船用柴油机性能对其辐射噪声影响研究

2011-07-23王志刚沈建平

船舶与海洋工程 2011年3期

王志刚，沈建平，姚辉

（711研究所，上海 200090）

0 引言

柴油机是现代舰船最重要的动力源设备之一，其振动噪声水平对舰船的声隐身性和舒适性有直接影响，其振动噪声指标、功率密度和尺寸重量等指标是衡量船用柴油机性能的重要指标。对柴油机的结构辐射噪声进行预估，掌握柴油机性能指标对整机结构辐射噪声的影响，是实现柴油机低噪声设计以及进行柴油机振动噪声有效控制的重要技术途径[1～3]。

本文以某型大功率船用柴油机为研究对象，采用柴油机近场辐射噪声的预估方法，完成了从柴油机缸内爆发压力到柴油机近场辐射噪声的预估，并对柴油机在 32%、50%、75%、100%和 110%的 5种工况下的辐射噪声进行了分析，为低噪声柴油机的研制开发提供技术支撑。

1 柴油机整机噪声分析模型

在某型大功率船用柴油机三维实体模型基础上建立基于声传递向量（ATV）概念的柴油机近场边界元（BEM）分析模型。ATV为声学系统输入与输出之间的关系矩阵——声传递向量（Acoustic Transfer Vectors）矩阵，即从柴油机振动结构表面的边界单元到域点处的声传递函数的信息集合[4]。

柴油机结构声辐射分析模型是由结构有限元模型、结构声边界元模型、外场域点网格模型组合而成的。其中，结构有限元模型独立于其他两种模型而存在，结构边界元模型依赖于结构有限元模型的边界特性，外场域点的网格模型是依照一定规则所建立的包围结构声学模型。

在柴油机结构辐射分析模型的建模中，考虑到声场分析的声学介质是空气，其特性阻抗较小，外域声波对结构振动的反向作用极其微弱，故在该模型中不考虑FEM（有限元法）结构振动模型与BEM声学波动模型之间的相互耦合，只考虑结构振动导致噪声发生的单向作用效能。

柴油机分析模型的建立采用了Virtual Lab声学分析软件，网格划分采用了Hypermesh前处理分析软件。柴油机的结构有限元模型见图1。

图1 柴油机的仿真分析模型

2 柴油机噪声分析载荷确定

柴油机整机辐射噪声分析所考虑的载荷主要包括：柴油机的缸内气体爆发力、活塞侧向力、各主轴承处的轴承载荷等。以上载荷具体幅值与变化规律由发动机专用动力学计算软件 GT-crank求解得到，如图2、图3所示。

图2 活塞侧向力载荷时域曲线

图3 轴承激励力载荷时域曲线

3 柴油机在不同工况下辐射噪声计算

图4 32%工况柴油机声压级分布

应用Virtual Lab声学分析软件，计算柴油机在32%、50%、75%、100%和110%的5种工况下的辐射噪声，建立了柴油机近场的声压级云图，该云图表征了柴油机在0～2000Hz频段内各三分之一倍频带中心频率点的结构辐射噪声分布。详见图4～8。

图5 50%工况柴油机声压级分布

图6 75%工况柴油机声压级分布

图7 100%工况柴油机声压级分布

图8 110%工况柴油机声压级分布

从以上声压分布图上可以看到柴油机在不同运行工况的近场辐射噪声分布，在声学计算的基础上，进行柴油机性能对整机辐射噪声影响分析。

4 柴油机性能对整机辐射噪声影响分析

对该型柴油机在0～2000Hz频率范围内的不同工况下声功率级进行分析，得出柴油机的不同运行工况对整机辐射声功率级的影响曲线，如图9、10所示。从图中可以看出，柴油机的整机辐射声功率随负荷的增大而逐渐变大。但当负荷超过100%时，在1000～2000Hz频段内随着负荷的增加整机辐射声功率反而下降。这是由于在负荷过大时，整机功率反而会有所下降，因此激励力和辐射声功率也会有所减小。从整体频谱曲线上来看，不同负荷下声功率在0～2000Hz频率范围内变化趋势大致相同，虽然负荷不同，但是转速是一致的，因此相应结果只是幅值有所不同。

5 结语

从船用柴油机声压分布云图和整机声功率级来看，对于V型气缸排列的船用大功率柴油机，在同一频率范围内，5种工况下柴油机外场声压分布规律基本一致，但幅值随着柴油机负荷增加总体表现出上升趋势，但这种上升并非呈明显线性特性。并且，从柴油机的声压云图分布来看，显示柴油机顶部及缸盖部位辐射噪声较大，在柴油机低噪声设计时，应重点关注这些部位。

本文所建立的柴油机辐射噪声计算方法可应用于柴油机的辐射噪声预估，支撑船用柴油机的低噪声设计。