风冷式柴油发电机组降噪研究

风冷式柴油发电机组降噪研究

李小鹏

广州威能机电有限公司广东广州511490

摘要：随着工业化、农业化进程的推进，我国对于风冷式柴油发电机组噪声研究性的课题越来越多，从目前的研究中可发现,静音箱体在外形尺寸的限制性条件下,风冷式柴油发电机噪声产生根源和频率特性的差异，使得其设计采用钢板、隔声毡、岩棉板，以及微穿孔板作为复合型的结构，对其进行隔声和吸声方面的处理。借此，本文就对风冷式柴油发电机组噪声、噪声源构成和源强估算、风冷式柴油发电机组降噪技术，以及静音箱体降噪等进行分析和探究。

关键词：风冷式；柴油发电机组；降噪；静体音箱；静音消声器

引言

风冷式柴油发电机组自身具备良好的低温启动性和适应性，通常在通信、医疗、军事等领域内运用，尤其在军用领域内的应用程度最高，高低温性能和噪音的要求非常高。风冷式柴油发电机组自身不仅要有冷却风扇，而且还需要根据机组的散热要求对其安装方式进行具体性处理。因此，对风冷式柴油发电机组降噪能够有更进一步的研究，对于我国风冷式柴油发电机组的整体性技术提升具有极大的意义。

一、风冷式柴油发电机组噪声分析

柴油发电机组主要是由柴油发电机、发动机、控制系统这三部分构成，如果不采取任何降噪措施，那么，发动机的噪声声压等级在90dB到120dB之间，完全高于人类正常的承受范围，故此，对噪声必须进行全面控制，需要采取有效的技术手段应对，从而保障人类生活不受影响。

1.1内燃机排烟噪声

内燃机排烟噪声属于一种温度较高且速度快的脉动性气流噪声，噪声成分较为复杂，频率带也比较宽，并且在运动期间还会伴随着大量的热能，这是风冷式柴油发电机组噪声控制的重难点。

1.2排气噪声

排气噪声指的就是静音箱体出风口处的噪声，其中包括排风噪声、风扇噪声、气流噪声。因为静音箱体通常都会采用强制排风的方式，所以，在排风期间，产生的噪声大、生源多，噪声等级较高。

1.3燃烧噪声

燃烧噪声指的就是发动机在运行的过程中，在通过缸体表面的时候产生的噪声。转速、冲程、缸数、制造精度的差异等决定着燃烧噪声的大小。

1.4进气噪声

进气噪声指的是静音箱体进气处的噪声，其中包括静音箱体通风口处的进气噪声、发动机进气噪声等，进气噪声的大小主要是与进气时与进气管长度、空气过滤器、静音箱体开口角度息息相关。

1.5机械噪声

机械噪声主要是因为机组在运行的过程中由于振动的缘故产生的噪声。所以，通常在机组周围做好减振的措施是必要的环节，但是，在运行期间所形成的低频噪声是由静音箱体内部产生共振而导致。

二、噪声源构成和源强估算

2.1声源构成

柴油发电机的噪声源构成比较复杂，通常，按照产生的原理分为三类，即燃烧噪声、机械振动噪声、空气动力性噪声。其中包括风扇噪声、燃烧噪声、机械传动噪声、结构响应噪声、活塞运动噪声、排气噪声，以及表面辐射噪声等。

2.2源强估算

柴油发电机在转动的过程中，排出的废气主要是以脉冲的形式排除排气口，所以，柴油发电机排气噪声的基频公式如下：，其中，Z指的是柴油发电机的气缸数量；n指的是柴油发电机的转速，单位是r/min，f指的是柴油发电机的行程数，二冲程气缸f=1，四冲程气缸f=2。柴油发电机的整体噪声强度主要是由发电机的转速和气缸的直径来决定的，所以，在局里发电机外壳1m的地方，其平均声级计算公式如下：

直喷式柴油发电机L=39lgN+50lgD-48.5-ΔL；间喷式柴油发电机L=43lgN+60lgD-98，其中，式中的ΔL指的是修正值，气缸数量大于4的时候，ΔL是0；气缸数量是3的时候，ΔL是2；气缸数量是1的时候，ΔL是3。

三、风冷式柴油发电机组降噪技术分析

对于风冷式柴油发电机组进行噪声控制，首先，就是要减少噪声声源处的噪声；其次，对机组全局的噪声进行综合性的控制；最后，根据噪声产生机理的差异，做好相应的降噪处理。

3.1消声措施

风冷式柴油发电机组在排气的过程中，使用的是消音器，然而，根据发动机排烟噪声特有的特性，消音器有抗性消声器、阻性消声器、阻抗复合型消声器这三种类型，通过对排烟管道和扩张室合理性的设计，就可以使其达到良好的降噪效果。

3.2隔声措施

对静音、超静音发电机组进行降噪处理的最好方式就是对发动机噪声源进行处理。通常会采用材料面密度比较大的隔声材料，所以，在风冷式柴油发电机组设计的过程中，要根据具体隔声量的大小对隔声材料和材料的厚度进行选择。

3.3减振措施

发动机和发电机在运行的过程中，都会产生不同程度的振动，由于这种机械性的振动，不仅可以产生大量的噪声，而且还会影响机组的使用性能，所以，在进行机组减振处理时，要采用减震器，或者是隔振器。另外，在进行设计工作时，必须充分的考虑到机组振动频率与减振器振动频率的差异，将原有的频率隔开，从而避免出现共振的情况发生。

3.4吸声措施

在做降噪处理时，通常使用隔声材料，还可以借助静音箱体来吸声，以此达到降低噪声的目的。静音箱体一般采用的吸声材料有玻璃棉、岩棉板、聚氨酯泡沫塑料等，这些材料自身具有多孔性的特性，声波进入到材料的表面，使得材料孔中的空气与纤维产生振动，在内部摩擦和粘滞阻力的作用下，将声能转化为热能，最终实现降噪。

四、静音箱体降噪和静音消声器降噪分析

4.1静音箱体降噪分析

4.1.1隔声计算

静音箱体不仅可以有效的将机组噪声向外传播的途径隔断，而且还可以有效的降低机组的噪声。由此可以看出，隔声材料的使用是可以通过一系列的反射、折射将声波减弱，使箱体内部的噪声传播方向发生变化，达到降低噪声的目的。所以，隔声量的大小与隔声材料的中心频率、面密度息息相关。单层隔声材料的隔声量公式如下：，其中，m是板的面密度，单位是kg/m²；f是声波激发频率，单位是HZ。

由此可见，当隔音材料面密度越大时，振动的频率就会越低，那么，噪声穿透隔音材料的几率就越低。故此，在不影响静音箱体运行的情况下，尽可能的采用面密度较大的隔音材料。当然，由于柴油发电机组的噪声源比较复杂，声波的频率也各有差异，所以，常用的隔音量公式如下：，其中，m是板的面密度，单位是kg/m²。

4.1.2吸声计算

在静音和超静音柴油发电机内，静音箱体的隔音材料与吸音材料结合在一起，整个箱体经过折射、反射作用，声波叠加在一起，声级与声压都同时增强。其中，内衬的吸音材料将反射过来的声波能量吸收，在内部将其转化为热能，或者是机械能，这个转化的过程就是一个将声波能量逐渐降低的过程。吸音量公式如下：，其中，是吸音材料前表面吸音系数；吸音材料后表面吸音系数。

4.1.3排烟消声器降噪计算

发动机排烟消噪声产生的主体主要就是机组，所以，必须在排烟消声器的设计环节中进行排烟噪音的处理。即阻性消音器消声量公式如下：，其中，ɑ是平均吸声系数；P是内衬消声材料厚截面的有效周长，单位是m；S是内衬消声材料后消声通道的有效截面，单位是m²；L是消声器的有效长度，单位是m。

4.1.4减振计算

柴油发动机在工作的过程中，气缸内部的点燃力可以使得曲轴等运动部件产生偏心力，发动机产生振动，这样的机械振动不仅可以产生大量的噪音，而且还会在一定程度上影响机组的稳定性，所以，必须要在设计环节做好减振处理工作。下面将机组减振模型等效作为一个悬置的胶标准模型，其频率比是：，其中是强制振动频率；是自振固有频率。

4.2静音消声器降噪分析

静音消声器主要分为阻性静音消声器、抗性静音消声器和阻抗复合型静音消声器。阻性静音消声器借助的是吸声材料与声波之间的摩擦，将能量转化成热能；抗性静音消声器是借助管道突变的截面产生反射、折射，将其声波波长增长，实现降噪；阻抗复合型静音消声器综合了前两者的优势，实现最大限度的消声。

根据上述的隔音和吸音计算结果可以看出，选择原有的频率，即6.5HZ无谐振峰减振器，静音箱体通风口进风面积和排风面积要保持一致，设计出20KW的风冷式柴油发电机组外形图。如图1风冷式柴油发电机组外形图。

图1风冷式柴油发电机组外形图

4.3静音箱体降噪层设计

在进行静音箱体降噪层结构设计的过程中，由外到内，依次分别是2mm厚的钢板和厚隔声毡、1mm厚的铝制穿孔板、45mm厚的优质岩棉板，另外，穿孔板的穿孔率要保持在25%的水平范围内，穿孔直径要求1mm，只有达到这样要求的静音箱体降噪层结构，才能保证该箱体重量轻、隔音、吸音效果最佳。在该结构中，首先，钢板发挥隔声的作用是最为显著的，虽然隔声毡这种材料在单独使用过程中，隔声效果也比较好，但是，这种材料内损较为严重，成本较高，所以，同钢板结合在一起使用，不仅可以发挥良好的隔声效果，而且在一定程度上，还可以达到减振的目的；其次，岩棉板发挥吸声的作用是最为显著的，尤其是对于高频噪声使用效果最佳，在使用期间，还可以起到消除材料空腔中驻波，降低声压得效果；最后，铝制穿孔板发挥固定整个降噪层的作用，与岩棉板共同形成一个共振吸声结构，实现吸音降噪。

在静音箱体的排风口设计中，一般都会采用直接冲孔和防雨降噪百叶窗相结合的方式，保障箱体不受外界天气的影响。所以，采用直接冲圆孔的设计相对于百叶窗而言，优势是比较显著的。虽然这种窗体通风效率低，但是降噪效果却是极佳的。

4.4静音排烟消声器设计

柴油发动机在排烟的过程中，通常都会带着大量的热能和噪声，所以，风冷式柴油发电机组采用双层穿孔板加玻璃纤维，并且在内部添加阻抗复合型的消声器，消声器不仅可以扩张的比例达到了12，功能损耗降低，而且噪声的频段都集中在某个阶段，降噪效果非常显著。如图2静音消声器结构图。

图2静音排烟消声器结构图

其中，1表示法兰；2表示消音器外壳；3表示玻璃纤维填充物；4表示穿孔板；5表示阻性消声部件；6表示抗性消声部件。

4.5冷却风量设计

静音与超静音型的柴油发电机组在进行降噪处理的过程中，不仅会损耗柴油发动机自身的有功功率，而且还会给机组冷却带来极大的负担，从而使风冷式柴油发电机组在降噪处理时难度系数较高，在采用强制性的排风手段之后，必须要对箱体的通风面积扩大，保障机组在满载和过载的情况下，能够正常运行。但是大的通风面积就意味着大的噪声，所以柴油发电机组需要通过一定的高低温实验。如在50摄氏度的高温度下，满载11个小时；在过载10%的条件下，运行1个小时；在零下40摄氏度的温度下，完成机器的启动工作。虽然高低温对机组的运行功率有着直接的影响，但是在设计的过程中，只要在初期对发电机、发动机的性能、功率等方面进行全方位的核算和分析，同时对冷却风做出最准确的计算，那么，保障机组在高低温状态下运行不受影响也是必然的结果。

五、结语

综上所述，在风冷式柴油发电机组降噪研究的过程中，明确规定柴油发电机组的外形大小、常用功率、备用功率、低噪音、冷却方式，高低温适用条件等指标，所以，基于保障机组的各项指标合格，需要通过借助适当厚度的钢板、岩棉板、隔声毡，以及微穿孔板等复合使用，确保其具备完美的隔声和吸音效果。此外，需要通过对发动机热量、功率损耗的计算，得出一个准确的冷却空气流量，选择适当的适风量和风压量，为柴油发电机组降噪的进一步发展积累大量的数据和经验。

参考文献：

[1]张军刚，孟海军，郭振.军用通信车用全水冷超静音柴油发电机组设计技术.通信电源技术，2012-02-09.

[2]高丕周.小型风冷航空发动机缸体散热研究.机械制造，2010-04-08.

[3]曹春荣.船用汽轮发电机组齿轮传动减振降噪技术研究[J].船舶工程,2011-07-15.