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柴油發(fā)動機消聲器噪聲試驗標(biāo)準(zhǔn)與步驟 |
摘要：柴油發(fā)電機組排氣系統(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)動機燃燒時，會產(chǎn)生高溫高壓的氣體，這些氣體會通過排氣管排放到空氣中。由于氣體的高速流動，因此會產(chǎn)生一定的振動和噪聲。本文中康明斯公司首先使用 X射線熒光光譜儀（XRF）對材料中各元素的含量進(jìn)行檢測，確保其符合中國GB相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。再使用專業(yè)的聲學(xué)測試設(shè)備，按照國標(biāo)ISO3745對排氣管消聲器的噪聲等級進(jìn)行測試。通過測量并分析其聲壓級，康明斯公司可以評估消聲器對噪聲的有效控制能力；同時利用消聲器試驗的結(jié)果來驗證的排氣消聲器與康明斯柴油發(fā)動機匹配設(shè)計是否科學(xué)合理以及有效性。
一、消聲器檢測標(biāo)準(zhǔn)
● GB/T19512-2004 聲學(xué)消聲器現(xiàn)場測量
● GB/T20431-2006 聲學(xué)消聲器噪聲控制指南
● GB/T24658-2009 拖拉機排氣消聲器技術(shù)條件
● GB/T25516-2010 聲學(xué) 管道消聲器和風(fēng)道末端單元的實驗室測量方法 插入損失、氣流噪聲和全壓損失
● GB/T33928-2017 往復(fù)式內(nèi)燃機排氣消聲器測量方法聲壓法排氣噪聲聲功率級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)的測定等效法
● GB/T16405-1996 聲學(xué)管道消聲器無氣流狀態(tài)下插入損失測量實驗室簡易法
● GB/T4759-2009 內(nèi)燃機排氣消聲器測量方法
● GB/T4760-1995 聲學(xué)消聲器測量方法
● 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)動機排氣消聲器
● JB/T12705-2016 氣動消聲器
● JB/T11470-2013 低速汽車排氣消聲器技術(shù)條件
● JB/T4364-2014 風(fēng)機配套消聲器性能試驗方法
● JB/T5081-2008 中小功率柴油機排氣消聲器
二、消聲器檢測種類
1、抗性消聲器檢測分析
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速度變化的一個組成部分。它們不消耗聲能，但可以存儲和反射聲能。阻尼消聲器的特點是：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。耐低溫消聲器對低IF范圍內(nèi)的噪聲具有良好的消聲效果，其檢測類型主要包括擴張室式消聲器， 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，它會在電阻消聲器中的多孔材料中引起空氣和纖維振動。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。
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圖1 柴油機抗性消聲器結(jié)構(gòu) |
圖2 柴油機阻性消聲器結(jié)構(gòu) |
3、阻抗復(fù)合型消聲器檢測分析
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)實現(xiàn)更好的噪聲消除。
消聲器特性試驗可采用ANSYS CFX流場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。觀察其能確保計算精度的最小計算頻率是否大于等于3 600 Hz，是則進(jìn)行計算，否則重新調(diào)整。
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圖3 柴油機阻抗復(fù)合型消聲器結(jié)構(gòu) |
圖4 柴油機消聲器消音器特性試驗框圖 |
三、消聲器噪聲試驗步驟
在進(jìn)行振動噪聲測量前，需要根據(jù)實際情況制定測試方案。一般來說，噪聲測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行情況。
1、試驗裝置
在試驗測量中，柴油發(fā)動機應(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)定運轉(zhuǎn)。油溫、水溫達(dá)到適宜值時進(jìn)行測量，測量未加消聲器的排氣噪聲時應(yīng)加裝和消聲器長度相同，管徑和排氣管相同的空管。測點要求布置與在排氣口氣流軸向成45°角、距離為0.5米處，聲級計指向排氣口。為保證測量時聲場分布情況不變，四周應(yīng)為寬闊場地，保證測點附近符合自由聲場的條件。
DASP是INV303/306多功能采集處理系統(tǒng)的一個主要軟件包。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）靜動態(tài)數(shù)據(jù)記錄處理機，各種數(shù)字電壓表，頻率計：
（4）各種波譜分析功能：時域、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)動力學(xué)修改，結(jié)構(gòu)靈敏度分析，結(jié)構(gòu)動力有限元分析等；
（6）故障診斷和狀態(tài)的在線檢測功能；
（7）各種信號處理、噪聲分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、地震和天然脈動記錄分析及生物醫(yī)學(xué)分析等；
（8）大容量長時間數(shù)據(jù)的采集、記錄與大容量數(shù)據(jù)的分析。
2、試驗用消聲器
試驗用消聲器為康明斯柴油發(fā)動機配套的消聲器，由GB1495-2002可知，其A聲級允許加速噪聲限值為83dB，根據(jù)噪聲評價曲線NR數(shù)與A聲級允許加速噪聲限值以及近場噪聲限值的關(guān)系換算得到噪聲限值。先根據(jù)柴油發(fā)動機類型選定消聲器結(jié)構(gòu)，再設(shè)定各優(yōu)化參數(shù)初始值和計算范圍：穿孔管的穿孔率p的初始值為0.2，計算上下限為0.2～0.4，穿孔板的孔數(shù)n的初始值為280，計算上下限為280～560。然后用優(yōu)化軟件計算得到各優(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。
實際測量的頻率范圍是31.5-8000Hz，記錄了倍頻程中心頻率處的聲級。測量的轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分鐘、1800轉(zhuǎn)/分鐘。試驗分別測量了安裝空管和安裝消聲器時管口處的聲級。
四、試驗數(shù)據(jù)處理與分析
以康明斯發(fā)動機在額定1500轉(zhuǎn)/分鐘和1800轉(zhuǎn)/分鐘工況下試驗測得的未安裝消聲器和安裝消聲器時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基本都在噪聲限值以下，說明此軟件有較高的精度，因此在實際運用中，可以利用優(yōu)化軟件計算結(jié)果來指導(dǎo)消聲器與柴油發(fā)動機的匹配。當(dāng)柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，其排氣噪聲聲壓級有時會超過噪聲限值，說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：
1、氣體流動對消聲性能的影響
在柴油發(fā)動機排氣口輻射的噪聲可以分為以下幾類：
（1）排氣門開啟、落座時機械振動產(chǎn)生的噪聲；
（2）氣缸燃燒壓力波動所產(chǎn)生的噪聲；
（3）排氣流在排氣系統(tǒng)內(nèi)部的不穩(wěn)定流動產(chǎn)生的空氣動力性噪聲；
（4）排氣流在排氣口附近的紊流擴散產(chǎn)生的空氣動力性噪聲；
有關(guān)研究表明，前兩項的影響所占的比重比較小，排氣噪聲是一種空氣動力性噪聲，其中在排氣門附近由于劇烈的排氣而產(chǎn)生的空氣動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。
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柴油機排氣噪聲倍頻程頻譜（1500轉(zhuǎn)） |
柴油機排氣噪聲倍頻程頻譜（1800轉(zhuǎn)） |
當(dāng)柴油發(fā)動機排出的高速進(jìn)入消聲器時，脈動氣流不僅能產(chǎn)生噪聲，而且氣流與聲波之間還能產(chǎn)生干涉作用，這顯然會對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，將會產(chǎn)生很強的再生噪聲。另一部分是當(dāng)速度高到一定程度時產(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速度的影響，顯然和實際存在的脈動氣流之間有著差距，另外，對于平均氣流速度的考慮也主要表現(xiàn)在對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。
高速脈動氣流在消聲器中還會沖擊管道、殼體、隔聲板等，從而激發(fā)振動產(chǎn)生固體輻射噪聲。氣流速度的變化還會影響尾管輻射聲阻抗的變化。氣流在尾管處還會由于素流擴散而產(chǎn)生空氣動力性噪聲。
由此可見，氣流的存在對消聲器的消聲性能有著較大的影響，這也是前面計算和試驗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成立。在遇到擴張室等截面較大的情形時，平面波的假設(shè)不再成立。在實際的消聲器中，擴張室的形狀不規(guī)則，室內(nèi)聲場分布復(fù)雜，這時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)行性能計算和優(yōu)化設(shè)計時產(chǎn)生誤差的主要原因之一。
3、試驗環(huán)境的影響
在測量過程中，測功機的噪聲不能完全屏蔽，它會影響到測量結(jié)果。由于柴油發(fā)動機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。這兩點使得試驗結(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，將其視為等嫡過程或認(rèn)為是線性溫度梯度顯然和實際情況有出入。此外，參數(shù)優(yōu)化模型和優(yōu)化計算的精度也與誤差有一定的關(guān)系。
在進(jìn)行噪聲測量時，需要將測試發(fā)動機啟動，讓其處于相應(yīng)的轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，同時對振動和噪聲進(jìn)行測量。一般來說，需要進(jìn)行多次測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行平均處理，以得到最終的測試結(jié)果。
總結(jié)：
柴油發(fā)動機排氣消聲器試驗包括臺架試驗、密封性試驗、耐壓強度試驗、內(nèi)壓耐久性試驗、內(nèi)壓耐久性試驗、振動試驗、耐壓強度試驗、功率損失試驗、噪聲試驗、排氣背壓測量、插入損失試驗，本文主要介紹了噪聲試驗的步驟和實測分析。
本章用優(yōu)化設(shè)計軟件為康明斯發(fā)電機組的配套消聲器計算出了重要參數(shù)的優(yōu)化值并用試驗結(jié)果驗證了聲學(xué)設(shè)計模型的正確性。試驗結(jié)果表明：安裝了優(yōu)化的消聲器后的排氣噪聲聲壓級基本都在噪聲限值以下，說明此消聲器優(yōu)化設(shè)計聲學(xué)模型正確合理，而當(dāng)柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速較高時，由于氣體流動、平面波假設(shè)及試驗環(huán)境等因素的影響，計算會有一定的誤差。在實際運用中，此優(yōu)化軟件對于消聲器與柴油發(fā)動機的匹配設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義?？得魉构鞠Ｍㄟ^以上分析和測試結(jié)果對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)勢和適用性。
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