军用汽油发电机组声特征信号控制研究

   伊藤小型3kw汽油发电机组是目前我军装备于野战通信车的小型车载动力电源。长期以来,该机型组运行时的强噪声严重影响了通信车内的通信质量,降低了整个通信车的战场生存和抗毁能力,并直接对指战员的身心健康造成了不良影响。为此,对该型汽油发电机组进行声特征信号的有效控制有其重要的实际意义。作者通过对该机组噪声倍频程频谱的测量,掌握了其噪声分布规律;通过对该机组声强的测量找出了其主要噪声源。针对机组声场分布特点,作者采用整体降噪方案完成了机动密闭式隔声罩的设计,并通过计算机数值模拟优化了设计方案。实验表明,该隔声罩降噪效果明显,较好地解决了原机组的强噪声和通风散热等问题,是一种具有推广价值的新装备。

  噪声频谱分析及主要声源的识别是噪声控制中的一个重要环节,只有掌握了噪声的分布规律,才能采取适当的噪声控制方案,取得良好的效果。因此,作者对某小型军用汽油发电机组进行了倍频程频谱和声强测量。

 

  测量仪器:B&K2260型声学测量与分析系统;

  测量工况:机组稳定、正常工作,3kW负载;

  测量场地:空旷平地,地面为水泥地面;

  天气条件:晴天、风速、温度、湿度均符合测量标准。

  机组倍频程频谱图如图1所示。

  机组各个面声强的声貌图如图2所示。

 

  测量结果表明,机组噪声声压值较大,平均为92dB(A),且分布频带宽,各个主噪声源分布比较分散,且声压级最高处集中在人耳最敏感的1000～4000Hz范围内,极易引起人的听力损失和情绪紊乱。

 

 

2、控制方案的确定

 

 

  针对机组噪声频谱和主要噪声源分布的特点,不宜采取局部降噪措施,而宜采用整体降噪方案。因此,我们选择了整体式隔声罩的控制方案。

 

2.1　方案的初步设计

 

隔声罩采用双层板式结构,材料选用隔声指数较高的PC耐力板,内层板厚度为2mm,采用吸声系数高、吸声频带宽、结构简单、维护方便的微穿孔板吸声结构;外层板厚度为4.5mm,主要起隔声作用。内、外层板之间为60mm厚的空气层。

 

2.1.1　隔声量

 

当两层板的面密度之和不大于200kg/m2时,双层板的平均隔声量可按(1)式计算:

 

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

ΔR———空气层附加隔声量,当空气层厚度为

60 mm时,ΔR约为0.4dB。

经计算,该隔声罩的理论平均隔声量为19.5dB(A)。

 

2.1.2　驻波

 

  小空间情况下,机组辐射噪声的表面与隔声罩板壁之间会发生相互作用,形成驻波,使隔声罩内部的声压激增,大大恶化隔声效果。由于本设计中采用了微穿孔吸声结构,内、外之间有厚度为60mm的空气夹层,加强了对直达声的吸收,有效地避免了驻波对隔声罩降噪效果的不良影响。

 

2.1.3　“吻合效应”

 

当声波频率高于临界频率时,隔声板的受迫弯曲波速度与自由弯曲波速度相吻合,使其隔声性能大幅降低,发生“吻合效应”。为避免这种情况,应尽量提高构件的临界频率f0，f0可按(2)式计算:

 

ƒ0=2×104hρE(Hz) (2)

式中　h———构件厚度;

          ρ———构件密度;

         E———材料的静态弹性模量。

  经计算,内层板的临界频率为7385Hz,外层板的临界频率为3282Hz,两层隔声板的临界频率错开,可有效降低“吻合效应”对隔声量的影响。

 

2.1.4　通风散热

 

  采用密闭式整体隔声罩,将不可避免地造成罩内热量堆积,温度上升,如不妥善解决通风散热问题,不仅影响机组正常工作,对于汽油发电机组来说还可能造成安全事故,大大提高其向外辐射红外线的水平。因此,在兼顾降噪效果的同时,还在隔声罩上对应机组冷却风机进、排气位置安装了两个小型风扇,实施强制对流换热,加强了罩内空气流动,提高热交换效率,从而保证机组在军标要求的55℃高温环境下能正常工作。

 

2.2　计算机数值模拟仿真

 

  为指导和优化设计,我们利用美国大型有限元分析软件ANSYS对隔声罩方案初步设计的降噪效果进行计算机数值模拟仿真。现以最具代表性的频率1000Hz时的仿真结果进行分析。

 

  声波频率为1000Hz时隔声罩内声压分布云图如图3所示。

 

 

  由声压分布云图可以看出,当声波频率为1000Hz时,隔声罩底部与刚性的水泥地面直接接触,因此,反射声较为严重;由于换气风扇处缝隙的影响,机组风机进风口处漏声比较严重。同时,由于顶部壁板骨架刚度方面的原因,顶部壁板的振动比较剧烈,造成附加噪声。

 

2.3　方案的改进

 

  根据计算机数值模拟仿真结果,我们对噪声控制方案进行如下的改进:

 

  (1)加强减振措施,在隔声罩底部与地面直接接触处和顶部壁板与各个壁板的接触面上设置减振橡胶;

 

  (2)加强换气风扇处和各个壁板接触处的密封性能;

 

  (3)加强顶部壁板内骨架的强度,避免附加噪声的产生。

 

 

3、实验研究

 

 

  在完成了整体降噪方案的设计和隔声罩的试制任务后,我们对该装置的实际降噪性能进行了声压和声强的实验研究,得到了加隔声罩后发电机组的倍频程频谱和各个面声强的声貌图,分别如图4和图5所示。

 

 

  声压测量结果表明,该隔声罩在全频段均有较好的降噪效果,平均降噪量达12.8dB(A),对于人耳最为敏感的1000～4000 Hz频率范围内的噪声平均降噪量达到20dB(A)以上,控制效果尤为明显。

 

  声强测量结果表明,该隔声罩有效地降低了原汽油发电机组各个面的噪声强度,且加强了各个面噪声源分布的均匀程度。另外,高温环境实验数据表明,在55℃环境条件下,该型汽油发电机组能保持稳定正常工作,在环境温度从25～55℃变化过程中,机组功率损失仅为5.6%,符合军标要求。

 

4、结论

 

  由某小型军用汽油发电机组加隔声罩前、后的对比实验结果表明:

 

  (1)该隔声罩能有效地降低该小型军用汽油发电机组的声特征信号,平均降噪量达12.8dB(A);

 

  (2)由于采用了新材料PC耐力板,整个装置重量轻,总重量不大于20kg;

 

  (3)由于采取了强制通风手段,能保证该小型军用汽油发电机组在高温条件下正常工作,且功率损失在可允许的范围内;

 

  (4)装置拆卸方便,机动性强,很适合部队野战使用,是一种具有推广价值的新装备。

 

  除上述的一些增加柴油发电机组可靠性运行的措施外,还采用了其他措施,如为合理使用柴油机而设置的转速控制系统等,不再详述。从样机试制及经过2批次生产和试验情况来看,产品的性能指标均高于技术条件的要求,产品的可靠性得到了保证,达到了用户的满意,现已作为我军某重点型号地面电源的定型产品。

 

 

（责任编辑：伊藤发电机-网络部小徐）