軍用汽油發電機組聲特征信號控制研究

   伊藤小型3kw汽油發電機組是目前我軍裝備于野戰通信車的小型車載動力電源。長期以來,該機型組運行時的強噪聲嚴重影響了通信車內的通信質量,降低了整個通信車的戰場生存和抗毀能力,并直接對指戰員的身心健康造成了不良影響。為此,對該型汽油發電機組進行聲特征信號的有效控制有其重要的實際意義。作者通過對該機組噪聲倍頻程頻譜的測量,掌握了其噪聲分布規律;通過對該機組聲強的測量找出了其主要噪聲源。針對機組聲場分布特點,作者采用整體降噪方案完成了機動密閉式隔聲罩的設計,并通過計算機數值模擬優化了設計方案。實驗表明,該隔聲罩降噪效果明顯,較好地解決了原機組的強噪聲和通風散熱等問題,是一種具有推廣價值的新裝備。

  噪聲頻譜分析及主要聲源的識別是噪聲控制中的一個重要環節,只有掌握了噪聲的分布規律,才能采取適當的噪聲控制方案,取得良好的效果。因此,作者對某小型軍用汽油發電機組進行了倍頻程頻譜和聲強測量。

 

  測量儀器:B&K2260型聲學測量與分析系統;

  測量工況:機組穩定、正常工作,3kW負載;

  測量場地:空曠平地,地面為水泥地面;

  天氣條件:晴天、風速、溫度、濕度均符合測量標準。

  機組倍頻程頻譜圖如圖1所示。

  機組各個面聲強的聲貌圖如圖2所示。

 

  測量結果表明,機組噪聲聲壓值較大,平均為92dB(A),且分布頻帶寬,各個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,極易引起人的聽力損失和情緒紊亂。

 

 

2、控制方案的確定

 

 

  針對機組噪聲頻譜和主要噪聲源分布的特點,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　方案的初步設計

 

隔聲罩采用雙層板式結構,材料選用隔聲指數較高的PC耐力板,內層板厚度為2mm,采用吸聲系數高、吸聲頻帶寬、結構簡單、維護方便的微穿孔板吸聲結構;外層板厚度為4.5mm,主要起隔聲作用。內、外層板之間為60mm厚的空氣層。

 

2.1.1　隔聲量

 

當兩層板的面密度之和不大于200kg/m2時,雙層板的平均隔聲量可按(1)式計算:

 

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,當空氣層厚度為

60 mm時,ΔR約為0.4dB。

經計算,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,機組輻射噪聲的表面與隔聲罩板壁之間會發生相互作用,形成駐波,使隔聲罩內部的聲壓激增,大大惡化隔聲效果。由于本設計中采用了微穿孔吸聲結構,內、外之間有厚度為60mm的空氣夾層,加強了對直達聲的吸收,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”

 

當聲波頻率高于臨界頻率時,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,發生“吻合效應”。為避免這種情況,應盡量提高構件的臨界頻率f0，f0可按(2)式計算:

 

ƒ0=2×104hρE(Hz) (2)

式中　h———構件厚度;

          ρ———構件密度;

         E———材料的靜態彈性模量。

  經計算,內層板的臨界頻率為7385Hz,外層板的臨界頻率為3282Hz,兩層隔聲板的臨界頻率錯開,可有效降低“吻合效應”對隔聲量的影響。

 

2.1.4　通風散熱

 

  采用密閉式整體隔聲罩,將不可避免地造成罩內熱量堆積,溫度上升,如不妥善解決通風散熱問題,不僅影響機組正常工作,對于汽油發電機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,還在隔聲罩上對應機組冷卻風機進、排氣位置安裝了兩個小型風扇,實施強制對流換熱,加強了罩內空氣流動,提高熱交換效率,從而保證機組在軍標要求的55℃高溫環境下能正常工作。

 

2.2　計算機數值模擬仿真

 

  為指導和優化設計,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計的降噪效果進行計算機數值模擬仿真?，F以最具代表性的頻率1000Hz時的仿真結果進行分析。

 

  聲波頻率為1000Hz時隔聲罩內聲壓分布云圖如圖3所示。

 

 

  由聲壓分布云圖可以看出,當聲波頻率為1000Hz時,隔聲罩底部與剛性的水泥地面直接接觸,因此,反射聲較為嚴重;由于換氣風扇處縫隙的影響,機組風機進風口處漏聲比較嚴重。同時,由于頂部壁板骨架剛度方面的原因,頂部壁板的振動比較劇烈,造成附加噪聲。

 

2.3　方案的改進

 

  根據計算機數值模擬仿真結果,我們對噪聲控制方案進行如下的改進:

 

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

 

  (2)加強換氣風扇處和各個壁板接觸處的密封性能;

 

  (3)加強頂部壁板內骨架的強度,避免附加噪聲的產生。

 

 

3、實驗研究

 

 

  在完成了整體降噪方案的設計和隔聲罩的試制任務后,我們對該裝置的實際降噪性能進行了聲壓和聲強的實驗研究,得到了加隔聲罩后發電機組的倍頻程頻譜和各個面聲強的聲貌圖,分別如圖4和圖5所示。

 

 

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

 

  聲強測量結果表明,該隔聲罩有效地降低了原汽油發電機組各個面的噪聲強度,且加強了各個面噪聲源分布的均勻程度。另外,高溫環境實驗數據表明,在55℃環境條件下,該型汽油發電機組能保持穩定正常工作,在環境溫度從25～55℃變化過程中,機組功率損失僅為5.6%,符合軍標要求。

 

4、結論

 

  由某小型軍用汽油發電機組加隔聲罩前、后的對比實驗結果表明:

 

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

 

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

 

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

 

  (4)裝置拆卸方便,機動性強,很適合部隊野戰使用,是一種具有推廣價值的新裝備。

 

  除上述的一些增加柴油發電機組可靠性運行的措施外,還采用了其他措施,如為合理使用柴油機而設置的轉速控制系統等,不再詳述。從樣機試制及經過2批次生產和試驗情況來看,產品的性能指標均高于技術條件的要求,產品的可靠性得到了保證,達到了用戶的滿意,現已作為我軍某重點型號地面電源的定型產品。

 

 

（責任編輯：伊藤發電機-網絡部小徐）