6135發電機組低噪聲方艙電站設計研究

張振海，劉 江，孫志峰

（1.重慶通信學院 營房科，重慶400035；2.重慶通信學院 軍事目標特征控制，重慶400035；3.重慶通信學院 移動通信，重慶400035）

0 引 言

6135型固定柴油發電機組做為通信后備電源，其噪聲聲壓級高，分布頻帶寬，不但對通信臺站的正常值勤產生強烈的干擾，同時聲振特征信號也易于遭受敵方的偵測打擊。研制低噪音方艙電站就是為了解決這一突出問題，通過降低發電機組的噪聲，最終提高其戰場生存能力。作者通過對該機組噪聲倍頻程的測量，分析掌握了其噪聲分布規律；通過對機組聲強的測量找出其主要噪聲源，并針對機組的噪聲分布及頻譜特性，設計出了符合降噪要求的雙層隔聲罩結構。

1 噪聲頻譜分析及主要聲源的識別

為了加強對發電機噪聲源的識別，為消聲降噪結構設計提供相應的參考，在此以6135型柴油發電機組為實驗研究對象，機組在加載50kW的穩態工況下進行噪聲測試。

試驗是在本實驗室電源機房中進行，機房房頂較高，面積大于1 000m2，且背景噪聲低于50dB。測試對象為帶載50kW的6135型柴油發電機組，機組外形尺寸為3 000mm×900mm×1 550mm。為了將整體噪聲與排氣噪聲分開，發電機機組排氣管通過管道直接通入地下排煙通道。

圖1 機組噪聲測量示意圖

為準確定位各個測點，用角鋼和細鐵絲拉出測量網格，每個網格尺寸大小為300mm×300mm。對包圍機組的前、后、左、右和上表面進行測量（圖1）。測試儀器為B＆K公司生產的2260聲學測量分析系統。為提高測量精度，將測量探頭靠近發電機組的表面以降低干擾，因此設置測量面距發電機組外圍尺寸0.1m，各個面上的網格數目分別為11×6（機組正面和背面）、5×6（機組左面和右面）、11×5（機組頂面）。同時對各個面上的網格節點進行編號，聲強探頭與測量面保持垂直。為減少發電機組散熱風扇及發電機出風對聲強測量的影響，在測量風速較大部位的聲強時，在測量探頭上加裝防風帽。

從圖2噪聲頻譜圖上可以看出機組噪聲分布頻段較廣，機組各個表面的噪聲有兩個峰值頻率，其中以頻率為10kHz的噪聲最為強烈，最高達110dB（機組左側面），另一個噪聲較高的頻率處于500～4 000Hz處。

圖2 發電機組噪聲倍頻呈頻譜分布圖

圖3 各個測量面的聲強等高線圖

從發電機組包絡面的聲強測試等高線圖（圖3）中可以看出發電機組噪聲主要可以分為三個區域：分別為發動機噪聲區、發電機噪聲區和排風扇噪聲區。其中排氣扇區的噪聲聲壓級為最高，達110dB，峰值點位于排風扇的中下方；發動機噪聲區的噪聲聲強級僅次于排氣扇區域，最高達106.5dB，峰值點分別位于機油泵上方，油底殼以及調速器區域。發電機區域的噪聲普遍偏低，最高為100dB左右。從聲壓等高線圖整體分析，發動機兩側的噪聲聲強級整體偏高，等高線梯度變化小，發動機與發電機聯軸器以及發動機與水箱之間的聲強等高線梯度變化劇烈。

2 降噪結構設計

2.1 總體結構設計

發電機組在運行過程中會產生各種類型的噪聲，且噪聲分布范圍較廣，單純某一種噪聲控制方式很難有效解決機組的噪聲污染問題。為此，根據測量分析，結合機組噪聲分布和頻譜特點，方艙內空間主要分為四大噪聲區域以方便噪聲的控制，分別為發電機噪聲區、發動機噪聲區、內燃機排氣噪聲區和水箱風扇排氣噪聲區，對每一部分有針對性地分別處理，根據這個觀點設計靜音箱結構簡圖，如圖4所示。

圖4 靜音箱模擬結構簡圖

2.2 吸聲和隔聲量計算

為確保隔聲結構的效果，隔聲罩采用金屬鋼板，但由于金屬鋼板為剛性壁面，機組噪聲遇到內壁易形成多次反射，造成混響和聲能量的迭加，艙內聲壓級可因此增加3～5dB（A）。為消除混響，又不致影響隔聲性能，采用穿孔板后貼纖維吸聲材料的結構，這樣既可保證吸聲降噪效果，又不占用有限的空間。

吸聲材料或吸聲結構的吸聲性能好壞，主要用其吸聲系數的高低來表示。吸聲系數是指聲波入射到物體表面時，其能量被吸收的百分率，即被吸收的聲能與入射總聲能之比，通常用符號α來表示。吸聲材料種類繁多，設計中吸聲材料的選擇主要考慮以下幾個方面：

（1）吸聲材料的吸聲能力和頻段

在選用吸聲材料時，首先應滿足有利于降低聲波頻譜中峰值頻段的噪聲，因為聲能量主要集中在幾個峰值頻率，噪聲峰值降低了，總的噪聲輻射就可明顯降低。柴油發電機組的噪聲集中在中、低頻段，為此吸聲材料應在中、低頻段有較高的吸聲系數。在厚度不變的情況下，材料的容重越大則其吸聲頻率就越向低頻方向移動，其吸聲系數就越大。

（2）吸聲材料的物理特性

發電機組工作時散發大量熱量，內層隔聲結構內空間有限，加之相對封閉，因此穩態溫度是比較高的。所以還應充分考慮吸聲材料的耐熱和安全性能。

綜合以上因素，將吸聲材料選定為體積密度為32kg／m3的無堿超細玻璃棉。超細玻璃棉的吸聲特性見表1。

表1 超細玻璃棉的吸聲特性（混響室法）

由以上數據可知，所選用的超細玻璃棉不僅在高頻，而且在中、低頻也有較好的吸聲效果，而這種吸聲特性正符合是柴油發電機組噪聲的頻譜特點，所以選擇超細玻璃棉是合適的。

有限空間內的吸聲效果常用吸聲量A來表示：

則超細玻璃棉的平均吸聲系數可通過下式計算：

吸聲處理前后的聲壓級差ΔL（dB），可近似用下式進行估算：

可見超細玻璃棉有很好的吸聲效果，選用方案是可行的。

方艙各表面面板內表面均采用吸聲結構，即采用穿孔板和隔聲壁板間填充吸聲材料的結構，這是一種建立在微穿孔板吸聲結構基礎上的既有阻又有抗的共振式消聲器，實際上是阻抗復合式消聲器的一種特殊型式，其吸收系數高、吸收頻帶寬、壓力損失少、氣流再生噪聲低，能承受較高氣流速度的沖擊。穿孔板為1mm鋼板，穿孔率為20%～25%，孔徑為6mm，后貼厚度為50mm、面密度M為32kg／m2的無堿超細玻璃棉，為防止吸聲材料受氣流影響飛落，在吸聲材料和穿孔板間以玻璃布為襯層。

為保證內層隔聲罩內機組的通風散熱，在內層隔聲罩后部，對應機組柴油機和發電機連接部位，開有進風口。由于柴油機是整個機組散熱的主要來源，進風口開在靠近柴油機尾側的位置，可充分利用機組前端冷卻風扇工作時形成的負壓，使外界進入的低溫空氣對整個柴油機進行冷卻。為防止柴油機噪聲從進風口傳出，內層隔聲罩的進風口和外層壁板上的進風口間設置消聲器，并在消聲器內壁貼附高效吸聲材料。

在機組的發動機散熱水箱出風處，設置阻性折板式消聲器，將發電機組的總體出風從方艙前上方向外排出，并最終通過法欄與外接的出風通道相連接，將出風直接引出機房。

2.3 排氣風扇消聲器

排氣風扇消聲器采用多通道折板式消聲器結構設計，這種消聲器適用于風速不高的通風管道，可以增加聲波在管道內的傳播路程，使材料能更多地接觸聲波，如圖5。特別是對中高頻聲波，能增加傳播中的反射次數，從而使中高頻的消聲特性有明顯地改善。為了盡量減少消聲器的阻力損失，通道截面積設計為發電機組水箱風扇處截面積的2倍。

由于排氣管是柴油發電機組的最大噪聲擴散源，因此抑制排氣噪聲最簡單且最有效的方法就是在排氣管上安裝消聲器。所采用的消聲器應盡量減少通道各部件的壓力損失，故要堅持以下原則：1）盡量降低排氣通道中各部件的氣流速度；2）盡量減小排氣通道中直角彎頭的使用次數，并擴大排氣管截面。因此，進行消聲處理時設計遵循以上原則，在原有消聲器的基礎上再加一抗性消聲器形成兩級擴張式（抗性）。經實際測量可知，排氣噪聲（排氣管出口1m處）減少了30dB（消聲器安裝前為108dB，安裝后為75dB）以上，達到了預期目的。但是，采用消聲器會使排氣管中氣流阻力增大，降低柴油發電機組的有效功率，因此要加以注意。

圖5 排氣風扇消聲器

排氣風扇消聲器為阻性消聲器結構，其噪聲衰減量

也可表示為

式中，A為消聲系數，其由吸聲壁面的法向聲導率決定；S為消聲通道截面面積；F為未消聲通道截面周長；L為消聲通道有效長度。

式中，α為襯貼材料的吸聲系數。

將發電機組排氣風扇消聲器結構簡化為四個片式消聲器進行計算，簡化后各個消聲器模型的參數及最終消聲量如表2所示。

表2 消聲器消聲量計算表

從計算結果中可以看出，排氣風扇消聲器的消聲效果是理想的，可以實現將機組風扇排氣噪聲降低至小于85dB的目標。

2.4 發動機艙進氣消聲器

方艙電站的發動機進氣消聲結構可以視其為一個室式消聲器。室式消聲器是在壁面上均襯貼吸聲材料，形成小消聲室，在室的兩對角設置進出口風管，如圖6所示。當聲波進入消聲室后，就在小室內經多次反射而被材料所吸收。又由于管道從進風口至室內，又從室內至出風口，截面發生兩次突變，故還起到抗性消聲器的作用。基于這些原因，室式消聲器的消聲頻帶較寬，消聲量也較大。

圖6 室式消聲器結構圖

室式消聲器的傳聲損失LTL按以下公式估計：

式中，S為進風口（出風口）的面積；Sm為小室內吸聲襯貼表面面積；α為材料平均吸聲系數；D為進風口至出風口的距離。

從上式可以看出，括號內第一項為進口到出口的直達聲，cosθ相當于指向性因數；（1－ˉα）／Smα為房間常數的倒數1／R，前項為直接聲隨距離的衰減，后項為混響聲的衰減。進口相當于聲源，出口相當于接收點。設計出室式消聲器的結構之后即可計算出發動機艙的降噪量。

發動機是一個強熱源，雙層隔聲罩的低噪聲結構會對發動機的通風散熱產生極大影響。為確保發電機組不因工作環境溫度過高而影響其功率輸出，需要首先確定機組通風散熱結構。故只能設計出發動機艙的基本結構，在此基礎上通過計算不同結構的組合方式，設計滿足發電機組散熱要求的一系列發動機艙結構。然后計算其降噪量，最終得到符合機組要求的低噪聲機組艙。

3 小 結

通過實驗測量6135柴油發電機組的噪聲分布及其頻率特性和機組工作時的熱量分布情況，設計出有效控制其噪聲污染的方艙消聲結構：即針對發電機組排風扇采用折板式阻性消聲器，對于噪聲級較高的發動機采用雙層隔聲罩以降低噪聲，對于發電機部分采用單層隔聲罩降低噪聲。由于發動機是一個強熱源，雙層隔聲罩上的進風通道會影響到隔聲罩的隔聲質量和機組的通風散熱效果，為此需要確定雙層隔聲罩的結構形式以滿足機組的總體降噪要求，這將在今后的實驗研究中做進一步的深入研究。

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