柴油发电机噪音源辨识、测量和控制步骤

摘要：噪声指的是因为柴发机组运转时，部件间的摩擦力、撞击力或非平衡力，使机械部件和壳体产生振动而辐射噪音。机械噪声的特点与激发力特点、物体表面振动的转速、边界因素及振动模式有关。而噪音作为机械运行时发出的一种固有信号，噪音中必然携带着机械本身的组成信息和运行的状态信息。从理论上讲，完全可以用噪声信号来对发电机组的进行检测，但由于运转环境的复杂性以及声源的相互干扰性，在实际的测量中，运用噪音进行监测的效果并不那么理想。设备噪声的存在，不仅给柴油发电机的使用年限带来不利危害，还在很大程度上给人们的身心健康和正常生活带来危害。这就要求必须对柴油发电机噪音予以高度的重视，设法将噪音降到较低。

      噪音和振动是评价柴油机的一个重要指标。作为发电机组机构中的动力部件，柴油机是详细噪音源和激振力，柴油机噪音和震动对整车的噪音特征有着决定性的危害。因此减轻柴油机本身的振动和噪声就是减小整车噪声的详细办法。而进行噪音源辨识是降噪探讨的前提。一般柴油机的噪声识别举措包括对表面辐射噪声源的辨识和内部激励噪声源的辨认。辨认柴油机表面辐射噪声源的步骤有铅覆盖技术、声强测试技术、表面振动检测技术以及近年来出现的激光全息技术及信号处理技术等。

      铅覆盖技术是内燃机噪音源辨识的传统方案，要求在消声室中进行测定，在覆盖时必须做到覆盖完全，即使部件表面有少量面积没有被覆盖，也会对测量结果发生显着危害。

       表面声强测定法是近年来运用比较多的途径，因为声强是矢量，一个部件在某一方向上的声强不受其它声源的危害，其检测简便快捷，但是声强检测设备价格昂贵，对测试技术的要点高，在一定程度上限制了该方案在工程实际中的广泛应用。

      振动检测法是根据柴油机的表面震动转速来估计表面辐射声容量，需要检测较多的参数和进行大量的计算，它的主要困难在于柴油机零部件辐射比的确定，需要有大量的试验资料数据作为基础。

      激光全息技术是近年来在噪音辨识领域中出现的新策略，它能够得到具有相当精度的声场辐射图谱，但因为这项技术费用昂贵.使得其在传统工业中的运用很困难。

      信号处理技术是利用在噪音测量中所测录的声源信号时域值，再使用某种信号排除举措，按照声源信号时、频域的某种特性分解出主声源信号的举措。

      柴油机内部激励噪声源的辨认详细是对燃烧噪声与机械噪声进行辨识，其识别有多种措施，如倒拖法、应用相关技术阐述法、喷油（点火）提前角试验法、汽缸压力频谱计算法以及部分缸熄火法等，但是由于二者的关联性，要得到绝对准确的结果是很难的。同时针对机械噪音方面的活塞拍击噪音，齿轮噪音，曲轴振动噪音等的识别也逐渐成为研究热点。

      通过对柴油机进行单缸熄火，分离了燃烧噪声和机械噪音，处理降噪方向的问题。关于表面辐射问题，通过近场扫描来预判整机噪音分布状况，从而辨识出各详细噪声源及辐射部件.为降噪做准备。采取降噪举措首先从内部激励开始进行改良，故而对供油提前角进行了合理的调整，减轻内部激励力，然后关于扭振状况进行了扭振减震器的实验探求康明斯发电机样本，降低了轴系扭振；在控制表面辐射噪音方面，具体对曲轴箱进行了组成改良，降低其辐射噪声。

      设柴油机在某一工况下正常运行时的噪声声功率级为Lw，由n缸共同发出的容量为Wn，当柴油机中有1缸或m个缸发生熄火时，要保持原来的速度和其他各缸工作状态不变，就要使总的负载发生变化。故而部分缸熄火就相当于作业的缸数减小，那么总的输出功率就会变小，相当于原来的Wn×（n-1）/n或Wn×（n-m）/n，这时柴油机所发出的噪声声功率级为L’w1或L’wm，这部分噪声包括机械噪声和着火燃烧各缸所激发出的燃烧噪音。所以断油熄火缸所激发出的燃烧噪音就可以通过总噪音和熄火后的噪音能量之差来求出，以第一缸为例。

      根据上式，求出单缸或m个缸的燃烧噪声后，其它缸的燃烧噪音就可以按此途径依次求出，最后通过各缸燃烧噪音加和求出总的燃烧噪音。

      这样燃烧噪声和机械噪声便通过部分缸熄火求得。在总噪音中，根据能量关系，燃烧噪音占42.1%，而机械噪声占57.8%，可见在中速中负荷的工作状态下，机械噪音要比燃烧噪音大，通过下面所进行的表面辐射噪音扫描也能看出来。

      在表面辐射噪音源识别技术中，比较成熟的是声强测量技术。但进行声强测定需要专业的声强测试设备，而且测试后的参数解决也比较繁琐。本次对柴油机表面噪音进行扫描测试的实验是在消声室中进行，可以选择声压代替声强进行表面辐射噪音的辨识[2]。测试装备与进行整机声容量测量所用的装备相同。在距柴油机尽可能近的表面上对前、左、右和顶四个面进行扫描测试。测量时柴油机在额定工况下运行，用感应器逐点从左至右，从下至上拾取柴油机表面的噪音信号，将所测量的参数存到其计算机硬盘里，然后用解读软件进行数据排除。通过测试和排除，各测定面的等声级图用2D软件绘制后示于图1、图2、图3、图4 中。

      从图中可以看出，在排气侧噪声较大的部位发生在曲轴箱部位，其中机油盘中间部位噪声级达到106.4dB（A），而在油底壳深裙部噪声级达到106.7dB（A），其它部位的噪声级与油底壳相比较小。缸盖罩因为暴露在侧面的面积较小，故而噪声不是很突出。

（1）在进气侧，较大噪音产生在机油盘辐射部位，其噪声声压级达到106.2dB（A），而其他部位的噪音，如机体，油泵及进气管等，要比油底壳噪音级小很多，不是详细噪声辐射部位。

（2）在前端，因为齿轮室罩属薄壁件，而且在主轴自由端与皮带轮连接处存在空隙，致使齿轮啮合噪音很大。在噪音辐射较大处达到107.4dB（A），这里正是主轴齿轮与惰轮啮合处。

      通过声压法对表面辐射噪音的识别可知，柴油机具体辐射噪声源是曲轴箱、缸盖罩和齿轮室罩，它们的声压值高出其它噪声源很多。而在三者之中，曲轴箱的表面积相对较大，在表面辐射噪音源中“贡献”较大，故而要对这些部件进行改善才能使得整机的噪声降低。

      噪声问题是因为柴发机组运转时存在不平衡，机械曲轴同心度偏差、各零配件之间尺寸偏差或表面缺点而相互撞击、摩擦出现的交变机械功用力使发电机组金属板、轴承、齿轮或其他运动部位发生振动而辐射出噪音的声源称为机械噪音源。机械噪音包括活塞敲击噪音、气门装置噪声、正时齿轮噪音以及不平衡惯性力导致的机械振动及噪音等。

① 减轻活塞与气缸壁的间隙。实践表明：当活塞与气缸壁的间隙降低到0.05~0.10mm时，柴油发电机的噪声比正常间隙时减少3~5dB（A）。但采用这一方案时，必须采取避免拉缸的措施。

② 使活塞销孔向汽缸壁的主推力面偏移，一般取偏移量为（0.05~0.10）R（R为曲柄半径）。

④ 选用新型函数凸轮轮廓线以及对缓冲过渡曲线合理规划，使气门升起和落座时的转速控制在过低值，以有效地抑制气门的跳动。

       正时齿轮一般都采用斜齿，由于其重迭系数较大康明斯柴油发电机结构图，齿轮上分担的负荷较小，故较直齿噪声大为降低。有些柴油发电机采用夹布胶木作凸轮轴正时齿轮，也可有效地减少齿轮噪声。

      由于对柴油发电机运行可靠性、耐久性的考虑，要通过各种平衡办法力求使这些惯性力和惯性力矩尽可能地被减小乃至完全解决。曲轴轴系扭转震动引起的柴油发电机机体及其支承的附加震动、激发出的噪声，一般在柴油柴油机总体设计设计时就应给予考虑。

     柴油机震动信号曲线HZ频率下柴油机表面声压级云图。控制噪声源的振动是较根本的办法。通常办法包括：

      噪音控制的根本目的在于对人体健康的保护。当控制噪声源和噪音传播不能满足要点时，持久处在90～100dB（A）噪声环境中作业或在高至115dB（A）强噪音环境中从事短期作业的操作者，可操作耳塞、耳罩和头盔等个人防护装置。此外，根据声波干涉机理用“反噪音”控制噪音的反噪声技术已开始试验探求，为噪音控制开辟了又一策略。

（1）声级计分为普通和精密两种，噪音测定常规定用精密的声级计。通常精密声级计只适合于测量稳态的或非稳态的持续噪音，对脉冲噪音则该当用精密脉冲声级计测定。  

（2）频率浅谈仪完成对噪声的频谱解惑，是解惑噪声源的基本仪器，常用的有倍频程和1/3倍频程解述仪。需要进行较详细的频谱浅述时可用窄恒定带宽的频率浅谈仪。

（3）记录仪能自动记录噪音信号的时间历程或频谱，如电平记录仪。显示仪通常为示波器，用以观察噪音的波形。

      综上所述，可以看出柴油机噪音检验标准有很多种类型，国家也有相应的检查标准和过程，特别是在平常生活中我们在使用柴油发电机组进行生产的时候，要从源头控制噪音源，减少冲击力，设置噪音缓冲区等办法，把柴油发电机组噪音控制在一个合理的范围内，通常的检查工具频率解惑仪完成对噪音的频谱细说。因此，利用有限元法和边界元法联合求解的数值途径柴油发电机生产厂家，能够基本预测出柴油机组成噪声特征。此外，通过柴油机的声谱阐述，可得到柴油机表面具有代表性节点的辐射声压级频谱，从频谱图中可以看出柴油机各部位表面声压级的分布情形。并建立半消声室模型，进行辐射噪声计算，得到柴油机表面辐射声功率谱，确定对辐射噪声贡献较大的频率，并通过柴油机表面和声场的声压级云图，预测出柴油机辐射噪声较大部位。