船用低速柴油机振动噪声特性及控制研究

摘要：柴油机是船舶的重要动力设备，振动噪声作为柴油机的重要性能参数之一，一直成为相关领域的研究重点。如果柴油机的振动噪声水平过高，不但会影响船舶的综合性能，更会影响到乘员的舒适性，因此研究船用柴油机的振动噪声特性并对其进行控制具有重要的现实意义。但柴油机的振动与很多因素有关，其噪声特性相对复杂，本文采用有限元分析方法对船用低速柴油机振动噪声特性进行了研究，为相关领域提供了理论和实践参考。

关键词：船船动力；低速柴油机；振动噪声；结构优化

1柴油机振动特性研究方法

随着计算机技术和数学理论的发展，目前人们已经普遍采用计算机仿真软件对柴油机的振动过程进行模拟，以探索其基本原理，从而寻求解决方案。从文献检索的结果来看，有关柴油机振动和噪声的研究主要集中振动机理、传播特性、作用机制、控制方法等方面的探索，取得了一系列的研究成果，提高了人们对柴油机振动的认识水平。常用的计算机仿真方法包括有限元法、模态分析法、瞬态动力学分析法和边界元法等等。其中有限元法（FEM）的应用最为广泛。其基本思想是把研究对象进行离散分解成许多小网络，当分解粒度小到一定程度时，即可将其物理特性看成是线性的，然后对每个网格进行分别求解，再层层迭代，最终求出整个结构的近似解。有限元法的仿真精度与其离散的程度有关，仿真精度与网格的尺寸成反比，与计算量成正比。

在各种信号处理算法不断优化的背景下，各种针对振动信号先进的信号处理方法也不断涌现。许多学者开始将目光转移至柴油机振动信号特征提取、在线故障诊断等方向的研究，并把分形技术、灰度理论、粗糙集、神经网络、模式识别等技术引入到柴油机振动噪声分析体系中来，形成了丰富的理论研究体系[5]。

2柴油机振动噪声特性分析

2.1分析方法的确定

在柴油机振动噪声的辐射特性求解中，常见的方法有主要有有限元法（FEM）、边界元法（BEM）、能量分析法（SEA）等等。大量研究表明，低速二冲程柴油机振动所造成的噪声，其频率主要集中在中低频段。而根据有限元法对网络分割尺寸的要求，至少应把各网络的尺寸控制在1/6倍波长以下，才能保证仿真精度，取得可靠的分析结果。如果需要求解的频率范围较宽，网络数量会以指数的速度增长，这对于普通计算机性能而言是无法接受的。统计分析法需要可以在很大程度上解决高频噪声辐射仿真的问题，但它是基于统计学原理来求解问题的，对于本文研究的船用柴油机而言明显达不到所需的精度。而有限元法可以在求解频率和精度两个方面达到平衡，因此符合本文的分析要求。

2.2輻射噪声特性仿真

为了对柴油机整机的噪声辐射特性进行研究，本文在模态分析和瞬态响应的基础，构建了低速二冲程柴油机的边界元模型，并在其周边1米的空间范围内建立场点，如图1所示。

通过商用仿真软件Virtual lab对柴油机的辐射噪声进行求解，以图1（b）声学包络网格和场点风格等信息作为输入，按照瞬态边界元法的仿真要求对相关参数进行设置，并选取相应的材料属性，即可开始对模型进行求解。为了使求解结果尽量精确，本文进行了五个周期的声学仿真，并取结果的均值进行评价。按照业内规范，在场点上随机选取19个计算参考点，通过平均声压级来反映噪声水平的高低，该方法在业内又称为“19点法”。声压级可以表示为

其中pe表示实测声压值， 表示参考声压值。噪声由柴油机内部产生并向环境中辐射之后，其噪声可以通过表面各计算参考点平均声压级来描述

其中表示第i个计算参考点的声压级，单位为dB，N表示计算参考点数量。各参考点的的平均辐射声压级仿真结果如表1所示。

对所有辐射面的声压级进行能量叠加，得到整机平均声压级如表2所示。

2.3 数据分析及结论

从仿真结果不难分析，柴油机在不同的方向上的噪声辐射强度是不同的，其中观察窗和增压器所在的方向噪声辐射强度最高，达到113.9和113.3dB，输出端面和飞轮壳面噪声水平较低，整机平均声压级为112.5dB。根据船用柴油机的结构不难发现，柴油机的振动噪声主要是经过缸套、水套等位置辐射出来的，因为这些位置的结构厚度相对较小，对噪声的吸收和阻挡能力较弱。因此，通过对船用柴油机的内部结构及外壳薄壁设计，可以大大减小振动噪声水平。

3振动噪声的控制与优化探讨

对于低速船用柴油机而言，其噪声控制涉及到多学科领域的综合运用，在噪声水平的同时，也需要保证功率密度和油耗量保持在合理的范围，从而确保机器整体性能。根据本文的仿真结果，噪声的辐射主要是通过排气管架、观察窗等薄弱部位来实现的，因此对这些局部结构进行优化设计是控制船用柴油机振动噪声的关键。

首先，为了避免零件加工误差和机械装配不良带来的机器噪声，可以进一步控制零件精度，并采用自动化装配流水线，减少人为造成的装配不良。应减少小十字头滑块与轨道之间的间隙，使其严格在轨道上运动，防止发生横向的漂移而产生碰撞或摩擦噪声。

其次，为了防止噪声通过管架等结构向外传播，应加强管架端面的强度，提高结构刚度，例如可以在相应部位设计加强筋，使其对振动的敏感性大大降低。输出端面和观察窗附近的结构改进思路也与此类似。

再次，低板结构的加强也可以在一定程度上减轻振动噪声的影响。一般来说，底板位于基座之下，由于功能性不强，因此在设计时出于成本考虑往往结构比较简单，厚度也较薄，但包含了大量的细节结构，使局部模态变得更加复杂。因此也可以通过增加加强筋或增加厚度的方法来改善底板的防噪声性能。

参考文献：

[1]闫力奇.船用低速柴油机振动噪声特性及控制研究[D].哈尔滨工程大学，2016.

[2]李均勇，詹淑文.柴油机管道振动处理[J].内燃机，2014（1）：19-20.

个人简介：黄启芮，1998年2月15日，男，汉，山东济宁，青岛理工大学，本科，在读学生，本科在读，机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化

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