柴油發電機組的噪聲如何控制
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發布日期：2025-01-20
中國柴油發電機組網報道：柴油發電機組噪聲往往成為周圍環境噪聲的主要污染源。當前社會對環保要求越來越高，如何有效地控制其噪聲污染是一項有難度，同時又具有很大推廣價值的工作，這也是我們環保的主要工作，應得到更多的重視。為了做好這項工作，首先要對柴油發電機組噪聲的構成進行了解和分析。
一、柴油發電機機組噪聲原因分析：
柴油機噪聲是一個由多種聲源構成的復雜聲源，按照噪聲輻射方式，柴油機噪聲可以分為空氣動力噪聲和表面輻射噪聲。按照產生的機理，柴油機表面輻射噪聲又可以分為燃燒噪聲和機械噪聲。其中空氣動力噪聲為主要噪聲源。
（一）、 空氣動力噪聲：
空氣動力噪聲是由于氣體的非穩定過程，即由氣體的擾動以及氣體與物體的相互作用而產生的。直接向大氣輻射的空氣動力噪聲包括：進氣噪聲、排氣噪聲、冷卻風扇噪聲。
1、進氣噪聲：
進氣噪聲是柴油機的主要空氣動力噪聲之一，它是由進氣門的周期性開啟與閉合而產生的壓力起伏變化而形成的。當進氣門開啟時，在進氣管中產生一個壓力脈沖，而隨著活塞的繼續運動，它受到阻尼；當進氣門關閉時，同樣產生一個有一定持續時間的壓力脈沖。于是產生了周期性的進氣噪聲。其噪聲頻率成分主要集中在200 Hz以下的低頻范圍。與此同時，當氣流以高速流經進氣門流通截面時，產生湍流脫體，導致高頻噪聲的產生，由于進氣門通流截面是不斷變化的，因此湍流噪聲具有一定的頻率范圍，主要集中在1 000 Hz以上的高頻范圍。進氣管空氣柱的固有頻率與周期性進氣噪聲的主要頻率相一致時，空氣柱的共振噪聲在進氣噪聲中也會較為突出。
對于采用渦輪增壓的發動機，由于渦輪增壓器的轉速一般較高，因此其進氣噪聲明顯高于非渦輪增壓的發動機。渦輪增壓器的噪聲是由于葉片周期性地切割空氣產生的旋轉噪聲和高速氣流形成的湍流噪聲而形成的，是一種連續性的高頻噪聲，主要分布在500~10 000 Hz的頻率范圍。目前我公司大部分采用渦輪增壓的發動機。
進氣噪聲與發動機的進氣方式、進氣門結構、缸徑、凸輪型線等設計因素有關。對于同一臺發動機來說，受轉速的影響最大，轉速提高一倍可導致進氣噪聲增加10~l5dB（A）。
2、排氣噪聲：
排氣噪聲是發動機噪聲中最主要的聲源，其噪聲一般要比發動機整機噪聲高出10~15dB（A）。發動機排氣屬高溫（800~l000℃）、高壓（3~4個大氣壓）氣體。排氣過程一般分為兩個階段，即自由排氣階段和強制排氣階段。發動機廢氣從排氣門高速沖出，沿著排氣歧管進入消聲器，最后從尾管排入大氣，在這一過程中產生了寬頻帶的排氣噪聲。
排氣噪聲包含了復雜的噪聲成分：以單位時間內排氣次數為基頻的排氣噪聲、管道內氣柱共振噪聲、排氣歧管處的氣流吹氣噪聲、廢氣噴注和沖擊噪聲、汽缸的亥姆霍茲共振噪聲、卡門渦流噪聲及排氣系統內部的湍流噪聲等。
影響發動機排氣噪聲的主要因素有：汽缸壓力、排氣門直徑、發動機排量及排氣門開啟特性等。對同一臺發動機來說，發動機轉速和負荷是影響其排氣噪聲的最主要因素。
3、冷卻風扇噪聲：
風扇噪聲由旋轉噪聲和湍流噪聲構成。旋轉噪聲是由于風扇的葉片周期性地切割空氣，引起空氣的壓力脈動產生的，以葉片通過頻率為基頻，并伴有高次諧波。湍流噪聲是由于風扇運動導致的周圍空氣發生湍流脫體，使空氣發生擾動，形成氣體的壓縮與稀疏過程而形成的，是一個寬頻帶噪聲。
冷卻風扇噪聲受轉速的影響最大，轉速提高一倍可導致其聲級增加10~15dB（A）。在低速時風扇噪聲要比發動機噪聲低很多，而在高速時，往往會成為主要的噪聲源。目前我公司使用的柴油發動機轉速多為1 500轉/分鐘，屬于高轉速油機。
（二）、 表面輻射噪聲：
燃燒噪聲和機械噪聲很難嚴格區分，通常將由于氣缸內燃燒所形成的壓力振動通過缸蓋、活塞-連桿-曲軸-機體向外輻射的噪聲稱之為燃燒噪聲。將活塞對缸套的撞擊，正時齒輪、配氣機構、噴油系統等運動件之間的機械撞擊振動而產生的噪聲叫作機械噪聲。一般直噴式柴油機燃燒噪聲要高于機械噪聲，而非直噴式柴油機的機械噪聲則高于燃燒噪聲，但是低速運轉時燃燒噪聲都高于機械噪聲。
二、 解決噪聲的控制措施：
（一）、空氣動力噪聲控制：
1、 進氣噪聲控制：
一般發動機均裝有空氣濾清器，進氣噪聲即可有較大衰減，成為次要聲源。而當其它聲源得到進一步控制后，進氣噪聲有可能成為主要聲源，這時需考慮采用性能良好的進氣消聲器，通常進氣消聲器要和空氣濾清器結合，進行一體化設計，既能滿足進氣和濾清方面的要求，又可使進氣噪聲得到有效的控制。
2、 排氣噪聲控制：
控制排氣噪聲最有效的方法是加裝排氣消聲器，實際情況往往是降噪效果不很理想。分析原因主要是消聲器結構設計不甚合理以及加工工藝存在問題，后一個問題可以通過提高工藝水平加以改善；前一個問題則涉及消聲器的設計思路。通常消聲器設計主要憑經驗，一些設計計算程序是在一些理想假設條件下進行的，而在這些假設中實際影響最大的是忽略氣流的存在，而且是高壓、高溫、高速脈動氣流的存在。此種狀態的氣流將會影響消聲器內部的聲場分布、聲速、聲的傳播規律等，特別是氣流速度影響更大。氣流影響消聲器性能的主要原因是發動機排氣的高速脈動氣流再生噪聲，其次是這種氣流會沖擊消聲器的管路、殼體、隔板等聲學元件，進而激發振動輻射噪聲。當消聲器結構參數選擇不當，或結構不合理，或加工工藝存在問題時，都會導致消聲器消聲性能的下降，同時氣流速度過高也會加大消聲器的壓力損失也會造成消聲性能下降。
（二）、發動機表面輻射噪聲的控制：
發動機表面輻射噪聲（燃燒噪聲和機械噪聲）的控制要受到發動機性能方面的種種限制，從技術角度講難度很大，且降噪量有限。實踐表明，在結構上采取措施可以一定幅度地降低發動機的表面輻射噪聲，從而降低整機噪聲。控制的基本措施是增加結構剛度和阻尼，使得在同樣的激振力作用下減少結構表面響應。與此同時，減少輻射噪聲的表面面積，也是控制輻射噪聲的有效措施。
（三）、 綜合控制噪聲思路的實際應用：
通常一臺500 kW進口機組，機房內的噪聲可達105~108 dB(A)。在不經過治理的情況下，機房外環境噪聲為70~80 dB（A）或更高，相同功率參數的國產機組噪聲則更大些。目前我國在考核環境噪聲是否達標時采用《城市區域環境噪聲標準》或《工業企業廠界噪聲標準》，在標準中對應不同區域有不同的噪聲限值。一般在城區多為一類區，限值標準晝間為55 dB（A），夜間為45 dB（A）；在郊區多為二類區域，相應的限值標準晝間為60 dB（A），夜間50 dB（A）。從對比數據可以看出，需要的降噪幅度很大，對應的控制技術難度也很大。
在實際工作中，由于我公司所選用的都是配置好的發動機整機，機組本身采取控制措施難度很大，而且不現實。考慮到油機運轉過程中一般主要是其噪聲污染周圍環境，因此，如何有效地控制機房內油機噪聲對外輻射是一個非常現實而且必須解決的問題。選擇的方案應能作到既要有效地降低環境噪聲，又要組織好機房內的空氣流動，滿足發電機組運行需要的空氣流量，以保障機組的正常工作。單純降低噪音的外泄而犧牲油機房內的空氣流量會造成油機表面冷卻不均勻，減少油機的發電容量，影響正常使用。經過多年來與環保部門的合作，對油機房進行消噪聲處理，積累了一些治理經驗，主要是必須根據具體的機房項目來確定相應的控制方案，這其中應考慮機房所在區域的環境標準，機房圍護結構形式及油機機型、功率、冷卻風量等因素。綜合控制的核心是等隔聲概念，即用一封閉的圍護結構將機組與外界隔離開來，減少聲源對外的聲輻射。所謂等隔聲概念就是整個圍護結構的各個部分（如土建結構部分和門、窗等部分）的隔聲量應相當。為機房與外界相通而預留的通道（如冷卻風扇出口、發動機排氣出口、機房通風換氣口等）必須設計成消聲通道，其插入損失也應與圍護結構的隔聲量相當，只有這樣做才可保證機房外的環境噪聲達標。 我們仍以一臺500 kW進口機組為例，油機房室內墻面設計為貼吸音板，同時用吸音板吊頂，經過這樣的吸聲處理后既增加了圍護結構的隔聲量，又可降低油機房內的混響聲，一般可有3~5dB（A）的效果。對于發動機噪聲中的高頻噪音，因其波長短，采用阻擋的方式即可達到目的。由于發動機噪聲中低頻成分更為豐富，單純阻擋不能達到滿意效果，因此消聲通道應選用阻抗復合結構，借助抗性結構的消聲特性來控制低頻噪聲的傳播。經過有效控制的機房噪聲都可在保證機組正常運轉情況下滿足相應的環保標準要求，達到晝間為55 dB（A），夜間45 dB（A）。這一點在我們以前的工作中己得到證實。
現由于電話局油機房沒有統一的標準，在土建施工階段因土建設計單位對通信電源設備的性能了解得不透徹，造成油機房布局和進、排風口安排不合理，在后期對油機房進行消噪音處理時難度加大和投資量增多。例如我們以前治理過的某個油機房其進風口外為防火通道，不能占用，進風消音器只能安裝在油機房內，而油機房內部空間設計又過小，就造成進風消音器距發電機組過近，維護人員操作起來很不方便。為減少上述問題的出現和節約消噪音處理時的投資，通過總結以往的工作經驗，建議今后油機房建設最好采用以下方案：盡量減少油機房門和窗戶的數量，避免油機噪聲的泄漏；盡量加大油機房進風口距油機基礎的距離，延長消音距離，最好建設進風小室；在油機排風口外增加擴張室并盡量延長油機房擴張室的排風距離。
若能采用以上方案可以使油機房布局更規范、更合理，后期消噪音控制更加簡便，使施工模式化，便于管理工作，在投資更少的情況下，達到環保要求。
一、柴油發電機機組噪聲原因分析：
柴油機噪聲是一個由多種聲源構成的復雜聲源，按照噪聲輻射方式，柴油機噪聲可以分為空氣動力噪聲和表面輻射噪聲。按照產生的機理，柴油機表面輻射噪聲又可以分為燃燒噪聲和機械噪聲。其中空氣動力噪聲為主要噪聲源。
（一）、 空氣動力噪聲：
空氣動力噪聲是由于氣體的非穩定過程，即由氣體的擾動以及氣體與物體的相互作用而產生的。直接向大氣輻射的空氣動力噪聲包括：進氣噪聲、排氣噪聲、冷卻風扇噪聲。
1、進氣噪聲：
進氣噪聲是柴油機的主要空氣動力噪聲之一，它是由進氣門的周期性開啟與閉合而產生的壓力起伏變化而形成的。當進氣門開啟時，在進氣管中產生一個壓力脈沖，而隨著活塞的繼續運動，它受到阻尼；當進氣門關閉時，同樣產生一個有一定持續時間的壓力脈沖。于是產生了周期性的進氣噪聲。其噪聲頻率成分主要集中在200 Hz以下的低頻范圍。與此同時，當氣流以高速流經進氣門流通截面時，產生湍流脫體，導致高頻噪聲的產生，由于進氣門通流截面是不斷變化的，因此湍流噪聲具有一定的頻率范圍，主要集中在1 000 Hz以上的高頻范圍。進氣管空氣柱的固有頻率與周期性進氣噪聲的主要頻率相一致時，空氣柱的共振噪聲在進氣噪聲中也會較為突出。
對于采用渦輪增壓的發動機，由于渦輪增壓器的轉速一般較高，因此其進氣噪聲明顯高于非渦輪增壓的發動機。渦輪增壓器的噪聲是由于葉片周期性地切割空氣產生的旋轉噪聲和高速氣流形成的湍流噪聲而形成的，是一種連續性的高頻噪聲，主要分布在500~10 000 Hz的頻率范圍。目前我公司大部分采用渦輪增壓的發動機。
進氣噪聲與發動機的進氣方式、進氣門結構、缸徑、凸輪型線等設計因素有關。對于同一臺發動機來說，受轉速的影響最大，轉速提高一倍可導致進氣噪聲增加10~l5dB（A）。
2、排氣噪聲：
排氣噪聲是發動機噪聲中最主要的聲源，其噪聲一般要比發動機整機噪聲高出10~15dB（A）。發動機排氣屬高溫（800~l000℃）、高壓（3~4個大氣壓）氣體。排氣過程一般分為兩個階段，即自由排氣階段和強制排氣階段。發動機廢氣從排氣門高速沖出，沿著排氣歧管進入消聲器，最后從尾管排入大氣，在這一過程中產生了寬頻帶的排氣噪聲。
排氣噪聲包含了復雜的噪聲成分：以單位時間內排氣次數為基頻的排氣噪聲、管道內氣柱共振噪聲、排氣歧管處的氣流吹氣噪聲、廢氣噴注和沖擊噪聲、汽缸的亥姆霍茲共振噪聲、卡門渦流噪聲及排氣系統內部的湍流噪聲等。
影響發動機排氣噪聲的主要因素有：汽缸壓力、排氣門直徑、發動機排量及排氣門開啟特性等。對同一臺發動機來說，發動機轉速和負荷是影響其排氣噪聲的最主要因素。
3、冷卻風扇噪聲：
風扇噪聲由旋轉噪聲和湍流噪聲構成。旋轉噪聲是由于風扇的葉片周期性地切割空氣，引起空氣的壓力脈動產生的，以葉片通過頻率為基頻，并伴有高次諧波。湍流噪聲是由于風扇運動導致的周圍空氣發生湍流脫體，使空氣發生擾動，形成氣體的壓縮與稀疏過程而形成的，是一個寬頻帶噪聲。
冷卻風扇噪聲受轉速的影響最大，轉速提高一倍可導致其聲級增加10~15dB（A）。在低速時風扇噪聲要比發動機噪聲低很多，而在高速時，往往會成為主要的噪聲源。目前我公司使用的柴油發動機轉速多為1 500轉/分鐘，屬于高轉速油機。
（二）、 表面輻射噪聲：
燃燒噪聲和機械噪聲很難嚴格區分，通常將由于氣缸內燃燒所形成的壓力振動通過缸蓋、活塞-連桿-曲軸-機體向外輻射的噪聲稱之為燃燒噪聲。將活塞對缸套的撞擊，正時齒輪、配氣機構、噴油系統等運動件之間的機械撞擊振動而產生的噪聲叫作機械噪聲。一般直噴式柴油機燃燒噪聲要高于機械噪聲，而非直噴式柴油機的機械噪聲則高于燃燒噪聲，但是低速運轉時燃燒噪聲都高于機械噪聲。
二、 解決噪聲的控制措施：
（一）、空氣動力噪聲控制：
1、 進氣噪聲控制：
一般發動機均裝有空氣濾清器，進氣噪聲即可有較大衰減，成為次要聲源。而當其它聲源得到進一步控制后，進氣噪聲有可能成為主要聲源，這時需考慮采用性能良好的進氣消聲器，通常進氣消聲器要和空氣濾清器結合，進行一體化設計，既能滿足進氣和濾清方面的要求，又可使進氣噪聲得到有效的控制。
2、 排氣噪聲控制：
控制排氣噪聲最有效的方法是加裝排氣消聲器，實際情況往往是降噪效果不很理想。分析原因主要是消聲器結構設計不甚合理以及加工工藝存在問題，后一個問題可以通過提高工藝水平加以改善；前一個問題則涉及消聲器的設計思路。通常消聲器設計主要憑經驗，一些設計計算程序是在一些理想假設條件下進行的，而在這些假設中實際影響最大的是忽略氣流的存在，而且是高壓、高溫、高速脈動氣流的存在。此種狀態的氣流將會影響消聲器內部的聲場分布、聲速、聲的傳播規律等，特別是氣流速度影響更大。氣流影響消聲器性能的主要原因是發動機排氣的高速脈動氣流再生噪聲，其次是這種氣流會沖擊消聲器的管路、殼體、隔板等聲學元件，進而激發振動輻射噪聲。當消聲器結構參數選擇不當，或結構不合理，或加工工藝存在問題時，都會導致消聲器消聲性能的下降，同時氣流速度過高也會加大消聲器的壓力損失也會造成消聲性能下降。
（二）、發動機表面輻射噪聲的控制：
發動機表面輻射噪聲（燃燒噪聲和機械噪聲）的控制要受到發動機性能方面的種種限制，從技術角度講難度很大，且降噪量有限。實踐表明，在結構上采取措施可以一定幅度地降低發動機的表面輻射噪聲，從而降低整機噪聲。控制的基本措施是增加結構剛度和阻尼，使得在同樣的激振力作用下減少結構表面響應。與此同時，減少輻射噪聲的表面面積，也是控制輻射噪聲的有效措施。
（三）、 綜合控制噪聲思路的實際應用：
通常一臺500 kW進口機組，機房內的噪聲可達105~108 dB(A)。在不經過治理的情況下，機房外環境噪聲為70~80 dB（A）或更高，相同功率參數的國產機組噪聲則更大些。目前我國在考核環境噪聲是否達標時采用《城市區域環境噪聲標準》或《工業企業廠界噪聲標準》，在標準中對應不同區域有不同的噪聲限值。一般在城區多為一類區，限值標準晝間為55 dB（A），夜間為45 dB（A）；在郊區多為二類區域，相應的限值標準晝間為60 dB（A），夜間50 dB（A）。從對比數據可以看出，需要的降噪幅度很大，對應的控制技術難度也很大。
在實際工作中，由于我公司所選用的都是配置好的發動機整機，機組本身采取控制措施難度很大，而且不現實。考慮到油機運轉過程中一般主要是其噪聲污染周圍環境，因此，如何有效地控制機房內油機噪聲對外輻射是一個非常現實而且必須解決的問題。選擇的方案應能作到既要有效地降低環境噪聲，又要組織好機房內的空氣流動，滿足發電機組運行需要的空氣流量，以保障機組的正常工作。單純降低噪音的外泄而犧牲油機房內的空氣流量會造成油機表面冷卻不均勻，減少油機的發電容量，影響正常使用。經過多年來與環保部門的合作，對油機房進行消噪聲處理，積累了一些治理經驗，主要是必須根據具體的機房項目來確定相應的控制方案，這其中應考慮機房所在區域的環境標準，機房圍護結構形式及油機機型、功率、冷卻風量等因素。綜合控制的核心是等隔聲概念，即用一封閉的圍護結構將機組與外界隔離開來，減少聲源對外的聲輻射。所謂等隔聲概念就是整個圍護結構的各個部分（如土建結構部分和門、窗等部分）的隔聲量應相當。為機房與外界相通而預留的通道（如冷卻風扇出口、發動機排氣出口、機房通風換氣口等）必須設計成消聲通道，其插入損失也應與圍護結構的隔聲量相當，只有這樣做才可保證機房外的環境噪聲達標。 我們仍以一臺500 kW進口機組為例，油機房室內墻面設計為貼吸音板，同時用吸音板吊頂，經過這樣的吸聲處理后既增加了圍護結構的隔聲量，又可降低油機房內的混響聲，一般可有3~5dB（A）的效果。對于發動機噪聲中的高頻噪音，因其波長短，采用阻擋的方式即可達到目的。由于發動機噪聲中低頻成分更為豐富，單純阻擋不能達到滿意效果，因此消聲通道應選用阻抗復合結構，借助抗性結構的消聲特性來控制低頻噪聲的傳播。經過有效控制的機房噪聲都可在保證機組正常運轉情況下滿足相應的環保標準要求，達到晝間為55 dB（A），夜間45 dB（A）。這一點在我們以前的工作中己得到證實。
現由于電話局油機房沒有統一的標準，在土建施工階段因土建設計單位對通信電源設備的性能了解得不透徹，造成油機房布局和進、排風口安排不合理，在后期對油機房進行消噪音處理時難度加大和投資量增多。例如我們以前治理過的某個油機房其進風口外為防火通道，不能占用，進風消音器只能安裝在油機房內，而油機房內部空間設計又過小，就造成進風消音器距發電機組過近，維護人員操作起來很不方便。為減少上述問題的出現和節約消噪音處理時的投資，通過總結以往的工作經驗，建議今后油機房建設最好采用以下方案：盡量減少油機房門和窗戶的數量，避免油機噪聲的泄漏；盡量加大油機房進風口距油機基礎的距離，延長消音距離，最好建設進風小室；在油機排風口外增加擴張室并盡量延長油機房擴張室的排風距離。
若能采用以上方案可以使油機房布局更規范、更合理，后期消噪音控制更加簡便，使施工模式化，便于管理工作，在投資更少的情況下，達到環保要求。
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