壓縮機(jī)吸氣消聲器氣動(dòng)噪聲輻射特性研究

孫曉東，陸海江，孫 慧，劉 超

（青島萬寶壓縮機(jī)有限公司，山東 青島 266590）

壓縮機(jī)吸氣消聲器氣動(dòng)噪聲輻射特性研究

孫曉東，陸海江，孫 慧，劉 超

（青島萬寶壓縮機(jī)有限公司，山東 青島 266590）

以某變頻壓縮機(jī)吸氣消聲器為研究對象，在不同壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下，研究消聲器內(nèi)流場氣動(dòng)噪聲輻射特性。通過仿真分析消聲器內(nèi)部流場和聲場，采用FW-H聲學(xué)模型計(jì)算其聲場參數(shù)，獲得噪聲源數(shù)據(jù)，計(jì)算氣動(dòng)噪聲輻射特性，并與整機(jī)測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，吸氣消聲器噪聲源強(qiáng)度從入口至出口沿氣流方向逐漸增大，主要噪聲源位于出口附近；隨轉(zhuǎn)速增加，噪聲源強(qiáng)度逐漸增大；出口和入口的聲壓級都隨轉(zhuǎn)速上升而增大，且聲壓級的最大值所在頻段隨轉(zhuǎn)速上升逐漸向高頻移動(dòng)；相同轉(zhuǎn)速下，出口處的聲壓級高于入口處；消聲器氣動(dòng)噪聲表現(xiàn)為一種寬頻噪聲，主要集中于400 Hz至6 000 Hz頻段內(nèi)，吸氣消聲器氣動(dòng)噪聲對壓縮機(jī)整機(jī)噪聲影響較大。

聲學(xué)；變頻壓縮機(jī)；吸氣消聲器；氣動(dòng)噪聲；聲壓級；寬頻噪聲

隨著人們環(huán)保觀念的提升以及對生活品質(zhì)要求的提高，消費(fèi)者對家電噪聲的要求越來越高，其中冰箱作為普及率最高的家電之一，其運(yùn)行過程中的噪音問題正逐漸得到重視，其中冰箱噪聲的主要來源是壓縮機(jī)[1]。壓縮機(jī)噪聲主要分為機(jī)械噪聲、氣動(dòng)噪聲和電磁噪聲，其中氣動(dòng)噪聲最主要的來源就是吸氣噪聲[2]。目前壓縮機(jī)生產(chǎn)廠商基本都設(shè)計(jì)吸氣消聲器來降低吸氣噪聲，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的吸氣消聲器可以有效降低吸氣噪聲，但是由于消聲器本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及內(nèi)部流過的氣流速度快、湍流強(qiáng)度高，很容易會(huì)產(chǎn)生氣流再生噪聲，即氣動(dòng)噪聲。氣動(dòng)噪聲是指氣流的壓力和速度脈動(dòng)引起的輻射噪聲，它不是由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)產(chǎn)生的，而是來自流體內(nèi)部流速不均勻或者流體表面的壓力脈動(dòng)[3]。目前對吸氣消聲器的研究基本都集中在其消聲性能上，對消聲器氣動(dòng)噪聲問題的研究較少。本文以某變頻壓縮機(jī)吸氣消聲器為研究對象，對其流場和聲場進(jìn)行仿真分析，研究吸氣消聲器在不同轉(zhuǎn)速下流場參數(shù)與氣動(dòng)噪聲輻射特性。

1 氣動(dòng)噪聲計(jì)算公式

計(jì)算氣動(dòng)噪聲采用FW-H（Ffowcs-Williams&Hawkings）方程，F(xiàn)W-H方程是最通用的Lighthill聲比擬方法，可以求解單極子、偶極子和四極子噪聲[4]。采用時(shí)域積分的方法，通過面積分計(jì)算指定位置的噪聲[5]。可以選擇多個(gè)源面和接收位置，也可以保存噪聲源數(shù)據(jù)，或在瞬態(tài)流動(dòng)求解過程中同時(shí)執(zhí)行噪聲計(jì)算[6]。

FW-H方程如下

式（1）右邊的第一項(xiàng)表示單極子聲源，第二項(xiàng)表示偶極子聲源，第三項(xiàng)表示四極子聲源[7]。在低速流動(dòng)中，偶極子占據(jù)了氣動(dòng)噪聲的大部分。四極子聲源主要與物面附近的非線性流動(dòng)有關(guān)，在低速流動(dòng)中，四極子聲源可以忽略[8]。

2 流場與聲場仿真

以某變頻壓縮機(jī)吸氣消聲器為研究對象，對消聲器進(jìn)行三維模型處理和內(nèi)部流場提取，對內(nèi)部流場區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，靠近壁面處進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。設(shè)置入口邊界為速度入口，由于變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不固定，研究1 500 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、4 500 r/min五種轉(zhuǎn)速下的消聲器氣動(dòng)噪聲輻射特性，對應(yīng)的入口流速分別為3.4 m/s、4.5 m/s、6.7 m/s、8.8 m/s、9.9 m/s。采用FW-H聲學(xué)模型仿真分析消聲器聲場，設(shè)置噪聲源為消聲器壁面，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置為消聲器的入口和出口，計(jì)算消聲器氣動(dòng)噪聲。

3 流場與聲場分析

3.1 表面聲壓脈動(dòng)時(shí)均值

圖1 消音器聲壓脈動(dòng)時(shí)均值云圖

表面聲壓脈動(dòng)時(shí)均值（surface dpdt RMS），即聲源表面靜壓隨時(shí)間的變化率，能直觀反映噪聲產(chǎn)生的區(qū)域和聲源的強(qiáng)度。圖1為消聲器表面聲壓脈動(dòng)時(shí)均值云圖，聲壓脈動(dòng)沿著氣流流動(dòng)方向從入口至出口逐漸增大，最大值位于消聲器出口附近，表明消聲器氣動(dòng)噪聲的主要噪聲源位于出口附近，而出口處正對著吸氣閥片閥舌位置，壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，吸氣消聲器產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲在某一特定頻段下會(huì)影響閥片的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生聲振耦合，導(dǎo)致閥片振動(dòng)，進(jìn)而向外輻射噪聲，甚至引起閥片疲勞斷裂。

圖2為聲壓脈動(dòng)時(shí)均值的最大值隨轉(zhuǎn)速的變化折線圖，隨著轉(zhuǎn)速上升，聲壓脈動(dòng)幅值逐漸增大，聲源強(qiáng)度也隨之逐漸增強(qiáng)，轉(zhuǎn)速由1 500 r/min至4 000 r/min上升的過程中，聲壓脈動(dòng)的增速逐漸加大，噪聲源增強(qiáng)的速度也逐漸變快，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過4 000 r/min后，聲壓脈動(dòng)增速減小，噪聲源強(qiáng)度增加的速度也隨之減小。

圖2 消聲器聲壓脈動(dòng)時(shí)均值

3.2 功率譜密度

圖3為消聲器入口處的功率譜密度圖，圖4為消聲器出口處的功率譜密度圖，對比發(fā)現(xiàn)，功率譜密度隨轉(zhuǎn)速上升迅速增大，且最大值所對應(yīng)的頻段隨轉(zhuǎn)速上升逐漸向高頻移動(dòng)，從400 Hz～800 Hz頻段逐漸上升到5 000 Hz～6 000 Hz頻段，高頻噪聲所占比例逐漸上升。相同轉(zhuǎn)速情況下出口的功率譜密度明顯高于入口，這與聲壓脈動(dòng)的分布規(guī)律相同，表明出口處的噪聲源強(qiáng)度高于入口處。整個(gè)功率譜主要集中在400 Hz～6 000 Hz頻段內(nèi)，吸氣消聲器氣動(dòng)噪聲表現(xiàn)為一種寬頻噪聲。

圖3 消聲器入口聲功率譜密度

圖4 消聲器出口聲功率譜密度

3.3 聲場分布

將消聲器壁面的壓力脈動(dòng)作為聲源，入口和出口向外輻射噪聲，采用球形聲場，消聲器位于球心處，計(jì)算得到球形聲場上的聲壓。圖5為轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)頻率4 378 Hz對應(yīng)的聲場聲壓云圖，圖6為轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)頻率5 016 Hz對應(yīng)的聲場聲壓云圖，不同頻率下消聲器周圍聲場的聲壓分布存在變化，但大部分頻率下聲場分布存在規(guī)律性，即消聲器入口和出口對應(yīng)位置的聲壓較高，由中心向四周逐漸減小，其中最大聲壓出現(xiàn)在出口附近。對比不同轉(zhuǎn)速下的聲場聲壓分布，隨著轉(zhuǎn)速上升，400 Hz～800 Hz頻段聲壓有所減小，其他頻段聲壓都隨轉(zhuǎn)速上升逐漸增大。

圖5 消聲器外聲場聲壓云圖

3.4 IFFT分析

圖7為消聲器入口的氣動(dòng)噪聲時(shí)域聲壓級，圖8為消聲器出口的氣動(dòng)噪聲時(shí)域聲壓級，對比發(fā)現(xiàn)，聲壓級隨時(shí)間變化呈波動(dòng)狀態(tài)，入口處聲壓級整體波動(dòng)較大，隨著轉(zhuǎn)速上升，聲壓級逐漸增大，但波動(dòng)逐漸減小，趨于平穩(wěn)。出口處較入口處整體波動(dòng)小，隨著轉(zhuǎn)速上升，聲壓級逐漸增大，波動(dòng)逐漸減小，趨于平穩(wěn)。

圖6 消聲器外聲場聲壓云圖

圖7 消聲器入口處氣動(dòng)噪聲時(shí)域聲壓級

圖8 消聲器入口處氣動(dòng)噪聲時(shí)域聲壓級

3.5 聲壓級

五種轉(zhuǎn)速下消聲器入口處氣動(dòng)噪聲聲壓級1/3倍頻程頻譜如圖9所示，對比發(fā)現(xiàn)，聲壓級隨頻率增加出現(xiàn)兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值位于400 Hz～800 Hz頻段內(nèi)，第二個(gè)峰值位于2 500 Hz～6 000 Hz頻段內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速上升，第一個(gè)峰值處的聲壓級逐漸下降，第二個(gè)峰值處的聲壓級逐漸上升，呈交替上升態(tài)勢。每個(gè)轉(zhuǎn)速下的聲壓級最高峰值所對應(yīng)的頻率隨轉(zhuǎn)速上升逐漸增大。轉(zhuǎn)速為4 000 r/min與4 500 r/min時(shí)聲壓級變化較小。

圖9 消聲器入口處氣動(dòng)噪聲聲壓級頻譜

五種轉(zhuǎn)速下消聲器出口處氣動(dòng)噪聲聲壓級1/3倍頻程頻譜如圖10所示，對比發(fā)現(xiàn)，聲壓級隨頻率增加出現(xiàn)兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值位于400 Hz～800 Hz頻段內(nèi)，第二個(gè)峰值位于2 500 Hz～5 000 Hz頻段內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，第一個(gè)峰值處的聲壓級逐漸下降，第二個(gè)峰值處的聲壓級逐漸上升，呈交替上升態(tài)勢。每個(gè)轉(zhuǎn)速下的聲壓級最高峰值所對應(yīng)的頻率隨轉(zhuǎn)速增加逐漸上升。轉(zhuǎn)速為4 000 r/min與4 500 r/min時(shí)聲壓級變化不明顯。

圖10 消聲器出口處氣動(dòng)噪聲聲壓級頻譜

圖11至圖15為五種轉(zhuǎn)速下的入口與出口的聲壓級1/3倍頻程頻譜對比圖，對比發(fā)現(xiàn)，在相同轉(zhuǎn)速下，消聲器出口聲壓級要高于入口聲壓級，且出口的最大聲壓級對應(yīng)的頻率要高于入口的最大聲壓級對應(yīng)的頻率。這與出口附近的聲壓脈動(dòng)大，噪聲源強(qiáng)度高有關(guān)。

圖11 轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)聲壓級頻譜

圖12 轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)聲壓級頻譜

圖13 轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)聲壓級頻譜

圖14 轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)聲壓級頻譜

圖15 轉(zhuǎn)速為4 500 r/min時(shí)聲壓級頻譜

4 實(shí)驗(yàn)對比

取6臺性能穩(wěn)定的壓縮機(jī)進(jìn)行整機(jī)噪聲測試，在半消聲室中進(jìn)行半球形十點(diǎn)法聲壓級測試，分別測試1 500 r/min、2 000 r/min、3 000 r/min、4 000 r/min、4 500 r/min五種轉(zhuǎn)速下的整機(jī)聲壓級，取6臺測試數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析，如圖16所示。對比發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)整機(jī)噪聲聲壓級主要存在兩個(gè)峰值，一個(gè)在500 Hz～1 000 Hz頻段，一個(gè)在3 000 Hz～6 000 Hz頻段，隨著轉(zhuǎn)速的上升，高頻區(qū)域聲壓級逐漸增大。從1 500 r/min至4 000 r/min的上升過程中，聲壓級增加明顯，轉(zhuǎn)速為4 000 r/min與4 500 r/min時(shí)聲壓級變化不明顯。整機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)測試的頻譜規(guī)律與消音器氣動(dòng)噪聲仿真分析得到的頻譜規(guī)律一致性較好，表明吸氣消聲器氣動(dòng)噪聲對壓縮機(jī)整機(jī)噪聲影響較大。

圖16 壓縮機(jī)整機(jī)噪聲頻譜

5 結(jié)語

本文通過仿真分析某壓縮機(jī)消聲器在5種不同轉(zhuǎn)速工況下的流場氣動(dòng)噪聲分布規(guī)律，并與實(shí)驗(yàn)對比，得到如下結(jié)論：

（1）消聲器噪聲源強(qiáng)度從入口至出口沿氣流方向逐漸增大，主要噪聲源位于出口附近。隨轉(zhuǎn)速增加，噪聲源強(qiáng)度逐漸增大，轉(zhuǎn)速超過4 000 r/min之后，增加幅度減小。

（2）出口和入口的聲壓級都隨轉(zhuǎn)速上升而增大，且聲壓級的最大值所在頻段隨轉(zhuǎn)速上升逐漸向高頻移動(dòng)。相同轉(zhuǎn)速下，出口處的聲壓級高于入口處。

（3）消聲器氣動(dòng)噪聲表現(xiàn)為一種寬頻噪聲，主要集中于400 Hz～6 000 Hz頻段內(nèi)，仿真分析得到的消聲器氣動(dòng)噪聲頻譜規(guī)律與壓縮機(jī)整機(jī)測試噪聲頻譜規(guī)律一致性較好，吸氣消聲器氣動(dòng)噪聲對壓縮機(jī)整機(jī)噪聲影響較大。

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Study onAerodynamic Noise Radiation Characteristics of Compressor’s Suction Mufflers

SUN Xiao-dong,LU Hai-jiang,SUN Hui,LIU Chao
(Qingdao Wanbao Compressor Co.Ltd.,Qingdao 266590,Shandong China)

With a suction muffler of an inverter compressor as the research object,its aerodynamic noise radiation characteristics of the internal flow field under different rotation speeds are studied.The simulation analysis of the internal flow field and sound field of the muffler is carried out,and sound field parameters are calculated by FW-H acoustical model to obtain the noise source data and the aerodynamic noise radiation characteristics.The results of computation are compared with the test results of the overall unit.The results show that the noise source intensity of the suction muffler increases gradually from the inlet to the outlet in the airflow direction and the main noise source is located near the outlet.With the increasing of the rotation speed,the noise source intensity increases,the sound pressure levels at the inlet and outlet also increase,and the frequency range of the maximum sound pressure level moves to the side of higher frequency.Under the same rotating speed,the sound pressure level at the outlet is higher than that at the inlet.The aerodynamic noise of the muffler is a broadband noise concentrated mainly on 400 Hz-6 000 Hz frequency range.The total noise of the compressor is highly dependent on the aerodynamic noise of the suction muffler.The aerodynamic noise of the suction muffler has a large effect on the noise of the compressor.

acoustics;inverter compressor;suction muffler;aerodynamic noise;sound pressure level;broadband noise

TK413.4+7；P733.22

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.039

1006-1355(2017)06-0194-05

2017-04-06

孫曉東（1989-），男，山東省煙臺市人，碩士，主要研究方向?yàn)橄到y(tǒng)噪聲控制、結(jié)構(gòu)與流體仿真。E-mail:sunxiaodongsxd@163.com