船用柴油機的噪聲控制研究

李方宇　徐飛　徐華彪

摘 要 近年來，船舶行業“高速化、大型化”趨勢明顯，同時噪聲及振動問題也更加嚴重，對船員的日常工作和生活有著極大的負面影響。尤其是對于輪機部人員而言，噪聲污染已成為亟待解決的問題。當前，全球各國船東對船舶舒適性已引起高度重視，對船舶噪聲提出更加嚴格的要求。對船舶來說，柴油機既是其根本動力來源，又是其最大的噪聲來源?；诖?，本文就船用柴油機的噪聲控制進行深入的研究，以期對船用柴油機的噪聲控制優化和改良有所助益。

關鍵詞 船舶 柴油機 噪聲控制

中圖分類號：TB53 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）07-0137-03

伴隨社會經濟的迅猛發展及對環境保護要求的日益提高，噪聲污染已成為人們重點關注的污染問題，且與水污染、空氣污染并列“三大污染源”。為了避免船舶行業發生噪聲污染問題，全球許多國家都出臺了大量與船舶噪聲控制相關的法規及標準。德國是全球首先提出降低船舶噪聲標準的國家，其在1968年時就已經發布“聯合公約”，對船舶各環節的噪聲標準都有著明確的規定。國際海事組織發布“國際防止船舶污染公約”，不僅提高了船舶柴油機廢氣排放的標準，同時對噪聲污染和危害引起重視且出臺很多關于噪聲控制的標準。從船舶噪聲污染角度來看，有3/4左右的噪聲源自于內燃機。伴隨船舶制造技術的日益創新發展，柴油機逐漸向“大功率、高速化”方向發展，由此而引起更加嚴重的噪聲問題;與此同時，當今社會人們對噪聲問題有著越來越嚴格的要求，從而引起相關人員對船用柴油機噪聲控制的高度重視。

1 船用柴油機噪聲測量技術

第一，應對柴油機噪聲源進行劃分，在具體實踐中，應當分別運行以準確分析柴油機噪聲的來源，對所有部件進行全面檢查后，再評定噪聲的對應等級。對機械噪聲和燃燒噪聲而言，其分辨難度比較大，可依據有關規定加以處理。比如：早在二十世紀六十年代，日本、美國等國家的高校就已經對噪聲測量及控制技術展開較深層次的研究，且開發出比較先進的噪聲預報和識別方法以及相應的噪聲控制技術。通過對某船用柴油機的噪聲測量分析，其柴油機的型號為“6L20/27”、額定功率是600kW。首先對排氣噪聲進行測量，其次對聲壓級進行測量。再如：在某項目測量過程中，排氣噪聲達到109.8dB、屬于是低頻噪聲，聲能處于31.5～500Hz范圍內。與排氣噪聲相比，進氣噪聲顯得更大，同時表現出顯著的中高頻特性。經過對燃燒、機械以及風扇等噪聲的測量可以發現，柴油機最大噪聲源就是排氣和進氣噪聲[1]。

第二，應對表面輻射噪聲加以明確，現階段常用的分析方法主要有聲通道法、振動測量法以及鉛板覆蓋法等。

第三，確定空間噪聲測量規范及測量手段，經由分析可知柴油機內部工件和空氣波動極易導致空間噪聲，利用“‘CIMAC’推薦的對于測量往復式柴油發動機整體噪聲”對噪聲級實施測量，同時以數值來顯示噪聲相應的聲壓級。經過對柴油機周圍點的測量，計算出平均聲級便可得到聲強的均值，同時需基于柴油機的體積大小來確定具體的測量位置，選取3個不同的位置，且各位置與柴油機間的距離應保持在1m左右。

2 船用柴油機常見噪聲及其控制措施

2.1 風扇噪聲

船用柴油機風扇噪聲主要是因為冷卻風扇不停地轉動而形成的，其噪聲大小與風扇轉速成正比。風扇噪聲是因為風扇葉片空氣進行切割又或是風扇后的部件所形成的空氣紊流而引起的，經過改變風扇葉片的材料、形狀、數量或者是調整風罩、風扇和散熱器的相對位置，就能夠有效控制柴油機風扇噪聲。

第一，風扇葉片的材料、形狀及數量。風扇葉片的形狀對風扇效率影響也很大。從葉片材料角度來看，其對風扇噪聲有著不同程度的影響。比如：與沖壓鋼板葉片相比，鑄鋁葉片的噪聲更小;尼龍葉片相較于金屬葉片的噪聲更小[2]。正常情況下，如果材料的損耗系數比較大，則其噪聲也就較大。從葉片形狀角度來看，其對葉片周圍的渦流強度有著直接性的影響，進而對風扇效率產生影響。所以，優化葉片形狀，使得其具有更加適宜的彎曲角度及更好的流線型，不但有助于降低渦流噪聲，同時還能夠在很大程度上加強風扇效率。從葉片數量角度來看，在轉速未發生變化的環境下，如果葉片數量有增加，則可提高風扇的風量;又或是在保持同等風量的基礎上，可使風扇轉速有所降低，進而降低風扇噪聲。然而，如果葉片數超過6片，則風量增加也就十分有限，同時在降噪特性方面通常有著負面影響。在風量相同的條件下，高速窄葉風扇通常較低速寬葉風扇造成的噪聲聲壓級高4dB（A），同時功率消耗夜也高27%。減少護風圈和風扇的間隙，避免氣流發生紊亂，可有效控制風扇噪聲。根據相關研究可知，如果間隙為0，則風量可以增加27%、噪聲降低3dB（A），降低轉速使得風量恢復至最初水平，噪聲還可降低2dB（A）[3]。

第二，風罩、風扇和散熱器的相對位置。風扇噪聲的降低，同樣需充分考慮風扇冷卻系統的結構參數及所有部件間的互相位置。合理調整風罩和風扇間的間隙、散熱器和風扇間的距離，有利于實現風扇噪聲的降低。如果散熱器和風扇間的距離有所增加，則風扇的冷卻能力、噪聲以及流量等均需增加。與此同時，各自在某點達到相應的最大值時，而后依次減小。根據相關試驗可知，散熱器芯子與風扇端面間的距離過遠或者過近，會產生回流現象或者形成無風區。散熱器芯子與風扇端面間的距離應當是風扇直徑的10%左右，如此不但可以全面發揮出風扇的冷卻能力，而且還能夠將噪聲控制在最低水平。風扇前后的導風罩同樣是引起渦流噪聲的主要來源，風扇入口處應呈現流線型，導風罩和風扇構成的氣流通道外表應確保光滑，以優化冷卻風的流動狀態，進而促使冷卻系統噪聲的降低。導風罩和風扇間應當有適當的距離，徑向間隙通?？刂圃陲L扇直徑的2.5%左右，最大不得超過3%，否則將會對風扇效率產生極大的影響。一般情況下，風扇與導風罩的前后關系為：有2/3風扇投影寬度在導風罩內;風扇在導風罩中的寬度應為風扇葉片寬度的1/3[4]。

2.2 燃燒噪聲

船用柴油機的燃燒噪聲根據其燃燒過程可分為四個不同時期：滯燃期、速燃期、緩燃期、補燃期。

第一，滯燃期。燃料還沒有燃燒，仍在進行著相應的化學及物理準備，氣缸內的溫度及壓力有較小幅度的變化，所以對噪聲的影響也是非常小的;然而，滯燃期對于燃燒過程的影響是極大的，所以對于燃燒噪聲有著間接性的影響。

第二，速燃期。燃料快速燃燒，氣缸中的壓力快速上升，對柴油機的振動及噪聲有直接性的影響。對速燃期壓力上升有影響的因素主要包括著火延遲期以及供油規律等。著火延遲期愈久，噴入氣缸中的燃料也就愈多，壓力也就會快速上升。

第三，緩燃期。氣缸壓力上升，然而速率較低，所以可引起不同程度的燃燒噪聲，然而對噪聲并沒有明顯的影響。在此時期，主要是對柴油機的經濟性及動力性產生影響。

第四，補燃期。由于活塞處于下行狀態，同時大部分燃料在前兩個階段已完全燃燒，因此對燃燒噪聲并無太大的影響。

船用柴油機燃燒噪聲的控制措施如下：首先，從形成根源方面看，應推動氣缸壓力頻譜曲線的降低，尤其是降低中高頻的頻率成分。對于此，可采用有效措施以減少滯燃期內產生的可燃混合氣量，相關措施主要包含選擇較高十六烷值的燃料、增加壓縮溫度及壓力、采用低噪聲的燃燒室、組織強度適宜的氣體流動、合理延長供油時間、科學組織供油等等。其次，從噪聲傳播渠道方面看，提高柴油機結構對于燃燒室噪聲的削弱，尤其是中高頻頻率成分的削弱。對于此，可采取如下措施：提升缸套和機體的剛性、縮小活塞曲柄連桿機構各部件間的距離、選用合理的隔聲和隔振手舉措以及增加油膜厚度等等。

2.3 排氣噪聲

船用柴油機的排氣噪聲主要是因為周期性“高溫、高壓、廢氣”排放，導致四周空氣的密度及壓強受到大量擾動而引起的噪聲，其常見類型有：

第一，基頻排氣噪聲，當開啟氣缸排氣門時，氣缸內部的燃氣則會以高速向外噴出，氣流沖擊到氣門周圍的氣體上，導致其發生壓力劇變而產生壓力波，進而形成噪聲。因為排氣門是周期性運作的，所以此類噪聲同樣是周期性出現的，有著顯著的低頻特性。

第二，管道內氣柱共振噪聲，管道內的空氣柱，由于受到周期性排氣噪聲帶來的影響，因形成共振而引起空氣柱產生共振噪聲。

第三，氣缸亥姆霍茲共振噪聲，當單缸機排氣門處于開啟狀態時，氣缸和排氣管相互連通，這時排氣管內的氣體在聲波影響下而發生運動，具備相應的慣性及質量，又可稱作“聲質量”;此外，充滿氣體的氣缸就像是“彈簧”，具備影響壓力變化的特征，稱作“聲順”，由其共同組成了亥姆霍茲共振器，因為氣缸中氣體的共振，從而引起噪聲。

第四，廢氣噴注與沖擊噪聲，在自由排氣過程中，排氣門位置處會因為較高速度的氣流噴注而形成極大的噴注噪聲;因為氣體具有粘性，在排出廢氣以后，則會帶動排氣門后的氣體同時運動，形成卷吸作用，導致四周氣體形成旋轉、出現渦流，輻射出渦流噪聲[5]。除此以外，排氣門周圍有著氣體壓力的不連續面，形成沖擊波，進而引起沖擊噪聲。

總之，柴油機排氣噪聲含有大量比較復雜的成分，各類成分有著不同的形成機理，且其頻譜特性也是完全不同的，所以，控制排氣噪聲是非常嚴峻的任務?，F階段，對于船用柴油機排氣噪聲，最為有效的控制方式就是設計出性能更強大的排氣消聲器。

3 船用柴油機噪聲控制技術發展趨勢

3.1 進排氣消聲系統設計技術

對于柴油機火星熄滅消音器及進排氣消聲器的設計而言，火星熄滅效率、阻力損失以及聲學性能的試驗測量和計算方法是其根本前提所在，充分結合各類因素造成的影響（主要包含穿孔部件、三維氣體流動效應、凈化載體、吸聲材料、火星熄滅部件以及降阻部件等等），開發精準度更高的試驗測量及計算方法是未來發展的主要趨勢，同樣是挑戰性極大的研究內容。從柴油機進排氣消聲器的發展趨勢看，主要包含結構更加緊湊、消聲量更高、流動阻力更低、動態插入損失更加穩定等。為實現對消聲器插入損失的精準預測，則應充分掌握柴油機進排氣噪聲源的阻抗大小，采取多負載法取得聲源阻抗是切實可行的方式，科學化負載匹配是精準掌握進排氣聲源阻抗的重點所在。

3.2 聲源識別技術

現場環境下，船用柴油機燃燒噪聲與機械噪聲及其特性識別的精確程度，對于船用柴油機的低噪聲設計、噪聲控制設計以及最終測量結果是否能夠用于噪聲預報檢驗等有著直接性的影響。近幾年內，頻譜測量分析技術、聲列陣測試技術、聲場重建、聲源分離技術、小波分析技術、波束形成等技術的快速發展，使得輕度混響條件下柴油機噪聲源的識別及分離成為可能。未來的發展趨勢是，開發更加精準的可用于識別柴油機各種噪聲的方法和技術。探索效率更高的噪聲測量技術，把握柴油機噪聲的空間布局狀況和具體流動方向，對噪聲源進行更加精準的定位。

3.3 低噪聲設計預報技術

對柴油機噪聲預報技術進行更深層次的分析，處理好當前噪聲預報技術所面對的難題，借此以提高預測數據的精準度。比如：“在特征波數處解的非唯一性問題”是邊界元方法研究在全波數范圍內對振動聲輻射進行精準計算所亟待解決的技術難題;在柴油機運行環節通常會出現各式各樣的隨機激勵力，對模型進行科學的加載是提高噪聲預測精度的關鍵因素;對于整機預測而言，應采取子結構法，考慮曲軸、機體、氣缸蓋、連桿、主軸承蓋、氣缸套以及主軸瓦等與各主要螺栓間的聯合作用，并且還需對外力傳遞進行更加精準的模擬。經過探討聲輻射模態方法在控制柴油機噪聲方面的運用，明確對柴油機輻射噪聲有所影響的主要模態，進而大大提高柴油機噪聲的控制效果。

4 結論

綜上所述，隨著全球船舶制造業迅速發展，船舶噪聲問題尤其是柴油機噪聲問題也逐漸暴露出來，且已引起業界人士的高度重視?，F階段，船用柴油機常見的噪聲問題主要有風扇噪聲、燃燒噪聲、排氣噪聲等等。未來，應積極推動柴油機聲源識別技術、進排氣消聲系統設計技術、低噪聲設計預報技術等技術的創新發展，以實現對船用柴油機噪聲的有效控制。

參考文獻：

[1] 丁虎，陳曦明，杜敬濤，等.負荷對船用低速柴油機燃燒噪聲的影響機理[J].船舶工程，2019，41（S1）：174-177.

[2] 閆超群，王韶楓，韓霄，等.船用柴油機油底殼薄壁結構低噪聲設計方法研究[J].柴油機，2019，41（03）：32-35.

[3] 于繼清.基于邊界元的船用柴油機振動噪聲特性分析[J].科技與創新，2018（23）：19-20，25.

[4] 劉晨，張文平，曹貽鵬，等.船用柴油機增壓器壓氣機高效工況氣動噪聲預測[J].哈爾濱工程大學學報，2019， 40（04）：759-766.

[5] 孫化棟，張守俊.船舶柴油機的噪聲控制[J].天津航海，2009（02）：19-21.