某发电机组静音机箱噪声分析及结构优化设计

高硕，袁帅，郭彬，董瑞

潍柴动力股份有限公司国际应用工程中心，山东潍坊 261000

0 引言

作为一种备用发电设备，发电机组因其移动性强、设备运行维护方便快捷等特点，被广泛应用于各行各业。然而，发电机组运行时会引起较大的振动噪声，不仅影响人的正常工作和生活，还会危害人体健康。针对发电机组的噪声问题，国内外许多学者通过试验研究或仿真分析等方法对其噪声特性、噪声源以及噪声控制等方面进行了大量研究。

TANDON等用声强法对某柴油发电机组进行噪声测试，针对主要噪声源对机组做出结构改进，即加入部分隔声罩，降低了机组辐射噪声。ZHOU等基于声学边界元法对隔声罩进行了辐射噪声预测，并通过声学灵敏度分析，探究了对插入损失影响最大的因素。毕凤荣等研究了某小型柴油发电机组的声源及噪声特性,据此对不同频率范围的噪声提出了具体的隔声罩结构优化措施，使发电机组辐射噪声得到了有效降低。张树峰以某静音型柴油发电机组为研究对象，通过试验与CAE仿真相结合的方法，对机组隔声罩进行了优化设计研究，显著降低了发电机组噪声水平。

综上可以看出，工程中多利用隔声罩及其内附的吸声材料来降低发电机组的噪声，并通过试验及现代CAE仿真的方法来实现对隔声罩(文中统称为静音机箱)的优化设计。西门子的Simcenter3D是一种有力的CAE声学仿真工具，作为一种综合性的有限元建模和结果可视化产品，其包括一整套前、后处理工具，支持诸多业界标准求解器(如Simcenter Nastran、MSC Nastran、ANSYS和Abaqus等)以及多种产品性能评估解算方案。

据此，本文基于Simcenter3D声学仿真软件，选用间接声学边界元法，对某型发电机组两种不同通风口结构的静音机箱进行声学仿真分析，通过对比仿真结果，探究不同通风口结构形式对静音机箱隔声性能的影响，同时通过对通风口结构进行优化设计，提升静音机箱的降噪能力，为该型发电机组的降噪提供理论指导。

1 静音机箱声学仿真分析

所研究的发电机组静音机箱尺寸相对较大，模型较为复杂，如果采用有限元法进行声学分析，其网格数量会极大地影响计算效率，且所研究静音机箱为不封闭的箱体，因而选用间接边界元法对两种不同通风口结构的静音机箱进行声学仿真分析，声学仿真的前处理工作具体如下。

1.1 静音机箱三维建模

文中的研究对象为两种不同通风口结构的发电机组静音机箱，分别为U型窗通风口结构静音机箱和百叶窗通风口结构静音机箱。两种机箱基本由钢制薄板组成，U型窗、百叶窗位于机箱左右两侧及前侧(近发电机处)，机箱后侧及上侧开有通风拦网，图1为经过简化处理的两种不同通风口结构静音机箱的三维模型。

图1 不同通风口结构静音机箱的三维模型

1.2 静音机箱声学网格划分

静音机箱三维模型准备完成后，在Simcenter3D的Fem环境中进行声学网格划分工作。为保证计算精度，在划分线性单元网格时，通常认为最小波长等于最大单元尺寸的6倍，即网格尺寸的大小满足：

(1)

式中：为声速，空气中其值为340 m/s；为计算的最高频率。

最高计算频率为3 500 Hz，代入式(1)可得最大网格尺寸=16 mm。为保证网格质量有效性，选取网格尺寸=12 mm，网格单元类型为声学壳单元(acoustic shell)。U型窗通风口结构静音机箱生成单元数为185 990，节点数为94 716；百叶窗通风口结构静音机箱生成单元数为181 781，节点数为92 186。两种静音机箱的声学网格模型如图2所示。

图2 两种静音机箱的声学网格模型

文中仅存在空气这一种流体介质，静音机箱声学网格划分完成后，选用Simcenter3D材料库中的空气为其定义流体材料属性。

1.3 静音机箱场点网格划分

图3 机组噪声测试测点布置

依据图3建立了两种静音机箱的场点网格，其模型如图4所示。其中平面麦克风网格平行于静音机箱的5个面，与各面相距1 m，网格大小为50 mm，点麦克风网格分别与图3中9个典型测点对应。

图4 两种静音机箱场点网格模型

1.4 声源激励加载及边界条件设置

边界元网格和场点网格建立完成后，在Simcenter3D的Sim环境下进行声源加载和边界条件设置。

(1)声源激励加载。对比分析两种通风口结构静音机箱的隔声性能时，实际声源激励对分析结果的影响不大，因而文中仅在机组设置一个功率为1 W的单极理想声源，用于两种静音机箱的声学仿真计算。

(2)边界条件设置。首先为两种静音机箱添加海绵的吸声属性，声阻为830 kg/(m·s)，声抗为3 030 kg/(m·s);其次利用Simcenter3D中的无限平面功能代替真实地面环境，模拟与半消声室条件相似的声学分析环境;最终建立完成的发电机组静音机箱声学边界元模型如图5所示。

图5 发电机组静音机箱声学边界元模型

2 静音机箱声学仿真结果对比

前处理工作完成后，进行静音机箱声学仿真分析。为提高计算效率，采用Simcenter3D中的H-Matrix模型公式分析两种不同通风口结构静音机箱在1/3倍频程中心频率,即：50、63、125、250、500、1 000、2 000、3 500 Hz下的1 m声场声压分布云图，同时提取5个噪声测量面上9个典型测点在50～3 500 Hz频段下的声压级变化曲线。

2.1 两种静音机箱典型测点声压级变化曲线对比分析

图6为两种静音机箱4个典型测点声压级变化曲线对比。限于篇幅关系，仅取9个典型测量点中的4个测点，即对应于4个通风口结构(U型窗、百叶窗)所在测量面中心位置的测点1、2、3、4进行对比分析。

图6 两种静音机箱4个典型测点声压级变化曲线对比

由图6可知，由于计算时选取的步长值(50 Hz)较小，两种静音机箱4个测点的声压级变化曲线存在频段内一定的波动，但两种静音机箱声压级曲线的变化趋势大体一致。对比分析两种静音机箱的声压级变化曲线可知：

(1)对于测点1、2、4，在低频范围内U型窗通风口结构静音机箱隔与百叶窗通风口结构静音机箱的声压级幅值相差不大，表明两者在低频范围的隔声性能相仿；

(2)在中高频频段，U型窗通风口结构静音机箱测点1、2、4的声压级幅值较明显的低于百叶窗通风口结构静音机箱测点1、2、4的声压级幅值，表明在中高频范围U型窗通风口结构静音机箱隔声效果更优；

(3)对于测点3，在50～3 500 Hz整个频段内，除声压级变化曲线上少部分数值外，两种机箱的声压级幅值相差不大，且两种静音机箱在该测点的声压级幅值最大。

2.2 两种静音机箱1 m声场声压云图对比分析

由图6各测点的声压级变化曲线可知，两种静音机箱的测点1在中高频段下的声压级变化曲线差异最为明显，因而文中选取两种静音机箱测点1所对应的A测量面，在1/3倍频程中心频率，即1 000、2 000、3 500 Hz下的1 m声场声压分布云图进行对比分析，如图7所示。

图7 两种静音机箱声压分布云图对比

通过图6的声压级变化曲线可知，U型窗通风口结构静音机箱具有更低的声压级幅值。因此为便于直观分析两种静音机箱同频率下的声压分布情况，将云图设定在同一图例限值下展示，如图7所示。

由图7可知，随着频率的提高，两种静音机箱的声场声压分布均表现为越发不集中，表明声场辐射随着频率的增加越来越发散；在同一频率下，U型窗通风口结构静音机箱的高声压区域要少于百叶窗通风口结构静音机箱。

综合声压级变化曲线及声场声压云图的分析可得，对于该型发电机组，U型窗通风口结构静音机箱较百叶窗通风口结构静音机箱具有更好的隔声性能。

2.3 两种静音机箱各测量面总声压级对比分析

为进一步验证结论，依据所得9个典型测点声压级变化曲线，以各测点曲线上最大的声压级值作为工程测量中测点处的A计权声压级，结果见表1和表2。

表1 U型窗静音机箱9个典型测点A计权声压级 单位:dB

表2 百叶窗静音机箱9个典型测点A计权声压级 单位:dB

总声压级计算公式为：

(2)

式中:为总声压级；为各测点的声压级。

由式(2)计算出两种静音机箱5个测量面(点1、2、3、4、9分别对应测量面、、、、)的总声压级，结果见表3。

表3 两种静音机箱5个测量面的总声压级 单位:dB

由表3可知：

(1)两种静音机箱的最大噪声面为均，即测点3所对应的测量面。主要原因为：静音机箱在此处的通风口结构为通风拦网，该结构相较于百叶窗、U型窗会产生更严重的声能泄漏，因而总声压级较大。

(2)U型窗通风口结构静音机箱各测量面的总声压级均比百叶窗通风口结构静音机箱低1～2.5 dB，进一步表明U型窗通风口结构静音机箱具有更好的隔声性能。

3 静音机箱优化设计与仿真分析

为提升原U型窗通风口结构静音机箱的降噪性能，对其4个通风口结构进行了优化设计，即将原U型窗通风口及通风拦网均改为加装挡风盖(带有吸声海绵)的组合通风口结构。该结构既可以改变声波的传播路径、增加声传播时的能量消耗，又能够利用吸音海绵吸收部分声能，改进后的通风口结构及静音机箱模型如图8所示。

图8 改进后的通风口结构及静音机箱模型

对改进通风口结构的新型静音机箱进行声学仿真分析，研究优化后的通风口结构对静音机箱降噪能力的影响。4个通风口分别对应、、、测量面，取改进前后各测量面中心典型测点即1、2、3、4的声压级变化曲线进行对比分析，结果如图9所示。

由图9可知，经改进通风口结构后的静音机箱，测点1～4的声压级较改进前均在整体上得到降低。经计算，测点1的声压级整体上平均降低4.2 dB，测点2平均降低3.2 dB，测点3平均降低8.4 dB，测点4平均降低3.9 dB，可知最大噪声测量面的噪声问题得到最为显著的治理，充分表明改进后的各通风口较改进前具有更好的隔声性能，静音机箱降噪能力得到有效提升。

图9 通风口改进前后静音机箱典型测点声压级变化曲线对比结果

4 结论

(1)通过对比U型窗通风口结构静音机箱与百叶窗通风口结构静音机箱的1 m声场典型测点声压级变化曲线，表明低频范围两种静音机箱隔声效果相差不大，中高频范围U型窗通风口结构静音机箱隔声效果更优。

(2)通过对比两种静音机箱1 m声场的声压分布云图，表明在同一频率下，U型窗通风口结构静音机箱辐射声压低于百叶窗通风口结构静音机箱。

(3)通过对比两种静音机箱各测量面的总声压级，表明U型窗通风口结构静音机箱比百叶窗通风口结构静音机箱低1～2.5 dB。

(4)通过对原U型窗通风口结构静音机箱各通风口进行优化设计，使静音机箱典型测点1、2、4的1 m声场声压级降低平均3～4 dB，测点3声压级平均降低8.4 dB，最大噪声测量面的降噪效果最为显著。

综上所述，对于该型发电机组，U型窗通风口结构静音机箱在整体上比百叶窗通风口结构静音机箱具有更好的隔声性能；改进优化后的新型通风口结构使静音机箱的降噪性能得到有效提升。