40kW柴油发电机组噪声源识别与降噪研究

严天雄，杨 林，刘进伟，欧阳旭，吴晓佳，宾成胜

（1.隆鑫通用动力股份有限公司技术中心，重庆400052；2.广州威能机电有限公司，广州511400）

近年来柴油发电机组的应用越来越广泛，作为备用电源常用于医院、企业、居民区、商场等公共场所，作为临时电源常用于矿山开采、野外工地作业、道路交通维护等。但机组在工作过程中会产生较大的噪声，带来非常严重的噪声污染问题。因此，对柴油发电机组进行噪声源识别，采取相对应的降噪措施，对于柴油发电机组的噪声控制和减少周围环境噪声污染都具有重要的意义[1]。

针对发电机组的噪声控制，国内外学者做了大量的研究。Ju 等[2]基于间接边界元法(Indirect boundary element method，IBEM)设计了带通风管道消声器的隔声罩，并通过试验验证了冷却和低噪声性能。朱金晏等[3]采用三维数值计算方法对柴油发电机组排气消声器进行声传递损失和流动阻力损失预测，采用改进膨胀腔、插入管结构和增加吸声材料等方法，降低了发电机组的排气噪声。Zhou 等[4]基于声学边界元法对开口隔声罩的插入损失进行预测，并基于经试验验证的预测模型对声学影响因素进行灵敏度分析，发现开口尺寸和吸声材料布局对插入损失的影响最大。

本文对某40 kW 柴油发电机组进行试验分析，确定了主要的噪声源位置，结合模态分析提出了相应的优化方法，通过试验证明，距离发电机组1 m处的噪声声压级在不同负载下降低了2.2 dB(A)～2.4 dB(A)。

1 柴油发电机组介绍

1.1 柴油发电机组结构组成

柴油发电机组通常由发动机、发电机、散热系统、底盘系统、悬置系统、进排气系统、控制系统、隔声罩以及其他附件组成，某40 kW 柴油发电机组的结构如图1所示。

图1 发电机组结构组成

该机组所采用的发动机为直列式4 缸4 冲程发动机，发动机的工作转速为1 500 r/min，发电机与发动机直连，输出功率为40 kW，机组及部件相关技术参数如表1所示。

表1 机组及部件相关技术参数

1.2 柴油发电机组噪声源组成及传播方式

柴油发电机组的噪声成分比较复杂，主要噪声源主要由以下几部分组成[5–6]：发动机本体机械噪声、燃烧噪声、进排风噪声、冷却风扇噪声以及发电机电磁噪声。

外罩系统具有一定的隔声作用，当机组工作时，噪声会通过以下几种方式向周围环境传播[7]：

（1）箱体内部噪声直接通过箱体上的通风开口衍射到机组外部；

（2）发动机与发电机的振动经悬置系统传递到箱体上，引起箱体的振动，产生辐射噪声；

（3）噪声穿透箱体直接透射到环境中。

2 发电机组噪声源识别

2.1 声源识别试验

噪声源识别是发电机组噪声控制最主要也是最基本的技术手段之一。只有对发电机组的主要噪声源进行准确识别和分析，才能确定具体的噪声控制措施[8]。

为了确定机组的声源分布和噪声频谱特性，对其进行噪声试验，采用Microflown 公司的Scan &Paint 2.2 扫描设备对机组表面进行扫描测试，测试包括带有隔声罩和裸机两种状态。

扫描过程中，P/U 麦克风探头距离隔声罩表面50 mm，扫描过程中匀速移动探头，在裸机状态下测试时，拉线模拟隔声罩表面。分别进行了两种常用于噪声评价的工况试验：0负载和75%负载，扫描测试如图2所示。

图2 噪声扫描测试

2.2 试验数据分析

发电机组去隔声罩状态被定义为机组裸机状态，如图1(a)所示，通过声学扫描得到0和75%两种负载下裸机机组表面的声压云图，分别如图3(a)和图3(b)所示。从图中可看出，主要噪声源位于发电机附近和消声器排气口位置。0和75%两种负载下频谱图如图4(a)和图4(b)所示，从频谱图中可以看出，噪声频谱图中存在明显的峰值，最大峰值对应的频率分别为52.7 Hz和49.8 Hz。

图3 裸机两种负载工况下机组的噪声声压云图

图4 裸机两种负载工况下机组的噪声频谱图

发电机组处于带隔声罩状态时，0 和75%两种负载下机组表面的声压云图分别如图5(a)和图5(b)所示。从声压云图可以看出，0 和75%负载下的主要噪声源均位于发电机端。对于带隔声罩状态，0和75%两种负载下噪声频谱图分别如图6(a)和图6(b)所示。从频谱图中可以看出，噪声频谱也存在明显的峰值，对应的频率也分别为52.7 Hz和49.8 Hz。

图5 带隔声罩两种负载工况下机组噪声声压云图

图6 带隔声罩两种负载工况下机组噪声频谱图

根据上述机组噪声的分析结果可知，该柴油发电机组噪声频谱峰值频率在50 Hz 附近，不随载荷和机组的状态发生改变。同时，在机组稳定运转时，主观评价有金属薄壁件振动产生的声音，因此初步确定发电机组的主要噪声来源为结构共振产生的噪声，这将进一步通过结构模态仿真计算进行确认。

3 模态仿真计算

3.1 基本理论

模态分析就是求解有限个自由度的无阻尼及外载荷状态下的运动方程的模态矢量，当满足定常线性系统要求时，系统的数学模型可用式（1）表示[9]：

式中：M、C、K分别为质量、阻尼、刚度矩阵，x为位移，f(t)为作用力向量。因结构的阻尼对模态频率和振型的影响很小，可以忽略，故系统的无阻尼自由振动方程表达式为[10]

假设系统各坐标作同步谐振动，即：

把式（3）代入式（2）可得：

其特征方程为

解方程式（5）可得到n（n为系统自由度）个非负解ω1，…，ωn(0≤ω1≤…≤ωn)，令fi=ωi/2π(i=1，…，n)，称f1，…，fn为系统的n阶固有频率，分别把ω1，…，ωn代入式（2）中可得n组向量Ф1，…，Фn，称Ф1，…，Фn为系统的n阶模态振型。

3.2 有限元模型

接线盒（见图7）固定在发电机的上端，如图1(a)中所示，用于保护机组线缆。由顶盖、前后侧盖和左右侧盖组成，通过螺栓装配在一起，均为1.2 mm 厚的薄壁件结构。为进一步确认发电机端的噪声源是否由结构共振引起，需对发电机上端的接线盒进行模态分析。

图7 接线盒三维模型

对接线盒进行二维网格划分，采用RBE2 单元模拟螺栓连接，有限元仿真模型如图8 所示。模型共有单元数14 960 个，节点数15 434 个。接线盒的材料为Q235 钢，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为2.1×1011Pa。

图8 接线盒有限元网格模型

3.3 模态结果分析

求解得到接线盒前6阶模态振型，如图9所示。接线盒原状态的模态频率计算结果如表2所示。其2阶固有频率为52.6 Hz，与该机组的激励频率50 Hz相近，机组工作时接线盒将产生共振，由此判定机组电机端主要噪声来源于接线盒的结构共振。

图9 接线盒前6阶模态振型图

4 降噪方案及效果验证

4.1 降噪方案

为了使接线盒的2阶固有频率避开发动机的激励频率，对接线盒进行优化设计，采用点焊的方式在接线盒的前、后侧盖上分别加筋，两加强筋的尺寸均为：长340 mm，宽20 mm，厚2 mm，如图10所示。建立有限元分析模型（见图11），求解优化后接线盒的前6阶固有频率，如表2所示。

图10 接线盒加筋优化模型（去顶盖）

图11 接线盒加筋优化有限元模型（去顶盖）

表2 接线盒优化前后前6阶模态频率对比/Hz

在接线盒前后侧盖上加筋后，2阶固有频率提高到65.6 Hz，从而避开了发动机激励频率，避免接线盒共振产生辐射噪声，发电机组的噪声将会得到改善。

4.2 降噪效果验证

为了验证接线盒加筋前后机组噪声的变化情况，根据优化降噪方案制作样件进行噪声试验，方案样件如图12所示。

图12 方案试验样件

进行机组噪声试验时，参照国标《GBT 2820.10－2002 噪声的测量包面法》规定的发电机组噪声测试方法，根据机组表1中的尺寸参数，在发电机组周围距离机组表面1 m处布置9个声学传感器，如图13 所示。分别测试0 和75%负载下机组接线盒加筋前后的噪声值。

图13 测试发电机组噪声时麦克风布置图

75%负载下，优化前后距离发电机端较近的测点1的噪声声压级曲线如图14所示。

从图14 中可以看出，在75%负载下，优化后测点1 的噪声声压级在1 000 Hz 以内，基本都优于原状态，尤其在引起接线盒共振的50 Hz频率处，噪声降低了10 dB(A)，说明降噪方案有效。

图14 优化前后测点1的噪声声压级对比图

测试得到每个测点的声压级值后，根据式（6）计算机组的噪声值，结果如表3所示。

表3 优化前后各负载下机组的噪声值/dB(A)

式中：

LPAi为在第i个测点处的A计权声压级对本底噪声和环境干扰修正后的平均A计权声压级；n为测点总数；K2A为本底噪声和环境干扰修正系数。

从表3 中可以看出，接线盒加筋后，0%和75%负载下发电机组的噪声分别降低了2.4 dB(A)和2.2 dB(A)，表明优化方案改善机组噪声效果明显。

5 结语

（1）通过发电机组表面噪声扫描测试分析，确定了发电机组的最大噪声源位置及噪声频谱特性，结合模态分析方法确定机组噪声主要来源于发电机上端接线盒的共振。

（2）对发电机组发电机端接线盒结构进行优化设计，将其2阶固有频率提高到65.6 Hz，避开了发动机的激励频率。经试验验证，机组噪声在0 和75%两种负载下分别降低了2.4 dB(A)和2.2 dB(A)。

（3）文中的噪声源识别和模态有限元优化分析方法对发电机组降噪具有重要的指导意义。