新聞主題	柴油發(fā)電機組隔音罩構成和設計的注意事項

 

摘要：隔音罩是聲學(xué)降噪中最常用的措施方案，又稱(chēng)靜音箱、預制式集裝箱電站等。靜音箱式柴油發(fā)電機組的結構按功能劃分，主要包括吸隔聲模塊，消聲通風(fēng)散熱系統，隔聲門(mén)，隔聲窗以及主體承重框架等。通常視柴油發(fā)電機組在現場(chǎng)實(shí)際使用的需要和用戶(hù)的要求有所增減，比如可增加浮筑減振地板，尾氣凈化裝置，移動(dòng)拖車(chē)以及消防裝置等配置。制作方法是采用消聲 、 隔振 、 吸聲和隔聲相結合的綜合方案 ,  控制和減小柴油發(fā)電機的噪聲 ,  使柴油發(fā)電機組隔音罩達到降噪靜音的目的 。 本文通過(guò)分析柴油發(fā)電機組的各類(lèi)噪聲聲源產(chǎn)生原理 ,  提出消減噪聲的措施 , 從而對靜音箱的結構方案進(jìn)行探討并優(yōu)化。

 

一、靜音機組噪聲分析

 

      柴油發(fā)電機組可以作為主用電源、備用電源或應急電源，廣泛應用于現代社會(huì )的諸多領(lǐng)域。但是柴油發(fā)電機組在工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲非常大（90 dB（A）~120 dB（A），離機組1 m處），直接影響了人們的工作和生活，迫切需要噪聲小的發(fā)電機組，為此靜音型柴油發(fā)電機組應運而生。靜音型柴油發(fā)電機組就是將機組安置于隔音罩內，通過(guò)隔聲、吸聲、消聲、隔振等技術(shù)措施有效地阻止或減弱噪聲向外傳播，將噪聲源的噪聲控制在箱體內部，從而降低其對外界的影響。隔音罩同時(shí)具備防雨、降噪功能，因而其結構設計非常關(guān)鍵，本文對柴油發(fā)電機組隔音罩的消音降噪結構方案進(jìn)行分析探討。

      為有效控制機組的噪聲，首先分析機組噪聲的產(chǎn)生及其分布，以便有針對性地采用噪聲控制技術(shù)。柴油發(fā)電機組主要由發(fā)動(dòng)機、發(fā)電機、散熱水箱、公共底座等部件組成，從噪聲產(chǎn)生的原因和部位上來(lái)分，發(fā)電機組噪聲主要是由排氣噪聲、機械噪聲、燃燒噪聲、冷卻風(fēng)扇和排風(fēng)噪聲和進(jìn)風(fēng)噪聲、發(fā)電機噪聲等6類(lèi)噪聲源匯集而成的綜合聲源。

      普通柴油發(fā)電機組運行時(shí)，在距離機組1 m處的噪聲平均值在120dB（A）左右，根據其傳播路徑（或噪聲控制區域）可歸納為以下三種噪聲：排氣噪聲、排風(fēng)噪聲和進(jìn)氣噪聲。消減噪聲的措施也相應地分為排氣降噪、排風(fēng)降噪和進(jìn)氣降噪。柴油發(fā)電機組噪聲控制區域如圖1所示，在不帶隔音罩之前的設備安裝示意圖如圖2所示。

 

圖1  柴油發(fā)電機組隔音罩噪聲控制區域

圖2  柴油發(fā)電機組的安裝示意圖（不帶隔音罩）

 

二、靜音機組的方案設計

 

      靜音機組的總體結構設計需要考慮如下幾個(gè)方面：

1、框架結構設計

      隔音罩需要根據發(fā)電機組的尺寸和性能要求而設計相對密閉的具有防雨和降噪功能的箱體，其框架結構一般根據發(fā)電機組外形尺寸、機組功率、降噪要求和使用環(huán)境要求決定，常見(jiàn)的結構形式有標準集裝箱式和折板式。集裝箱式隔音罩結構常采用標準集裝箱改造成隔音罩安裝發(fā)電機組，輔助隔聲降噪措施，其結構形式如圖3所示。折板式隔音罩依據柴油發(fā)電機組的外形結構采用鋼板制作的隔聲箱體（罩殼），輔助隔聲降噪措施，并安裝隔聲檢修門(mén)以及隔聲觀(guān)察窗，其結構形式如圖4所示。需根據技術(shù)性、經(jīng)濟性合理選擇隔音罩框架結構，比如功率較大機組或者需要船運的項目或者需出口的項目，優(yōu)先選用集裝箱結構；要求空間小或成本低的項目，可以選擇折板式結構。

 

圖3  集裝箱式柴發(fā)機組靜音箱結構

圖4  折板式柴發(fā)機組靜音箱結構

 

2、通風(fēng)散熱設計

      柴油發(fā)動(dòng)機消耗的燃油有部分熱量損耗輻射到周?chē)目諝庵?，提高了隔音罩內的溫度，影響了發(fā)電機組的性能。隔音罩結構設計時(shí)應按發(fā)電機組燃燒和散熱需要的風(fēng)量計算通風(fēng)所需的進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)截面面積，保證箱體內足夠的通風(fēng)量，并且通過(guò)合理布置進(jìn)、排風(fēng)口的位置使發(fā)電機組得到最好的冷卻效果，特殊情況可考慮強制送風(fēng)。

3、隔聲和吸聲計算及設計

      利用隔聲構件（墻體、門(mén)窗等）將噪聲源和接受者隔開(kāi)，在噪聲的傳播路徑上降低噪聲污染的技術(shù)稱(chēng)為隔聲技術(shù)。通常采用的設置聲屏障、隔音罩、隔聲間等聲學(xué)措施就屬于隔聲技術(shù)，其可降低噪聲20dB（A）~50dB（A）。

      當聲波入射到兩種媒質(zhì)的分界面時(shí)將會(huì )發(fā)生反射、透射現象，不同的材料對聲波的透射效果不同，透射能力越小，隔聲量越大，隔聲性能越好。物體的隔聲量R與構件的面密度m（kg/m2）和聲波激發(fā)頻率f（Hz）的關(guān)系為:

R=20lgm+20lgf-42.5..............（公式1）

      由公式（1）可知，對于某一固定頻率，構件的隔聲量是隨著(zhù)面密度的增加而增加的，因此箱體壁板設計時(shí)應盡量選擇面密度相對較大的材料。實(shí)際工程應用時(shí)，常以平均隔聲量計算壁板的隔聲量，把隔聲量按主要的入射聲頻率（100 Hz～3200 Hz）求平均，用平均隔聲量R表示，其計算公式為：

R=13.5lgm+14 m≤200

R=16lgm+8 m>200..............（公式2）

      由公式（2）可知，平均隔聲量與面密度緊密相關(guān)，而根據實(shí)際隔聲量的需求可大致確定壁板的材料和厚度。

      在進(jìn)行隔聲處理的同時(shí)，大量的聲波被反射回箱體內部，從而降低壁板的隔聲效果。因此在進(jìn)行隔聲處理的同時(shí)還要在壁板內側貼附吸聲材料，從而對內部噪聲進(jìn)行吸聲處理，有效降低總體噪聲級。

      聲波在傳播過(guò)程中遇到各種固體材料時(shí)，一部分聲能被反射，一部分聲能進(jìn)入到材料內部被吸收，還有很少一部分聲能透射到另一側。通常將入射聲能E；和反射聲能E，的差值與入射聲E；之比值稱(chēng)為吸聲系數，記為α，即：

α=（E_i-E_r）/E_i..............（公式3）

      吸聲系數α的取值在0~1之間，α在0.2以上的材料被稱(chēng)為吸聲材料，α在0.5以上的材料就是理想的吸聲材料。吸聲系數α的值與入射聲波的頻率有關(guān)，同一材料不同頻率的聲波其吸聲系數有不同的值；不同材料的吸聲系數不同，其吸聲效果也不同。箱體吸聲降噪量ΔLp計算公式為：

ΔLp=10lg（ā₁/ā₂）..............（公式4）

其中：ā?、ā?分別為箱體表面經(jīng)處理前、后的平均吸聲系數。

      箱體內表面的平均吸聲系數計算公式為：

ā=Σα_iS_i..............（公式5）

其中：S_i為第i個(gè)表面的面積，m²；S為箱體內表面面積的總和，m²。

      如現場(chǎng)條件比較復雜，平均吸聲系數a難以準確計算時(shí)，可以利用吸聲系數與混響時(shí)間即衰減60 dB所需要的時(shí)間Tso計算，其關(guān)系為：

T60=0.161V/S•ā..............（公式6）

其中：V為箱體容積，m³。

      則公式（4）可簡(jiǎn)化為：

ΔLp=10lg（T₁/T₂）..............（公式7）

其中：T?、T?分別為吸聲處理前、后的混響時(shí)間。

      在吸聲降噪過(guò)程中，常采用多孔吸聲材料（如礦棉或硅酸鋁棉等）、薄板共振吸聲結構、穿孔板共振吸聲結構和微穿孔板共振吸聲結構等技術(shù)來(lái)實(shí)現減噪的目的。發(fā)電機組用隔音罩常采用穿孔板結合吸聲材料的復合結構，如圖5所示。對門(mén)進(jìn)行加厚和密封處理，對觀(guān)察窗采用雙層玻璃結構并進(jìn)行密封處理，最大限度地密封了噪聲，有效地解決了噪聲從門(mén)、窗和空隙中傳出的問(wèn)題，同時(shí)逃生門(mén)鎖還需要具備內部開(kāi)啟功能。

4、進(jìn)、排風(fēng)口噪聲處理

      為保證發(fā)動(dòng)機正常工作以及給機組本身創(chuàng )造良好的散熱條件，機組的進(jìn)風(fēng)通道必須能夠使進(jìn)風(fēng)順暢地進(jìn)入隔音罩，進(jìn)風(fēng)量必須大于機組的空氣消耗量與排風(fēng)量之和，但同時(shí)機組的機械噪聲、氣流噪聲也會(huì )通過(guò)這個(gè)進(jìn)風(fēng)通道輻射到隔音罩外面。

      發(fā)電機組風(fēng)扇噪聲是由旋轉噪聲和渦流噪聲組成的，旋轉噪聲由風(fēng)扇的葉片切割空氣流產(chǎn)生周期性擾動(dòng)而產(chǎn)生；渦流噪聲是由于風(fēng)扇運動(dòng)導致的周?chē)諝獍l(fā)生渦流脫體，使空氣發(fā)生擾動(dòng)，形成氣體的壓縮與稀疏過(guò)程而形成的，是一個(gè)寬頻噪聲。發(fā)電機組的排風(fēng)噪聲、氣流噪聲、風(fēng)扇噪聲、機械噪聲等也都是通過(guò)排風(fēng)通道輻射出去的。

      由于隔音罩箱體采取自然進(jìn)風(fēng)（特殊情況采用強制送風(fēng)）和強制排風(fēng)，因此按照區域劃分為進(jìn)氣噪聲區和排風(fēng)噪聲區。為防止噪聲從進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)道向外傳播，進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)口均必須安裝消聲系統，其結構如圖6所示。根據發(fā)動(dòng)機風(fēng)扇排風(fēng)量和空氣燃燒量，可以計算進(jìn)、排風(fēng)風(fēng)量并設計進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)消聲通道，即設計折板式阻性消聲器，起到進(jìn)風(fēng)、排風(fēng)消聲作用。折板式阻性消聲器是在消聲器內壁或通道空間安裝吸聲材料（硅酸鋁棉）或吸聲結構，利用聲波在多孔性吸聲材料或吸聲結構中傳播，因摩擦將聲能轉化為熱能而散發(fā)掉，使沿管道傳播的噪聲隨距離而衰減，從而達到消聲的目的。在消聲器片出口處安裝百葉窗（或電動(dòng)百葉窗）避免雨水進(jìn)入。

      阻性消聲器的降噪量與吸聲材料的聲學(xué)性能、氣流通道周長(cháng)、斷面面積以及管道長(cháng)度等因素有關(guān)，A.N．別洛夫由一維理論推導出長(cháng)度為?的消聲器的降噪量ΔL為：

ΔL=φ（α₀）•L•?/S?..............（公式8）

其中：φ（α₀）為消聲系數；?為消聲器有效部分長(cháng)，m；L為消聲器的通道斷面周長(cháng)，m；S?為消聲器的有效橫截面面積，m²。

      由公式（8）可推導出阻性消聲器長(cháng)度?為：

?=ΔL•S?/φ（α₀）•L..............（公式9）

 

圖5  柴油發(fā)電機組靜音箱隔聲板結構

圖6  靜音發(fā)電機組進(jìn)排風(fēng)消聲系統

 

5、柴油發(fā)電機組噪聲的控制

      由于柴油發(fā)電機組排氣（煙）噪聲級別最強，排氣管路是機組最大的噪聲擴散源，在排氣管上安裝消聲器是最直接有效的手段。整個(gè)排氣（煙）系統的總阻力P計算公式為：

P=P_?+P?..............（公式10）

其中：P_?為排氣（煙）管的背壓；P?為消聲器的背壓。

      排氣（煙）管的背壓計算公式為：

P_?=6.32L?×Q²/｛D⁵×（t+273）｝

其中：L?為排氣直管當量總長(cháng)度，當排氣系統中采用彎管時(shí)，應將彎管折算成直管的當量長(cháng)度，m；Q為廢氣流量，m³/s；D為排氣管直徑，m；t為排氣（煙）溫度，℃。

      發(fā)電機組的最大允許排氣背壓為一定值（可查發(fā)動(dòng)機參數表），由公式（11）可知，設計排氣（煙）管路時(shí)，盡可能減小管路排氣背壓，通常采用降低排氣通道中各部件的氣流速度、少用彎頭，并擴大排氣管直徑的方法?？刹扇≡诔Ｒ幙剐韵暺鞯幕A上增加一個(gè)阻性消聲器形成兩級擴張式消聲器，或者直接在柴油發(fā)電機組的排氣（煙）口安裝阻抗復合式消聲器，對發(fā)電機組的排氣（煙）噪聲進(jìn)行處理，同時(shí)對箱體內的排氣（煙）管路進(jìn)行隔熱包扎，以減少排氣（煙）系統熱輻射對箱體的溫升作用。在發(fā)電機排氣彎頭與管路連接的位置須安裝波紋管，吸收和補償排氣（煙）管的熱脹冷縮、防止剛性件破裂。消聲器的選擇必須滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機排氣（煙）背壓的要求，消聲器會(huì )使排氣（煙）管路的排氣阻力增大，將影響柴油發(fā)電機組的使用性能。經(jīng)測量可知，安裝阻抗復合式消聲器后的排氣（煙）噪聲（排氣管出口1m處）可降低25 dB（A）～30 dB（A）。

6、柴油發(fā)電機組隔振設計

      針對發(fā)電機組的固有頻率，在發(fā)電機組的合適位置放置橡膠減振器/墊，以減少機組振動(dòng)對基礎或建筑物的損壞以及通過(guò)振動(dòng)而傳播噪聲。發(fā)電機組的隔振一般采用橡膠減振器，發(fā)電機通過(guò)橡膠減振器安裝在機組底座上，機組底座與隔音罩底板之間配置高效減振膠墊（或彈簧減振器），對機組進(jìn)行二次隔振處理。

7、供油系統設計

      柴油發(fā)電機組可配置滿(mǎn)足機組全負荷運行8h所需的底座油箱。底座油箱與發(fā)電機組的進(jìn)、回油接口用高壓軟油管進(jìn)行連接，進(jìn)油管路設置過(guò)濾器。大功率機組需考慮單獨的日用油箱供油。

8、消防、配電系統設計

      根據用戶(hù)需求配置機組自動(dòng)消防氣體滅火系統，配備滅火器、消防應急燈、防火閥等消防設備設施；根據用戶(hù)需求，配置對外供電接口（接線(xiàn)箱），并安裝照明系統。

 

三、隔音罩的制作及注意事項

 

1、隔音罩的制作

       吸隔聲模塊是隔音罩最基本也是最重要的組成部分，在其他組成部分性能恒定的情況下（密封性良好），吸隔聲模塊的聲學(xué)性能直接決定隔音罩的降噪效果。通俗的來(lái)講，如果隔音罩要取得達到某一數值降噪量的效果，那么吸隔聲模塊的整體吸隔聲效果就必須要大于這一數值。因此吸隔聲模塊的結構，是設計隔音罩，保證其達到設計降噪效果，首要考慮的因素。進(jìn)一步來(lái)講，吸隔聲模塊組成結構的選材是隔音罩降噪應用成功的關(guān)鍵。圖7、圖8是隔音罩的3D模擬圖。

      吸隔聲模塊結構顧名思義，包括吸聲與隔聲兩個(gè)部分。隔聲部分主要功能是使用隔聲材料阻斷聲音傳播的空氣途徑，將噪聲的負面影響控制在隔音罩空間區域內。吸聲部分是隔聲部分的補充，但是必不可少。當聲波被隔聲材料阻斷后，就會(huì )被反射，經(jīng)過(guò)多次反射后，隔音罩空間區域內的聲波就會(huì )疊加，使隔音罩內的聲壓級高于噪聲源設備原有的聲壓級。通過(guò)使用吸聲材料，可最大限度的降低聲波的反射，同時(shí)衰減吸收聲波傳遞的聲能量。

      吸隔聲模塊結構通常選用1-2mm的優(yōu)質(zhì)鍍鋅鋼板折制成型，作為隔聲材料，為了抑制鋼板的吻合效應，在內表面敷有一層3-5mm的阻尼涂料，來(lái)提高隔聲性能。型腔內填吸聲棉，根據所要隔斷的噪聲聲波特性，選擇不同的容重和厚度。吸聲棉用吸聲膜包裹，防止滲漏。腔外用鍍鋅穿孔板作為保護面，孔板穿孔率25%以上。 

2、隔音罩制作的注意事項

      隔聲降噪應從柴油發(fā)電機組噪音的傳播途徑著(zhù)手，柴油機的隔聲，有局部隔聲和整機隔聲兩種。

（1）局部隔聲

      局部隔聲指僅在噪聲輻射較強的表面上裝隔音罩殼。采用隔音罩殼應注意以下幾點(diǎn)。

① 罩殼的固定應有彈性，罩殼與基本結構表面應留有適當的間隔，罩殼的自振頻率應控制在100～300Hz以下。

② 采用阻尼涂層或層狀材料做隔音罩殼，可提高隔聲效果。

③ 必須注意罩殼的密封。

（2）整機隔聲

      整機隔聲就是在緊靠柴油機外表面裝一套整機隔音罩，可以使柴油機總表面噪聲降低10~35dB（A）。與局部隔聲相比，整機隔聲的優(yōu)點(diǎn)是隔聲量大，缺點(diǎn)是會(huì )使機組的外形尺寸加大，重量增加，同時(shí)需要通風(fēng)散熱。

① 轉子斜槽后，由于徑向力沿軸向長(cháng)度上各處相位不同，可產(chǎn)生扭力力矩，導致鐵芯扭轉振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲，這在大型電機及鐵芯很長(cháng)的電機中應特別注意。此外，增大電機的定子鐵芯或機座結構阻尼，電機的定子鐵芯與機座采用彈性連接等均可降低電機的電磁噪聲。

② 增加電機定子剛度及避免機械共振增加定子鐵芯軛的厚度以增加剛度，可降低電機的振動(dòng)及噪聲。因此，多極數電機中軛厚不能單純從磁路計算觀(guān)點(diǎn)考慮。再者，應避免機械共振，即避免主要的力波頻率與定子機座、端蓋等結構件的固有頻率接近或吻合。

 

圖7  柴油發(fā)電機組隔音罩側視圖

圖8  柴油發(fā)電機組隔音罩正視圖

 

總結：

     現代社會(huì )環(huán)境對噪聲要求日趨嚴格，對帶隔音罩的柴油發(fā)電機組的降噪要求也越來(lái)越高，在設計柴油發(fā)電機隔音罩結構方案時(shí)，需要綜合利用噪聲控制技術(shù)，針對柴油發(fā)電機組不同部位噪聲的特點(diǎn)，分別采用隔聲、吸聲、消聲和隔振等控制措施，合理選擇性?xún)r(jià)比高的降噪材料，充分利用靜音箱體空間來(lái)設計降噪結構方案，可使噪聲降至75 dB（A），達到國家環(huán)境要求的標準。

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