基于聲波干涉理論對雙缸壓縮機(jī)吸氣噪聲影響分析

霍喜軍　韋衍　王珂

珠海凌達(dá)壓縮機(jī)有限公司　廣東珠?！?19110

1　引言

隨著市場競爭加劇，人們對產(chǎn)品的關(guān)注不僅僅局限在性能，對舒適性的關(guān)注也漸漸增多。作為人體直接感官體驗項目，目前人們已對產(chǎn)品的噪聲提出更嚴(yán)格的要求。雙缸壓縮機(jī)因其制冷能力強和低振動的特性被廣泛應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中，因此噪聲水平就成為考量此類型機(jī)型的主要指標(biāo)[1-4]。本文基于聲波干涉理論對雙缸壓縮機(jī)的吸氣噪音進(jìn)行理論與實際分析。讓雙缸壓縮機(jī)的兩種吸氣方式（單吸氣和雙吸氣）對應(yīng)不同分液器結(jié)構(gòu)及氣缸進(jìn)氣方式，運用COMSOL多物理場耦合軟件聲學(xué)有限元模塊對雙缸壓縮機(jī)吸氣噪聲進(jìn)行了分析，比較不同分液器結(jié)構(gòu)和氣缸進(jìn)氣方式下分液器的壓力脈動，并與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2　聲波干涉理論

雙缸壓縮機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部聲源種類繁多，可分為機(jī)械噪聲、電磁噪聲和氣流噪聲三種。吸氣噪聲主要由氣流噪聲引起，根據(jù)雙缸壓縮機(jī)兩種吸氣方式對照聲學(xué)干涉理論，當(dāng)兩列聲波具有相同頻率并具有固定相位差的特性時，這兩列聲波會在相遇時產(chǎn)生干涉現(xiàn)象[4]。雙缸壓縮機(jī)吸氣都是通過管道連接的，因此利用聲波在傳波過程中干涉理論將雙缸壓縮機(jī)聲源在管道的聲壓分別表示為：

其中、分別為兩聲源的相位。通過式（1）、式（2）可以推導(dǎo)出兩列聲波合成的總聲壓如式（3）所示：

式中：

當(dāng)兩聲源強度相等時，其合成的聲壓可以由式（6）所示：

由式（6）可知，當(dāng)兩列聲波強度相等且相位差為180度時，其合成聲壓幅值為零。根據(jù)這一理論，利用雙缸壓縮機(jī)上下氣缸吸氣過程相位差也是180度的特性，可以通過將上下氣缸吸氣過程的聲源進(jìn)行合成干涉的方式達(dá)到降低噪聲的目的。單吸氣與雙吸氣結(jié)構(gòu)相比，剛好符合以上分析理論。而雙吸氣結(jié)構(gòu)其聲波通過上下氣缸分別沿兩彎管進(jìn)行傳遞，當(dāng)其到達(dá)濾網(wǎng)下方時，不但不能產(chǎn)生干涉疊加的效果，反而會形成一個類似于偶極子的噪聲源，因此不能起到降低噪聲的效果。兩種吸氣方式及其噪聲理論示意圖，如圖1所示。

圖1　單雙吸氣方式噪聲機(jī)理示意圖

3　有限元分析模型及結(jié)果

3.1　有限元分析模型

本文選定我司某一型號雙缸壓縮機(jī)氣缸兩種吸氣方式（單吸氣和雙吸氣）對應(yīng)的分液器結(jié)構(gòu)為分析對象。利用三維軟件PRO/E建立實體模型如圖2所示（分液器N、分液器F、分液器X），其中N、F為同等吸氣方式，容積不同的兩種分液器，X為雙吸氣方式分液器。

模型分析采用R410A冷媒，在吸氣條件下，密度為31.15kg/m3，聲速為177m/s。邊界條件設(shè)置：氣缸進(jìn)氣處為壓力邊界條件，分液器進(jìn)口處為無反射平面波邊界條件，其余邊界為固體表面。分別在這三種模型的氣缸進(jìn)氣口處加入一對幅值相等，相位差180度的聲源，并監(jiān)測分液器入口處的壓力脈動值，可以比較三種進(jìn)氣方式的壓力脈動值。

圖2　三種分液器模型

圖3　三種分液器入口處壓力脈動比較

圖4　N分液器壓力分布（660Hz）

圖5　F分液器壓力分布（660Hz）

圖6　X分液器壓力分布（660Hz）

表1　三種分液器結(jié)構(gòu)方案試驗測試結(jié)果

3.2　有限元分析結(jié)果

利用COMSOL聲學(xué)有限元模塊對三種分液器模型進(jìn)行有限元數(shù)值模型計算分析，得到雙缸壓縮機(jī)在分液器入口處的壓力脈動結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，與N和F分液器吸氣方式相比，X分液器在600～1700Hz范圍內(nèi)壓力脈動值都比較大，另在600和3000Hz處壓力脈動出現(xiàn)峰值。這主要是因為X分液器是雙吸氣結(jié)構(gòu)，其管內(nèi)的噪聲沿兩彎管各自傳播，而不能起到干涉的作用。反之，N和F分液器其管內(nèi)的噪聲由于兩列聲波幅值大小相等，相位相差180度，在分叉處進(jìn)行了干涉，其噪聲平均值較X明顯偏小。另一方面，由于N分液器體積較F分液器大，其消聲性能更好，因此，N分液器噪聲幅值最小，F(xiàn)分液器次之，X分液器最大。

為了更形象的表示三種分液器內(nèi)部的壓力分布，如圖4、圖5、圖6所示分別為X、N、F分液器在660Hz處的壓力脈動分布圖。

由圖4、圖5、圖6可知，N/F分液器在吸氣管分叉處產(chǎn)生了明顯的聲波干涉現(xiàn)象，壓力脈動值較?。ü軆?nèi)最大值為1Pa），而X分液器上彎管內(nèi)聲波在660Hz處產(chǎn)生了共鳴，管內(nèi)壓力脈動最大值達(dá)到了47Pa以上。根據(jù)聲波干涉理論，只有當(dāng)相同幅值聲源在相位差180度的情況下，并且兩聲源輻射距離完全相等的時候才能發(fā)生完全干涉。而由于受到實際結(jié)構(gòu)上下氣缸限制，單吸氣方式聲波發(fā)生干涉之前的管道長度不能完全一樣，因此并不能產(chǎn)生完全干涉而徹底消除單極子吸氣噪聲。即使如此，根據(jù)之前的有限元計算結(jié)果，與X分液器相比，F(xiàn)和N型分液器還是具有更好的噪聲性能。因此，雙缸壓縮機(jī)中單吸氣方式比雙吸氣方式具有更好降噪效果。

4　試驗結(jié)果驗證

為了驗證理論分析的正確性，試驗以三種分液器結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行裝機(jī)測試驗證，結(jié)果如表1所示。

由表1可知，在三種方案性能相當(dāng)?shù)那闆r下采用N、F、X分液器的雙缸壓縮機(jī)噪聲平均值分別為70.2dB、70.95dB和72.35dB。其中N、F分液器方案噪聲值二者差值較小，與X分液器方案差值較大，與理論有限元計算分析結(jié)果一致。因此，此理論分析方法正確有效，可以為雙缸壓縮機(jī)吸氣方式噪聲優(yōu)化設(shè)計方案提供指導(dǎo)依據(jù)。

5　結(jié)論

利用聲波干涉理論對雙缸壓縮機(jī)吸氣方式進(jìn)行理論與試驗分析，得到如下噪聲影響結(jié)論：

（1）雙缸壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特征中上下氣缸吸氣過程相位差也是180度的特性，可以通過將上下氣缸吸氣過程的聲源進(jìn)行合成干涉，達(dá)到降低噪聲的作用，符合聲波干涉理論。

（2）根據(jù)雙缸壓縮機(jī)吸氣方式設(shè)計三種對應(yīng)分液器結(jié)構(gòu)模型分析，得到X分液器在600～1700Hz范圍內(nèi)壓力脈動值都比較大，另在600和3000Hz處壓力脈動出現(xiàn)峰值。另一方面，由于N分液器體積較F分液器大，其消聲性能更好，得知N分液器噪聲幅值最小，F(xiàn)分液器次之，X分液器最大。因此，雙缸壓縮機(jī)中單吸氣方式比雙吸氣方式具有更好的降噪效果。

（3）對三種分液器模型方案進(jìn)行試驗驗證，得到N、F、X分液器的雙缸壓縮機(jī)噪聲平均值分別為70.2dB、70.95dB和72.35dB。其中N、F分液器方案噪聲值二者差值較小，與X分液器方案差值較大，與有限元計算分析結(jié)果一致。因此，此理論分析方法正確有效，分析方法可以對雙缸壓縮機(jī)吸氣方式噪聲優(yōu)化設(shè)計方案提供指導(dǎo)依據(jù)。