冰箱壓縮機(jī)吸氣消聲器聲學(xué)特性分析

韓寶坤，牛家鵬，閆成穩(wěn)，鮑懷謙

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

冰箱壓縮機(jī)吸氣消聲器聲學(xué)特性分析

韓寶坤，牛家鵬，閆成穩(wěn)，鮑懷謙

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

采用在壓縮機(jī)吸氣端設(shè)置消聲器的方法降低冰箱在運(yùn)行過(guò)程中制冷壓縮機(jī)所產(chǎn)生的噪聲。采用Creo 3.0對(duì)壓縮機(jī)吸氣消聲器進(jìn)行三維建模，使用CATIA劃分網(wǎng)格，運(yùn)用LMS.Virtual.Lab對(duì)內(nèi)腔無(wú)導(dǎo)流管的消聲器進(jìn)行聲學(xué)傳遞損失計(jì)算。針對(duì)無(wú)導(dǎo)流管的消聲器在壓縮機(jī)主要噪聲頻段消聲效果不穩(wěn)定的特征，設(shè)計(jì)內(nèi)腔方形導(dǎo)流管、內(nèi)腔圓形導(dǎo)流管兩種消聲器，與無(wú)導(dǎo)流管消聲器進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流管可以提高消聲器的消聲性能，而導(dǎo)流管的形狀也影響消聲器的消聲性能，圓形導(dǎo)流管比方形導(dǎo)流管有更好的降噪效果。最后通過(guò)壓縮機(jī)整體噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證上述不同結(jié)構(gòu)消聲器在壓縮機(jī)穩(wěn)定工況時(shí)降噪的對(duì)比效果，得出圓形導(dǎo)流管消聲器對(duì)于整機(jī)輻射噪聲消聲效果好的結(jié)論。

聲學(xué)；制冷壓縮機(jī)；吸氣消聲器；傳遞損失；導(dǎo)流管；噪聲測(cè)試

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們生活水平不斷提高，人們對(duì)家用電器的噪聲越來(lái)越重視，噪聲越來(lái)越成為衡量冰箱壓縮機(jī)品質(zhì)的重要指標(biāo)。冰箱的噪聲主要由制冷壓縮機(jī)引起，而壓縮機(jī)的噪聲主要由氣流脈動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲三部分組成，其中氣流脈動(dòng)噪聲所占的比重最大，是壓縮機(jī)的主要噪聲源[1]。因此降低氣流脈動(dòng)噪聲對(duì)壓縮機(jī)的研究有著十分重要的意義，為了降低制冷劑流動(dòng)所產(chǎn)生的吸氣噪聲，采用在壓縮機(jī)吸氣端設(shè)置消聲器的方法來(lái)降低噪聲[2-3]。壓縮機(jī)的吸氣消聲器是一種抗性擴(kuò)張式消聲器，它的消聲原理是利用管道界面的突然擴(kuò)張或者收縮，使沿管道傳播的某些頻率的聲波不能通過(guò)消聲器，從而達(dá)到消聲的目的?，F(xiàn)如今大部分吸氣消聲器內(nèi)腔中設(shè)置一隔板以提高消聲性能，通過(guò)改變隔板位置參數(shù)來(lái)改進(jìn)消聲器的消聲性能，具有一定的效果，但在壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)噪聲的主要頻段800 Hz～1 000 Hz消聲效果不明顯[4]。

文中基于有限元法，對(duì)冰箱壓縮機(jī)的吸氣消聲器進(jìn)行聲場(chǎng)分析，研究?jī)?nèi)腔無(wú)導(dǎo)流管消聲的傳遞損失，分析其消聲特性并針對(duì)無(wú)導(dǎo)流管消聲器本身的不足，設(shè)計(jì)了內(nèi)腔方形導(dǎo)流管、圓形導(dǎo)流管兩種新型消聲器，通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)流管可以提高消聲器的傳遞損失，而圓形導(dǎo)流管較之方形有更高的傳遞損失。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明改進(jìn)后的圓形導(dǎo)流管消聲器在整機(jī)噪聲測(cè)試中有更好的降噪效果，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 吸氣消聲器建模

1.1 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)

壓縮機(jī)吸氣消聲器采用PBT樹(shù)脂（聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯）材料合成，PBT樹(shù)脂為結(jié)晶性，熔點(diǎn)在230℃左右，相對(duì)密度為1.35，具有優(yōu)良的力學(xué)性能，有自潤(rùn)滑性和耐磨性，具有摩擦系數(shù)低、耐熱、耐候好等特性。吸氣消聲器內(nèi)腔中設(shè)置一隔板，以提高消聲性能，隔板中間設(shè)置一小孔，孔徑為6.5 mm。如圖1所示。

圖1 消聲器結(jié)構(gòu)

1.2 消聲器模型

對(duì)于家用冰箱制冷壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，其壓縮機(jī)的氣流速度較低，可以忽略消聲器內(nèi)部的流體與機(jī)構(gòu)的耦合作用，認(rèn)為消聲器內(nèi)部是非耦合聲場(chǎng)。因此，就僅對(duì)消聲器的內(nèi)部腔結(jié)構(gòu)建立數(shù)學(xué)模型。在Creo3.0中先建立無(wú)導(dǎo)流管吸氣消聲器的三維模型。將消聲器內(nèi)表面即制冷劑流過(guò)內(nèi)腔表面的部分進(jìn)行內(nèi)表面提取，通過(guò)填充、投影將其實(shí)體化。如圖2所示。

圖2 無(wú)導(dǎo)流管消聲器

在有限元分析方法中，網(wǎng)格的稀疏將直接影響到數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度，所以，網(wǎng)格的劃分應(yīng)盡量做到足夠精細(xì)，以便提高聲學(xué)傳遞損失計(jì)算的準(zhǔn)確度。對(duì)于有限元模型，通常假設(shè)在最小波長(zhǎng)內(nèi)有6個(gè)單元，也就是最大單元的邊長(zhǎng)要小于計(jì)算頻率最短波長(zhǎng)的1/6[5]。為了控制變量使仿真結(jié)果更加準(zhǔn)確，在CATIA中將內(nèi)腔無(wú)導(dǎo)流管消聲器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將其保存為bdf格式，然后導(dǎo)入LMS.Virtual. Lab中進(jìn)行消聲器的傳遞損失計(jì)算，如圖3所示。

圖3 無(wú)導(dǎo)流管消聲器網(wǎng)格

2 仿真分析

2.1 參數(shù)設(shè)置

冰箱壓縮機(jī)的吸氣消聲器是一種抗性消聲器。消聲量與消聲頻率段是衡量消聲器聲學(xué)性能的主要指標(biāo)，而消聲器的傳遞損失就是測(cè)量消聲量的一種度量方法。傳遞損失即為消聲器的進(jìn)口入射聲功率級(jí)與出口處的透射聲功率級(jí)之差[6]，其計(jì)算表達(dá)式為

式中Win、Wout為入射聲功率、透射聲功率；Sin、Sout為入口面積、出口面積；Pin、Pout為入射聲壓、透射聲壓。

為了在聲學(xué)仿真計(jì)算時(shí)使問(wèn)題簡(jiǎn)單方便，必須對(duì)媒質(zhì)和聲波過(guò)程做一些假設(shè)[4]：

(1)假定聲波在消聲器的內(nèi)部傳播是在理想的無(wú)黏性流動(dòng)媒質(zhì)中進(jìn)行的，傳播過(guò)程沒(méi)有能量的損失；

(2)假定傳播過(guò)程中，消聲器內(nèi)部的媒質(zhì)與周?chē)牟糠植粫?huì)產(chǎn)生溫度差而引發(fā)熱交換；

(3)假定所用媒質(zhì)在宏觀(guān)上是靜止且無(wú)聲擾動(dòng)，消聲器內(nèi)部靜壓、聲速、密度、溫度等均為常量；

(4)假定聲波以小振幅的形式在媒質(zhì)中傳播，其隨時(shí)間變化的高階量可以忽略不計(jì)，聲過(guò)程可以用線(xiàn)性波動(dòng)方程來(lái)簡(jiǎn)化表示。

冰箱壓縮機(jī)中的內(nèi)部制冷劑為R600a（異丁烷），其密度ρ=1.63 kg/m3，聲速c=218.5 m/s。在LMS.Virtual.Lab中計(jì)算消聲器的傳遞損失時(shí)需要設(shè)置必要的邊界條件，其中，在進(jìn)口處是速度邊界條件，假設(shè)入射波為一維平面波，其速度為1 m/s。在出口處是阻抗邊界條件，為無(wú)反射的平面波聲場(chǎng)，其聲阻抗率為Z=ρc。內(nèi)部壁面邊界不考慮內(nèi)壁面的吸收作用，假設(shè)內(nèi)壁面是剛性邊界，媒質(zhì)的法向速度為零，即

2.2 仿真結(jié)果

在LMS.Virtual.Lab中按照上述的邊界條件，通過(guò)定義流體材料、流體屬性、出入口單元組、查看聲場(chǎng)分布、定義輸入輸出點(diǎn)等步驟，對(duì)內(nèi)腔無(wú)導(dǎo)流管制冷壓縮機(jī)吸氣消聲器進(jìn)行傳遞損失的計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 無(wú)導(dǎo)流管消聲器的傳遞損失

由圖4傳遞損失曲線(xiàn)可知，無(wú)導(dǎo)流管消聲器在壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)噪聲主要頻段800 Hz～1 000 Hz內(nèi)有一定的消聲效果，800 Hz時(shí)傳遞損失為38 dB，1 000 Hz時(shí)為45 dB，雖然傳遞損失略有上升，但傳遞損失均值不大，只有40 dB，且總體增長(zhǎng)幅度較小。因此整體消聲效果不佳，消聲性能有待提高。

2.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)比

針對(duì)上述內(nèi)腔無(wú)導(dǎo)流管吸氣消聲器消聲性能不穩(wěn)定、傳遞損失均值低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了內(nèi)腔方形導(dǎo)流管、內(nèi)腔圓形導(dǎo)流管兩種新型吸氣消聲器。其中方形導(dǎo)流管的邊長(zhǎng)與圓形導(dǎo)流管的直徑相等。其導(dǎo)流管的內(nèi)徑為9 mm，外徑為10 mm，其余尺寸及材料與無(wú)導(dǎo)流管吸氣消聲器完全相同，對(duì)這兩種消聲器進(jìn)行內(nèi)腔表面提取并實(shí)體化，如圖5、圖6所示。

圖5 方形導(dǎo)流管消聲器

圖6 圓形導(dǎo)流管消聲器

為了控制變量使仿真結(jié)果準(zhǔn)確，采用與無(wú)導(dǎo)流管消聲器相同的參數(shù)與邊界條件，對(duì)其進(jìn)行聲學(xué)傳遞損失仿真計(jì)算。三種不同結(jié)構(gòu)消聲器傳遞損失對(duì)比如圖7所示。

圖7 三種結(jié)構(gòu)傳遞損失對(duì)比

因?yàn)楸鋲嚎s機(jī)的氣流脈動(dòng)噪聲能量主要發(fā)生在800 Hz～1 000 Hz頻率段，所以通過(guò)上圖可以分析得到，在冰箱壓縮機(jī)吸氣消聲器中，有導(dǎo)流管的設(shè)置相比于沒(méi)有導(dǎo)流管的設(shè)置，在壓縮機(jī)的氣流脈動(dòng)噪聲主要頻率范圍內(nèi)傳遞損失明顯提高，800 Hz～1 000 Hz范圍內(nèi)平均提高了30 dB，因此有導(dǎo)流管消聲器比無(wú)導(dǎo)流管消聲器有更好的消聲性能；而圓形導(dǎo)流管的消聲器相比于方形導(dǎo)流管的消聲器，傳遞損失略有提高，在800 Hz～1 000 Hz時(shí)平均提高了8 dB，圓形導(dǎo)流管直徑與方形導(dǎo)流管邊長(zhǎng)相等，故圓形管道橫截面積較小，在導(dǎo)流管走向結(jié)構(gòu)、消聲器腔體結(jié)構(gòu)相同的情況下，圓形導(dǎo)流管的截面突變比較大，所以，圓形導(dǎo)流管消聲器較之方形導(dǎo)流管消聲器有更好的消聲性能。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試設(shè)備與方法

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9098-2008，為確保測(cè)試準(zhǔn)確性，將三種不同吸氣消聲器裝配到同一臺(tái)制冷壓縮機(jī)中先后進(jìn)行噪聲測(cè)試，將壓縮機(jī)置于半消音室中，維持環(huán)境溫度在20±5℃。根據(jù)十點(diǎn)法放入半球中心位置，將壓縮機(jī)抽真空，然后注入R600 a制冷劑，保證吸氣壓力為-0.028±0.01 MPa，排氣壓力為0.586±0.05 MPa，在壓縮機(jī)工況穩(wěn)定后，即可進(jìn)行聲壓級(jí)和聲功率級(jí)的測(cè)試[7]。

測(cè)試過(guò)程中用PCB數(shù)據(jù)線(xiàn)連接十個(gè)麥克風(fēng)，通過(guò)使用朗德公司（HEAD）Recorder 4.0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集噪聲數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入計(jì)算機(jī)使用朗德Artemi S Suite 6.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行頻譜分析與聲功率計(jì)算，最終得出壓縮機(jī)的輻射聲功率級(jí)，待測(cè)試完成后統(tǒng)計(jì)測(cè)試結(jié)果并進(jìn)行對(duì)比。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)束后統(tǒng)計(jì)三次測(cè)試的數(shù)據(jù)如表1所示，噪聲頻譜圖如圖9所示。

圖8 半消聲室內(nèi)壓縮機(jī)測(cè)試與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

表1 噪聲測(cè)試數(shù)據(jù) dB

圖9 噪聲頻譜

從整機(jī)聲功率測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表可以看出：有導(dǎo)流管的吸氣消聲器相比于沒(méi)有導(dǎo)流管的消聲器，在壓縮機(jī)整體噪聲測(cè)試中有顯著降噪效果，聲功率級(jí)降低了3.65 dB。由于傳遞損失是在理想邊界條件下單獨(dú)仿真計(jì)算的，不考慮流速的影響，且壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在較多噪聲源，壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì)引起消聲器的振動(dòng)，影響消聲性能，故計(jì)算結(jié)果數(shù)值較大。所以綜合以上分析可知，有導(dǎo)流管消聲器比沒(méi)有導(dǎo)流管的消聲器在壓縮機(jī)整體降噪方面有顯著優(yōu)勢(shì)；而圓形導(dǎo)流管吸氣消聲器比方形導(dǎo)流管吸氣消聲器更能在一定程度上降低壓縮機(jī)整體噪聲，聲功率級(jí)可進(jìn)一步降低1.41 dB。

從整機(jī)測(cè)試噪聲頻譜圖中可以看出：方形、圓形導(dǎo)流管消聲器裝機(jī)測(cè)試時(shí)在800 Hz～1000 Hz頻率段較之無(wú)導(dǎo)流管消聲器有明顯的消聲效果，噪聲值降低了近5 dB，且圓形導(dǎo)流管消聲器較之方形導(dǎo)流管消聲器裝機(jī)測(cè)試時(shí)在800 Hz～1 000 Hz頻率段有更好的消聲效果，噪聲可進(jìn)一步降低1.5 dB。

4 結(jié)語(yǔ)

為了有效降低冰箱壓縮機(jī)的噪聲，通過(guò)三維建模、網(wǎng)格劃分、數(shù)值仿真的方法對(duì)三種不同內(nèi)腔（無(wú)導(dǎo)流管、方形導(dǎo)流管、圓形導(dǎo)流管）吸氣消聲器進(jìn)行了傳遞損失分析計(jì)算，并針對(duì)分析結(jié)果分別進(jìn)行整機(jī)輻射噪聲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在制冷壓縮機(jī)吸氣消聲器結(jié)構(gòu)中，腔體中導(dǎo)流管的有無(wú)對(duì)消聲性能有影響，腔體有導(dǎo)流管的消聲器比沒(méi)有導(dǎo)流管的消聲器有更好消聲性能，消聲頻段更寬，在整機(jī)輻射噪聲方面有更好的降噪效果。

（2）仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，在制冷壓縮機(jī)吸氣消聲器結(jié)構(gòu)中，腔體中導(dǎo)流管的形狀對(duì)消聲性能有影響，圓形導(dǎo)流管消聲器比方形導(dǎo)流管消聲器在消聲頻段上差別不大，但是圓形導(dǎo)流管消聲器比方形導(dǎo)流管消聲器有更好的消聲性能，在整機(jī)輻射噪聲方面有更好的效果。

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Acoustic CharacteristicsAnalysis of Refrigerator Compressor Suction Mufflers

HAN Bao-kun,NIU Jia-Peng,YAN Cheng-Wen,BAO Huai-qian
(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,Shandong China)

In order to reduce the noise of refrigeration compressors in the operation process,a muffler is installed in the suction side of the refrigeration compressor.The three-dimension model of the muffler is established by Creo3.0 and the finite element mesh is constructed by CATIA.The transmission loss of the muffler without the guide duct is numerically simulated by acoustics software LMS Virtual Lab.Due to the instability of the noise elimination effect of the muffler without guide duct in the main noise frequency band,two kinds of mufflers with inner cavity of the square guide duct and the circular guide duct are designed respectively.Compared with the muffler without the guide duct,it is concluded that the guide duct can improve the acoustical performance of the muffler.Also,the shape of the guide duct can affect the acoustical performance of the muffler.The circular guide duct has better noise reduction effect than that of the square guide duct.The conclusion is validated by the compressor noise test.

acoustics;refrigeration compressor;suction muffler;transmission loss;guide duct;noise test

TB535

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.035

1006-1355(2016)06-0178-04

2016-05-16

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ZR2012AM011）

韓寶坤（1971-），男，山東省萊蕪市人，教授，研究方向?yàn)檎駝?dòng)與噪聲控制。E-mail:bk_han@163.com