新聞主題	柴油發(fā)動(dòng)機(jī)消聲器噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與步驟

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)組排氣系統(tǒng)噪聲是由排氣管、消聲器、排氣管吊架和附件組成的系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪聲。當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高溫高壓的氣體，這些氣體會(huì)通過(guò)排氣管排放到空氣中。由于氣體的高速流動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)和噪聲。本文中康明斯公司首先使用 X射線熒光光譜儀（XRF）對(duì)材料中各元素的含量進(jìn)行檢測(cè)，確保其符合中國(guó)GB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。再使用專業(yè)的聲學(xué)測(cè)試設(shè)備，按照國(guó)標(biāo)ISO3745對(duì)排氣管消聲器的噪聲等級(jí)進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)測(cè)量并分析其聲壓級(jí)，康明斯公司可以評(píng)估消聲器對(duì)噪聲的有效控制能力；同時(shí)利用消聲器試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)驗(yàn)證的排氣消聲器與康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理以及有效性。

 

一、消聲器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

 

● GB/T19512-2004 聲學(xué)消聲器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量

● GB/T20431-2006 聲學(xué)消聲器噪聲控制指南

● GB/T24658-2009 拖拉機(jī)排氣消聲器技術(shù)條件

● GB/T25516-2010 聲學(xué)　管道消聲器和風(fēng)道末端單元的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法　插入損失、氣流噪聲和全壓損失

● GB/T33928-2017 往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器測(cè)量方法聲壓法排氣噪聲聲功率級(jí)和插入損失及功率損失比

● GB/T36079-2018 聲學(xué)單元并排式阻性消聲器傳聲損失、氣流再生噪聲和全壓損失系數(shù)的測(cè)定等效法

● GB/T16405-1996 聲學(xué)管道消聲器無(wú)氣流狀態(tài)下插入損失測(cè)量實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)易法

● GB/T4759-2009 內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器測(cè)量方法

● GB/T4760-1995 聲學(xué)消聲器測(cè)量方法

● HJ/T16-1996 通風(fēng)消聲器

● HJ2523-2012 環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求通風(fēng)消聲器

● HJ/T382-2007 環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求高壓氣體排放小孔消聲器

● HJ/T383-2007 環(huán)境保護(hù)產(chǎn)品技術(shù)要求汽車發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器

● JB/T12705-2016 氣動(dòng)消聲器

● JB/T11470-2013 低速汽車排氣消聲器技術(shù)條件

● JB/T4364-2014 風(fēng)機(jī)配套消聲器性能試驗(yàn)方法

● JB/T5081-2008 中小功率柴油機(jī)排氣消聲器

 

二、消聲器檢測(cè)種類

 

1、抗性消聲器檢測(cè)分析

      抗性消聲器也稱為反應(yīng)消聲器，是一種由聲學(xué)阻抗組件組成的消聲器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。聲阻元件類似于AC電路中的電抗元件的電容或電感。它是抵消聲壓變化和聲音振動(dòng)速度變化的一個(gè)組成部分。它們不消耗聲能，但可以存儲(chǔ)和反射聲能。阻尼消聲器的特點(diǎn)是：它不使用吸音材料，而是將管段連接到管道上的截面或旁通腔的突然變化，并利用聲阻抗不匹配來(lái)產(chǎn)生某些聲波。頻率出現(xiàn)在聲阻抗突然的界面處。反射，干擾等，達(dá)到降噪的目的。耐低溫消聲器對(duì)低IF范圍內(nèi)的噪聲具有良好的消聲效果，其檢測(cè)類型主要包括擴(kuò)張室式消聲器， 共振腔式消聲器，微穿孔板式消聲器和干涉型消聲器。 

2、阻性消聲器檢測(cè)分析

      阻性消聲器也稱為吸收消聲器，是利用吸聲材料的吸音使沿著通道傳播的噪聲被吸收并逐漸衰減的裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示。吸聲材料固定在空氣流過(guò)的管道的周壁上，或者以某種方式設(shè)置在通道中以形成電阻消聲器。噪聲消除的原理是：當(dāng)聲波進(jìn)入消聲器時(shí)，它會(huì)在電阻消聲器中的多孔材料中引起空氣和纖維振動(dòng)。由于摩擦阻力和粘性阻力，一部分聲能被轉(zhuǎn)換成熱能并且丟失，并且聲音被消除。電阻消聲器對(duì)中高頻范圍的噪聲具有良好的消聲效果，應(yīng)用范圍廣。其檢測(cè)類型包括直管消聲器，芯片消聲器，蜂窩消聲器，折疊板消聲器，聲流消聲器，彎管消聲器和迷宮消聲器。

 

圖1  柴油機(jī)抗性消聲器結(jié)構(gòu)

圖2  柴油機(jī)阻性消聲器結(jié)構(gòu)

 

3、阻抗復(fù)合型消聲器檢測(cè)分析

      阻抗復(fù)合消聲器，它是電阻消聲器與阻力消聲部分組合而成的一部分，結(jié)構(gòu)如圖3所示。通常，復(fù)合消音器的電阻在前面，電阻在后面，即首先消除低頻聲音，然后消除高頻聲音。總消聲量可以視為兩者的總和。然而，由于聲波傳播期間的反射，衍射，折射和干涉的特性，降噪量不是簡(jiǎn)單的疊加關(guān)系。阻抗復(fù)合消聲器結(jié)合了電阻和電阻消聲器的特性，可在低，中，高頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)更好的噪聲消除。 

      消聲器特性試驗(yàn)可采用ANSYS CFX流場(chǎng)分析的排氣背壓作為聲學(xué)分析的聲源。將CFD網(wǎng)格上背壓數(shù)據(jù)與聲學(xué)網(wǎng)格建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，其數(shù)據(jù)傳遞具體流程如圖4所示。觀察其能確保計(jì)算精度的最小計(jì)算頻率是否大于等于3 600 Hz，是則進(jìn)行計(jì)算，否則重新調(diào)整。

圖3  柴油機(jī)阻抗復(fù)合型消聲器結(jié)構(gòu)

圖4  柴油機(jī)消聲器消音器特性試驗(yàn)框圖

 

 

三、消聲器噪聲試驗(yàn)步驟

 

      在進(jìn)行振動(dòng)噪聲測(cè)量前，需要根據(jù)實(shí)際情況制定測(cè)試方案。一般來(lái)說(shuō)，噪聲測(cè)量一般需要在不同的載荷條件下進(jìn)行，以模擬不同的帶載運(yùn)行情況。

1、試驗(yàn)裝置

      在試驗(yàn)測(cè)量中，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)按照GB/T6072.1-2000中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)工況，即在標(biāo)定功率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。油溫、水溫達(dá)到適宜值時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量未加消聲器的排氣噪聲時(shí)應(yīng)加裝和消聲器長(zhǎng)度相同，管徑和排氣管相同的空管。測(cè)點(diǎn)要求布置與在排氣口氣流軸向成45°角、距離為0.5米處，聲級(jí)計(jì)指向排氣口。為保證測(cè)量時(shí)聲場(chǎng)分布情況不變，四周應(yīng)為寬闊場(chǎng)地，保證測(cè)點(diǎn)附近符合自由聲場(chǎng)的條件。

      DASP是INV303/306多功能采集處理系統(tǒng)的一個(gè)主要軟件包。它基本具備以下功能：

（1）記憶示波器；

（2）磁帶記錄器（十六通道到三十二通道）；

（3）靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)記錄處理機(jī)，各種數(shù)字電壓表，頻率計(jì)：

（4）各種波譜分析功能：時(shí)域、幅域、頻域、概率、相關(guān)、互譜、傳遞、相干、譜陣、濾波等；

（5）模態(tài)分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)修改，結(jié)構(gòu)靈敏度分析，結(jié)構(gòu)動(dòng)力有限元分析等；

（6）故障診斷和狀態(tài)的在線檢測(cè)功能；

（7）各種信號(hào)處理、噪聲分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、地震和天然脈動(dòng)記錄分析及生物醫(yī)學(xué)分析等；

（8）大容量長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)的采集、記錄與大容量數(shù)據(jù)的分析。

2、試驗(yàn)用消聲器

      試驗(yàn)用消聲器為康明斯柴油發(fā)動(dòng)機(jī)配套的消聲器，由GB1495-2002可知，其A聲級(jí)允許加速噪聲限值為83dB，根據(jù)噪聲評(píng)價(jià)曲線NR數(shù)與A聲級(jí)允許加速噪聲限值以及近場(chǎng)噪聲限值的關(guān)系換算得到噪聲限值。先根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)類型選定消聲器結(jié)構(gòu)，再設(shè)定各優(yōu)化參數(shù)初始值和計(jì)算范圍：穿孔管的穿孔率p的初始值為0.2，計(jì)算上下限為0.2～0.4，穿孔板的孔數(shù)n的初始值為280，計(jì)算上下限為280～560。然后用優(yōu)化軟件計(jì)算得到各優(yōu)化參數(shù)的最優(yōu)值：穿孔管的穿孔率為0.32，穿孔板的孔數(shù)約為370個(gè)。

       實(shí)際測(cè)量的頻率范圍是31.5-8000Hz，記錄了倍頻程中心頻率處的聲級(jí)。測(cè)量的轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘、1800轉(zhuǎn)/分鐘。試驗(yàn)分別測(cè)量了安裝空管和安裝消聲器時(shí)管口處的聲級(jí)。

 

四、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

 

       以康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)在額定1500轉(zhuǎn)/分鐘和1800轉(zhuǎn)/分鐘工況下試驗(yàn)測(cè)得的未安裝消聲器和安裝消聲器時(shí)的噪聲譜以及其與噪聲限值的比較。

      從圖5、圖6可以看出，在兩種轉(zhuǎn)速下安裝了優(yōu)化的消聲器后的排氣噪聲聲壓級(jí)基本都在噪聲限值以下，說(shuō)明此軟件有較高的精度，因此在實(shí)際運(yùn)用中，可以利用優(yōu)化軟件計(jì)算結(jié)果來(lái)指導(dǎo)消聲器與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配。當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，其排氣噪聲聲壓級(jí)有時(shí)會(huì)超過(guò)噪聲限值，說(shuō)明此軟件有一定的誤差。產(chǎn)生誤差的原因主要有以下幾點(diǎn)：

1、氣體流動(dòng)對(duì)消聲性能的影響

      在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口輻射的噪聲可以分為以下幾類：

（1）排氣門(mén)開(kāi)啟、落座時(shí)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲；

（2）氣缸燃燒壓力波動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲；

（3）排氣流在排氣系統(tǒng)內(nèi)部的不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲；

（4）排氣流在排氣口附近的紊流擴(kuò)散產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲；

    有關(guān)研究表明，前兩項(xiàng)的影響所占的比重比較小，排氣噪聲是一種空氣動(dòng)力性噪聲，其中在排氣門(mén)附近由于劇烈的排氣而產(chǎn)生的空氣動(dòng)力性噪聲是主要部分，這也就是作為消聲器入口處的聲源的主要組成部分。

 

柴油機(jī)排氣噪聲倍頻程頻譜（1500轉(zhuǎn)）

柴油機(jī)排氣噪聲倍頻程頻譜（1800轉(zhuǎn)）

 

      當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排出的高速進(jìn)入消聲器時(shí)，脈動(dòng)氣流不僅能產(chǎn)生噪聲，而且氣流與聲波之間還能產(chǎn)生干涉作用，這顯然會(huì)對(duì)消聲器的消聲效果產(chǎn)生較大的影響。

      消聲器中由于氣體不穩(wěn)定流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，一部分是由于氣流在消聲器中遇到截面突變、穿孔元件以及和管道壁面產(chǎn)生摩擦?xí)r產(chǎn)生渦流并激發(fā)出噪聲。這種噪聲的聲功率和氣流速度的六次方成正比，因此當(dāng)氣流速度較高時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的再生噪聲。另一部分是當(dāng)速度高到一定程度時(shí)產(chǎn)生的噴氣噪聲，其聲功率和氣流速度的八次方成正比。這些再生噪聲屬于中高頻，抗性消聲器對(duì)它們的消聲效果不明顯，從而使消聲器在中高頻范圍的消聲效果變差。

       本文只考慮了平均流動(dòng)速度的影響，顯然和實(shí)際存在的脈動(dòng)氣流之間有著差距，另外，對(duì)于平均氣流速度的考慮也主要表現(xiàn)在對(duì)聲速及其傳播特性的影響方面，而不是氣流速度和再生噪聲之間的關(guān)系方面。所以，試驗(yàn)結(jié)果和理想值在中高頻段上出現(xiàn)了一定的差距。

       高速脈動(dòng)氣流在消聲器中還會(huì)沖擊管道、殼體、隔聲板等，從而激發(fā)振動(dòng)產(chǎn)生固體輻射噪聲。氣流速度的變化還會(huì)影響尾管輻射聲阻抗的變化。氣流在尾管處還會(huì)由于素流擴(kuò)散而產(chǎn)生空氣動(dòng)力性噪聲。

      由此可見(jiàn)，氣流的存在對(duì)消聲器的消聲性能有著較大的影響，這也是前面計(jì)算和試驗(yàn)之間誤差的主要原因。

2、平面波假設(shè)的影響

      傳遞矩陣法作為一維近似理論，在頻率較低且管道截面變化較小時(shí)成立。在遇到擴(kuò)張室等截面較大的情形時(shí)，平面波的假設(shè)不再成立。在實(shí)際的消聲器中，擴(kuò)張室的形狀不規(guī)則，室內(nèi)聲場(chǎng)分布復(fù)雜，這時(shí)聲的傳播已不是平面波的傳播，這也是利用傳遞矩陣法進(jìn)行性能計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)生誤差的主要原因之一。

3、試驗(yàn)環(huán)境的影響

      在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)功機(jī)的噪聲不能完全屏蔽，它會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)其他類型噪聲的存在（例如表面輻射噪聲），使得記錄的結(jié)果不僅僅是排氣噪聲。這兩點(diǎn)使得試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了誤差。

4、其他因素的影響

      在消聲器中存在著復(fù)雜的傳熱現(xiàn)象，因此，將其視為等嫡過(guò)程或認(rèn)為是線性溫度梯度顯然和實(shí)際情況有出入。此外，參數(shù)優(yōu)化模型和優(yōu)化計(jì)算的精度也與誤差有一定的關(guān)系。

      在進(jìn)行噪聲測(cè)量時(shí)，需要將測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，讓其處于相應(yīng)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，同時(shí)對(duì)振動(dòng)和噪聲進(jìn)行測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，需要進(jìn)行多次測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均處理，以得到最終的測(cè)試結(jié)果。

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣消聲器試驗(yàn)包括臺(tái)架試驗(yàn)、密封性試驗(yàn)、耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)、內(nèi)壓耐久性試驗(yàn)、內(nèi)壓耐久性試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、耐壓強(qiáng)度試驗(yàn)、功率損失試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、排氣背壓測(cè)量、插入損失試驗(yàn)，本文主要介紹了噪聲試驗(yàn)的步驟和實(shí)測(cè)分析。

      本章用優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件為康明斯發(fā)電機(jī)組的配套消聲器計(jì)算出了重要參數(shù)的優(yōu)化值并用試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了聲學(xué)設(shè)計(jì)模型的正確性。試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝了優(yōu)化的消聲器后的排氣噪聲聲壓級(jí)基本都在噪聲限值以下，說(shuō)明此消聲器優(yōu)化設(shè)計(jì)聲學(xué)模型正確合理，而當(dāng)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，由于氣體流動(dòng)、平面波假設(shè)及試驗(yàn)環(huán)境等因素的影響，計(jì)算會(huì)有一定的誤差。在實(shí)際運(yùn)用中，此優(yōu)化軟件對(duì)于消聲器與柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。康明斯公司希望通過(guò)以上分析和測(cè)試結(jié)果對(duì)排氣管消聲器的性能進(jìn)行全面展示，以便您了解產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)和適用性。

 

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