船用柴油机的噪声控制技术

　　环境污染已引起了人们越来越多的关注 , 噪声也是一种污染。为了防止船舶领域的噪声污染 , 很多国家和地区都制定了许多关于船舶噪声控制的标准和法规。世界上最早提出船舶降噪标准的国家之一是德国 , 它早在 1968 年就出版了一本联合公约 ,对船上各部分的噪声水平进行了规定。今天国际海事组织 ( IMO) 制定了“国际防止船舶污染公约”(MARPOL73/ 78) , 其中除了限制船舶柴油机的废气排放之外 , 也关注起噪声污染及其危害 , 并相继出

台了噪声控制标准。所有这些规定都对柴油机设计者提出了更高要求 : 应用低噪声设计技术和隔声技术减少噪声源和噪声传播降低柴油机发出的噪声。为此 , 有必要弄清楚船用柴油机噪声产生的机理。

1 　船用柴油机噪声机船用柴油机的噪声源不同 , 可将柴油机噪声分为三类 : 空气动力性噪声、燃烧噪声和机械噪柴油机空气动力性噪声主要包括进、排气噪声( 主要是排气噪声 ) 、涡轮增压器中的空气与废气脉动噪声。排气噪声生的机理是 [3] : 当柴油机气门打开出现缝隙时 , 废气以脉冲形式从缝隙冲出 , 形成能量很高、频谱复杂的噪声。其主要组成包括 : 因排气门开、关而产生的周期性压力所激发的噪声 ; 高速气流通过排气门和排气管道时形成的涡流所产生的涡流噪声 ; 排气总管中废气进入涡轮增压器与其中空气混合形成涡流产生的涡流噪声。排气噪声随气压力和转速的增加而增大。采用涡轮增压系统可使排气噪声有所降低 , 特别是能衰减废气脉冲产生的低频噪声 , 主要是因为定压增压系统排气总管比较大 ,在一定程度上能起排气消音器的作用。这也是现在的二冲程柴油机采用定压增压系统 , 而不用以前的脉冲增压系统的重要原因之一。燃烧噪声是燃料燃烧时缸内压力急剧变化产生的动载荷和冲击波引起的强烈振动 , 经气缸盖、气缸套、活塞、连杆、曲轴主轴承传播出来形成的噪声 [4] 。燃烧噪声的特性可以用气缸压力的频谱曲线表示 , 对各种燃烧方式的内燃机制取缸内压力谱表明 [4] , 最高压力决定气缸压力谱的低频成分 , 最高压力升高率Δ p/ Δφ决定气缸压力谱的中高频成分。试验表明 , 燃烧噪声是以 1kHz ～ 2kHz 为中心500kHz 以上的中、高频成分为主 , 因此降低燃烧噪声的关键是控制最高压力升高率 , 也就是力求选择柔和的燃烧过程。而压力升高率的大小取决于着火延迟期内形成的可燃混合气数量 , 因此燃烧系统的设计对降低燃烧噪声相当关键。

机械噪声是柴油机零部件之间机械撞击所产生的振动激发的噪声。机械噪声的主要成分是活塞敲击噪声、正时齿轮噪声和曲柄连杆机构等运动机件撞击缸套、轴承及缸体产生的噪声等。其中活塞敲击气缸壁产生的噪声主要由燃烧过程引起 , 发生在上、下止点附近 , 以压缩上止点附近最为严重。敲击强度与气缸内最高燃烧压力和活塞与气缸间隙有关。

正时齿轮噪声是因为齿轮承受交变载荷时 , 啮合传动中齿间发生撞击和摩擦 , 加上齿轮存在的各种误差 , 使轴发生变形、轴承负荷加重、曲轴和凸轮轴扭振等 , 从而激发噪声。随着柴油机转速的增加 ,齿轮噪声也越来越大。

柴油机的主噪声源不同 , 对环境产生的噪声辐射类型也各不相同 , 主要有 : 排气噪声 ( 如气体脉动 ) 、空间噪声 ( 如机舱噪声 ) 和结构噪声激励 ( 如柴油机底脚振动 ) 。

2 　柴油机噪声的测量技术

　　柴油机主要噪声的区分和识别是噪声控制的前提 , 首先要区分和识别主要噪声源 , 然后要确定主要的噪声辐射表面。

2. 1 　区分和识别主要噪声源的方法

　　分别运转法是常用的噪声源识别方法 , 即将柴油机的不同部件逐次拆除后 , 分别测定其噪声级 , 便可求得各零部件的噪声。但燃烧噪声和机械撞击噪声难以截然分开 , 在确定燃烧噪声的多种方法中 , 相关法是较有效的。该法认为被测噪声部分由燃烧力产生 , 部分由撞击力产生 , 其余的则与两者者无关。首先计算出输入 ( 激励力 ) 与输出 ( 噪声 ) 之间的相关函数 , 然后确定这两种力的比例 , 从而确定主噪声源。

2. 2 　确定主要表面辐射噪声的方法

　　确定表面辐射噪声的方法较多 , 目前采用的主要方法有 [2] 铅板覆盖法、振动测量法和声通道法。

2. 2. 1 　铅板覆盖法

如柴油机全部装置用铅制隔声板覆盖的声强为I 1 , 仅拆除实验对象部分隔声板时的声强为 I 2 , 则(I

2- I 1 ) 便是从实验对象部分辐射出的噪声强度 [4] , 依次用这种方法于组成外表面的各部件 , 便可以确立主噪声辐射部件 , 便于有针对性地采取降噪措施 , 这是比较准确的主因分析法。

2. 2. 2 　振动测量法测量实验对象表面的振动量算出噪声级。测振的位置和点数根据测定对象的面积和形状不同 , 一般凭经验决定。

2. 2. 3 　声通道法

用截面积渐变的声通道 , 截面小的一头置于传声器边 , 大的一头置于柴油机边 , 一次测定对象部件噪声的方法。

2. 3 　柴油机空间噪声的测量要求及方法

　　空间噪声主要源于柴油机各个零部件及其受空气波动辐射的表面。

柴油机平均空间噪声级是根据“‘ CIMAC ’推荐的对于测量往复式柴油发动机整体噪声”或类似其它标准来测量的 , 用来表达柴油机典型的空气噪声声压级。

计算的平均声级取决于柴油机周围各个不同点所测得的声强的平均值。测量点依柴油机的大小而定 , 在柴油机周围两或三个不同高度处 , 离柴油机表面约一米远的地方。在柴油机的每一侧 , 每声级的测量点数目必须等于气缸数的一半。

3 　船舶噪声标准

　　最大船舶噪声声压级的限制由船东 ( 或船厂 ) 与船舶主机制造厂之间特别规定 , 或者是参照国家或国际在这方面的法规间接确定。大多数船东都参照SBG( 海上雇用人员责任保险 )规范或 IMO 规范。其中 IMO 关于船舶噪声的标准如下 :

4 　柴油机噪声控制技术

　　柴油机噪声控制方法有降低声源噪声和控制噪声传播途径 , 其中最基本的方法是降低声源噪声。

4. 1 　降低声源噪声

4. 1. 1 　对气体动力噪声的控制对进、排气噪声的控制 , 一方面从分析噪声机理入手 , 采取相应的对策 , 如使进排气通道避免急剧转弯 , 内壁光滑通畅 ; 另一方面 , 也是最经济简单的方法 : 加装消声器 [5 ,6] 。传统的无源消声器有三种类型 : 抗式消声器、阻式消声器和阻抗复合式消声器。

抗式消声器里边不敷设吸声材料 , 而是通过改变消声器内部通道的截面、设计共振腔或分支管使得声波在消声器内由于阻抗的改变而反射回到声源方面 , 或使声能消耗在共振结构内 , 从而达到消声的目的。抗式消声器按消声原理分为扩张型、共振型和干涉型等。它构造简单 , 耐高温 , 耐气体腐蚀和冲击腐蚀 , 是目前应用最广的一种 , 但存在高频失效问题。

图 1 　 25dB(A) 的吸收型消声器下的典型噪声衰减曲线

　　阻式消声器是在消声器内装上多孔吸声材料 ,用增加声阻的办法来达到吸收气流噪声能量并转换为热能 ( 散逸 ) 的目的。常见的阻式消声器有管式消声器、折板式消声器和气流式消声器 , 其中气流式消声器兼顾了前两者的优点 , 达到高消声、低流阻的要求 , 常用于船用柴油机上用来衰减排气噪声。

阻抗复合式消声器综合了上述两种消声器的特点 , 既有阻式吸声材料又有共振腔和扩张室等抗性元件 , 可以在较宽的频率范围内取得较高消声量。

但其中的吸声材料在高温、腐蚀性气体及有焦油、碳烟的情况下会很快失效 , 故其在柴油机上的应用受到一定限制。

设计消声器时 , 其消声频率特性应是宽带的 , 对低、中、高频段都应有足够的消声量。同时还必须考虑噪声法规限制 , 用户可以接受的能量损失百分比 ,安装消声器的容许空间尺寸和位置以及生产成本、

使用寿命等多种因素 , 不同型号柴油机用消声器一般需专门配套 , 才能达到良好的匹配性能。

船用柴油机上 , 由于排气装置 ( 如排气锅炉 ) 自身也会产生噪声 , 所以建议将排气消声器尽可能安装在内部靠近烟囱顶部的地方。最常用的是气流消声器 , 即一根管子内敷设吸声材料 ( 矿石棉或玻璃纤

维) ,

安装后其典型的噪声衰减如图 1 所示。另外 ,为保持噪声低于最大允许值 , 如在桥楼处为 65dB(A) ,

通常还要选用体积庞大的 25dB (A) 的吸收型排气消声器。尽管无源消声器的发展已比较成熟 , 但仍存在一些缺陷 : 容积大、重量大、安装要求高。随着现代数字信号处理技术的发展 , 消声器已朝有源控制的方向发展。日本已研制成功可应用于船用柴油机的管道内置式有源噪声控制消声器 (ANC)[7], 如图 2

所示。实验证明 , 它与传统的无源消声器比有以下特点:(1)有足够的降噪性能;(2)通过引射效应具有足够的冷却效果;(3)结构紧凑 ( 体积是传统消声器的 80 %) 。

4. 1. 2 　对燃烧噪声的控制

由前面燃烧噪声的机理可知 , 降低燃烧噪声的措施有 [8] : 合理组织供油 , 减小喷油提前角 , 缩短预燃期或在预燃期内减少喷油量 , 缩短着火延迟期和减少滞燃期内形成的可燃混合气数量。

图 2 　有源噪声控制图柴油机性能参数如下 :型 　　式 : 四冲程柴油机型 　　号 :Daihetsu 6DL 2 22输出功率 :88kW

转 　　速 :900r/ min

缸 　　敞 :6

柴油机如工厂的发电设备一片运转

4. 1. 3 　对机械噪声的控制

对于活塞敲击气缸壁产生的噪声来说 , 完善燃烧过程 , 减小活塞间隙 , 将活塞销孔中心适当向气缸壁主推力面偏移等 , 都将具有降噪作用。

对于正时齿轮噪声来说 , 主要采用控制齿轮的弹性刚度和齿轮误差的方法。控制弹性刚度主要通过改进齿轮的结构设计参数和选用衰减率高( 内阻尼大 ) 的材料制造齿轮 , 即在满足设计的条件下 ,尽量选取较小的模数、压力角和外径 ;适当增加齿轮厚度 ; 采用正时齿轮带传动来代替齿轮

传动等 ; 误差的控制主要靠改进制造工艺提高齿轮精度。

4. 2 　控制噪声传播途径

　　控制噪声传播途径和表面辐射噪声的主要措施有 : 对柴油机结构及表面的噪声辐射特性进行优化 ,提高柴油机结构刚度 , 应使各种盖板和附件的固定点位于振级较低的机体部位 , 采用隔振安装和涂敷阻尼材料等。

4. 2. 1 　空间噪声的控制

空间噪声一般都取决于机型 , 总的平均空间噪声级主要受增压器的影响。随着船东和造船厂要求的柴油机的效率和功率值不断提高 , 这种影响也不断加大。

如图 3 曲线 2 所示为 MAN B &W 6L80MC 柴油机在标定工况下的计算平均空间噪声级 , 当配用高效率的增压器时 , 噪声级约为 NR101 和 105dB(A) ( 曲线2B)。噪声级的不同是由于增压器自身发出辐射的不同所造成的 , 且增压器效率越高 , 平均空间噪声级就越高。而且因为机舱中有声音回响 , 在船上测得的以声压为基础的噪声可能要比在计算中以声强为基准的噪声级高 1 ～ 5dB(A) 。

在增压器附近测得的最大噪声级通常比柴油机的平均噪声级高 3 ～ 5dB(A) 。在大型柴油机中 , 为了满足噪声限制要求 , 应采取以下措施: (1)在扫气空气管内装吸声材料;(2)在扫气空气冷却器顶部装环状扩压管吸收板;(3)在扫气空间冷却器外部装隔音器;(4)在柴油机上和 ( 或 ) 机舱壁上装附加吸声材料;(5)另外在增压器进口处装消声器;(6)在增压器检查盖处附加消声材料。因为空间噪声的噪声源除柴油机外还有很多 ,而且噪声的传播途径也是多种多样的 , 尤其是考虑到回声和其他机器发出的噪声的影响 , 所以要完全满足机舱噪声级的更严格的要求 , 例如要将 110dB(A) 降为 105dB (A) , 是非常困难的 , 而且对一台现有的柴油机的降噪可能性也非常有限 ; 另外 , 虽然空间噪声的噪声源除柴油机外还有很多 , 不好逐一控制 , 但相对于柴油机 , 产生的噪声小得多。因此从计量上讲 , 其它噪声源产生的空间噪声的变化从机舱传播到其它地方 , 通常对这些地方的现有噪声级都不产生影响。

4. 2. 2 　结构产生的空间噪声激励的控制结构噪声激励是柴油机的振动能量通过柴油机的结构传递到机座 , 再由机座传递到船体舱底 , 然后再向外传递到船体结构上产生的振动 , 从而产生的噪声。

振动能量以在柴油机机座和船体接触表面之间的传播为主 , 通常采用振动速度为度量单位。振动速度级 (dB) : L v = 20lg( v/ v 0) ,其中 v 0 为参考基准速度。MAN B &W 柴油机采用参考基准速度为 5 ×10- 8 m/ s , 而ISO 采用 10- 9 m/ s 。图3 所示为在额定负荷下 6L80 MC 柴油机的结构噪声激励 , 给出了在柴油机地脚处垂直振动速度级。二冲程柴油机的振动速度级平均比四冲程的低约 15 ～ 20dB , 因此 , 四冲程的柴油机有时设有特殊的隔振器 ( 弹性装置) ,安装在柴油机座和船体舱柜顶之间 , 使结构噪声约衰减 15 ～ 20dB(A) , 这个结果相当于安装刚性底座的二冲程柴油机的振动速度级。

1 　排气气体噪声 , 距声源 15 米远处 ( 相当于 2 × 10- 5Pa)

2 　空间噪声 , 平均值和最大值 ( 相当于 2 × 10- 5Pa)

3 　结构噪声 , 柴油机底座 ( 垂直 ) 处 ( 相当于 5 × 10- 8n/ s)

图 3 　 6L80MC 机在 MCR 为 20580KW ,93rpm 时的 ISO 的 NR 曲线和噪声级(A.带高效增压器 B. 带普通增压器

柴油机噪声的控制 , 应在设计阶段就予以充分的重视。目前 , 采用有限元法计算结构强迫振动和应用模态分析技术开发的预测柴油机结构噪声的计算程序 , 用于结构噪声的预测 , 从而进一步改进零件构 , 结合燃烧的改善 , 激励的降低 , 获得低噪声优良指标。另外 , 还在消声器的材料、结构设计方面有进展。日本研制的一种用树脂和隔热陶瓷复合材料制成的全新结构消声器 [6] , 与传统钢制消声器相比 , 不仅可提高消声量 5 ～ 8dB(A) , 且可使功率损失大为减少 , 耐腐蚀性提高 , 重量变轻。另外 , 可以预见 , 有源消声技术将更好地应用于船用柴油机。