从柴油机表面声压级云图中看出, 机体在350Hz时表面噪声最高,并且前表面(油泵侧)噪声远大于后表面(排气侧) ,在850Hz时第三缸前后裙部噪声较高。油底壳的后侧板和后底板辐射噪声在各频率下均较大,其中在1250Hz时噪声最高。缸盖在350Hz 时前后表面噪声较高, 其上表面在850Hz时噪声最高。
从半消声室声场云图中可以看出,各声场场点的最大声压级约为100dB。在300Hz时,声场前表面噪声辐射比后表面高,声场上表面声压级均匀分布。而在600Hz、850Hz、1250Hz时靠近缸盖上方的场点区域噪声均较高,其中1250Hz时场点的声压级最大,其最大值为104dB,但缸盖的主要声辐射能量主要集中在1000Hz以下,分析其原因是由于油底壳在1250Hz时噪声很大,通过地面完全反射的结果。
图6 各峰值频率下的柴油机表面声压级云图
图7 各峰值频率下的声场声压级云图
4 柴油机低噪声结构改进设计
4. 1 阻尼技术对油底壳辐射噪声的影响
金属材料的阻尼值是很低的,钢、铁材料的阻尼因子在为1 ×10-4 - 6 ×10-4 ,而在正常情况下,在一定温度范围内约束阻尼结构的阻尼因子一般在0. 3以上。因此,本文在η = 5 ×10-4 - 0. 5之间选取了0. 0005 (原型) 、0. 005、0. 05、0. 3分别进行其辐射噪声的计算,计算结果包括辐射声功率、油底壳表面声压值等声学特性参数,以分析阻尼增加后其辐射噪声的变化。
为了验证阻尼变化对其辐射噪声的影响,可以采用谐响应分析。采用的激励为在油底壳的底部中间位置施加激励力F,幅值为5. 0N,约束条件为法兰面全部约束。计算时的激励频率从50Hz ～2000Hz,每隔50Hz计算一次。利用位移响应结果,计算得到的辐射声功率结果如8所示。
图8 η为不同值时辐射声功率频谱
可以看出,随着阻尼的增大, 300Hz以上所有频带上的声功率级都有明显的降低,其中高频噪声降低明显,但降低趋势渐缓,并且高频区域曲线变得平缓,阻尼对衰减高频共振峰有明显的作用。分析油底壳的振动特性可知,油底壳在高频区有很多阶弯曲模态,所以使用高阻尼材料的油底壳高频噪声有明显的降低。而在低于250Hz频率范围的输出声功率基本没有变化,阻尼对低频振动的影响很有限。因此,采用复合阻尼钢板结构对于降低油底壳的辐射噪声具有很好的效果。
4. 2 加强板对柴油机辐射噪声的影响
考虑到为抑制曲轴箱自身较大振动和减少其振动对油底壳的传递,根据实际情况,对CY4102BG柴油机在机体和油底壳之间安装了加强板结构。考察安装加强板结构对柴油机结构辐射噪声的影响。加强板的厚度为8mm,材料采用与机体相同的合金铸铁材料。通过辐射噪声计算,得到了柴油机辐射声功率谱,并与原型相比较。如图9所示。
图9原型与带加强板模型的辐射声功率频谱
由图9可知,在200Hz以上声功率级都有所降低,其总声功率级降低幅度达到5dB。其中油底壳的辐射噪声得到了有效控制,有效地减少了机体振动对油底壳的传递,这也是柴油机辐射噪声有所降低的主要原因。因此,采用加强板结构对柴油机结构噪声的降低起到了有效的作用。
5结语
(1)利用有限元法和边界元法联合求解的数值方法能够预测出柴油机结构噪声特性。
(2)通过柴油机的声谱分析,可得到柴油机表面具有代表性节点的辐射声压级频谱,从频谱图中可以看出柴油机各部位表面声压级的分布情况。并建立半消声室模型,进行辐射噪声计算,得到柴油机表面辐射声功率谱,确定对辐射噪声贡献较大的频率,并通过柴油机表面和声场的声压级云图,预测出柴油机辐射噪声较大部位,确定出其辐射噪声最为严重的是油底壳结构。
(3)考虑了阻尼技术对油底壳辐射噪声的影响,油底壳采用的是复合阻尼钢板结构,研究表明,随着阻尼系数的增大,高频噪声降低明显,但降低趋势渐缓,并且高频区域曲线变的平缓。采用复合阻尼钢板结构对于降低油底壳的辐射噪声具有很好的效果。
(4)为抑制曲轴箱自身的较大振动和减少其振动对油底壳的传递,在机体和油底壳之间安装加强板结构,研究表明,应用加强板结构以后,在200Hz以上声功率级都有所降低,其总声功率级降低幅度达到5dB,其中油底壳的辐射噪声得到了有效控制,有效地减少了机体振动对油底壳的传递,能有效降低柴油机结构辐射噪声。
参考文献:
[ 1 ] 葛蕴珊,王芝秋,张志华等. 声边界元法在内燃机机体辐射噪声预报中的应用研究[ J ]. 内燃机学报, 1995,
13 (1) : 60 - 64.
[ 2 ] 陈大荣. 船舶内燃机设计[M ]. 北京:国防工业出版社, 1992.
[ 3 ] 郝强,朱梅林. 内燃机气缸套受冲击载荷时的有限元分析[ J ]. 华中理工大学学报. 1995 (9) : 58 - 62.
[ 4 ] 晋兵营,李冠峰,熊本俊,等. YT4135Z柴油机机体动态响应分析[ J ]. 内燃机工程, 2005, 26 (2) : 58 - 61.
[ 5 ] 许肖梅. 声学基础[M ]. 北京:科学出版社, 2003: 175
