吸声材料在变频发电机组噪声控制中的应用

严天雄， 刘进伟， 吴晓佳， 黄国鹏

(隆鑫通用动力股份有限公司 技术中心， 重庆 400052)

吸声材料因其在中高频具有较好的降噪效果得到广泛应用，对吸声材料的研究也越来越多[1-3]。张宏宇等[4]研究了吸声材料的流阻率、孔隙率、形状因子、黏性及热特征长度等参数对阻性消声器传递损失的影响；张胜强等[5]研究了二甲基硅油含量、不同材料厚度和不同厚度空气层等参数对吸声性能的影响，为聚氨酯海绵在汽车上的应用提供指导；李青等[6]研制了一种新型的多孔水泥基陶粒吸声材料，研究了颗粒级配、压缩比、空腔、表面形态、不同安装方法等对吸声性能的影响；周宇雯等[7]研究了材料孔隙率和厚度对吸声效果的影响，对船舶的噪声控制提供了参考价值；Lumnitzer等[8]研究发现了用轮胎、废泡沫和内饰材料进行降噪，通过设计并测试多种吸声材料，找到100～5 000 Hz频率范围降噪的最佳参数；Aslan等[9]设计了一种吸声材料和穿孔板的声学结构，并对不同频段的降噪性能进行研究。

吸声材料在各种设备及器件噪声控制中取得良好的降噪效果。文献[10]中使用环保吸声棉和超细环保吸声棉组成的复合吸声棉作为吸声材料，结合吸声立柱和消声器设计对电源车的车厢进行降噪处理，使电源车噪声达到控制要求；文献[11]在高速列车空调风道内粘贴不同的吸声材料对比降噪效果，得到在风道内粘贴厚度为25 mm，且其长度大于1.785 m时吸声材料时降噪效果较明显；文献[12]通过在舱室内铺设吸声材料等降噪措施，有效地控制了钻井平台舱室的噪声。

发电机组作为备用电源、应急电源、移动电源得到广泛应用[13]。因此，在上述研究的基础上，本文以某额定输出功率为1.7 kW的便携式静音变频发电机组为研究对象，分析吸声材料对发电机组的降噪效果。

1 吸声材料在发电机组上的使用

便携式静音变频发电机组的结构如图1所示，发电机组搭载的动力为单缸四冲程自然吸气式汽油发动机，发动机排量为121 mL。使用隔声罩对动力系统进行降噪处理。

图1 发电机组结构

发电机组的噪声控制通常有采用隔振降低结构辐射噪声[14]、结构模态避频[15]、消声器和隔声罩设计[16]等方法。除此之外，吸声材料常用于传递路径上的噪声控制，本文将吸声材料粘贴在该机组的隔声罩上，如缸头侧面板、启动拉手侧面板、左右提手顶部、排气侧面板和观察窗盖等位置进行降噪处理，如图2所示。

图2 吸声材料的粘贴位置

机组原状态吸声材料材质为聚氨酯材料，密度为22 kg/m3，厚度为10 mm。

2 原状态吸声材料降噪效果分析

2.1 发电机组噪声试验方案

在特定噪声测试间内进行机组噪声测试，将发电机组置于中央的试验台上，为了避免反射对噪声的影响，采用穿孔板和吸声材料对墙面和试验台表面进行处理，测试环境的背景噪声为45.2 dB(A)。

距离地面高度1 m，发电机组表面1 m处分别布置4个传感器，根据发电机组的结构测点位置定义为面板、缸头、排气和拉手。测试4种不同负载(空载、25%、50%和75%负载)下的噪声值，采用负载控制系统为发电机组提供负载输出，如图3所示。

图3 发电机组噪声测试

数据采集设备为OROS公司32通道的OR38振动噪声测试设备，利用配套的NV Gate软件进行噪声信号采集，麦克风为GRAS公司46AE型传感器，测试前需要对其灵敏度进行校准以保证测试精度。采样频率设置为20 480 Hz，采样分辨率为1 Hz，采样时间为15 s。

2.2 原状态吸声材料降噪效果分析

为了分析原状态吸声材料对发电机组的降噪效果，分别测试发电组隔声罩上粘贴和不贴吸声材料两种状态的整机噪声值，对比两种状态下的噪声差异。发电机组隔声罩上不贴吸声材料的整机噪声测试值见表1，经计算得到4点的平均噪声值。

表1 隔声罩无吸声材料的整机噪声值 单位：dB(A)

从表1中可以看出，随着负载的增加，噪声呈逐渐增大的趋势。4个面的噪声进行比较可知，排气侧的噪声最大，缸头侧的噪声次之，面板侧和拉手侧的噪声水平相当，噪声值较小。

发电机组隔声罩上粘贴吸声材料后整机的噪声测试值和平均值见表2。与无吸声材料状态机组噪声相比，空载时机组4个面的噪声均增大了，面板侧、缸头侧和拉手侧均增大了1 dB(A)，排气侧噪声增大了1.3 dB(A)。

表2 隔声罩粘贴吸声材料后的整机噪声值 单位：dB(A)

各个负载下吸声材料的降噪效果如图4所示。空载状态，噪声平均增大了1.1 dB(A)，25%负载噪声平均降低了0.3 dB(A)，50%负载噪声平均降低了0.4 dB(A)，75%负载噪声平均降低了0.1 dB(A)。因此，机组所使用的原状态吸声材料降噪效果不佳。

为进一步分析空载状态使用吸声材料后噪声增大的原因，对该状态下各测点的1/3噪声倍频程图进行对比分析。有无吸声材料两种状态下面板侧的1/3倍频程噪声值如图5所示。机组无吸声材料时面板的噪声主要集中在500～2 500 Hz的中频段。吸声材料的降噪频段主要在5 000 Hz以上的高频段，在400 Hz以下的低频段吸声材料无降噪效果，在500～1 000 Hz中频段存在噪声放大的现象，500、630、800、1 000 Hz 4个主要噪声频率处噪声分别增大了1.8、1.7 、2.4、2.3 dB(A)。综合分析可知，中频段噪声被放大是导致使用吸声材料后面板侧噪声增大的主要原因。

图4 不同负载下吸声材料降噪效果

图5 面板侧噪声1/3倍频程噪声值

有无吸声材料两种状态下缸头侧的1/3倍频程噪声值如图6所示。吸声材料在125～400 Hz的低频段有一定的降噪效果，在125 Hz以下的低频段和1 000 Hz以上的中高频段无降噪效果， 主要的峰值频率处噪声增大明显，500、630、800 Hz 3个主要噪声频率处噪声分别增大了2.2、2.4 、1.8 dB(A)。

有无吸声材料两种状态下排气侧的1/3倍频程噪声值如图7所示。吸声材料在20～20 000 Hz的全频段内几乎均无降噪效果，在400～4 000 Hz的主要频段噪声有所增大，630 Hz处噪声增大了4 dB(A)，1 600 Hz和4 000 Hz处噪声均增大了2.1 dB(A)。

有无吸声材料两种状态下拉手侧的1/3倍频程噪声值如图8所示。吸声材料在8 000 Hz以上的高频段有微弱的降噪效果，在500～6 300 Hz的主要频段噪声有所增大，500 Hz处噪声增大了1.6 dB(A)，2 000 Hz处噪声增大了2.4 dB(A)，2 500 Hz处噪声增大了1.7 dB(A)。

图6 缸头侧噪声1/3倍频程噪声值

图7 排气侧噪声1/3倍频程噪声值

图8 拉手侧噪声1/3倍频程噪声值

综上分析可得，原状态吸声材料在部分频段有降噪效果，但在机组主要噪声频段没有起到降噪作用，从而导致空载状态使用吸声材料后噪声增大，带载状态下的降噪效果也不明显。

3 吸声材料选型分析

经上述分析可知，原状态吸声材料的降噪效果不佳，为进一步降低发电机组的噪声，重新对吸声材料进行选型。

3.1 选型吸声材料样本

吸声材料厂家提供了4种吸声材料进行对比测试降噪效果，吸声材料根据隔声罩的尺寸利用刀模切割形成样本，如图9所示。

4种吸声材料的参数见表3。与原状态的吸声材料相比，1#材料增加了材料厚度，2#材料增加了材料的密度，3#材料同时增加材料的厚度和密度，4#材料更换了材质。

3.2 选型吸声材料降噪效果分析

根据2.1节中的噪声测试方法，分别在隔声罩上更换4种选型吸声材料进行噪声测试。各吸声材料的降噪效果如图10所示。从图中可以看出，所有的吸声材料在机组空载状态不但没有降噪效果，反而会将噪声放大，在中高负载(50%和75%负载)均有不同程度的降噪效果，在25%负载下，选型材料1#和4#无降噪效果。

图10 吸声材料降噪效果对比

从5种不同吸声材料的降噪效果来看，2#选型吸声材料的降噪效果最好，空载工况噪声仅增大了0.1 dB(A)，25%负载工况噪声降低1 dB(A)，50%负载工况噪声降低0.6 dB(A)，75%负载工况噪声降低0.7 dB(A)。

从图10中可以看出，与原状态吸声材料降噪效果相比，使用2#吸声材料机组在各个载荷下噪声均得到改善，其中空载噪声降低1.1 dB(A)，25%负载工况噪声降低0.8 dB(A)，50%负载工况噪声降低0.2 dB(A)，75%负载工况噪声降低0.6 dB(A)，2#吸声材料对发电机组的降噪效果优于原状态吸声材料。

从图10中可以看出，1#选型吸声材料在空载和25%负载对机组噪声有明显的放大，空载工况噪声放大了2.5 dB(A)，25%负载工况噪声放大了1.2 dB(A)。1#选型吸声材料与原状态相比仅增加了材料厚度，表明增加吸声材料厚度不能改善机组低负载的噪声。从3#吸声材料与原状态相比同时增加材料厚度和密度，但从图10中的降噪效果来看，除25%负载工况外，其余负载工况的降噪效果比原状态好。4#吸声材料使用橡塑材质，与原状态的材质不一样，从图10中降噪效果看，除75%负载工况外，其余负载工况的降噪效果均比原状态差，对发电机组的噪声改善不明显。

鉴于2#吸声材料在空载的降噪效果较明显，进一步对该工况下的降噪特性进行分析。在空载工况下，发电机组粘贴2#选型吸声材料与原状态吸声材料面板侧的1/3倍频程噪声值如图11所示。从图11中可以看出，在主要噪声频率段，粘贴2#选型吸声材料机组噪声除在315 Hz和1 250 Hz处比原状态分别大2.2 dB(A)和1.1 dB(A)外，其余主要噪声频率段都比原状态噪声低。尤其是在主要的峰值频率处起到了较好的降噪作用，以致面板侧的噪声降低。

在空载工况下，发电机组粘贴2#选型吸声材料与原状态吸声材料缸头侧的1/3倍频程噪声值如图12所示。从图12中可以看出，粘贴2#选型吸声材料机组噪声除160～400 Hz频率外比原状态噪声低，而该频段不是缸头侧噪声的主要频段。特别是在最大峰值频率630 Hz处噪声降低了2.4 dB(A)，对该侧的噪声降低起到关键的作用。

图11 粘贴不同吸声材料面板侧噪声1/3倍频程噪声值

图12 粘贴不同吸声材料缸头侧噪声1/3倍频程噪声值

在空载工况下，发电机组粘贴2#选型吸声材料与原状态吸声材料排气侧的1/3倍频程噪声值如图13所示。从图13中可以看出，在主要的峰值频率段，粘贴两种吸声材料的噪声呈现交错分布，两种吸声材料下排气侧的噪声水平相当，表明2#吸声材料对排气侧的噪声改善不明显。

在空载工况下，发电机组粘贴2#选型吸声材料与原状态吸声材料拉手侧的1/3倍频程噪声值如图14所示。从图14中可以看出，粘贴2#选型吸声材料拉手侧的噪声虽然在80 Hz处增加了2.4 dB(A)，增加的幅值较大，但该频段不是主要的噪声分布频率。而在1 000 Hz以上的中高频段具有明显的降噪效果，表明2#吸声材料对拉手侧的噪声具有较好的改善效果。

综合上述分析可得，吸声材料的密度由22 kg/m3增加到35 kg/m3，能够有效降低发电机组的噪声，吸声材料的密度是影响发电机组噪声的关键因素之一。而增加吸声材料的厚度和更换为橡塑材质的吸声材料均不能对该发电机组起到良好的降噪作用。

图13 粘贴不同吸声材料排气侧噪声1/3倍频程噪声值

图14 粘贴不同吸声材料拉手侧噪声1/3倍频程噪声值

4 结语

1)通过测试分析表明，发电机组原状态吸声材料降噪效果不佳，25%～75%负载噪声仅仅降低了0.1～0.4 dB(A)，空载工况下机组噪声反而增大了1.1 dB(A)。

2)对4种不同参数的吸声材料进行对比测试，结果发现材质为聚氨酯，密度为35 kg/m3，厚度为10 mm的吸声材料降噪效果最好。与原状态相比，空载噪声降低1.1 dB(A)，25%负载工况噪声降低0.8 dB(A)，50%负载工况噪声降低0.2 dB(A)，75%负载工况噪声降低0.6 dB(A)。发电机组的噪声得到进一步改善。

3)增加吸声材料厚度和更换橡塑材质的吸声材料均不能降低发电机组的噪声，吸声材料的密度才是影响发电机组噪声的关键因素之一。该分析结果能够为发电机组的噪声控制提供思路。