基于復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)的冰箱降噪研究

孫敬龍 丁龍輝 潘毅廣 張海鵬 齊聰山

海信（山東）冰箱有限公司 山東青島 266000

1 引言

隨著生活品質(zhì)的提高，用戶對(duì)冰箱噪聲控制水平的要求也越來(lái)越高。壓縮機(jī)艙內(nèi)部件、風(fēng)機(jī)和制冷系統(tǒng)是冰箱的三大噪聲源，其中壓縮機(jī)艙內(nèi)部件是主要的噪聲源。壓縮機(jī)3900RPM高頻運(yùn)行時(shí)輻射噪聲明顯，容易引起用戶投訴。

目前的辦法主要是在壓縮機(jī)艙后蓋板上粘貼吸音棉來(lái)降噪，但吸音棉吸聲頻段窄，降噪效果有限[1]。還有相關(guān)研究在壓縮機(jī)靠近艙壁的一側(cè)加吸音棉，在壓縮機(jī)靠近后蓋板的一側(cè)加隔聲板來(lái)降噪[2]，但此種方法需要壓縮機(jī)艙有足夠的空間。當(dāng)前壓縮機(jī)艙大多小而精，無(wú)法在其內(nèi)部設(shè)置吸音棉和隔聲板結(jié)構(gòu)。朱小兵等人[3]將聲學(xué)超材料用于壓縮機(jī)艙降噪，降噪效果明顯，但聲學(xué)超材料加工難度大、成本高。鑒于此，提出一種微穿孔板+吸聲空腔復(fù)合壓縮機(jī)艙后蓋板結(jié)構(gòu)。在后蓋板結(jié)構(gòu)上增設(shè)微穿孔板和吸聲空腔，并通過(guò)數(shù)值模擬方法計(jì)算吸聲系數(shù)來(lái)確定吸聲空腔尺寸以達(dá)到理想吸聲效果。

微穿孔板吸聲機(jī)理是利用微穿孔的聲阻來(lái)降低聲波傳遞，從而達(dá)到降噪效果[3]，微穿孔的孔徑越小，吸聲效果越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，單獨(dú)的微穿孔板降噪也具有一定局限性，通常在微縫板后設(shè)置聲學(xué)空腔來(lái)拓寬吸聲頻段和增加吸聲效果。聲學(xué)空腔尺寸直接影響結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)，吸聲系數(shù)測(cè)定需要駐波管實(shí)驗(yàn)。采用數(shù)值方法模擬駐波管實(shí)驗(yàn)計(jì)算不同聲學(xué)空腔尺寸的吸聲系數(shù)，綜合考慮吸聲系數(shù)和安裝空間來(lái)確定聲學(xué)空腔尺寸。最后對(duì)設(shè)計(jì)的復(fù)合后蓋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行降噪效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 吸聲理論與復(fù)合后蓋板設(shè)計(jì)

根據(jù)馬大猷提出的微穿孔板理論[4]，微穿孔板的吸聲原理是毫米級(jí)穿孔具有一定的聲阻。聲阻抗是指波振面上聲壓與通過(guò)這個(gè)面積的體積速度的復(fù)數(shù)比值，實(shí)部為聲阻，虛部為聲抗，聲阻抗計(jì)算公式如下：

其中聲阻抗實(shí)部為：

其中聲阻抗虛部為：

聲阻常數(shù)、聲質(zhì)量常數(shù)和穿孔板常數(shù)分別為：

圖1 微穿孔板-吸聲空腔復(fù)合結(jié)構(gòu)

圖2 阻抗管法吸聲系數(shù)測(cè)試

圖3 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖4 聲壓分布

式中，t為微穿孔板厚度，d為微穿孔直徑，ω為角頻率，μ為流體運(yùn)動(dòng)粘度，υ為體溫度導(dǎo)熱系數(shù)，ρ為流體密度，ε為穿孔率。通過(guò)式（2）和（3）可以計(jì)算出微穿孔板的聲阻抗特性，進(jìn)而在仿真軟件中加載求解。

微穿孔板吸聲原理是毫米級(jí)穿孔具有良好聲阻抗特性，當(dāng)聲波入射到穿孔板上時(shí)，聲波在微孔內(nèi)干涉抵消。但單個(gè)穿孔板的吸聲頻段也具有一定局限性。微穿孔板+吸聲空腔復(fù)合結(jié)構(gòu)可以拓寬吸聲頻段，提高吸聲效果[5]。本文通過(guò)優(yōu)化原有壓縮機(jī)艙后蓋板結(jié)構(gòu)，設(shè)置微穿孔板，并在微穿孔板與后蓋板之間設(shè)置吸聲空腔，形成微穿孔板+吸聲空腔復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖1所示。壓縮機(jī)艙輻射噪聲經(jīng)過(guò)穿孔板產(chǎn)生第一次衰減，在吸聲空腔中相互干涉抵消產(chǎn)生二次衰減，從而降低輻射噪聲。

3 吸聲空腔仿真設(shè)計(jì)

吸聲空腔大小會(huì)影響微穿孔板-吸聲空腔復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸聲頻段和吸聲系數(shù)。本文主要針對(duì)壓縮機(jī)艙內(nèi)1500～3000Hz中高頻輻射噪聲進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)，因此需要設(shè)計(jì)吸聲空腔尺寸。吸聲空腔確定需要阻抗管法測(cè)定吸聲系數(shù)，聲源產(chǎn)生平面聲波，在微穿孔處產(chǎn)生部分反射，在其前方形成駐波，使用傳聲器測(cè)量出靠近樣品的波腹與波節(jié)的駐波比即可得到吸聲系數(shù)，如圖2所示。

本文根據(jù)阻抗管法測(cè)試吸聲系數(shù)原理，在數(shù)值仿真軟件LMS Virtual Lab中建立材料吸聲系數(shù)測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停鐖D3所示。聲源采用單位質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度的平面波聲源，定義平面單位振動(dòng)。在聲源與穿孔板之間設(shè)置場(chǎng)點(diǎn)A和B用于計(jì)算吸聲系數(shù)，穿孔板后面為聲學(xué)空腔。微穿孔板采用鋁質(zhì)材料，計(jì)算時(shí)需要將材料傳熱引起的能量消耗計(jì)入穿孔板聲阻的計(jì)算中，溫度傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為0.00002，空氣密度1.22kg/m3，微孔直徑0.7mm，孔間距5mm，穿孔板厚度2mm。計(jì)算時(shí)空腔尺寸分別采用20mm、80mm和160mm，用于對(duì)比不同空腔尺寸的吸聲特性。

4 計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證

圖4為計(jì)算結(jié)果的聲壓分布云圖，可以看到聲波沿駐波管從左向右傳播，穿過(guò)微穿孔板后產(chǎn)生明顯衰減。聲波在空腔內(nèi)再次產(chǎn)生衰減，這是由于直達(dá)聲波與反射聲波在吸聲空腔內(nèi)發(fā)生干涉抵消。計(jì)算結(jié)果表明微穿孔板+吸聲空腔復(fù)合吸聲結(jié)構(gòu)可以有效降噪。圖5為20mm、80mm和160mm三種吸聲空腔尺寸對(duì)應(yīng)的吸聲頻段與吸聲系數(shù)。可以看到，20mm吸聲空腔的吸聲頻段為1500～3000Hz，吸聲峰值在2200Hz處；80mm吸聲空腔的吸聲頻段變寬為1600～3500Hz，在2100和3000Hz處出現(xiàn)吸聲峰值；160mm吸聲空腔的吸聲頻段繼續(xù)變寬為1200～3500Hz，在1700、2400和3000Hz處出現(xiàn)吸聲峰值。由上述分析可知，吸聲空腔尺寸越大，吸聲頻段越寬，降噪效果越明顯。但冰箱一般靠墻放置，考慮放置空間要求，吸聲空腔設(shè)置為20mm。

制作復(fù)合后蓋板手板件，進(jìn)行降噪效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。噪音測(cè)試按照國(guó)標(biāo)[6]進(jìn)行，測(cè)試溫度25℃。測(cè)試時(shí)采用調(diào)頻儀設(shè)定壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為3900r/min，待壓縮機(jī)運(yùn)行30min穩(wěn)定后，開(kāi)始測(cè)量噪音數(shù)據(jù)，測(cè)量三次，每次測(cè)量時(shí)間120s。然后計(jì)算三次測(cè)量的聲功率，并取三次測(cè)量的算數(shù)平均值作為最終的聲功率值。1/3倍頻程如圖6所示，采用原始后蓋板時(shí)，噪音為37.01dB(A)。將原始后蓋板替換為微縫板，噪音在400～4000Hz頻段內(nèi)均有下降，噪音下降為36.04dB(A)。采用復(fù)合后蓋板時(shí)，在基頻63Hz、400～4000Hz頻段內(nèi)噪音均有下降，噪音下降為35.27dB(A)。相對(duì)于原始后蓋板，采用復(fù)合后蓋板后噪音下降1.74dB(A)。計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明微穿孔+20mm吸聲空腔復(fù)合后蓋板可有效降低1500～3000Hz頻段輻射噪音。此外，復(fù)合后蓋板制作簡(jiǎn)單，成本不高，完全可以應(yīng)用于壓縮機(jī)艙降噪。

此外，還可以看到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與計(jì)算結(jié)果存在一定偏差，實(shí)驗(yàn)得到的吸聲頻段比計(jì)算吸聲頻段寬。這可能有兩方面原因，一是計(jì)算采用的是駐波管模型，邊界條件與實(shí)際測(cè)試存在偏差。二是由于微穿孔板加工工藝偏差使實(shí)際微穿孔板的穿孔率、穿孔尺寸與數(shù)值計(jì)算定義的穿孔參數(shù)存在微小偏差。但總的看來(lái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致性較好，計(jì)算結(jié)果可以有效指導(dǎo)復(fù)合后蓋板設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

圖5 吸聲系數(shù)

圖6 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

本文針對(duì)冰箱壓縮機(jī)3900RPM運(yùn)行時(shí)1500～3000Hz頻段的輻射噪聲開(kāi)展降噪研究。提出微穿孔板+吸聲空腔的復(fù)合壓縮機(jī)艙后蓋板吸聲結(jié)構(gòu)。采用數(shù)值計(jì)算方法模擬駐波管實(shí)驗(yàn)計(jì)算吸聲系數(shù)，確定吸聲空腔的尺寸為20mm，吸聲頻段為1500～3000Hz。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合后蓋板時(shí)在63Hz、400～4000Hz頻段內(nèi)噪音均有下降，噪音由37.01dB(A)下降為35.27dB(A)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，表明微穿孔+20mm吸聲空腔復(fù)合后蓋板可有效降低1500～3000Hz頻段輻射噪音。此外，復(fù)合后蓋板制作簡(jiǎn)單，成本不高，完全可以應(yīng)用于壓縮機(jī)艙降噪。