低噪声发电机组的机理、噪声计算及隔音设计

　　摘要：低噪声方舱电站是关于目前柴油发电机组的震动和噪音污染等问题，采取减震、降噪、降噪和消声等技术对策限制震动和噪声的传播，在保证额定功率输出的前提下，达到减轻噪音的效果。组合式方舱是一种可拆卸构造，对结构尺寸较大的方舱，由于受道路运输条件的限制，可先拆装成满足运输要求的小方舱，到达使用现场后再拼装成整体。此类方舱电站可用于无机房降噪因素的场所，不必建造机房，可以露天停放，具体用于通信枢纽站的备用应急电力。噪声发电机组作业时的声场分布进行检测剖析，通过对柴发声强的测定找出其具体噪声源，针对柴发的噪音分布及频谱特性规划出相应的方舱结构。

　　      为了加强对发电机噪声源的辨认，为消声隔声结构设计供应相应的参考，在此以cummins型柴油发电机组为实验探讨对象，发电机组在加载50 kW的稳态工况下进行噪音测试。

　　      试验是在本实验室电源机房中进行，机房房顶较高，面积大于1000 m2，且背景噪音低于50 dB。测试对象为实载50 kW的cummins型康明斯发电机组，机组外形尺寸为3000 mm×900mm×1550 mm。为了将整体噪音与排气噪音分开，发电机机组排烟管通过管道直接通入地下排烟通道。

　　      为准确定位各个测点，用角钢和细铁丝拉出检测网格，每个网格尺寸大小为300 mm×300 mm。对包围机组的前、后、左、右和上表面进行测量。测试仪器为B&K公司生产的2260声学检测解析装置。为提升检测精度，将测定探头靠近发电机组的表面以降低干扰，因此设置测量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。为减少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，在测定感应器上加装防风帽。

　　      从图2噪音频谱图上可以看出机组噪音分布频段较广，机组各个表面的噪音有两个峰值频率，其中以频率为10kHz的噪声最为强烈，最高达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最高，达110 dB，峰值点位于排风扇的中下方；发电机噪声区的噪音声强级仅次于排气扇区域，最高达106.5 dB，峰值点分别位于机油泵上方，曲轴箱以及速度控制器区域。发电机区域的噪音普遍过低，最高为100 dB左右。从声压等高线图整体解析，发电机两侧的噪音声强级整体偏高，等高线梯度变化小，发电机与发电机联轴器以及发电机与水箱之间的声强等高线梯度变化剧烈。

　　      组合式低噪音发电机组包括柴油发电机、发电机、装配底座、冷却液箱、起动蓄电池组、减震橡胶垫、组合式降噪方舱、排气消声机构、日用油箱、机构集成的控制和开关柜等。

　　      安装底座是发电机和发电机的公共底座，其构造为刚性框架。柴油发电机、发电机和水箱散热器都装配在公共底座上。底座下面装配橡胶减震垫并固定在隔音方舱底板的骨架上，以减少发电机组作业时震动的传递和运输时康明斯发电机组振动对发电机组的损害。

　　      隔声方舱是发电机组的防护罩壳，外观如图3所示。结构主要由控制柜方舱、动力方舱、消音器方舱、进风扩展舱、动力扩展舱和排风扩展舱构造。吸声方舱内置进、排风消声器和排气消声系统，在保证发电机组正常通气量的前提下减小噪音的传播。

　　      起动电瓶组为启动机供应电力，起动电瓶组部署在靠近发电机组启动机的方舱内底板上静音式发电机组，并给予固定。日用油箱为柴油发电机提供燃油。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、通信等各种用途和发电机组电力输出的总开关。

　　      组合式方舱根据运输因素设计成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（内部组成如图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、动力方舱及消音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、动力扩展舱及排风扩展舱分别设置在控制柜方舱、动力方舱及消声器方舱的顶面。同时，方舱电站还配日用油箱。排烟管自康明斯发电机组上连接到排气消声器并从排风扩展舱顶端伸出。排气管、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。

　　      柴油发电机和发电机通过飞轮壳和连接套对中定位连成一体，柴油发电机的飞轮盘和发电机的连接盘用螺栓连接传递动力。由于柴油发电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，能保证柴油发电机和发电机连接的同轴度和整体刚度。最大限度地减轻发电机组运转时曲轴上的扭振。

　　      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行时的振动向方舱传递，同时能缓冲运输时康明斯发电机组振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，具有过高的承载能力，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，使减震垫在发电机组开动时或方舱电站移动时不容易引起共振，而较大的阻尼比使震动时的激振很快衰减。同时，上盖板特有的碗形布置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组成使底板的安装强度大大提升。碗形上盖板和漏斗型底板凹凸相扣，在极端情形下，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组成破坏，有效地减震和隔振衰减了震动噪音的传播。

　　      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，当噪音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，声波引起隔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，从而降低了部分噪声向外传播。

　　      排烟噪音是柴油发电机空气动力噪音的详细部分，噪音一般要比柴油发电机整机高10～15dB（A），消音器是控制排烟噪音的一种基础程序，准确选配消音器（或消音器组合）可使排气噪音减弱30～40dB（A）以上。

　　      发电机组排气系统的降噪处置：在柴油发电机允许的排气背压范围内，应用一个波纹减震节发电机组配件，一个阻性消声器和一个抗性消音器的组合，有效地隔断了排烟震动和排烟噪音的传播。同时，对排烟管道进行隔热、隔声包扎，也改进了发电机组的运行环境和由排气管导致的噪声。

　　      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声泄出的出口。为了保证发电机组的正常通气量，使发电机组满容量输出和减轻噪声排放，在发电机组的进、排风通道都设有阻性片式消声器，片式消音器通道的高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散热水箱-消声器-扩张腔-消声器-扩张腔-电动百叶窗排出方舱外。噪音沿排风通道泄出与热风同向传播。因为部署了扩张腔，使噪声在经过片式消音器衰减后再经扩张腔扩张出现声阻抗不匹配的反射和干涉用途，达到噪声再衰减的意义。同时由于进、排风路径的拉长，使噪音在泄出程序中自然衰减，增加了吸声效果。

　　      组合式组成能拆易合，方便道路运输，隔音方舱由控制柜方舱、动力方舱、消音器方舱、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音器固定在控制柜方舱，发电机组整体固定在动力方舱，排风消声器和排烟消声系统固定在消声器方舱，进风扩展舱和排风扩展舱分别安装电动百叶窗，可以控制进、排风的方向。动力扩展舱起连接作用。这6个小方舱分别在其接口处用螺栓和密封条连接。排烟管、油管分别用法兰和密封垫片连接，电缆用母排连接。在结构布置上充分考虑方舱拆装的工艺性和可靠性。

　　      隔声系统的容量损失很小，满足额定功率低噪音作业。大功率柴油发电机组运转时，通常会出现110dB（A）以上的噪声，必须对振动、噪音进行控制。本项目吸声方舱通过减震和隔振装置，以及机舱选择高效吸音材料，用隔声消声装置对进、排烟机构进行隔音消除，满足了国家环保要求。

　　      通常来说，方舱隔声清除改变了发电机组正常的作业环境，如果处理不好，将会危害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、排风量和排烟背压的正确布置，把握了满功率输出和降噪的平衡点，确保发电机组在满足通风冷却及允许排气背压因素下实现低噪声工作的要求，达到了额定功率低噪声工作的目的。

　　      发电机组在运行步骤中会产生各种类别的噪音，且噪音分布范围较广，单纯某一种噪音控制程序很难高效排查机组的噪音污染问题。为此，根据测量剖析，结合机组噪声分布和频谱特征，方舱内空间详细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、发电机噪音区、内燃机排气噪声区和水箱风扇排烟噪音区，对每一部分有针对性地分别解决，根据这个观点布置低噪音型构成简图。

　　      为确保降噪构造的效果，吸声罩选用金属钢板，但因为金属钢板为刚性壁面，机组噪声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）。为排查混响，又不致危害降噪性能，选择穿孔板后贴纤维隔音材料的构成，这样既可保证隔声隔声效果，又不占用有限的空间。

　　      隔音材料或隔声组成的隔音性能好坏，主要用其隔音系数的高低来表示。隔音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，规划中隔音材料的选取详细考虑以下几个方面：

　　      在购买隔声材料时，首先应满足有利于减小声波频谱中峰值频段的噪声，由于声能量具体集中在几个峰值频率，噪声峰值减少了，总的噪音辐射就可明显降低。柴油发电机组的噪音集中在中、低频段，为此降噪材料应在中、低频段有较高的降噪系数。在厚度不变的状况下，材料的容重越大则其隔音频率就越向低频方向移动，其降噪系数就越大。

　　      发电机组作业时散发大量热量，内层隔声组成内空间有限，加之相对封闭，因此稳态温度是比过高的。所以还应充分考虑隔声材料的耐热和安全性能。

　　      综合以上要素，将隔声材料选型为体积密度为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，所选定的超细玻璃棉不仅在高频，而且在中、低频也有较好的降噪效果，而这种隔声特性正符合是柴油发电机组噪音的频谱特点，所以购买超细玻璃棉是合适的。

　　      可见超细玻璃棉有很好的隔音效果，选型措施是可行的。

　　      方舱各表面面板内表面均选择隔音结构，即采用穿孔板和降噪壁板间填充降噪材料的构成，这是一种建立在微穿孔板吸声构造基础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，能承受过高气流转速的冲击。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，为防止降噪材料受气流影响飞落，在吸声材料和穿孔板间以玻璃布为衬层。

　　      为保证内层吸声罩内机组的通风散热，在内层隔声罩后部，对应机组柴油发电机和发电机连接部位，开有进风口。因为柴油发电机是整个机组散热的详细来源，进风口开在靠近柴油发电机尾侧的位置，可充分利用机组前端冷却风扇作业时形成的负压，使外界进入的低温空气对整个柴油发电机进行冷却。为预防柴油发电机噪声从进风口传出，内层隔音罩的进风口和外层壁板上的进风口间设置消音器，并在消音器内壁贴附有效吸声材料。

　　      在机组的发电机水箱散热器出风处，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，并最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。

　　      排烟风扇消声器选取多通道折板式消声器构成设计，这种消音器实用于风速不高的通气管道，可以增加声波在管道内的传播时间，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征有明显地改善。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。

　　      因为排烟管是康明斯发电机组的最大噪音扩散源，因此抑制排烟噪音最简易且最有效的方法就是在排气管上装配消声器。所选择的消声器应尽量减少通道各部件的压力损失，故要坚持以下原则：

　　      因此，进行消声排除时设计遵循以上原则，在原有消声器的基本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，排气噪音（排气管出口1 m处）减轻了30 dB（消音器装配前为108 dB，装配后为75 dB）以上，达到了预期目的。但是，选择消声器会使排烟管中气流阻力增大重庆发电机，降低柴油发电机组的高效功率，因此要加以注意。

　　      将发电机组排烟风扇消音器组成简化为四个片式消音器进行计算，简化后各个消声器模型的数据及最终消声量如表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降低至小于85 dB的目标。

　　      方舱电站的发电机进气消声结构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，截面产生两次突变，故还起到抗性消声器的作用。基于这些因由，室式消音器的消声频带较宽，消声量也较大。

　　      室式消音器的传声损失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电机舱的降噪量。

　　      发电机是一个强热源，双层隔声罩的低噪声结构会对发电机的通气散热出现极大影响。为确保发电机组不因工作环境温度过高而影响其功率输出，需要首先确定机组通气散热组成。故只能布置出发电机舱的基本结构，在此基础上通过计算不同结构的组合步骤，规划满足发电机组散热要点的一系列发电机舱组成。然后计算其降噪量，最终得到符合机组要点的低噪声机组舱。

　　      cummins型固定柴油发电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产生强烈的干扰，同时声振特点信号也易于遭受敌方的侦测打击。研制低噪音方舱电站就是为领悟决这一突出问题，通过减轻发电机组的噪声，最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，分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，并关于机组的噪声分布及频谱特点，设计出了符合吸声要求的双层隔声罩组成。通过实验测定康明斯发电机组的噪声分布及其频率特点和机组作业时的热量分布状况，规划出高效控制其噪声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，对于噪音级过高的发电机采用双层吸声罩以减轻噪声，对于发电机部分采取单层吸声罩减少噪声。由于发电机是一个强热源，双层隔音罩上的进风通道会影响到隔声罩的吸声品质和机组的通气散热效果，为此需要确定双层吸声罩的构成形式以满足机组的总体隔声要求，这将在今后的实验研讨中做进一步的深入研讨。