关键词：柴油机；空气动力噪声；分析；控制方法
1引言
柴油机噪声，按辐射的方式来分，主要分为2大类：1）由柴油机表面间接向空气中辐射的表面噪声，包括机械噪声和燃烧噪声；2）直接向空气中辐射的空气动力噪声，包括进气噪声、排气噪声。本文着重对空气动力噪声产生机理和降噪措施进行分析。
2柴油机空气动力噪声的产生机理
2.1进气噪声的产生机理
进气门周期性的开启和闭合会导致压力波动的产生，进而形成柴油机进气噪声。其主要成分有以下几种：
2.1.1周期性压力脉动噪声
进气门的开启和关闭时都会导致进气压力的波动。会产生一个压力脉冲，随着活塞的运动，该压力脉冲会消失；柴油机持续运转过程中，会周期性地产生这2种脉冲，周期性的压力脉动噪声因此形成，一般是低频噪声。除了出现基波外，二、三次谐波也可能产生，可用式（1）计算其频率：
（1）式中：—发动机转速，r/min；
—谐波次数；
—汽缸数；
—冲程系数，四冲程=2，二冲程=1。
2.1.2涡流噪声
当高速气流经过进气门流通截面进入气缸时，由于气体具有粘性且气流通道内气门导管、进气管内的毛刺等障碍的存在就会形成涡流，从而产生进气涡流噪声。进气门流通截面是随时间变化的，所以这种涡流噪声一般是连续、宽频带的高频噪声。涡流噪声的峰值频率可用式（2）计算：
（2） 式中：—斯特劳哈尔数；
—气门处进气截面的气流速度，m/s；
—谐波次数；
—进气门直径，m。
2.1.3进气门关闭时进气管道中的空气柱共振噪声
进气门关闭时，可以将进气系统看成是一个一端封闭一端开口的管道系统，并且可以将该系统内部的气体看成是空气柱，这样就构成了一个气柱共振系统。可由式（3）计算其固有频率：
（3） 式中：—谐波次数；
—空气中的声速，m/s；
—进气管长度，m。
2.1.4气缸的亥姆霍兹共振噪声
柴油机的气缸，可以认为是一个亥姆霍兹共振腔，其物理模型如图1所示。该亥姆霍兹共振腔模型由气缸和进气管组成，气缸是一个封闭的空腔，容积为VS，进气管截面半径为r，长度为，并与大气相通，其共振频率可用式（4）计算：
（4） 式中：c—管道中的声速，m/s；
VS—气缸工作容积，m3；
—管道的长度，m；
r—管道的半径，m。
图1气缸的亥姆霍兹共振腔物理模型
2.2排气噪声的产生机理
柴油机的排气冲程将产生的废气通过排气门、排气管等排出气缸。在排气过程中，排气门处产生的气体流动是不稳定的，它以压力波的形式，经整个排气系统传递到排气系统出口。在排气出口处，气体速度的波动导致了辐射噪声的产生。因此，排气系统内气体流动的不稳定产生了排气噪声。与柴油机的其他噪声成分比较，排气噪声是成分最多、能量最大的部分。整个排气噪声频谱由以下频率成分构成：
2.2.1基频排气噪声
基频排气噪声和进气的压力脉动噪声有着相似的形成机理。排气门的周期性开启导致了压力脉冲的产生，周期性的压力脉冲噪声由此产生，一般是低频噪声。其频率可用式（5）计算：
（5） 式中：—发动机转速，r/min；
—谐波次数；
—汽缸数；
—冲程系数，四冲程=2，二冲程=1。
2.2.2排气管道内的气柱共振噪声
排气管道内的气柱共振噪声和进气管道内的气柱共振噪声的形成原理也是类似的。排气门关闭时，可以将排气系统看成是一个一端封闭一端开口的管道系统，并且可以将该系统内部的气体看成是空气柱，这样就构成了一个气柱共振系统。可由式（6）计算其固有频率：
（6） 式中：—谐波次数；
—空气中的声速，m/s；
—进气管长度，m。
如果气柱两端封闭，则固有频率由式（7）计算：
2.2.3气缸的亥姆霍兹共振噪声
排气管内的亥姆霍兹共振噪声和进气管内的亥姆霍兹共振噪声的形成原理也是类似的。对于单缸机，排气门开启时，气缸和排气管相通，就形成一个亥姆霍兹共振腔模型，其共振频率可用式（7）计算：
（7） 式中：—管道中的声速，m/s；
VS—气缸工作容积，m3；
—管道的长度，m；
r—管道的半径，m。
3柴油机空气动力噪声源的控制方法
3.1进气噪声的控制方法
降低进气噪声主要由2种方法：1）减小进气管内压力脉动的强度和进气门通过截面处的涡流强度；2）匹配合适的进气消声器，一般来说，这是最常用和有效的方法。目前，进气消声器和空气滤清器合为一体的，即空气滤清器除了作为发动机的自我保护装置之一，保证送入风量的洁净度要求外，加上必要的消声元件，就可以成为良好的进气消声器，即消声空气滤清器。
此外，在使用过程中，要注意进气系统的紧固和接头的封闭状况，以减少漏气噪声和表面辐射噪声。
3.2排气噪声的控制方法
排气噪声的降低方法同样也有2种：1）从噪声源方面着手考虑，合理选择排气管，以避免发生气流共振，减小涡流。2）匹配合适的排气消声器，这也是最常用和有效的方法。尽管当前世界上各公司设计的消声器，从外表上看是各式各样的、型号也五花八门，但根据其消声机理均可归为阻性消声器、抗性消声器和阻抗复合式消声器。
阻性消声器主要是利用多孔吸声材料（如玻璃棉、泡沫塑料等）降低噪声的，把吸声材料按一定排列方式固定在气流通道内，就构成了阻性消声器。当声波在其中传播时，一部分声波会因为摩擦而被转化为热能，达到消声降噪的目的。此类消声器具有良好的中高频消声性能，对低频消声性能较差。抗性消声器是利用管道截面的突变，使部分声能向声源反射或在空腔内来回传播，从而阻碍部分声能通过消声器向外发散。此类消声器适用于窄带噪声和中低频噪声。阻抗复合式消声器是将阻性消声器和抗性消声器组合起来使用，以达到工程中的实际要求。
4结束语
柴油机因为具有经济性和排放性等优点而受到广泛应用，但同时它也会产生很大的噪声。本文讨论了柴油机的噪声危害，按辐射方式对柴油机噪声进行了分类，并重点分析了空气动力噪声，分别从进气、排气等方面介绍了柴油机空气动力噪声的产生机理和控制方法。
参考文献：
[1]刘迟．发动机进排气噪声的研究及其仿真平台的设计［D］．杭州：浙江大学硕士学位论文，2011．
[2]吴九汇．噪声分析与控制［M］．西安：西安交通大学出版社，2011：3-6．
论文作者:丁钟江1,魏文新2
论文发表刊物:《电力设备》2016年第16期
论文发表时间:2016/11/9
标签：噪声论文; 消声器论文; 柴油机论文; 气缸论文; 涡流论文; 管道论文; 气门论文; 《电力设备》2016年第16期论文;