低噪声发电机组的原理、噪音计算及降噪规划

摘要：低噪音方舱电站是关于目前柴发机组的震动和噪声污染等问题，采取减振、降噪、隔音和消声等技术方案限制震动和噪声的传播，在保证额定容量输出的前提下，达到减小噪声的效果。组合式方舱是一种可拆卸组成，对构成尺寸较大的方舱，由于受道路运输因素的限制，可先拆装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吸声因素的场所，不必建造机房，可以露天停放，具体用于通信枢纽站的应急备用电力。噪音发电机组工作时的声场分布进行测量解析，通过对柴发声强的测量找出其主要噪声源，关于柴发的噪声分布及频谱特征规划出相应的方舱组成。

      为了加强对发电机噪音源的识别，为消声降噪构成设计供应相应的参考，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，机房房顶偏高，面积大于1000 m2，且背景噪声低于50 dB。测试对象为实载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。为了将整体噪音与排气噪声分开，发电机机组排气管通过管道直接通入地下排气通道。

      为准确定位各个测点，用角钢和细铁丝拉出测量网格，每个网格尺寸大小为300 mm×300 mm。对包围机组的前、后、左、右和上表面进行检测。测试仪器为B&K公司生产的2260声学测定解析机构。为提高测量精度，将检测传感器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，声强探头与检测面保持垂直。为减小发电机组散热风扇及发电机出风对声强测量的影响，在检测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声分布频段较广，机组各个表面的噪声有两个峰值频率，其中以频率为10kHz的噪音较为强烈，较高达110 dB（机组左侧面），另一个噪声过高的频率处于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音主要可以分为A、B、C、D、E个区域。其中排气扇区的噪音声压级为较高，达110 dB，峰值点位于排风扇的中下方；发动机噪音区的噪声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，油底壳以及调速器区域。发电机区域的噪声普遍太低，较高为100 dB左右。从声压等高线图整体解析，发动机两侧的噪音声强级整体偏高，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。

      组合式低噪声发电机组包括柴油机、发电机、安装底座、防锈水箱、启动电瓶组、减震橡胶垫、组合式隔音方舱、排气消声装置、日用油箱、系统集成的控制和开关柜等。

      装配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安装在公共底座上。底座下面装配橡胶减振垫并固定在降噪方舱底板的骨架上，以降低发电机组工作时振动的传递和运输时车辆震动对发电机组的危害。

      降噪方舱是发电机组的防护罩壳，外观如图3所示。结构具体由控制柜方舱、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结构。降噪方舱内置进、排风消声器和排烟消声装备，在保证发电机组正常通气量的前提下降低噪音的传播康明斯发电机组公司。

      起动电瓶组为起动机提供电力，起动蓄电池组布置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，包括启动、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要素规划成6个独立的小方舱，方便移动和运输，到达操作地点后再拼装成整体，6个小方舱通过螺栓和密封条连接（内部结构如图4所示）。分别为控制柜方舱、动力方舱、消声器方舱、进风扩展舱、动力扩展舱及排风扩展舱，其中控制柜方舱、动力方舱及消声器方舱分别为从左至右依次设置在组合式方舱的下部，进风扩展舱康明斯柴油发电机厂家、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。排气管自柴油发电机组上连接到排气消声器并从排风扩展舱顶端伸出。排烟管、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解体的工艺性和可靠性。

      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。由于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。较大限度地减小发电机组运行时主轴上的扭振。

      橡胶减振垫装配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。

      橡胶减震垫结构为一种压剪复合型橡胶隔振垫，具有偏高的承载能力，偏低的刚度和较大的阻尼比，固有频率可做到5Hz。因为很低的固有频率，使减振垫在发电机组开动时或方舱电站移动时不容易导致共振，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构造使底板的安装强度大大增强。碗形上盖板和漏斗型底板凹凸相扣，在极端情况下，当橡胶垫遭到破坏时发电机组也不会因橡胶垫事故而造成构成破坏，有效地减振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用有效吸音材料铺设，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，当噪声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，声波导致吸声材料孔隙中的空气和细小纤维的震动。因为摩擦和黏滞阻力，把一部分噪音能量变成声音活塞的动能消耗掉，从而减小了部分噪音向外传播。

      排烟噪声是柴油机空气动力噪音的具体部分，噪声一般要比柴油机整机高10～15dB（A），消音器是控制排烟噪音的一种基础措施，准确选配消声器（或消声器组合）可使排烟噪声减弱30～40dB（A）以上。

      发电机组排气机构的吸声处理：在柴油机允许的排烟背压范围内，运用一个波纹减振节，一个阻性消声器和一个抗性消声器的组合，高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、隔音包扎，也改善了发电机组的运行环境和由排气管致使的噪声。

      进、排风通道是发电机组燃气量供应、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，片式消声器通道的有效面积满足正常通风量的要求，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-排风消声器-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。由于布置了扩张腔，使噪音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用途，达到噪声再衰减的目的。同时由于进、排风路径的拉长，使噪音在泄出步骤中自然衰减，增加了降噪效果。

      组合式构成能拆易合，方便道路运输，降噪方舱由控制柜方舱、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6个小方舱组合而成。能拆易合，到达使用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声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机构固定在消声器方舱，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。排气管、油管分别用法兰和密封垫片连接，电缆用母排连接。在构成布置上充分考虑方舱拆除的工艺性和可靠性。

      吸声装备的功率损失很小，满足额定功率低噪声工作。大功率柴油发电机组运行时，通常会发生110dB（A）以上的噪音，必须对震动、噪音进行控制。本项目隔音方舱通过减震和隔振装备，以及机舱采用高效吸音材料，用降噪消声装备对进、排气系统进行吸声处理，满足了国家环保要点。

      一般来说，方舱吸声处理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功率输出，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，把握了满功率输出和隔音的平衡点，确保发电机组在满足通风冷却及允许排气背压条件下实现低噪音工作的要求，达到了额定容量低噪音工作的意义。

      发电机组在运行流程中会发生各种类别的噪音，且噪声分布范围较广，单纯某一种噪音控制方法很难高效处理机组的噪音污染问题。为此，根据检测剖析，结合机组噪声分布和频谱优点，方舱内空间主要分为四大噪声区域以方便噪声的控制，分别为发电机噪声区、发动机噪声区、内燃机排气噪音区和水箱风扇排烟噪声区，对每一部分有针对性地分别排除，根据这个观点布置低噪声结构简图。

      为确保吸声构成的效果，隔音罩选取金属钢板，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）。为清除混响，又不致危害吸声性能，选用穿孔板后贴纤维隔音材料的构成，这样既可保证降噪吸声效果，又不占用有限的空间。

      吸声材料或降噪构造的隔音性能好坏，详细用其吸声系数的高低来表示。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。隔音材料种类繁多，布置中降噪材料的采用主要考虑以下几个方面：

      在采用降噪材料时，首先应满足有利于降低声波频谱中峰值频段的噪声，由于声能量详细集中在几个峰值频率，噪音峰值减小了，总的噪音辐射就可明显降低。柴油发电机组的噪声集中在中、低频段，为此吸声材料应在中、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隔声频率就越向低频方向移动，其吸声系数就越大。

      发电机组作业时散发大量热量，内层降噪组成内空间有限，加之相对封闭，因此稳态温度是比偏高的。故而还应充分考虑降噪材料的耐热和安全性能。

      综合以上因素，将降噪材料选用为体积密度为32 kg/m3的无碱超细玻璃棉。超细玻璃棉的隔声特性见表1。

      由以上参数可知，所采用的超细玻璃棉不仅在高频，而且在中、低频也有较好的隔音效果，而这种隔音特性正符合是柴油发电机组噪声的频谱特征，故而选取超细玻璃棉是合适的。

      可见超细玻璃棉有很好的隔声效果，选择措施是可行的。

      方舱各表面面板内表面均选择隔音构成，即选取穿孔板和隔声壁板间填充隔声材料的构造，这是一种建立在微穿孔板降噪构成基本上的既有阻又有抗的共振式消音器，实际上是阻抗复合式消音器的一种特殊型式，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，为预防降噪材料受气流危害飞落，在隔音材料和穿孔板间以玻璃布为衬层。

      为保证内层降噪罩内机组的通风散热，在内层降噪罩后部，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主要来源，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工作时形成的负压，使外界进入的低温空气对整个柴油机进行冷却。为避免柴油机噪声从进风口传出，内层隔声罩的进风口和外层壁板上的进风口间设置消声器，并在消声器内壁贴附有效降噪材料。

      在机组的发动机散热水箱出风处，设置阻性折板式消音器，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。

      排气风扇消音器选择多通道折板式消音器构成布置，这种消音器实用于风速不高的通风管道，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点有明显地改良。为了尽量减轻消声器的阻力损失，通道截面积设计为发电机组水箱风扇处截面积的2倍。

      因为排气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策略就是在排烟管上安装消音器。所采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，在原有消音器的基础上再加一抗性消声器形成两级扩张式（抗性）。经实际测定可知，排气噪声（排气管出口1 m处）减少了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，选择消声器会使排气管中气流阻力增大，减小柴油发电机组的高效功率，因此要加以注意康明斯发电机官网。

      将发电机组排气风扇消音器结构简化为四个片式消声器进行计算，简化后各个消声器模型的参数及较终消声量如表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构成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吸声材料，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，截面发生两次突变，故还起到抗性消声器的用途。基于这些原由，室式消音器的消声频带较宽，消声量也较大。

      室式消声器的传声损失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。布置出室式消音器的构造之后即可计算出发动机舱的隔声量。

      发动机是一个强热源，双层降噪罩的低噪音构成会对发动机的通风散热产生极大影响。为确保发电机组不因工作环境温度太高而危害其容量输出，需要首先确定机组通气散热构造。故只能设计出发动机舱的基本结构，在此基本上通过计算不一样结构的组合方式，规划满足发电机组散热要点的一系列发动机舱结构。然后计算其隔音量，较终得到符合机组要求的低噪声机组舱。

      康明斯型固定柴发机组做为通信备用电源，其噪声声压级高，分布频带宽，不但对通信台站的正常值勤发生强烈的干扰，同时声振特点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，通过减小发电机组的噪音，较终提升其战场生存能力。cummins公司通过对该机组噪声倍频程的测定，解析掌握了其噪音分布规律；通过对机组声强的测量找出其详细噪声源，并关于机组的噪音分布及频谱特征，设计出了符合吸声要点的双层降噪罩构成。通过实验测量康明斯柴发机组的噪声分布及其频率特点和机组工作时的热量分布情形，设计出有效控制其噪音污染的方舱消声构造：即针对发电机组排风扇选取折板式阻性消音器，对于噪声级偏高的发动机选取双层降噪罩以减少噪声，对于发电机部分采取单层隔音罩减轻噪声。由于发动机是一个强热源，双层降噪罩上的进风通道会影响到隔声罩的降噪品质和机组的通风散热效果，为此需要确定双层降噪罩的结构形式以满足机组的总体隔声要点，这将在今后的实验研究中做进一步的深入探讨。