軍用汽油發(fā)電機(jī)組聲特征信號控制研究

   伊藤小型3kw汽油發(fā)電機(jī)組是目前我軍裝備于野戰(zhàn)通信車的小型車載動(dòng)力電源。長期以來,該機(jī)型組運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)噪聲嚴(yán)重影響了通信車內(nèi)的通信質(zhì)量,降低了整個(gè)通信車的戰(zhàn)場生存和抗毀能力,并直接對指戰(zhàn)員的身心健康造成了不良影響。為此,對該型汽油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行聲特征信號的有效控制有其重要的實(shí)際意義。作者通過對該機(jī)組噪聲倍頻程頻譜的測量,掌握了其噪聲分布規(guī)律;通過對該機(jī)組聲強(qiáng)的測量找出了其主要噪聲源。針對機(jī)組聲場分布特點(diǎn),作者采用整體降噪方案完成了機(jī)動(dòng)密閉式隔聲罩的設(shè)計(jì),并通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬優(yōu)化了設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)表明,該隔聲罩降噪效果明顯,較好地解決了原機(jī)組的強(qiáng)噪聲和通風(fēng)散熱等問題,是一種具有推廣價(jià)值的新裝備。

  噪聲頻譜分析及主要聲源的識別是噪聲控制中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),只有掌握了噪聲的分布規(guī)律,才能采取適當(dāng)?shù)?span style="color: rgb(255, 102, 0); ">噪聲控制方案,取得良好的效果。因此,作者對某小型軍用汽油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了倍頻程頻譜和聲強(qiáng)測量。

 

  測量儀器:B&K2260型聲學(xué)測量與分析系統(tǒng);

  測量工況:機(jī)組穩(wěn)定、正常工作,3kW負(fù)載;

  測量場地:空曠平地,地面為水泥地面;

  天氣條件:晴天、風(fēng)速、溫度、濕度均符合測量標(biāo)準(zhǔn)。

  機(jī)組倍頻程頻譜圖如圖1所示。

  機(jī)組各個(gè)面聲強(qiáng)的聲貌圖如圖2所示。

 

  測量結(jié)果表明,機(jī)組噪聲聲壓值較大,平均為92dB(A),且分布頻帶寬,各個(gè)主噪聲源分布比較分散,且聲壓級最高處集中在人耳最敏感的1000～4000Hz范圍內(nèi),極易引起人的聽力損失和情緒紊亂。

 

 

2、控制方案的確定

 

 

  針對機(jī)組噪聲頻譜和主要噪聲源分布的特點(diǎn),不宜采取局部降噪措施,而宜采用整體降噪方案。因此,我們選擇了整體式隔聲罩的控制方案。

 

2.1　方案的初步設(shè)計(jì)

 

隔聲罩采用雙層板式結(jié)構(gòu),材料選用隔聲指數(shù)較高的PC耐力板,內(nèi)層板厚度為2mm,采用吸聲系數(shù)高、吸聲頻帶寬、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便的微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu);外層板厚度為4.5mm,主要起隔聲作用。內(nèi)、外層板之間為60mm厚的空氣層。

 

2.1.1　隔聲量

 

當(dāng)兩層板的面密度之和不大于200kg/m2時(shí),雙層板的平均隔聲量可按(1)式計(jì)算:

 

R=13.51lg(m1+m2)+14+ΔR(dB)(1)式中　m1,m2———雙層板的面密度;

ΔR———空氣層附加隔聲量,當(dāng)空氣層厚度為

60 mm時(shí),ΔR約為0.4dB。

經(jīng)計(jì)算,該隔聲罩的理論平均隔聲量為19.5dB(A)。

 

2.1.2　駐波

 

  小空間情況下,機(jī)組輻射噪聲的表面與隔聲罩板壁之間會發(fā)生相互作用,形成駐波,使隔聲罩內(nèi)部的聲壓激增,大大惡化隔聲效果。由于本設(shè)計(jì)中采用了微穿孔吸聲結(jié)構(gòu),內(nèi)、外之間有厚度為60mm的空氣夾層,加強(qiáng)了對直達(dá)聲的吸收,有效地避免了駐波對隔聲罩降噪效果的不良影響。

 

2.1.3　“吻合效應(yīng)”

 

當(dāng)聲波頻率高于臨界頻率時(shí),隔聲板的受迫彎曲波速度與自由彎曲波速度相吻合,使其隔聲性能大幅降低,發(fā)生“吻合效應(yīng)”。為避免這種情況,應(yīng)盡量提高構(gòu)件的臨界頻率f0，f0可按(2)式計(jì)算:

 

ƒ0=2×104hρE(Hz) (2)

式中　h———構(gòu)件厚度;

          ρ———構(gòu)件密度;

         E———材料的靜態(tài)彈性模量。

  經(jīng)計(jì)算,內(nèi)層板的臨界頻率為7385Hz,外層板的臨界頻率為3282Hz,兩層隔聲板的臨界頻率錯(cuò)開,可有效降低“吻合效應(yīng)”對隔聲量的影響。

 

2.1.4　通風(fēng)散熱

 

  采用密閉式整體隔聲罩,將不可避免地造成罩內(nèi)熱量堆積,溫度上升,如不妥善解決通風(fēng)散熱問題,不僅影響機(jī)組正常工作,對于汽油發(fā)電機(jī)組來說還可能造成安全事故,大大提高其向外輻射紅外線的水平。因此,在兼顧降噪效果的同時(shí),還在隔聲罩上對應(yīng)機(jī)組冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)、排氣位置安裝了兩個(gè)小型風(fēng)扇,實(shí)施強(qiáng)制對流換熱,加強(qiáng)了罩內(nèi)空氣流動(dòng),提高熱交換效率,從而保證機(jī)組在軍標(biāo)要求的55℃高溫環(huán)境下能正常工作。

 

2.2　計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真

 

  為指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì),我們利用美國大型有限元分析軟件ANSYS對隔聲罩方案初步設(shè)計(jì)的降噪效果進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真?，F(xiàn)以最具代表性的頻率1000Hz時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

 

  聲波頻率為1000Hz時(shí)隔聲罩內(nèi)聲壓分布云圖如圖3所示。

 

 

  由聲壓分布云圖可以看出,當(dāng)聲波頻率為1000Hz時(shí),隔聲罩底部與剛性的水泥地面直接接觸,因此,反射聲較為嚴(yán)重;由于換氣風(fēng)扇處縫隙的影響,機(jī)組風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口處漏聲比較嚴(yán)重。同時(shí),由于頂部壁板骨架剛度方面的原因,頂部壁板的振動(dòng)比較劇烈,造成附加噪聲。

 

2.3　方案的改進(jìn)

 

  根據(jù)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真結(jié)果,我們對噪聲控制方案進(jìn)行如下的改進(jìn):

 

  (1)加強(qiáng)減振措施,在隔聲罩底部與地面直接接觸處和頂部壁板與各個(gè)壁板的接觸面上設(shè)置減振橡膠;

 

  (2)加強(qiáng)換氣風(fēng)扇處和各個(gè)壁板接觸處的密封性能;

 

  (3)加強(qiáng)頂部壁板內(nèi)骨架的強(qiáng)度,避免附加噪聲的產(chǎn)生。

 

 

3、實(shí)驗(yàn)研究

 

 

  在完成了整體降噪方案的設(shè)計(jì)和隔聲罩的試制任務(wù)后,我們對該裝置的實(shí)際降噪性能進(jìn)行了聲壓和聲強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)研究,得到了加隔聲罩后發(fā)電機(jī)組的倍頻程頻譜和各個(gè)面聲強(qiáng)的聲貌圖,分別如圖4和圖5所示。

 

 

  聲壓測量結(jié)果表明,該隔聲罩在全頻段均有較好的降噪效果,平均降噪量達(dá)12.8dB(A),對于人耳最為敏感的1000～4000 Hz頻率范圍內(nèi)的噪聲平均降噪量達(dá)到20dB(A)以上,控制效果尤為明顯。

 

  聲強(qiáng)測量結(jié)果表明,該隔聲罩有效地降低了原汽油發(fā)電機(jī)組各個(gè)面的噪聲強(qiáng)度,且加強(qiáng)了各個(gè)面噪聲源分布的均勻程度。另外,高溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,在55℃環(huán)境條件下,該型汽油發(fā)電機(jī)組能保持穩(wěn)定正常工作,在環(huán)境溫度從25～55℃變化過程中,機(jī)組功率損失僅為5.6%,符合軍標(biāo)要求。

 

4、結(jié)論

 

  由某小型軍用汽油發(fā)電機(jī)組加隔聲罩前、后的對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:

 

  (1)該隔聲罩能有效地降低該小型軍用汽油發(fā)電機(jī)組的聲特征信號,平均降噪量達(dá)12.8dB(A);

 

  (2)由于采用了新材料PC耐力板,整個(gè)裝置重量輕,總重量不大于20kg;

 

  (3)由于采取了強(qiáng)制通風(fēng)手段,能保證該小型軍用汽油發(fā)電機(jī)組在高溫條件下正常工作,且功率損失在可允許的范圍內(nèi);

 

  (4)裝置拆卸方便,機(jī)動(dòng)性強(qiáng),很適合部隊(duì)野戰(zhàn)使用,是一種具有推廣價(jià)值的新裝備。

 

  除上述的一些增加柴油發(fā)電機(jī)組可靠性運(yùn)行的措施外,還采用了其他措施,如為合理使用柴油機(jī)而設(shè)置的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)等,不再詳述。從樣機(jī)試制及經(jīng)過2批次生產(chǎn)和試驗(yàn)情況來看,產(chǎn)品的性能指標(biāo)均高于技術(shù)條件的要求,產(chǎn)品的可靠性得到了保證,達(dá)到了用戶的滿意,現(xiàn)已作為我軍某重點(diǎn)型號地面電源的定型產(chǎn)品。

 

 

（責(zé)任編輯：伊藤發(fā)電機(jī)-網(wǎng)絡(luò)部小徐）