船用柴油机的噪声控制技术

文章编号:1006-1355(2004)02-0018-04船用柴油机的噪声控制技术齐晓霞,　王　文(上海交通大学机械与动力工程学院,上海　200030) 摘　要:船舶噪声是一种污染,而作为其心脏的柴油机就更是主噪声源。

如今国际船舶领域在控制船用柴油机废气排放的同时,也开始关注起船舶噪声的控制。

系统地阐述了船用柴油机噪声的几种类型和机理,探讨了各种针对性的噪声控制措施以及所取得的效果,并简要介绍了国际海事组织制定的船舶噪声标准以及国际上有关船用柴油机噪声控制的新技术。

关键词:振动与波;船用柴油机;噪声;标准;控制技术中图分类号:TB53 文献标识码:AThe Noise Control T echnique on Marine EnginesQ I Xiao 2xia ,W A N G Wen(School of Mechanical and Power Engineering ,Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200030,China ) Abstract :The marine noise is pollution.As the heart of a ship ,the marine diesel engine is the main noise source.Recently ,in the international marine filed ,the marine noise control is paid close attention to with the limit to the marine engine emission.This paper displays several categories of the noises from marine engine and their respective mechanism ,and shows several effective control ways to reduce each kind of marine noise.For example ,adoptimg these ways ,the MAN B &W diesel engine ’s noise is under the criteria.Moreover ,the marine noise criteria drawn up by the International Marine Organization (IMO )and some new control technologies are also be touched on.K ey w ords :vibration and wave ;marine engine ;noise ;criteria ;control technique收稿日期:2003203211作者简介:齐晓霞(1977-),女,湖北省襄樊人,硕士研究生,工程师,研究方向:混合动力汽车电池热管理。

前　言 环境污染已引起了人们越来越多的关注,噪声也是一种污染。

为了防止船舶领域的噪声污染,很多国家和地区都制定了许多关于船舶噪声控制的标准和法规。

世界上最早提出船舶降噪标准的国家之一是德国,它早在1968年就出版了一本联合公约,对船上各部分的噪声水平进行了规定。

今天国际海事组织(IMO )制定了“国际防止船舶污染公约”(MARPOL73/78),其中除了限制船舶柴油机的废气排放之外,也关注起噪声污染及其危害,并相继出台了噪声控制标准。

所有这些规定都对柴油机设计者提出了更高要求:应用低噪声设计技术和隔声技术减少噪声源和噪声传播降低柴油机发出的噪声。

为此,有必要弄清楚船用柴油机噪声产生的机理。

1　船用柴油机噪声机理 船用柴油机的噪声源不同,可将柴油机噪声分为三类:空气动力性噪声、燃烧噪声和机械噪声[1][2]。

柴油机空气动力性噪声主要包括进、排气噪声(主要是排气噪声)、涡轮增压器中的空气与废气脉动噪声。

排气噪声生的机理是[3]:当柴油机气门打开出现缝隙时,废气以脉冲形式从缝隙冲出,形成能量很高、频谱复杂的噪声。

其主要组成包括:因排气门开、关而产生的周期性压力所激发的噪声;高速气流通过排气门和排气管道时形成的涡流所产生的涡流噪声;排气总管中废气进入涡轮增压器与其中空气混合形成涡流产生的涡流噪声。

排气噪声随气压力和转速的增加而增大。

采用涡轮增压系统可使排气噪声有所降低,特别是能衰减废气脉冲产生的低频噪声,主要是因为定压增压系统排气总管比较大,在一定程度上能起排气消音器的作用。

这也是现在的二冲程柴油机采用定压增压系统,而不用以前的脉冲增压系统的重要原因之一。

燃烧噪声是燃料燃烧时缸内压力急剧变化产生的动载荷和冲击波引起的强烈振动,经气缸盖、气缸套、活塞、连杆、曲轴主轴承传播出来形成的噪声[4]。

燃烧噪声的特性可以用气缸压力的频谱曲线表示,对各种燃烧方式的内燃机制取缸内压力谱表明[4],最高压力决定气缸压力谱的低频成分,最高压力升高率Δp/Δφ决定气缸压力谱的中高频成分。

试验表明,燃烧噪声是以1kHz～2kHz为中心500kHz以上的中、高频成分为主,因此降低燃烧噪声的关键是控制最高压力升高率,也就是力求选择柔和的燃烧过程。

而压力升高率的大小取决于着火延迟期内形成的可燃混合气数量,因此燃烧系统的设计对降低燃烧噪声相当关键。

机械噪声是柴油机零部件之间机械撞击所产生的振动激发的噪声。

机械噪声的主要成分是活塞敲击噪声、正时齿轮噪声和曲柄连杆机构等运动机件撞击缸套、轴承及缸体产生的噪声等。

其中活塞敲击气缸壁产生的噪声主要由燃烧过程引起,发生在上、下止点附近,以压缩上止点附近最为严重。

敲击强度与气缸内最高燃烧压力和活塞与气缸间隙有关。

正时齿轮噪声是因为齿轮承受交变载荷时,啮合传动中齿间发生撞击和摩擦,加上齿轮存在的各种误差,使轴发生变形、轴承负荷加重、曲轴和凸轮轴扭振等,从而激发噪声。

随着柴油机转速的增加,齿轮噪声也越来越大。

柴油机的主噪声源不同,对环境产生的噪声辐射类型也各不相同,主要有:排气噪声(如气体脉动)、空间噪声(如机舱噪声)和结构噪声激励(如柴油机底脚振动)。

2　柴油机噪声的测量技术 柴油机主要噪声的区分和识别是噪声控制的前提,首先要区分和识别主要噪声源,然后要确定主要的噪声辐射表面。

2.1　区分和识别主要噪声源的方法 分别运转法是常用的噪声源识别方法,即将柴油机的不同部件逐次拆除后,分别测定其噪声级,便可求得各零部件的噪声。

但燃烧噪声和机械撞击噪声难以截然分开,在确定燃烧噪声的多种方法中,相关法是较有效的。

该法认为被测噪声部分由燃烧力产生,部分由撞击力产生,其余的则与两者者无关。

首先计算出输入(激励力)与输出(噪声)之间的相关函数,然后确定这两种力的比例,从而确定主噪声源。

2.2　确定主要表面辐射噪声的方法 确定表面辐射噪声的方法较多,目前采用的主要方法有[2]铅板覆盖法、振动测量法和声通道法。

2.2.1　铅板覆盖法如柴油机全部装置用铅制隔声板覆盖的声强为I1,仅拆除实验对象部分隔声板时的声强为I2,则(I2 -I1)便是从实验对象部分辐射出的噪声强度[4],依次用这种方法于组成外表面的各部件,便可以确立主噪声辐射部件,便于有针对性地采取降噪措施,这是比较准确的主因分析法。

2.2.2　振动测量法测量实验对象表面的振动量算出噪声级。

测振的位置和点数根据测定对象的面积和形状不同,一般凭经验决定。

2.2.3　声通道法用截面积渐变的声通道,截面小的一头置于传声器边,大的一头置于柴油机边,一次测定对象部件噪声的方法。

2.3　柴油机空间噪声的测量要求及方法 空间噪声主要源于柴油机各个零部件及其受空气波动辐射的表面。

柴油机平均空间噪声级是根据“‘CIMAC’推荐的对于测量往复式柴油发动机整体噪声”或类似其它标准来测量的,用来表达柴油机典型的空气噪声声压级。

计算的平均声级取决于柴油机周围各个不同点所测得的声强的平均值。

测量点依柴油机的大小而定,在柴油机周围两或三个不同高度处,离柴油机表面约一米远的地方。

在柴油机的每一侧,每声级的测量点数目必须等于气缸数的一半。

3　船舶噪声标准 最大船舶噪声声压级的限制由船东(或船厂)与船舶主机制造厂之间特别规定,或者是参照国家或国际在这方面的法规间接确定。

大多数船东都参照SB G(海上雇用人员责任保险)规范或IMO规范。

其中IMO关于船舶噪声的标准如下:工作空间dB(A)航行空间dB(A)生活空间dB(A)机械空间(机器连续运作)3390桥楼和海图室65船舱和医务室60机械空间(机器不连续运作)33110收听点:包括桥楼和窗子70食堂65机械控制室75无线电室(无线电设备运行,但不发射音频信号时)60娱乐室65车间85雷达室65公共娱乐场所75非特定工作空间3390办公室65 33表示当噪声超过85dB(A)时要提醒带护耳器的人注意,在这种噪声环境里,在没有任何保护措施的情况下,每天不能连续待4个小时或总时间不能超过8小时。

4　柴油机噪声控制技术 柴油机噪声控制方法有降低声源噪声和控制噪声传播途径,其中最基本的方法是降低声源噪声。

4.1　降低声源噪声4.1.1　对气体动力噪声的控制对进、排气噪声的控制,一方面从分析噪声机理入手,采取相应的对策,如使进排气通道避免急剧转弯,内壁光滑通畅;另一方面,也是最经济简单的方法:加装消声器[5,6]。

传统的无源消声器有三种类型:抗式消声器、阻式消声器和阻抗复合式消声器。

抗式消声器里边不敷设吸声材料,而是通过改变消声器内部通道的截面、设计共振腔或分支管使得声波在消声器内由于阻抗的改变而反射回到声源方面,或使声能消耗在共振结构内,从而达到消声的目的。

抗式消声器按消声原理分为扩张型、共振型和干涉型等。

它构造简单,耐高温,耐气体腐蚀和冲击腐蚀,是目前应用最广的一种,但存在高频失效问题。

图1　25dB (A )的吸收型消声器下的典型噪声衰减曲线 阻式消声器是在消声器内装上多孔吸声材料,用增加声阻的办法来达到吸收气流噪声能量并转换为热能(散逸)的目的。

常见的阻式消声器有管式消声器、折板式消声器和气流式消声器,其中气流式消声器兼顾了前两者的优点,达到高消声、低流阻的要求,常用于船用柴油机上用来衰减排气噪声。

阻抗复合式消声器综合了上述两种消声器的特点,既有阻式吸声材料又有共振腔和扩张室等抗性元件,可以在较宽的频率范围内取得较高消声量。

但其中的吸声材料在高温、腐蚀性气体及有焦油、碳烟的情况下会很快失效,故其在柴油机上的应用受到一定限制。

设计消声器时,其消声频率特性应是宽带的,对低、中、高频段都应有足够的消声量。