低噪声发电机组的机理、噪音计算及吸声布置

摘要：低噪声方舱电站是关于目前柴油发电机组的振动和噪声污染等问题，选取减震、隔音、吸声和消声等技术步骤限制震动和噪音的传播，在保证额定功率输出的前提下，达到减小噪声的效果。组合式方舱是一种可解体构造，对构造尺寸较大的方舱，因为受道路运输要素的限制，可先拆除成满足运输要点的小方舱，到达操作现场后再拼装成整体。此类方舱电站可用于无机房隔声因素的场所，不必建造机房，可以露天停放，详细用于通信枢纽站的备用备用电力。噪音发电机组工作时的声场分布进行测定分析，通过对柴发声强的检测找出其主要噪音源，针对柴发的噪声分布及频谱特性规划出相应的方舱结构。

      为了加强对发电机噪音源的辨认，为消声吸声组成设计提供相应的参考，在此以cummins型柴油发电机组为实验研讨对象，发电机组在加载50 kW的稳态工况下进行噪声测试。

      试验是在本实验室电源机房中进行，机房房顶过高，面积大于1000 m2，且背景噪声低于50 dB。测试对象为带载50 kW的康明斯型柴油发电机组，机组外形尺寸为3000 mm×900mm×1550 mm。为了将整体噪声与排烟噪音分开，发电机机组排烟管通过管道直接通入地下排气通道。

      为正确定位各个测点，用角钢和细铁丝拉出测定网格，每个网格尺寸大小为300 mm×300 mm。对包围机组的前、后、左、右和上表面进行测量。测试仪器为B&K公司生产的2260声学测定解析装置。为提高测量精度，将测定探头靠近发电机组的表面以降低干扰，因此设置检测面距发电机组外围尺寸0.1m，各个面上的网格数目分别为11×6（机组正面和背面）、5×6（机组左面和右面）、11×5（机组顶面）。同时对各个面上的网格节点进行编号，声强探头与测量面保持垂直。为减少发电机组散热风扇及发电机出风对声强测定的危害，在测定风速较大部位的声强时，在检测传感器上加装防风帽。

      从图2噪音频谱图上可以看出机组噪音分布频段较广，机组各个表面的噪声有两个峰值频率，其中以频率为10kHz的噪声较为强烈，较高达110 dB（机组左侧面），另一个噪音较高的频率处于500～4000 Hz处。

      从发电机组包络面的声强测试等高线）中可以看出发电机组噪声具体可以分为A、B、C、D、E个区域。其中排烟扇区的噪声声压级为较高，达110 dB，峰值点位于排风扇的中下方；发动机噪声区的噪音声强级仅次于排气扇区域，较高达106.5 dB，峰值点分别位于机油泵上方，机油盘以及调速器区域。发电机区域的噪声普遍偏低，较高为100 dB左右。从声压等高线图整体剖析，发动机两侧的噪声声强级整体偏高，等高线梯度变化小，发动机与发电机联轴器以及发动机与水箱之间的声强等高线梯度变化剧烈。

      组合式低噪音发电机组包括柴油机、发电机、装配底座、防锈水箱、起动蓄电池组、减震橡胶垫、组合式隔声方舱、排气消声机构、日用油箱、机构集成的控制和开关柜等。

      安装底座是发动机和发电机的公共底座，其组成为刚性框架。柴油机、发电机和水箱散热器都装配在公共底座上。底座下面安装橡胶减震垫并固定在吸声方舱底板的骨架上，以减轻发电机组工作时震动的传递和运输时车辆振动对发电机组的危害。

      隔声方舱是发电机组的防护罩壳，外观如图3所示。结构详细由控制柜方舱、动力方舱、消声器方舱、进风扩展舱、动力扩展舱和排风扩展舱构成。吸声方舱内置进、排风消声器和排气消声装置，在保证发电机组正常通气量的前提下减小噪音的传播。

      启动电瓶组为启动机提供电力，启动电瓶组部署在靠近发电机组启动机的方舱内底板上，并给予固定。日用油箱为柴油机提供燃油。控制开关柜是发电机组的控制系统和电力输出装置总成，包括起动、保护、通信等各种功用和发电机组电力输出的总开关。

      组合式方舱根据运输条件布置成6个独立的小方舱，方便移动和运输，到达使用地点后再拼装成整体，6个小方舱通过螺栓和密封条连接（内部构造如图4所示）。分别为控制柜方舱、动力方舱、消音器方舱、进风扩展舱、动力扩展舱及排风扩展舱，其中控制柜方舱、动力方舱及消音器方舱分别为从左至右依次设置在组合式方舱的下部，进风扩展舱、动力扩展舱及排风扩展舱分别设置在控制柜方舱、动力方舱及消音器方舱的顶面。同时，方舱电站还配日用油箱。排气管自柴发机组上连接到排气消声器并从排风扩展舱顶端伸出。排气管、油管分别用法兰盘和密封垫片连接，电缆用母排连接。在构成设计上充分考虑了方舱拆除的工艺性和可靠性。

      柴油机和发电机通过飞轮壳和连接套对中定位连成一体，柴油机的飞轮盘和发电机的连接盘用螺栓连接传递动力。因为柴油机的飞轮壳和发电机的连接套具有足够的刚性和强度，其定位凸台和止口与轴的同轴度精度很高，能保证柴油机和发电机连接的同轴度和整体刚度。较大限度地减少发电机组运行时主轴上的扭振。

      橡胶减振垫安装在底座和动力方舱底板骨架之间，有效地隔断发电机组运转时的振动向方舱传递，同时能缓冲运输时车辆震动对发电机组的冲击。

      橡胶减震垫构成为一种压剪复合型橡胶隔振垫，具有较高的承载能力，过低的刚度和较大的阻尼比，固有频率可做到5Hz。由于很低的固有频率，使减振垫在发电机组开动时或方舱电站移动时不容易引起共振，而较大的阻尼比使振动时的激振很快衰减。同时，上盖板特有的碗形规划能很好地保护橡胶材料，刚性十足的漏斗型底板和椭圆形平面结构使底板的安装强度大大提升。碗形上盖板和漏斗型底板凹凸相扣，在极端状况下，当橡胶垫遭到破坏时发电机组也不会因橡胶垫故障而造成构造破坏，有效地减震和隔振衰减了振动噪音的传播。

      动力方舱四周墙壁和顶板均选择高效吸音材料铺设，里层材料为镀锌冲孔钢板，冲孔钢板和有效吸音材料的配合就像无数声音活塞，当噪音穿过冲孔钢板小孔冲击吸音材料时，就像推动活塞运动一样，声波导致降噪材料孔隙中的空气和细小纤维的振动。由于摩擦和黏滞阻力，把一部分噪音能量变成声音活塞的动能消耗掉，从而降低了部分噪音向外传播。

      排气噪音是柴油机空气动力噪声的详细部分，噪声一般要比柴油机整机高10～15dB（A），消声器是控制排气噪声的一种基本举措，准确选配消音器（或消声器组合）可使排烟噪音减弱30～40dB（A）以上。

      发电机组排烟系统的降噪排除：在柴油机允许的排烟背压范围内，应用一个波纹减振节，一个阻性消音器和一个抗性消声器的组合，有效地隔断了排烟震动和排烟噪声的传播。同时，对排气管道进行隔热、降噪包扎，也改良了发电机组的运行环境和由排气管引起的噪音。

      进、排风通道是发电机组燃气量提供、冷却和热风排出的通道，同时也是发电机组噪音泄出的出口。为了保证发电机组的正常通风量，使发电机组满容量输出和减小噪声排放，在发电机组的进、排风通道都设有阻性片式消音器，片式消音器通道的高效面积满足正常通气量的要点，同时在与进、排风扩张舱对接时分别形成1～2个扩张腔，新风路径为电动百叶窗-扩张腔-排风消音器-动力方舱。噪音通过进风通道泄出的路径沿新风路径逆向传播。热风沿排风通道排出的路径为水箱散热器-消音器-扩张腔-消声器-扩张腔-电动百叶窗排出方舱外。噪声沿排风通道泄出与热风同向传播。因为布置了扩张腔，使噪声在经过片式消音器衰减后再经扩张腔扩张发生声阻抗不匹配的反射和干涉功能，达到噪音再衰减的目的。同时由于进、排风路径的拉长康明斯发电机型号规格，使噪声在泄出过程中自然衰减，增加了隔声效果。

      组合式构造能拆易合，方便道路运输，吸声方舱由控制柜方舱、动力方舱、消音器方舱、进风扩展舱、动力扩展舱和排风扩展舱6个小方舱组合而成。能拆易合，到达操作地点后再拼装成整体，方便移动和道路运输。

      组合式方舱把日用油箱、控制开关柜和进风消音器固定在控制柜方舱，发电机组整体固定在动力方舱，排风消声器和排气消声装置固定在消音器方舱，进风扩展舱和排风扩展舱分别装配电动百叶窗，可以控制进、排风的方向。动力扩展舱起连接用途。这6个小方舱分别在其接口处用螺栓和密封条连接。排烟管、油管分别用法兰和密封垫片连接，电缆用母排连接。在组成规划上充分考虑方舱解体的工艺性和可靠性。

      隔声系统的功率损失很小，满足额定容量低噪声作业。大容量柴油发电机组运转时，通常会发生110dB（A）以上的噪声，必须对振动、噪声进行控制。本项目隔音方舱通过减震和隔振装置，以及机舱选用高效吸音材料，用吸声消声系统对进、排气装置进行隔声排除，满足了国家环保要求。

      通常来说，方舱降噪解决改变了发电机组正常的作业环境，如果排除不好，将会影响发电机组的容量输出，严重时会停机保护。通过对发电机组进、排风量和排气背压的准确布置，把握了满容量输出和吸声的平衡点，确保发电机组在满足通气冷却及允许排烟背压要素下实现低噪声工作的要点，达到了额定容量低噪声工作的意义。

      发电机组在运行程序中会产生各种类型的噪声，且噪声分布范围较广，单纯某一种噪声控制方法很难有效解决机组的噪声污染问题。为此，根据测定分析，结合机组噪声分布和频谱特点，方舱内空间主要分为四大噪音区域以方便噪声的控制，分别为发电机噪声区、发动机噪音区、内燃机排气噪声区和水箱风扇排烟噪音区，对每一部分有关于性地分别解决，根据这个观点规划低噪声构造简图。

      为确保降噪组成的效果，隔声罩采用金属钢板，但因为金属钢板为刚性壁面，机组噪音遇到内壁易形成多次反射，造成混响和声能量的迭加，舱内声压级可因此增加3～5 dB（A）。为解除混响，又不致影响隔声性能，采用穿孔板后贴纤维隔音材料的构造，这样既可保证隔声吸声效果，又不占用有限的空间。

      降噪材料或隔音结构的吸声性能好坏，主要用其降噪系数的高低来表示。降噪系数是指声波入射到物体表面时，其能量被吸收的百分率，即被吸收的声能与入射总声能之比，通常用符号α来表示。隔声材料种类繁多，规划中吸声材料的选择主要考虑以下几个方面：

      在选取隔音材料时，首先应满足有利于降低声波频谱中峰值频段的噪音，由于声能量详细集中在几个峰值频率，噪声峰值减小了，总的噪声辐射就可明显减小。柴油发电机组的噪音集中在中、低频段，为此降噪材料应在中、低频段有偏高的吸声系数。在厚度不变的情况下，材料的容重越大则其降噪频率就越向低频方向移动，其吸声系数就越大。

      发电机组工作时散发大量热量，内层降噪构成内空间有限，加之相对封闭，因此稳态温度是比过高的。故而还应充分考虑降噪材料的耐热和安全性能柴油发电机打不着火。

      综合以上因素，将隔声材料选取为体积密度为32 kg/m3的无碱超细玻璃棉。超细玻璃棉的隔声特征见表1。

      由以上数据可知，所选用的超细玻璃棉不仅在高频，而且在中、低频也有较好的降噪效果，而这种降噪特性正符合是柴油发电机组噪声的频谱特性，于是采取超细玻璃棉是合适的。

      可见超细玻璃棉有很好的降噪效果，选取方案是可行的。

      方舱各表面面板内表面均选取隔音组成，即采用穿孔板和降噪壁板间填充隔声材料的构成，这是一种建立在微穿孔板隔音结构基础上的既有阻又有抗的共振式消声器，实际上是阻抗复合式消声器的一种特殊型式，其吸收系数高、吸收频带宽、压力损失少、气流再生噪声低，能承受较高气流速度的冲击。穿孔板为1 mm钢板，穿孔率为20%～25%，孔径为6 mm，后贴厚度为50 mm、面密度M为32 kg/m2的无碱超细玻璃棉，为预防吸声材料受气流影响飞落，在吸声材料和穿孔板间以玻璃布为衬层。

      为保证内层隔音罩内机组的通气散热，在内层隔声罩后部，对应机组柴油机和发电机连接部位，开有进风口。由于柴油机是整个机组散热的具体来源，进风口开在靠近柴油机尾侧的位置，可充分利用机组前端冷却风扇作业时形成的负压，使外界进入的低温空气对整个柴油机进行冷却。为防止柴油机噪音从进风口传出，内层吸声罩的进风口和外层壁板上的进风口间设置消声器，并在消音器内壁贴附有效隔声材料。

      在机组的发动机水箱散热器出风处，设置阻性折板式消声器，将发电机组的总体出风从方舱前上方向外排出，并较终通过法栏与外接的出风通道相连接，将出风直接引出机房。

      排烟风扇消声器采取多通道折板式消声器结构设计，这种消音器适合于风速不高的通气管道，可以增加声波在管道内的传播路程，使材料能更多地接触声波，如图5。特别是对中高频声波，能增加传播中的反射次数，从而使中高频的消声特性有明显地改良。为了尽量减少消音器的阻力损失，通道截面积设计为发电机组水箱风扇处截面积的2倍。

      由于排烟管是柴油发电机组的较大噪音扩散源，因此抑制排烟噪声较简单且较高效的途径就是在排气管上安装消音器。所选用的消音器应尽量减轻通道各部件的压力损失，故要坚持以下原则：

      因此，进行消声排除时规划遵循以上原则，在原有消声器的基本上再加一抗性消声器形成两级扩张式（抗性）。经实际测量可知，排气噪音（排烟管出口1 m处）减小了30 dB（消声器安装前为108 dB，安装后为75 dB）以上，达到了预期意义。但是，选择消音器会使排烟管中气流阻力增大，减少柴发机组的有效容量，因此要加以注意。

      将发电机组排烟风扇消声器结构简化为四个片式消音器进行计算，简化后各个消音器模型的数据及较终消声量如表2所示。

      从计算结果中可以看出，排烟风扇消声器的消声效果是理想的，可以实现将机组风扇排烟噪声衰减至小于85 dB的目标。

      方舱电站的发动机进气消声结构可以视其为一个室式消音器。室式消音器是在壁面上均衬贴降噪材料，形成小消声室，在室的两对角设置进出口风管，如图6所示。当声波进入消声室后，就在小室内经多次反射而被材料所吸收。又由于管道从进风口至室内，又从室内至出风口，截面产生两次突变，故还起到抗性消声器的作用。基于这些原由，室式消声器的消声频带较宽柴油机故障码大全图片，消声量也较大。

      室式消音器的传声损失LTL按以下公式估计：

      从上式可以看出，括号内第一项为进口到出口的直达声，cosθ相当于指向性因数；（1-α）/Smα为房间常数的倒数1/R，前项为直接声随距离的衰减，后项为混响声的衰减。进口相当于声源，出口相当于接收点。布置出室式消声器的构造之后即可计算出发动机舱的降噪量。

      发动机是一个强热源，双层隔音罩的低噪音组成会对发动机的通风散热发生极大危害。为确保发电机组不因工作环境温度较高而影响其容量输出，需要首先确定机组通风散热结构。故只能规划出发动机舱的基础构成，在此基本上通过计算不一样结构的组合步骤，布置满足发电机组散热要点的一系列发动机舱构造。然后计算其降噪量，较终得到符合机组要求的低噪音机组舱。

      cummins型固定柴发机组做为通信后备电源，其噪音声压级高，分布频带宽，不但对通信台站的正常值勤发生强烈的干扰，同时声振特性信号也易于遭受敌方的侦测打击。研制低噪声方舱电站就是为了解决这一突出问题，通过减少发电机组的噪音，较终提高其战场生存能力。康明斯公司通过对该机组噪音倍频程的测量，分析掌握了其噪音分布规律；通过对机组声强的检测找出其具体噪音源，并针对机组的噪声分布及频谱特性，布置出了符合隔音要点的双层隔声罩组成。通过实验测量cummins柴油发电机组的噪音分布及其频率特征和机组工作时的热量分布情形，规划出高效控制其噪音污染的方舱消声结构：即关于发电机组排风扇选择折板式阻性消音器，对于噪声级较高的发动机采取双层隔声罩以减轻噪声，对于发电机部分选用单层隔音罩减少噪声。因为发动机是一个强热源，双层吸声罩上的进风通道会影响到吸声罩的隔声质量和机组的通风散热效果，为此需要确定双层隔声罩的构成形式以满足机组的总体隔声要点，这将在今后的实验探讨中做进一步的深入探求。