某型發(fā)電機(jī)組隔聲罩隔聲性能仿真分析

董 瑞，袁 帥，郭 彬，高 碩

（濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061）

0 引言

柴油發(fā)電機(jī)組憑借單機(jī)容量等級多、安裝地點(diǎn)靈活、熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在企業(yè)、礦區(qū)、居民區(qū)等場所得到了非常廣泛的應(yīng)用。但機(jī)組在運(yùn)行時會產(chǎn)生較大的噪聲，對周圍造成嚴(yán)重的噪聲污染問題。在聲學(xué)領(lǐng)域，通常按“源—路徑—接受者”模型對噪聲進(jìn)行評價。而隔聲罩作為噪聲傳遞路徑上的重要組成部分，對其進(jìn)行吸聲或隔聲性能研究，對柴油發(fā)電機(jī)組的噪聲控制具有重要的意義[1-2]。

吳建亮[3]按照半球法測定了不裝封閉靜音箱和裝有靜音箱的發(fā)電機(jī)組噪聲數(shù)值，結(jié)果表明中增加靜音箱，可使噪聲降低10 dB 以上，并提出增加靜音箱壁厚和靜音海綿厚度可進(jìn)一步優(yōu)化靜音箱的建議。胡聯(lián)雄等[4]通過分析柴油發(fā)電機(jī)組各類噪聲聲源產(chǎn)生機(jī)理，將發(fā)電機(jī)組劃分成不同的噪聲控制區(qū)域，對現(xiàn)有靜音箱的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析探討，得出通過采用隔聲、吸聲、消聲等措施，合理選擇降噪材料，可使靜音箱噪聲降低至75 dB（A）的結(jié)論。Zhou 等[5]基于聲學(xué)邊界元法對隔聲罩進(jìn)行了輻射噪聲預(yù)測，利用聲學(xué)靈敏度分析，探究了對插入損失影響最大的因素。張樹峰等[6]以某靜音型柴油發(fā)電機(jī)組為研究對象，通過實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，驗(yàn)證了數(shù)值計算方法的可靠性，研究了吸聲材料聲阻抗率參數(shù)、通風(fēng)口結(jié)構(gòu)對隔聲罩隔聲性能的影響。

本文基于Simcenter 3D 軟件，利用間接邊界元算法，對某型發(fā)電機(jī)組不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的隔聲罩進(jìn)行仿真分析，以探究不同通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的隔聲罩隔聲性能差別，為以后隔聲罩的降噪設(shè)計提供理論指導(dǎo)。

1 模型創(chuàng)建

1.1 結(jié)構(gòu)模型

某型柴油發(fā)電機(jī)組隔聲罩的三維模型如圖1 所示。柴油發(fā)電機(jī)組主要由柴油發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、隔聲罩、控制柜等部分組成。柴油發(fā)電機(jī)組隔聲罩通風(fēng)口形式有通風(fēng)攔網(wǎng)、百葉窗式和U 型窗式。通風(fēng)攔網(wǎng)式結(jié)構(gòu)噪聲泄露最嚴(yán)重，本文不進(jìn)行分析，僅對百葉窗式和U 型窗式通風(fēng)口進(jìn)行對比分析。百葉窗式和U型窗式通風(fēng)口結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖1 發(fā)電機(jī)組的整機(jī)

圖2 2 種通風(fēng)口形式

1.2 聲學(xué)模型

隔聲罩的聲學(xué)網(wǎng)格模型如圖3 所示。圖中灰色為剛性平面，用于模擬真實(shí)的地面反射條件。綠色為隔聲罩聲學(xué)網(wǎng)格，黃色為麥克風(fēng)面網(wǎng)格，紫色MIC 點(diǎn)為麥克風(fēng)點(diǎn)，用于請求壓力、速度和強(qiáng)度等結(jié)果。

圖3 隔聲罩聲學(xué)網(wǎng)格模型

隔聲罩網(wǎng)格模型為不封閉模型，機(jī)組模型較大，屬中大規(guī)模的聲學(xué)求解問題，考慮計算資源及效率，本文采用間接邊界元方法對隔聲罩的噪聲傳遞問題進(jìn)行求解[7]，同時得到內(nèi)部和外部聲場信息，探究結(jié)構(gòu)、吸聲材料等因素對隔聲罩隔聲性能的影響。

按照國標(biāo)《GBT 2820.10-2002 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的交流發(fā)電機(jī)組 第10 部分噪聲的測量（包面法）》的要求，測點(diǎn)的數(shù)目與布置如圖4 所示[8]，本文僅對1點(diǎn)、以1 點(diǎn)為中心的矩形面A 及過1、3、9 點(diǎn)的矩形面B 的聲壓級進(jìn)行對比。

圖4 測量面及測點(diǎn)布置

柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的噪聲十分復(fù)雜，存在風(fēng)扇噪聲、排氣噪聲、進(jìn)氣噪聲及機(jī)械噪聲等，本文僅對隔聲罩的隔聲性能的影響因素進(jìn)行分析，不求獲得準(zhǔn)確的機(jī)組內(nèi)外聲場聲壓數(shù)值[9]。因此，本文聲源激勵采用一理想點(diǎn)聲源，聲功率為1W。

2 仿真計算

2.1 百葉窗型和U 型窗隔聲罩對比仿真計算

隔聲罩除通風(fēng)口外其他結(jié)構(gòu)及通風(fēng)口大小、位置保持不變，僅改變通風(fēng)口形式，經(jīng)計算，百葉窗型和U型窗通風(fēng)口測點(diǎn)1 處麥克風(fēng)點(diǎn)的聲壓級曲線如圖5所示。

圖5 測點(diǎn)1 聲壓級曲線

由聲壓級曲線可以看出，在低頻段（0 ～500 Hz）百葉窗和U 型窗結(jié)構(gòu)的隔聲性能相差較小，在中高頻段（500 ～4000 Hz）兩種結(jié)構(gòu)聲壓級差距較大，U 型窗結(jié)構(gòu)隔聲性能優(yōu)于百葉窗結(jié)構(gòu)。

A、B 面的聲壓級云圖如圖6、圖7 所示，圖中上方對應(yīng)百葉窗結(jié)構(gòu)，下方對應(yīng)U 型窗結(jié)構(gòu)。500 Hz 時，百葉窗高聲壓級區(qū)域面積小于U 型窗高聲壓級區(qū)域面積，百葉窗隔聲性能略優(yōu)于U 型窗。3000 Hz 時，百葉窗云圖中高聲壓級區(qū)域面積明顯小于U 型窗高聲壓級區(qū)域面積，百葉窗性能低于U 型窗通風(fēng)口性能。

圖6 A 面聲壓級云圖

圖7 B 面聲壓級云圖

2.2 百葉窗型葉片通風(fēng)口角度仿真計算

修改百葉窗型葉片通風(fēng)口角度α分別為30°、45°和60°，仿真得到1 點(diǎn)聲壓級曲線如圖8 所示。100～1750 Hz 頻段，各開口角度對聲壓級影響相差較小，2000 Hz ～3000 Hz 頻段，各開口角度聲壓級相差較大。

圖8 測點(diǎn)1 聲壓級曲線

計算得到的A、B 面聲壓級云圖如圖9、圖10 所示，圖中上、中、下依次對應(yīng)開口角度為30°、45°、60°。2000 Hz 時，1 點(diǎn)的聲壓級由大到小依次為30°、60°、45°；2250 Hz 時，1 點(diǎn)的聲壓級由大到小依次為45°、30°、60°；3000 Hz 時，1 點(diǎn)的聲壓級由大到小依次為45°、60°、30°。但由聲壓級云圖可看出三頻率點(diǎn)處隔聲性能由優(yōu)到差依次為30°、60°、45°。

圖9 A 面聲壓級云圖

圖10 B 面聲壓級云圖

綜上，百葉窗型通風(fēng)口葉片開口角度為30°時，隔聲性能最優(yōu)。

2.3 通風(fēng)口高度仿真計算

A 面所對應(yīng)百葉窗初始位置為通風(fēng)口底邊距隔聲罩底部210 mm，將百葉窗型通風(fēng)口分別升高50 mm、100 mm，仿真得到1 點(diǎn)的聲壓級曲線如圖11 所示。由聲壓級曲線可知，在整個頻段內(nèi)三個高度聲壓級整體相差較小，但在600 Hz、1600 Hz 及2050 Hz 處存在較大數(shù)值差異。

圖11 測點(diǎn)1 聲壓級曲線

600 Hz 時所對應(yīng)A 面聲壓級云圖如圖12 所示，圖中由上到下依次為初始位置、升高50 mm、升高100 mm。600 Hz、1600 Hz、2050 Hz 聲源激勵下，升高50 mm 對應(yīng)聲壓級云圖高聲壓級區(qū)域面積均明顯小于初始位置和升高100mm。因此，升高50 mm 時，百葉窗式通風(fēng)口結(jié)構(gòu)的隔聲性能最優(yōu)。

圖12 A 面聲壓級云圖

3 結(jié)語

本文利用聲學(xué)間接邊界元法對某型柴油發(fā)電機(jī)組隔聲罩隔聲性能進(jìn)行仿真分析。得到結(jié)論如下：

（1）在低頻段（0 ～500 Hz）百葉窗和U 型窗結(jié)構(gòu)的隔聲性能相差較小，在中高頻段（500 ～4000 Hz）U型窗結(jié)構(gòu)隔聲性能優(yōu)于百葉窗結(jié)構(gòu)，整體隔聲性能U型窗較優(yōu)。

（2）100 ～1750 Hz 頻段，開口角度30°、45°、60°對聲壓級影響相差較小，2000 ～3000 Hz 頻段，三種開口角度聲壓級相差較大，整體隔聲性能開口角度為30°時最優(yōu)。

（3）在整個頻段內(nèi)初始高度、升高50 mm、升高100 mm 三種高度聲壓級整體相差較小，整體隔聲性能在升高50 mm 時較優(yōu)。

現(xiàn)代生活對噪聲的要求日趨嚴(yán)格，對發(fā)電機(jī)組隔聲罩的降噪要求越來越高，通過本文的對比仿真分析，合理設(shè)計隔聲罩通風(fēng)口結(jié)構(gòu)，可使隔聲罩的隔聲性能進(jìn)一步提高，以滿足國家環(huán)境要求的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。