。同时本文的研究涉及声学有限元、 边界元理论以及声振分析相关理论，具有一定的学术价值。 1 2 噪声控制技术的发展与应用现状 噪声与振动控制的基础是振动学和声学理论，噪声控制技术是声学理论的应 用，控制噪声与振动污染是环境保护防治的四大污染之- - o j 。噪声问题是发电机 研究领域的重要内容，为了解决噪声污染问题，研究设计低噪声机器设备、低噪 声工艺流程、低噪声加工过程等同益受到人们的重视。国内外研究者在发动机的 噪声控制方面进行了大量的艰苦而有成效的工作。从最初的仅靠试验改进发展到 当前运用各种先进技术进行噪声预测、噪声控制。因此，为了解决噪声污染问题， 研究设计低噪声机器设备受到人们的重视，并且进行了多年的努力，取得了一定 的效果，积累了许多重要的经验。为了以最小的代价来解决发动机的噪声问题， 达到噪声法规的要求，研究人员采取了各种方法来降低噪声： ( 1 ) 发电机噪声的组成以及产生机理的分析和试验研究即声源探究该研究 阶段的主要特点是采用试验方法来进行研究。在噪声源的识别时，主要采用分离 噪声源的方法【4 】。鉴别声源的主要方法有铅覆盖法、消去法，振动测量法和声通 道法等：铅板覆盖法是内燃机全部装置用铅制隔声板覆盖时的声强与仅拆除试验 对象部分隔声板时声强的差值便是从试验对象部分辐射出的噪声强度，依次运用 这种方法于组成外表面的各部件，便可确定主噪声辐射部件，便于有针对性地采 取降声措施，这是比较准确的主因分析法；消去法是直接把运转状态下的燃饶噪 声和机械噪声分离开来是不可能的，所以一般把拖动状态下的噪声当作机械噪 声，而把运转状态下的噪声扣除拖动状态噪声的部分当作燃烧噪声，严格地说， 拖动状态和运转状态的缸内压力是不同的，因此，这种消去法得到的机械噪声也 只是大致的；振动测量法是测量试验对象表面的振动量算出噪声级，测振的位置 和点数根据测定对象的面积和形状不同，一般凭经验决定；声通道法是用截面积 渐变的声通道，截面小的一头置于传声器边，大的一头置于内燃机边，一次测定 对象部件噪声的方法。最初的研究工作集中在声源探究方面，通过研究了解发动 机噪声的组成及机理，为后续的噪声控制打下了基础i s 。在国外，s p e s s e r t 等对自 喷柴油机的齿轮以及喷油泵的噪声进行了调查，提出了一系列根据载荷和速度近 似求噪声的经验公式。a l o c k , a u s t e n 和c h a l l e n 等人综述了不同时期发动机噪声研 究的进展，总结了发动机噪声的来源和降噪的措施。g r i f l i t h s 等人研究了单缸柴 油机振动的一些问题。在我国，浙江大学的郝志勇、韩军等对一台车用高速增压 柴油机的辐射噪声进行了测量试验，掌握了该发动机表面噪声级随发动机工况变 化的规律，并以发动机前端为例，利用声强法进行了发动机主要噪声源的识别研 究，为降低该型发动机的表面辐射噪声提供了有效的参考依据。重庆汽车研究所 第l 章绪论 的王勇、赵永杰：通过测量柴油机表面振动速度的方法对其进行了表面噪声源识 别的研究，首先确定了柴油机各主要噪声辐射部件。并分别测量了其表面振动速 度，分析了各部件的振动特性，通过表面振动速度计算了各主要噪声辐射部件辐 射的声功率和它们对总噪声的贡献量，得到了各主要噪声源的大小排序，从而识 别出了该柴油机的主要表面噪声源。 ( 2 ) 通过改变发电机结构来降低噪声结构的改变具体体现在结构刚度、质 量、阻尼的大小及其分布的改变，也采用包括提高零件的加工精度、减小运动件 间的间隙、改善润滑条件、改变液体流道的分布、改善燃烧等方式【6 】。可以说对 降噪的研究牵涉到发动机的各个方面。奥地利a v l 李斯特公司和德国的f e v 发 动机技术公司对发动机的噪声计算分析做了很多贡献。目前，这两家公司分别运 用有限元方法对发动机整机的表面结构噪声做了较为精确的计算。实现了发动机 在设计过程中的改进，大大缩短了发动机的开发周期。在国内，江苏大学的姜哲 等从刚度和阻尼控制的角度讨论了$ 1 9 5 柴油机齿轮室盖板的嗓声控制问题通 过增加盖板的弯曲刚度，在噪声辐射的主要频率范围内，使盖板的模态密度明显 减小，从而降低噪声辐射的声功率。 ( 3 ) 通过分析振动传递函数与噪声辐射的关系进行噪声预测随着数值计算 方法的发展、计算机性能的大幅提高和测试技术的发展，发电机噪声控制的研究 进入了全新的阶段。噪声控制研究工作者参与新型内燃机的设计和变型设计过 程，在内燃机图纸设计阶段就对结构进行噪声预测，结合燃烧的改善、激励的降 低，做出噪声评价，对发电机零部件结构实施噪声优化设计。它是将有限元模型、 输入函数和声辐射效率结合起来的分析方法，可以对发电机结构零部件的噪声和 振动进行相当准确的预测。新发展起来的受迫挠度曲线法与模态分析方法相类 似，它可以在发动机的运转状态下，用一个移动式传感器作测量基准，测量每一 个测点到基准点的传递函数，做出时域和频域的平均速度谱，找出共振频率，从 每个感兴趣的传递函数数据中获得受迫挠度曲线，得知被激励的振型”。然后与 窄带频谱峰值谱线对照后估算某一个或某一群振型将产生的振动和噪声值，对结 构零件受激振动的声固耦合研究表面，结构零件的声辐射效率是振型和频率的函 数，从有限元动力学模型中获得有关数据后，可用程序计算出振型声辐射效率与 频率的关系曲线。以有限元结构、辐射效率计算值、模态阻尼值和激励力函数作 为输入值的计算程序可计算出任何点的速度谱及各振型产生的声功率并求出声 功率谱，从而分析出对噪声起主导作用的频带，确定降低噪声最有效的零部件结 构修改方案，然后在有限元模型上进行修改后，再计算出修改结构的声功率，实 现零部件结构噪声定量分析预测，从而可对结构零件进行既满足结构功能又达到 低噪声的优化设计。这就为缩短开发周期、提高降噪的效果打下了坚实的基础， 也只有在能进行精确的和快速的噪声预测后，低噪声发动机才可能由经验设计进 北京t 业大学工学硕士学位论文 入精确设计，由概念设计进入精细设计，由定性设计到定量设计。发动机噪声预 测的理论和方法完全依赖于声学数值计算的发展。最初的噪声预测是用解析方法 计算平板的辐射噪声，并将结构简化为平板来处理。接着发展到测试不同频率下 结构的表面振动和噪声辐射，计算得出噪声辐射效率曲线，以后的噪声预测中利 用这一噪声辐射效率和表面振动来近似计算辐射噪声。进一步发展到用r a y l e i 曲 积分或边界元法来计算噪声辐射【3 】。美国新泽西州的d a n t e c 电子公司开发了用于 测量发动机旋转振动频率的一系列光学非接触式振动测量系统，包括扭振仪在 内。r h l y o n 和g e 公司通过加速度传感器采样，对旋转机构的振动信号进行频谱 分析，以此来确定故障原因。丹麦的b & k 公司发展的空间声场变换( s t s f ) 技术 提供了一种完整描述给定立体角噪声源的计算和测量方法，对噪声源进行近场测 量，并变换其声场数据至任意位置。英国噪声和振动研究所i s v r 激光实验室 研制出的激光测速仪，可以用来测量发动机表面的法向振动和旋转振动速度，以 检测发动机的运转状况和性能，并且可以作为测量发动机噪声是否降低的一种有 效手段。北京理工大学的葛蕴珊等利用复式声强测量系统进行- f l l 9 5 柴油机辐射 噪声源分析，研究了该机辐射声功率随转速负荷的变化规律，结合工作过程分析 该机辐射噪声的变化规律。 ( 4 ) 通过仿真分析来进行降噪处理随着计算机技术的迅速发展，在现代声 学研究中，广泛地应用计算机和数值计算方法是重要的趋势。有限元法和边界元 法是数值方法中的重要方面。利用有限元与边界元的声振耦合方程同时计算结构 的振动和相应的辐射声场，对完全耦合的结构动力学方程以及声场方程进行解 耦。它们对于分析界面阻抗非均匀和复杂形状的结构的内外声场的频率特性具有 显著的优点，可以真实的模拟声场的波动特性 9 9 枷。在设计的各个阶段一从概念 设计、总体设计到分总成设计、零部件设计，都可以使用虚拟样机技术，建立三 维实体模型、运动学与动力学模型、燃烧模型、传热模型、流动模型、润滑模型 后，整个发动机的性能，包括振动和噪声特性都可以进行仿真和预测。结合试验 数据，可以对模型进行修正，这样的设计过程可大大缩短开发周期、提高产品性 能、降低开发的风险。英国噪声和振动研究i s v r 激光实验室研制出的激光测速 仪，可以用来测量发动机表面的法向振动和旋转振动速度，以检测发动机的运转 状况和性能，并且可以作为测量发动机噪声是否降低的一种有效手段。奥地利 a v l 李斯特公司和德国的f e v 发动机技术公司对发动机的噪声计算分析做了很 多贡献。目前，这两家公司分别运用有限元方法对发动机整机的表面结构噪声做 了较为精确的计算。实现了发动机在设计过程中的改进，大大缩短了发动机的开 发周期。 总之，国外在近2 0 到3 0 年间，通过利用先进的理论、实用的计算技术和先 进的测试手段，在动力机械振动和噪声控制的研究与开发方面投入大量的精力， 第l 章绪论 取得了丰硕的成果。我国发电机的噪声比国外高3 5 d b ( a ) 。近年来，随着对振动 与噪声问题的日益重视，也进行了一些研究上作，取得了不少成绩。国内一些研 究人员也进行了声源探究、发电机动力学分析、振动和噪声特性分析、噪声预测 等方面的研究上作。国内的一些发动机、发电机生产厂家通过引进技术和委托开 发，发电机的振动和噪声控制水平有所提高。但无论是从研究的深度还是广度上 来看，与国外都有很大差距，缺乏系统的、深入的研究，需要我们奋起自追。 1 3 本论文研究的主要内容 本课题的主要研究内容是根据北京宝和源有限公司提供的柴油发电机组降 噪项目的要求，首先谈论了柴油发电机组噪声产生的机理以及控制方法，并阐述 了本文所要采用的降噪控制设计方案。本文主要研究的是利用理论与数值仿真相 结合的方法来降低柴油发电机组噪声。主要采用有限元和边界元的方法对发电机 组静音箱以及消声器进行声场分析，并在此基础上对其结构进行优化分析，从而 得到具有更好降噪效果的静音箱和消声器结构。本课题主要的研究内容如下： ( 1 ) 对静音箱进行降噪仿真分析在基于振动噪声以及隔声的理论基础上， 首先，将静音箱模型离散为有限数量的具有质量和弹性特性的单元，建立箱体的 有限元结构模型，运用有限元软件a n s y s 对箱体模型进行结构动态特性分析。 然后，将有限元计算获得的结构表面振动响应特性参数作为边界元声学分析模型 的边界条件或外部激励，结合边界元方法与声学软件s y s n o i s e 仿真计算出静 音箱外场辐射声压，得到结构的声学特性参数，从而获得箱体的声场特性。针对 静音箱结构动力响应结果，对箱体壁板的产生振动噪声的薄弱地方加筋处理，分 析计算箱体声固耦合模型的声场特性，从而优化静音箱结构，达到减振降噪的目 的。 ( 2 ) 对消声器进行消声仿真分析以消声器的消声原理为基础，建立了抗性 消声器有限元计算的数学模型，综合运用消声原理与a n s y s 与s y s n o i s e 软件 平台，实现对消声器数值仿真分析。首先建立并分析简单扩张室消声器消声性能 的理论与数值仿真结果，并通过将两者的传递损失进行比较来验证数值仿真计算 消声器消声性能的正确性。其次针对消声器的消声特点，提出改进设计方案：本 文主要对不同腔室的消声器进行仿真模拟与分析，从简单扩张室消声器到三腔室 消声器进行逐步的设计分析，得出结构参数的改变对消声器消声性能的影响，从 而获得优化的消声器结构。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章发电机组噪声的控制分析 柴油发电机是一种把燃油的化学能转化为电能的机电一体化设备。在现代化 程度日益提高的今天，特别是随着计算机网络以及通讯事业的蓬勃发展，柴油发 电机组被广泛应用于企事业单位以及施工场所，这样就使得柴油发电机组有了广 阔的发展空间。但是它在为人们提供便利的同时，也因为机组自身存在的噪声、 排放等问题( 运行时噪声高达1 0 0 - 1 2 0 d b ( a ) ，呈低频特性) ，影响着周围的生存 环境。所以如何克服这个问题成了柴油发电机组应用和发展的关键。 2 1 发电机组噪声的来源 柴油机发电机组噪声是一个由多种声源构成的复杂声源，它的主要噪声源是 内燃机的捧气噪声、进气噪声、冷却风扇噪声、燃烧噪声、机械噪声和电磁噪声 掣1 ”。 2 1 1 排气噪声 内燃机工作时，汽缸内的高温高压废气随排气口间断开闭周期性地喷射到 排气管内，排气管口排出高温高速的脉动气流，由此产生周期性的排气噪声。排 气过程一般分为两个阶段，即自由排气阶段和强制排气阶段。内燃机废气从排气 门高速冲出，沿排气歧管进入消声器，最后从尾管排入大气，在这一过程中产生 了宽频带的排气噪声。排气噪声包含了复杂的噪声成分：以单位时间内排气次数 为基频的排气噪声、管道内气柱共振噪声、排气歧管处的气流吹气噪声、废气喷 注和冲击噪声、汽缸的赫姆霍兹共振噪声、卡门涡流噪声及排气系统内部的湍流 噪声等。 捧气噪声是内燃机的主要的声源，频谱特性为低频为主的宽带噪声，噪声 级高达1 0 5 - 1 2 5 d b ( a ) ，峰值一般为6 3 2 5 0 h z 。排气噪声的主要频率厂( h z ) ： 厂：坐( 2 1 ) 6 0 t 式中置发动机的汽缸数： 万发动机每分钟的转速( r r a i n ) ； r 发动机的冲程数 内燃机捧气噪声的强度与发动机的功率、转速等因素有关，并随着发动机的 转速及负荷的变化而变化 第2 章发电机组噪声的控制 2 1 2 进气噪声 进气噪声是柴油机组的主要空气动力噪声之一，主要有机组机械噪声、发电 机噪声和气流噪声风。它是由进气门的周期性开启与闭合而产生的压力起伏变化 而形成的。当进气门开启时，在进气管中产生一个压力脉冲，而随着活塞的继续 运动，它受到阻尼当迸气门关闭时，同样产生一个有一定持续时间的压力脉冲。 于是产生了周期性的进气噪声。其噪声频率成分主要集中在2 5 0 h z 以下低频范 围。与此同时，当气流以高速流经进气门流通截面时产生湍流脱体，导致高频噪 声的产生，由于进气门通流截面是不断交化的，因此湍流噪声具有一定的频率范 围，主要集中在1 0 0 0h z 上的高频范围。进气管空气柱的固有频率和周期性进气 噪声的主要频率一致时，空气柱的共振噪声在进气噪声中也会较为突出。 2 1 3 冷却风扇噪声 风扇噪声由旋转噪声和湍流噪声构成。旋转噪声是由于风扇的叶片周期性地 切割空气，引起空气的压力脉动产生的以叶片通过频率为基频，并伴有高次谐 波。湍流噪声是由于风扇运动导致的周围空气发生湍流脱体，使空气发生扰动， 形成的气体的压缩与稀疏过程而形成的，是一个宽频带噪声。风扇噪声一般可达 1 0 0 r i b ( a ) 左右。冷却风扇噪声受转速的影响最大，转速提高一倍可导致其声级增 加l 肛1 5 d bt a ) 。在低速时风扇嗓声要比发动机噪声低很多，而在高速时，往往 会成为主要的噪声源。 2 1 4 表面辐射噪声 发电机组表面辐射噪声可以分为燃烧噪声和机械噪声。燃烧噪声是由周期性 变化的气缸压力作用而产生的，通常是将由于气缸内燃烧所形成的压力振动通过 缸盖、活塞连杆曲轴机体向外辐射的噪声。它主要决定于燃烧方式和燃烧 速度。机械噪声是由发动机的不平衡惯性力和不平衡惯性力矩使发动机振动所引 起的噪声以及机组工作中的振动所引起的噪声等。它是将活塞对缸套的撞击，齿 轮、配气机构、喷油系统等运动件之间的机械撞击振动而产生的噪声。它主要包 括活塞的撞击噪声、齿轮机构噪声、配气机构噪声、高压油泵噪声、轴承噪声、 不平衡惯性力引起的机体振动和噪声等。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 发电机组噪声控制措施 就柴油发电机组而言，针对以上分析的噪声源，为了达到降噪目的，噪声控 制措旄一般采取两种方式：一是从噪声源上减少噪声：二是在噪声传播途径上进 行控制，使噪声在传播过程中衰减。 2 2 1 从噪声源上减少噪声 柴油发电机组的噪声源包括发动机、发电机、发动机散热器风扇，另外，还 有机组本身工作中的振动。在发动机、发电机和散热器风扇的制造中，为了减小 机械性噪声，各相对运动的部件之间应选用合理的配合间隙，应有良好的润滑； 转动部件应使用材质均匀的材料，应有良好的动平衡；风扇叶片采用能减小气流 噪声的机构：机组结构的固有频率应避开发动机的转速点和怠速点；在机组的转 配中，设计的结构和制造误差应尽量减小装配应力，紧固件应牢固的锁紧；机组 和地盘之问应采用良好的减震措施，尽可能减小机组振动而引起的噪声。对声源 进行控制是最根本的噪声控制措施，但就目前的技术水平来看，大多的设备产生 的噪声不能满足人们的要求，所以要减少这种噪声源的噪声在目前还没有行之有 效的办法，还应靠其它方法对机组降噪。 2 2 2 从传播途径上进行噪声控制 2 2 2 1隔声设计隔声是噪声控制工程中常用的一种技术措施。在噪声传播途 径中，利用各种板材及其构件与接收者分隔开来，使噪声在空气中传播受阻而不 能顺利地通过，以减弱噪声对环境的影响。 隔声技术是利用隔声体使部分声波的传播方向改变，部分声能被反射，部分 透过构件。使穿透该物体的声波能量减弱，如图2 - 1 所示，从而降低隔声体另一 面的噪声。物体的隔声量与构件的面密度和声波激发频率有关。面密度越大，惯 性阻力越大，越难激发振动，声波越难投射，其隔声量也越大。所以在设计时应 尽量选择面密度大的材料作为箱体壁板。 - 8 - 第2 章发电机组噪声的控制 反射声 入射声 ， 透射声 嬲 燃髻l 入射声能髟豸豹 一 北京工业大学工学硕士学位论文 抗性消声器是利用反射和干涉效应控制声抗的大小来消声，它是借助于管道 截面的突然扩张或设置扩张室，使沿管道传播的声波被吸收和反射而衰减。主要 适用于消除低、中频率的窄带噪声，对宽带高频的噪声效果较差。 阻性消声器是一种能量吸收性消声器，它借助于装置在管道上吸声材料的吸 声作用，使沿管道传播的噪声随距离而衰减，达到消声的目的。它适用于消除中、 高频率的噪声，消声频带范围较宽，对低频噪声消声性能较差。 阻抗复合型消声器可以同时得到高、中、低频率范围内的消声效果，但它加 工复杂，造价高。 2 3 本文采用的降噪设计 通过以上的分析，针对机组主要噪声源的分布以及噪声特性，为了有效的降 低柴油发电机组运行时的噪声，本文以s c a n i a s g 2 0 0 柴油机组为研究对象， 综合利用隔声、吸声和消声等控制技术设计了发电机组的静音箱结构，结构设计 方案如图2 - 3 所示，为了机组通风散热，所以在箱体的左右侧板处都设有进气， 排气口，为了防止噪声从进、排风风道向外传播，进、排风风口各安装一板式消 声器，本文则主要针对其中的静音箱体以及排气管道抗性消声器的结构进行优化 设计分析。 ( 1 ) 采用静音箱体为了降低发电机组的辐射噪声对周围环境的干扰程度， 本文设计将发电机组的内燃机、发电机的主要机械设备均安装在一个封闭的空间 箱体内，在这里称之为静音箱。为方便拆除与整体移动，箱体结构采用的是整体 组装式结构，材料为金属钢板，内侧贴附岩棉吸声材料，使的箱体内部的平均吸 声系数厅0 5 。这种设计是为了将机组的主要噪声源封闭在静音箱体内，使噪 声经箱体衰减后传出箱外，以达到降噪的目的。 静音箱的隔声效果通常用插入损失l ( d b ) 来表示，它是指噪声源在设置了静 音箱前后在箱体外同点位置上的声压级差或声功率级差。 l = l o i o g ( 1 + 厅f ) ( 2 - 2 ) 式中厅静音箱体内衬帖材料的平均吸声系数； f 静音箱体壁板的平均透射系数 ( 2 ) 安装排气消声器因机组排气管是柴油发电机组的最大噪声扩散源，所 以最简单、有效的方法就是在排气管上安装消声器。由于柴油发电机组的排气噪 声主要集中在中、低频率范围，因此本文主要以抗性消声器为研究对象。 第2 章发电机组噪声的控制 排气消 图2 3 柴油发电机组噪声控制设计方案图 f i g u r e2 - 3t h ed e s i g n # a no f n o i s ec o n t r o lo f d i e s e lo i lp o w e fs e t s 2 4 本章小结 进气消声器 本章通过对柴油发电机组噪声源分布及其控制特点分析，综合利用隔声、吸 声和消声等噪声控制技术，制定出本文将要采取的发电机组的降噪方案，并对其 结构做了简要描述。 北京工业大学工学硕士学位论文 第3 章噪声控制分析基础 噪声和振动是密切相关的，振动是噪声的主要来源。物体振动时激励着它周 围的空气质点振动，由于空气具有惯性和弹性，在空气质点的相互作用下，振动 物体四周的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播而形成声波。而噪 声是那些不规则的、间歇的或随机的声振动。因此，振动和声学理论是研究噪声 控制所必须具备的基础知识。 3 1 振动基础理论 在我们生活的这个世界上，振动现象无处不在。物体在振动过程中，某些物 理量( 比如位移、速度、加速度等) 时大时小，发生周期性变化。所以振动学的 研究范围十分广泛，振动学基础理论是研究振动系统的固有特性( 模态) 以及 在外界激励下的响应【13 1 。改变激励特性或改变结构的动力特性都将改变被激起的 振动响应。如果结构的任何一个固有频率被激励，那么都会发生共振现象，从而 形成大振动、高等级噪声。所以对振动学基本理论的研究是获得结构发生机理及 声辐射的必须环节。 任何物体都具有一定的几何尺寸，但是一定的假设条件下，可以用质点振动 系统来描述。所谓的质点振动系统，就是假定：构成振动系统的物体。不论几 何尺寸大小如何，都可看作是一个物理量集中的系统。对于这种系统，质量块的 质量认为是集中在一点的，这就是说，构成整个振动系统的质量块与弹簧，他们 的运动状态是均匀的。在这种假设下，实际振动物体的振动分析就变得较为简单， 而研究获得的振动规律也比较清晰和直观 单自由度系统是最简单的离散振动系统。其关于位移的物理参数模型( 振动 微分方程) 为： m e l + 的+ 幻= f ( t )( 3 - 1 ) 式中q 、香、卓分别为质点的位移、速度、加速度； ，( f ) 激励力： m 质量； c 粘性阻尼系数； k 刚度； t 时问 第3 章噪声基础理论 令( f ) = o ，得到单自由度系统的自由振动微分方程： m 彳+ c 香+ k q = 0( 3 - 2 ) 绝大多数振动结构可离散成为有限个自由度的多自由度系统。多自由度结构 的振动分析和单自由度的分析方法原理相同，不同之处是其分析增加了模态这一 重要概念。所谓模态是多自由度线性系统的一种固有属性，可由系统的特征值与 特征矢量两者共同来表示。所以，要了解多自由度结构的动力学特性，首先应该 掌握它的各阶模态的振型和固有频率。结构的各阶模态参数是通过求解多自由度 结构振动方程得到的。对于一个n 个自由度的振动系统，需用n 个独立的物理坐 标描述其物理参数模型。那么具有n 个自由度的振动系统的振动微分方程为： f 辱 + c 尊 + 足 g ) = f ( f ) ( 3 3 ) 式中 q ) 、 雪 、 劬分别为各质量的位移，速度、加速度； 膨、c 、k 分别为系统的质量、阻尼系数、刚度系数矩阵； f ( f ) 作用于系统的外力列矩阵 令 ，o ) = 0 ，则得到多自由度系统的自由振动微分方程： 肼 茸 + c 口) + 置 g = o ( 3 - 4 ) 由式( 3 - 4 ) 可得到系统的模态参数模型，即系统的模态频率、模态矢量、模态 刚度、模态阻尼等参数。 3 2 声学基础理论 声音通过介质传播，但介质本身并不随声音一起传播出去，它只是在平衡位 置附近来回振动。声音的传播过程也就是振动的传播过程，传播的是物体的运动， 而不是物体的本身，这种运动方式叫做波动。声波本质上是一种机械波，只能在 弹性介质中传播，因此，弹性介质的存在是声波传播的必要条件，其媒质的性质 直接影响到声波的特性i l 。由于理性流体介质在体积改变时产生弹性恢复力，但 不出现切向恢复力，所以理想流体介质中声音传播的方向与介质质点振动的方向 是一致的，我们一般研究的就是这类纵波。 3 2 1 声学基本参量 3 2 1 1声压及声压级 声压是指声波传播时介质中一点的瞬态压强与静态压 北京工业大学工学硕士学位论文 强之差值，即逾量压强。存在声压的空间称为声场。声场中某一瞬时的声压值称 为瞬时声压，用p 来表示，单位为帕( p a ) ： p = p o ,( 3 5 ) 式中声阻率； c 声波在介质中的传播速度； v 质点的运动速度； p 介质密度 对空气，当温度为2 0 x 2 ，压强为标准大气压下，密度p 为1 2 1 堙m 3 ，速 度c 为3 4 4 m , * ，声阻率肛为4 1 5 姆m 2 8 。 在一定时问间隔中，瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压，用见来表 只2( 3 6 ) 声压级的定义式为： ，= 2 0 l g 丝( 3 7 ) 。 风 式中厶声压级( d b ) ； b 待测声压的有效值( p a ) ； 风参考声压，在空气中一般取2 1 0 。帕( p a ) 3 2 1 2 声强及声强级声强是指在垂直于声波传播方向的单位面积上的单位 时间内通过的平均声能。通常用，来表示，单位为瓦米2 ( w i r e 2 ) ： ，= p c( 3 8 ) 在空气中，通常刚刚可以听见的声音的声强只有1 0 “2w i r e 2 ，与此相应的声 压有效值见= 2 x l o 。帕。在声学中叫“听阙”，取听阙的声强，也就是l o - 2w m 2 ， 记作，o 声强级的定义式为l ，= l o l g 丢 ( 3 - 9 ) 第3 章噪声基础理论 式中 厶声强级( d b ) ； ，待测声强 3 2 1 3 声功率声功率是指声源在单位时间内向外辐射出的总声能，用来表 示，单位为瓦( 、聊。 3 2 2 理想流体介质的三个基本方程 所谓理想流体介质，就是介质在运动过程中没有能量的损耗，即介质是无黏 的。在流体介质中声波传播过程的研究中，还必须假设介质是连续、静态和均匀 流体，并且在介质中传播的是小振幅声波。 声振动作为一个宏观的物理现象，必然满足三个基本的物理定律，即牛顿第 二定律、质量守恒定律以及描述压强、温度与体积等状态参数关系的物态方程。 运用这些基本方程就可推导出可以表示理想介质中声波传播的基本规律三个方 程：连续方程，即v 与介质密度增量之间的关系；以及物态方程，即p 与p 之 间的关系。 ( 1 ) 运动方程 p 害：一宅 ( 3 1 0 ) p 瓦一言 ( 孓l o ) 它描述了声场中声压p 与质点速度v 之问的关系。 ( 2 ) 连续性方程 一丢( 而= 挈( 3 - 1 1 ) o t僚 它描述了介质质点速度v 与密度p 间的关系。 ( 3 ) 物态方程 d p = c 2 d p ( 3 1 2 ) 它描述了声场中压强p 的微小变化与密度p 的微小变化之间的关系。 ：r d p 、 矿2 l 石j ， ( 3 1 3 ) 式中j 表示绝热过程： c 2 代表了声传播的速度，在一般情况下并非常数，仍可能是尸或p 的 函数。 北京工业大学工学硕士学位论文 3 2 3 小振幅声波的三维声波方程 在小振幅情况下，经过对三维运动方程、连续方程及物态方程的线性化近似， 可以获得理想流体介质中声波声压，的三维波动方程： v 2 ，= 丢c 窘 ( 3 - 1 4 ) 式中v 2 一拉普拉斯算子v 2 = 导+ 等+ 蔷； c 流体介质中声的传播速度c = j i 。石； 岛平均流体密度；足是流体体积模量； p 一声场中任一点的声压函数( r p p ( x , y ，：) ) ； f 时间 3 4 本文采用的数值方法及其使用的软件 基于上述的理论基础，可以对不同结构的振动噪声进行分析。随着计算机技 术的发展，数值计算能力大大提高，这使得有限元及边界元技术在结构振动与声 辐射方面的应用更为广泛。有限元法与边界元法在很多方面具有优势互补性，因 此两种方法的结合使用越来越受到人们的重视。对于需要进行非线性分析的区域 采用有限单元法，而对进行线弹性分析或具有无限域或半无限域边界的区域使用 边界单元法，充分发挥各自的长处，从而提高计算精度和计算效率【l 习。 目前已出现了较成熟的有限元及边界元软件，如美国a n s y s 公司开发的有 限元a n s y s 软件和比利时l m s 公司开发的声学分析软件s y s n o i s e 。它们已 成为c a e 和工程数值模拟的有效工具，是当今商用c a d c a e c a m 软件的主流 产品之一。 3 4 1 数值理论方法 3 4 1 1 有限元理论有限元( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) ，也称为有限单元 法或有限元法，是是一种很有效的数值计算方法，是解决实际工程问题的一种有 力的数值计算工具。它能对工程实际中几何形状不规则，载荷和支撑情况复杂的 各种结构进行变形计算、应力分析和动态特性分析。它是一种将弹性理论、计算 第3 章噪声基础理论 数学和计算机软件有机的结合起来的数值分析技术。最初这种方法主要用于验机 复杂的飞机结构的应力，由于其具有灵活、快速以及较好的有效性等优点。其基 本思路把一个连续的弹性体化分成有限多个彼此只在有限个节点处相互连接的、 有限大小的单元组合体来研究。也就是用一个离散结构来代替原来的结构上进 行。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方式【l6 】。理论上， 确认有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。简单的说，有限元法是种 离散化的数值方法。离散后的单元与单元间只通过节点相联系，所有理合位移都 通过节点进行计算。对每个单元，选取适当的插值函数，使得该函数在子域内部、 子域界面( 内部界面) 以及子域与外界分界面( 外部边界) 上都满足一定的条件。 然后把所有单元