影響冰箱壓縮機(jī)吸氣消聲器消聲特性因子的研究

陳剛 朱金江 孟碧光 秦宗民 李菁瑞

黃石東貝壓縮機(jī)有限公司 湖北黃石 435000

0 引言

冰箱壓縮機(jī)的吸氣消聲器作為核心降噪部件，在降低壓縮機(jī)及制冷系統(tǒng)的噪聲方面起到關(guān)鍵性的作用。孫敬龍等[1]利用LMS Test.Lab和Matlab軟件對某款制冷壓縮機(jī)的箱體進(jìn)行聲振譜噪聲識別和相干性分析，判定吸氣脈動對噪聲影響范圍在50～750 Hz，對吸氣端進(jìn)行優(yōu)化后有效降低噪聲。由于吸氣過程中氣流的壓力、速度、溫度等參數(shù)會發(fā)生明顯的變化，所以通常要求吸氣消聲器在不同使用環(huán)境下均具有良好的消聲特性，這對消聲器的設(shè)計無疑是一種巨大的挑戰(zhàn)。V. V. Tupov[2]對冰箱壓縮機(jī)中最常用的幾種消聲器進(jìn)行了理論研究并確定了具有寬頻消聲性能的結(jié)構(gòu)。Peter Jones和Nicole Kessissoglou[3]對設(shè)計的三種抗性消聲器進(jìn)行了聲學(xué)有限元分析，發(fā)現(xiàn)有限元模擬軟件包的仿真結(jié)果與實(shí)測消聲器的共振頻率和幅值是相符的。Shubham Chivate等[4]總結(jié)分析了具有不同結(jié)構(gòu)的簡單膨脹室反應(yīng)式消聲器的聲學(xué)性能。黃書才[5]對消聲器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)共振輻射噪聲、腔體共鳴噪聲，以及傳遞損失分析。Sanghyeon Kim等[6]研究了吸氣消聲器的空氣動力性能和聲學(xué)性能，設(shè)計了一種低流阻和高降噪性能兼具的吸氣消聲器。變頻冰箱因其更好的能效[7]將成為主流。盡管已有許多專家學(xué)者對消聲器的傳遞損失進(jìn)行分析優(yōu)化，但實(shí)際應(yīng)用中消聲器的消聲效果與設(shè)計目標(biāo)仍存在較大差距。

壓縮機(jī)噪聲存在溫度波動特性，如圖1所示為某變頻壓縮機(jī)運(yùn)行過程中，800 Hz和1000 Hz噪聲隨殼體溫度變化示意圖。不僅壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)溫度特性，冰箱在長時間運(yùn)行的過程中也會出現(xiàn)。如圖2所示為某變頻冰箱在長運(yùn)行過程中的噪聲信號，其中800 Hz頻段下的噪聲表現(xiàn)出波動性，易引起用戶的投訴。

圖1 噪聲隨溫度變化示意圖

圖2 某冰箱長運(yùn)行800 Hz噪聲

為分析800/1000 Hz噪聲隨溫度波動問題，對吸氣端可能造成的因素進(jìn)行研究。通過分析升溫速率、消聲器的結(jié)構(gòu)和消聲器的密封性，最終研究發(fā)現(xiàn)，使用優(yōu)化后消聲腔的箱體噪聲波動減小，聲學(xué)性能穩(wěn)定性得到提高。為壓縮機(jī)消聲器的設(shè)計優(yōu)化方向提供參考。

1 消聲效果影響因素的分析

1.1 升溫速率對消聲器消聲效果的影響

壓縮機(jī)在吸氣時，會產(chǎn)生較大的吸氣脈動和吸氣噪聲，吸氣消聲器作為壓縮機(jī)的消聲部件，可有效抑制這種由壓力脈動產(chǎn)生的噪聲。根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，變頻壓縮機(jī)噪聲的溫度波動特性主要與吸氣消聲器及腔體特性有關(guān)。如圖3所示為是否安裝吸氣消聲器對壓縮機(jī)噪聲的影響，吸氣消聲器對500～1250 Hz的頻段影響較大，該區(qū)域內(nèi)的聲腔模態(tài)易被寬頻的氣體壓力脈動激發(fā)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的吸氣噪聲。3150 Hz的單頻段差異不具有氣流噪聲的寬頻特征，是由于未安裝吸氣消聲器而導(dǎo)致氣流沖擊在內(nèi)部零件上產(chǎn)生的高頻振動噪聲。

圖3 安裝吸氣消聲器對壓縮機(jī)噪聲的影響

壓縮機(jī)吸氣消聲器一般采用抗性擴(kuò)張式結(jié)構(gòu)，利用消聲器內(nèi)部管道截面的突然擴(kuò)張（或收縮），或赫姆霍茲共振腔，聲傳播過程中引起阻抗突變。通常用消聲器入口和出口處的聲功率級差，即傳遞損失來評價消聲器的消聲效果，與聲源和終端無關(guān)。當(dāng)消聲器內(nèi)有氣流通過時，由于消聲器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的邊界條件與靜態(tài)時不同，其聲波在消聲管道內(nèi)傳播與衰減規(guī)律也不同。由此，還要評價消聲器的空氣動力性能，阻力系數(shù)ε為通過消聲器前后的壓力損失與氣流動壓之比。消聲器的消聲量與其內(nèi)部氣體流速呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨其減小強(qiáng)度有增大的趨勢[8]。因?yàn)闅怏w流速ν越快，氣流動壓越大，則消聲器的阻力系數(shù)也就越大，嚴(yán)重影響消聲器的消聲性能，并且氣體流速對傳遞損失的影響在中低頻段更為明顯[8]。

如圖4所示為某壓縮機(jī)升溫速率對殼體溫度的影響。當(dāng)升溫速率較快時（30℃～45℃），單位時間內(nèi)制冷劑氣體的流量n可以看作是定值。根據(jù)理想氣體定律PV=nRT，氣體常數(shù)R恒定，此時，吸入端制冷劑氣體壓力P也恒定，溫度T升高，則制冷劑氣體體積膨脹，V也會相應(yīng)增大。又由于壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，體積V與流速ν成正比，升溫速率快速增大也會導(dǎo)致制冷劑流速的快速增加，消聲器阻力系數(shù)增大，消聲效果減弱；當(dāng)升溫速率較小時，流速的變化相對較為遲緩，對消聲器的消聲作用影響減小。另外，氣體聲速c定義是：，其中K為氣體絕熱指數(shù)，P為氣體壓強(qiáng)，ρ為氣體密度。由此可知，聲速與氣體密度呈反比，升溫速率快速增大導(dǎo)致單位體積的制冷劑密度ρ減小，聲速c增大，從而影響消聲器的消聲效果。

圖4 某變頻壓縮機(jī)升溫速率

1.2 吸氣口形狀對消聲腔消聲效果的影響

采用Virtual.Lab聲學(xué)仿真模塊，基于一維平面波理論，計算消聲器的傳遞損失，如圖5所示為消聲器傳遞損失理論示意圖。

圖5 消聲器傳遞損失理論

其中：

P1為入口附近的壓力，v1為入口附近的流速，P2為入口大截面附近的壓力，v2為入口大截面附近的流速，Pin為入口端面處壓力，vin為入口端面處綜合流速；

P3為出口附近的壓力，v3為出口附近的流速，P4為出口大截面附近處的壓力，v4為出口大截面附近的流速，Pout為出口端面處壓力，vout為出口端面處綜合流速。

由于壓縮機(jī)吸氣消聲器的入口和出口的截面通常較小，聲波主要以平面波的方式進(jìn)行傳播，根據(jù)一維聲波的波動方程，定義入口X=0處，質(zhì)點(diǎn)振動速度為1，推導(dǎo)出：

式（1）中，ρ為介質(zhì)的密度，c為介質(zhì)的聲速。

出口處通常定義為無反射邊界，即在出口X=L處，P4=0，則Pout=P3。

定義消聲器入口截面積為Ain，出口截面積為Aout，則入口和出口平面波的聲功率為：

式（2）中，Win為入口的聲功率，Wout為出口輻射聲功率。

消聲器的傳遞損失TL計算公式為：

在聲學(xué)計算中，聲壓都是復(fù)數(shù)形式，將公式（1）帶入公式（3）：

以某變頻壓縮機(jī)所用的消聲器為例，基于Virtual.Lab聲學(xué)模塊對圖6中消聲器內(nèi)部流域TL仿真計算，計算的結(jié)果如圖7所示。由圖7中仿真計算的TL結(jié)果可知，消聲器吸氣口形狀對特征峰無影響，但是消聲量存在差異，帶吸氣口的消聲器模型TL幅值相對較大。

圖6 消聲器內(nèi)部流域

圖7 吸氣口形狀對仿真理論聲傳遞損失的影響

根據(jù)圖8中實(shí)際測試中消聲器傳遞損失的測試原理，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述TL仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖8 消聲器傳遞損失的測試原理

隨機(jī)抽取3個消聲腔根據(jù)圖8中傳遞損失測試原理，對同一消聲腔進(jìn)行不同吸氣口影響的傳遞損失測試，圖9為上述消聲器的測試過程。分別測試后，傳遞損失結(jié)果如圖10所示。在2500 Hz以下的中低頻區(qū)間，傳遞損失與吸氣口無關(guān)，消聲效果相同，但對高頻的影響比較明顯。由于消聲器主要用于降低中低頻噪聲，故是否帶吸氣口與消聲效果基本沒有影響。由實(shí)際測試對比仿真結(jié)果可知：消聲腔是否帶吸氣口的傳遞損失曲線基本相同，這與仿真計算的結(jié)論一致。但仿真計算中帶吸氣口的消聲器消聲幅值較大，是由于吸氣口流域在仿真軟件計算中可起到提高消聲量的作用。

圖9 消聲器傳遞損失測試

圖10 消聲器組件是否帶吸氣口對實(shí)際聲傳遞損失的影響

1.3 密封性對消聲腔消聲效果的影響

在圖6中消聲器模型的基礎(chǔ)上，在中間隔板處增設(shè)小孔，該小孔在結(jié)構(gòu)設(shè)計上一般作為漏油孔設(shè)置在腔體邊緣區(qū)域。如圖11所示，利用Virtual.Lab聲學(xué)模塊仿真計算漏油孔孔徑對消聲器傳遞損失的影響。

圖11 不同孔徑漏油孔的消聲器

圖12 為消聲器不同漏油孔孔徑的傳遞損失曲線，從圖中可以看出，在中間隔板打孔后，1550 Hz與2400 Hz的消聲特征峰消失。而孔徑的遞增還會引起1000 Hz～2500 Hz消聲峰幅值的下降，另外3500 Hz～4000 Hz內(nèi)的消聲峰會發(fā)生偏移。說明是否在中間隔板上增設(shè)漏油孔對消聲器的消聲效果存在比較明顯影響。

圖12 設(shè)置不同孔徑漏油孔仿真特征曲線

基于以上分析，探究密封性對實(shí)際使用的消聲器的影響，結(jié)果如圖13所示。

圖13 消聲器常溫傳遞損失實(shí)測

消聲器實(shí)際使用時溫度較高，而傳遞損失測試通常在室溫下進(jìn)行。考慮到溫度對消聲器傳遞損失的影響，將上述消聲腔在70℃的烘箱中加熱保溫12 h后再進(jìn)行傳遞損失測試，測試結(jié)果如圖14所示。對比圖13和圖14中消聲器的傳遞損失，常溫環(huán)境下的消聲器在低頻（1000 Hz以下）的差異較小，加熱后的差異性增大，因測試過程消聲器溫度有變化。選取上述消聲器，根據(jù)中低頻消聲效果分為3個組別：一般、較好、好，裝機(jī)測試升溫過程中噪聲，后將壓縮機(jī)內(nèi)消聲器取出并對內(nèi)部可能存在的漏氣點(diǎn)進(jìn)行粘接，再重新測試噪聲。

圖14 消聲器保溫至70℃的傳遞損失實(shí)測

從圖15中可以看出粘接前消聲效果最差的壓縮機(jī)粘接后在800 Hz和1000 Hz頻段內(nèi)的噪聲明顯下降，消聲作用明顯增強(qiáng)。消聲效果一般的，粘接前后的壓縮機(jī)噪聲相差不大，噪聲無明顯改善。800 Hz和1000 Hz頻段內(nèi)的噪聲隨溫度波動的變化較小，穩(wěn)定性較好，說明消聲器密封性對消聲腔消聲效果影響較大。

圖15 消聲效果最差的壓縮機(jī)消聲器粘接前后的噪聲對比

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證消聲器密封性對冰箱噪聲的影響

冰箱壓縮機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，升溫速率主要與用戶的使用情況有關(guān)，一般不采用單獨(dú)的控制邏輯或者風(fēng)扇來抑制壓縮機(jī)的升溫。而由1.3節(jié)內(nèi)容可知，消聲器的密封程度對終端產(chǎn)品，即冰箱噪聲水平的影響較大。將1.3節(jié)中消聲腔消聲效果和穩(wěn)定性均好的壓縮機(jī)安裝至圖2中的某變頻冰箱上，并測試該冰箱長時間的運(yùn)行噪聲，如圖16所示。對比圖2，更換消聲器壓縮機(jī)的冰箱在800 Hz的噪聲波動程度明顯變小，運(yùn)行噪聲的穩(wěn)定性較好。說明在改善壓縮機(jī)內(nèi)部消聲器的密封性后，不僅壓縮機(jī)的噪聲得到優(yōu)化，冰箱噪聲也會改善。

圖16 消聲腔改善前后冰箱運(yùn)行時的800 Hz噪聲頻譜

圖16中，冰箱壓縮機(jī)啟動并逐漸升速到工況轉(zhuǎn)速，100 s至30分鐘為轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行階段。改善前800 Hz頻段內(nèi)噪聲幅值范圍為25 dB(A)～37 dB(A)，改善后800 Hz頻段內(nèi)噪聲幅值范圍為25 dB(A)～30 dB(A)，噪聲最大幅值明顯減小，并且改善后噪聲波動性降低。經(jīng)計算，100 s～500 s內(nèi)800 Hz頻段噪聲均值由31.1 dB(A)降低到28.7 dB(A)，平均降低了2.4 dB(A)；而標(biāo)準(zhǔn)差由3.87降低到1.49，優(yōu)化了61.5%。說明優(yōu)化消聲器后，冰箱噪聲的穩(wěn)定性明顯得到改善。

3 結(jié)論

吸氣消聲器是壓縮機(jī)降噪研究的主要方向，本文通過仿真計算與實(shí)際測試分析了消聲器對壓縮機(jī)及冰箱的降噪效果，驗(yàn)證了消聲效果存在差異性的原因，得到如下結(jié)論：

（1）結(jié)合消聲機(jī)理與升溫速率的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證解釋了升溫速率過快影響消聲器消聲作用的原因。

（2）對消聲器吸氣口形狀進(jìn)行TL仿真計算和實(shí)際測試分析，發(fā)現(xiàn)在消聲作用頻段內(nèi)（主要為中低頻），消聲器吸氣口形狀對消聲效果幾乎無影響。

（3）分析了消聲器的密封性對消聲器的消聲效果穩(wěn)定性的影響，密封性較好的消聲器，800 Hz附近的噪聲平均降低2.4 dB(A)，標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)化了61.5%，噪聲穩(wěn)定性得到明顯改善。通過仿真以及實(shí)驗(yàn)對消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計以及消聲效果的評估提供了依據(jù)，為壓縮機(jī)和冰箱的降噪方案提供思路。