柴油發電機的噪聲源類別與特征

柴油發電機的噪聲源類別與特征
柴油發電機房噪音通常可輕易穿透墻體的阻擋輻射到機房外，它除了設備本身運轉發出的噪聲，還有就是噪聲在機房內反射形成的噪聲場。其主要噪聲源包括柴油發電機的排氣噪聲、進氣噪聲、冷卻風扇噪聲、燃燒噪聲、機械噪聲、電磁噪聲以及地基振動的傳遞所產生的噪聲等。
一、噪聲源分析
1、排氣噪聲
柴油發電機工作時，氣缸內的高溫高壓廢氣隨排氣口間斷開閉周期性地噴射到排氣管內，排氣管口排出高溫高速的脈動氣流，由此產生周期性的排氣噪聲。排氣噪聲是柴油發電機最主要的聲源，頻譜特性為低頻為主的寬頻帶噪聲，噪聲級高達95——105db（a），峰值一般為63——250hz。排氣噪聲的主要頻率f（hz）：
f = 2k•n / 60t（hz）
式中
k——發動機的氣缸數；
n——發動機的每分鐘轉速（r/min）；
t——發動機的沖程數。
柴油發電機排氣噪聲的強度與發動機的功率、轉速等因素有關，并隨發動機的轉速及負荷的變化而變化。一般柴油機排氣噪聲的總聲壓級（db）可用下式近似估算：
lp= 12logn+30logn-9（db）
式中
n——柴油機主軸轉速（r/min）；
n——柴油機功率（hp）。
對發電機組的排煙噪聲處理通常是在原配的標準消聲器后串聯二級消聲器，常用的二級消聲器有以下幾種：
消聲箱（阻-抗復合式）
中高頻（sl_a）
共振式（抗性）
低頻（sl_b）
膨脹式（抗性）
低中頻（sl_c）
迷途式（阻性）
寬頻（sl_d）
復合式（阻-抗復合式）
寬頻（sl_f）
聲流式（阻性）
寬 頻（sle）
通常使用的兩種排煙消聲器外型如圖1，消聲器實際應用的外型尺寸是根據各種不同型號的發電機組和具體的噪聲要求而定。
圖1 阻抗式消聲器結構圖
2、進氣噪聲
對于非增壓柴油機，進氣噪聲比排氣噪聲低，接近柴油發電機運動部件產生的機械噪聲水平。
① 空氣在進氣管中的壓力脈動產生低頻噪聲；
② 空氣以高速流經進氣門流通截面時形成渦流產生高頻噪聲；
③ 氣缸內氣體在一定壓力下的受迫振動、氣門落座聲音及進氣管的振動等
3、排風和風扇噪聲
風扇噪聲是由旋轉的葉片周期性地打擊空氣質點，引起空氣的壓力脈動產生噪聲。當柴油發電機的進排氣管安裝消聲器后，用于冷卻循環水的風扇便成為重要的噪聲源。風扇噪聲一般可達100db（a）左右。
①風扇噪聲是由渦流噪聲和旋轉噪聲組成的，旋轉噪聲由風扇的葉片切割空氣流產生周期性擾動而引起；
②排風的渦流噪聲是氣流在旋轉的葉片截面上分離時，由于氣體的粘性引起的旋渦流，輻射一種非穩定的流動噪聲。
排風噪聲、氣流噪聲、風扇噪聲、機械噪聲均是通過排風的通道輻射出去的。
4、燃燒噪聲
燃燒噪聲是由于氣缸內周期變化的氣體壓力的作用而產生的，它主要取決于燃燒的方式和燃燒的速度。
當柴油機壓縮行程終了時，燃燒室內被壓縮的可燃混合氣被電火花點燃，可燃混合氣燃燒后，放出大量的熱能，燃氣的壓力和溫度迅速增加，最高壓力約為3—5mpa，相應的溫度為2200——2800k，在燃燒作功的同時，致使發動機各部件振動而引起的噪聲。
5、機械噪聲
機械噪聲是由于運動件之間以及運動件與固定件之間周期性變化的機械運動而產生的，它與激發力的大小、運動件的結構等因素有關。例如活塞、連桿、氣門等零件的上下運動，曲軸、齒輪組旋轉運動而產生的。
（1）發動機運轉時，活塞在上、下止點附近受側向力作用產生一個由一側向另一側的橫向移動，從而形成活塞對缸壁的強烈敲擊，產生了活塞敲擊噪聲。產生敲擊的主要原因是活塞與氣缸套之間存在間隙，以及作用在活塞上的氣體壓力。
（2）傳動齒輪的噪聲是齒輪嚙合過程中齒與齒之間的撞擊和摩擦產生的。在柴油機上，齒輪承載著交變的動負荷，這種動負荷會使軸產生變形，并通過軸在軸承上引起動負荷，軸承的動負荷又傳給發動機殼體和齒輪室殼體，使殼體激發出噪聲。此外，曲軸的扭轉振動也會破壞齒輪的正常嚙合而激發出噪聲。傳動齒輪噪聲與齒輪的設計參數和結構型式、加工精度、齒輪材料配對、齒輪室結構以及運轉狀態有關。
（3）柴油機大都采用凸輪、氣門配氣機構，機構中包括凸輪軸、挺柱、推桿、搖臂、氣門等零件。配氣機構中零件多、剛度差，在運動中易于激起振動和噪聲，包括氣門和氣門座的撞擊，由氣門間隙引起的傳動撞擊，挺柱和凸輪工作面之間的摩擦振動，高速時氣門不規則運動引起的噪聲。配氣機構噪聲與氣門機構的型式、氣門間隙、氣門落座速度、材料、凸輪型線、凸輪和挺柱的潤滑狀態、柴油機的轉速等因素有關。
6、 電磁噪聲
發電機的轉子和定子在電磁場中高速旋轉產生電磁噪聲以及滾動軸承旋轉所發生的機械噪聲。
發電機中的磁噪聲也稱“電磁”或“電”噪聲，由磁化部件在其交變磁場中的吸引力和排斥力產生的機械力（如壓力）引起的。交變磁場以兩倍的線頻（如嗡嗡聲）激發振動和噪聲，僅在電機通電時，如果斷電后噪音立即停止，則其來源是磁噪聲。
磁噪聲通常是二極和四極電機的第二大噪聲源（風阻是第一大噪聲源），也可能是六極或更多極電機的主要噪聲源。這主要是因為低速磁芯的定子殘留硅鋼片的深度比極數較少的高速磁芯的定子深度小（見圖3），2極和6極定子鐵芯中的殘留硅鋼片，這使得它們更容易變形，并因較小的力產生更大的振幅振動。由于氣隙較小以及軸承和殼體配合超差的偏心效應，具有六個或更多極的低速電機容易產生更高的噪聲級。
圖2 發電機內部結構解剖圖
圖3 發電機高速旋轉的噪聲
7、地基振動噪聲
柴油機強烈的機械振動可通過地基遠距離傳播到室外各處，然后通過地面再幅射噪聲。柴油發電機房降噪處理的原則是，在確保柴油發電機組通風條件即不降低輸出功率的前提下，采用高效吸音材料和降噪消聲裝置對進、排風通道和排氣系統進行降噪處理，使之噪聲排放達到國家標準。
綜上所述，機房內柴油機組運行時，考慮柴油機殼體、排煙管道及機房冷卻風機的疊加噪聲，在機房內形成一個混響聲場，其機房內噪聲一般將大于100db（a）。
二、柴油機噪音的控制措施
1、改進燃燒室結構
燃燒室的結構形狀與混合氣的形成和燃燒密切相關，燃燒室的結構決定著燃燒室空腔的聲模態和壓力高頻振蕩的頻率，所以選擇合適的燃燒室或對燃燒室結構，將能優化燃燒過程，降低壓力升高率和削弱壓力高頻振蕩。因此可以選擇分隔式的燃燒室。在渦流室式內燃機中，噴油嘴的噴油方向偏離渦流室中心而指向下游，附著于缸壁面的燃料就越多，燃燒越平靜，噪聲就會越小。
2、增壓
柴油機增壓后可使進入氣缸的空氣充量密度增加，進氣溫度增加，使得壓縮終了的溫度和壓力增高，滯燃期縮短，所以可以降低燃燒噪聲。
3、廢氣再循環
廢氣再循環主要引入的初衷是用來降低no。物，但廢氣再循環使得進氣溫度升高，減少燃燒率，使發動機獲得平穩的運轉，所以可以有效降低燃燒噪聲。
4、壓縮比
提高壓縮比可以提高壓縮終了的壓力和溫度，因此縮短滯燃期，使燃燒噪聲降低。但是壓縮比的提高會使氣缸壓力增加，活塞敲擊聲增大，所以通過提高壓縮比降低燃燒噪聲應綜合考慮其對活塞敲擊聲的影響。
5、燃料
不同的燃料，噴人氣缸后，其物理、化學準備過程不同，從而導致不同的滯燃期。十六烷值高的燃料滯燃期短，壓力升高率降低，燃燒噪聲降低。另外新的代用燃料，如生物制氣，乙醇等有利于柴油機燃燒噪聲的降低。
6、預噴射降低噪音
預噴就是將一個循環一次噴完的燃油分成兩次噴。先噴入的一小部分提前在主噴之前就開始進行點燃的預反應，如此可以減少在滯燃期內積聚的可燃油量。這是降低直噴式柴油機燃燒噪聲的最有效措施。
7、延遲噴油定時控制噪音
由于

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