往復式壓縮機吸氣消聲器的設計與優(yōu)化

張則剛，高 麗，孫海濱，蘭同宇，吳 偉

（1.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島266590；2.青島萬寶壓縮機有限公司，山東 青島266590）

吸氣消聲器是制冷壓縮機的主要消聲部件[1-2]。目前，國內外已經對壓縮機吸氣消聲器展開很多相關研究。譚書鵬等[3]基于聲波分解法搭建吸氣消聲器的傳遞損失實驗平臺，驗證了數值模擬的可靠性。李乾等[4]以具有內插隔板式吸氣消聲器為研究對象，采用數值模擬方法研究了內部結構對壓力損失的影響。Kim等[5]以內插式吸氣消聲器為研究對象，優(yōu)化了內部引流管的結構。韓寶坤等[6]設計了一種多腔的吸氣消聲器，提高了消聲器在中高頻消聲效果。

上述研究都是以內插式吸氣消聲器為研究對象，分析隔板、引流管和腔室等結構參數對消聲器消聲性能和阻力特性的影響，而在實際生產中發(fā)現內插式吸氣消聲器腔室之間密封性不好，影響消聲器消聲性能和阻力特性。針對這個問題，本文設計了一種具有新結構的吸氣消聲器，通過對比實驗，驗證新結構吸氣消聲器可以改善腔室泄露問題，并對其內部結構參數進行聲學仿真分析和實驗驗證，可為吸氣消聲器的設計提供依據和理論基礎。

1 改善吸氣消聲器腔室泄露

1.1 消聲器結構模型

如圖1 所示，圖1（a）是傳統(tǒng)內插式吸氣消聲器（三腔），圖1（b）是新設計的新結構吸氣消聲器（四腔）。新吸氣消聲器相比于內插式吸氣消聲器可以更加充分利用壓縮機內部空間，而增大容積和增加腔室對提高消聲效果和性能都有幫助[6]，所以將新消聲器內部容積由378 553 mm3設計為445 876 mm3，內部結構設計為四腔。

圖1 兩種吸氣消聲器模型

新吸氣消聲器初始結構尺寸如圖2 所示，模擬計算中腔室長度L為40mm，寬度A1為28.8 mm；引流管2 的長度L1為20 mm，其通流截面寬度A2為9 mm；擴張孔寬度A3為2 mm，其到隔板的距離L2為30 mm；出口內插管長度L3為0。

圖2 新消聲器結構參數

1.2 對比消聲器的腔室泄漏

為驗證新吸氣消聲器可以改善腔室泄露問題，根據可再現原則設計了4 組實驗，如表1 所示。首先，為確保實驗的可靠性，本文采用某型號壓縮機法蘭外殼組裝6 臺內插式（原始）吸氣消聲器的樣機，在圖3所示的半消聲室內進行十點噪聲測試。測完噪聲后，再將樣機放到冷量實驗室進行性能測試。之后將吸氣消聲器依次更換為剩余3組吸氣消聲器重新測試，保證整個系統(tǒng)只有吸氣消聲器一個變量。最后，取測試結果均值進行對比，如圖4和表2所示。

表1 腔室泄露實驗設計

圖3 半消音室壓縮機噪聲測試系統(tǒng)

從圖4（a）和表2可以看出，受腔室泄露影響，內插式（原始）消聲器和內插式（密封）消聲器相比，在500Hz～2 500 Hz 頻段范圍內消聲效果變差，且壓縮機聲功率級提高0.65 dB；而圖4（b）中兩種新消聲器的消聲效果在整個消聲頻段沒有明顯變化，壓縮機聲功率級也只降低0.12 dB。因此，可以證明新吸氣消聲器腔室密封性好，改善了腔室泄露問題。

圖4 消聲器噪聲實驗聲壓級頻譜圖

同時，從表2中可以看出，上下蓋式（原始）消聲器和新消聲器（原始）相比，壓縮機聲功率級降低1.87 dB，制冷量提高7.4 W，性能系數提高0.016，說明新吸氣消聲器具有更好的消聲效果和阻力特性。

表2 壓縮機實驗測試結果

為進一步增強新吸氣消聲器消聲效果，本文還對其內部結構參數進行了聲學仿真分析和實驗驗證。

2 新吸氣消聲器聲學性能仿真分析

2.1 吸氣消聲器的聲學性能評價

常見的消聲器消聲性能指標有插入損失、傳遞損失和減噪量[7]。其中傳遞損失又稱消聲量，定義為消聲器入射聲功率級與透射聲功率級之差，其不受聲源管道系統(tǒng)和末端阻抗的影響，是消聲器本身具有的特性，通常用來衡量消聲器的消聲性能[8-9]。

因此，本文采用傳遞損失（TL）來評價吸氣消聲器的聲學性能，即[10]：

式中：Win、Wout分別表示消聲器的輸入聲功率、輸出聲功率，W；pin、pout分別表示消聲器的輸入聲壓、輸出聲壓，Pa；Ain、Aout分別表示消聲器的進口截面面積、出口截面面積，m2。

在模擬計算過程中，每次僅改變4個參數（引流管2 的長度、引流管2 的通流截面寬度、擴張孔位置和出口內插管長度）其中1 個值。下面使用LMS Virtual.Lab對從吸氣消聲器內部所提取出的模型進行聲學傳遞損失仿真計算，在消聲器入口輸入一個平面波，出口設置為無反射邊界，所有壁面都是剛性壁面，采用有限元法計算出口和入口之間的傳遞損失。

2.2 引流管2的長度對消聲器傳遞損失的影響

引流管2 的長度L1分別取0、10 mm、20 mm 和30 mm，模擬結果如圖5（a）所示。由圖可以看出，四腔引流管長度主要影響1 100 Hz～2 900 Hz 的消聲頻段，L1取10 mm 時消聲器的消聲效果明顯優(yōu)于其他長度。因此，為獲得較好的聲學性能，引流管2的長度應優(yōu)先選為10 mm。

2.3 引流管2的通流截面寬度對傳遞損失的影響

保持引流管2 的高不變，通流截面寬度A2分別取7 mm、8 mm、9 mm、10 mm和11 mm，模擬結果如圖5（b）所示。由圖可以看出，A2主要影響1 100 Hz～3 200 Hz 的消聲頻段。A2為7 mm、8 mm、10 mm和11 mm 時，隨著A2減小，消聲量增加，但增加幅度較小。當A2為9 mm（此時引流管1 和2 的通流截面尺寸相同）時，消聲量相比于其他4 種方案降低明顯，尤其是在2 000 Hz～3 200 Hz 頻段內，通過分析得出，此時引流管1和2之間產生共振。

因此，選取引流管通流截面時應避免與相鄰腔室引流管的通流截面尺寸相同，同時盡量減小引流管通流截面寬度。

2.4 擴張孔位置對消聲器傳遞損失的影響

擴張孔與隔板的距離L2分別取0、9.5 mm、19 mm、28.5 mm 和38 mm，模擬結果如圖5（c）所示。由圖可以看出，在700 Hz～2 800 Hz范圍內，擴張孔在引流管中間位置時，消聲效果最好。但L2取0和3 8mm時，消聲器消聲頻段更寬一些，表現在2 800 Hz～3 300 Hz頻段。因此，在優(yōu)化擴張孔位置時，需要根據具體針對頻段來選擇。如果消聲器內有多個共振腔，孔的位置可以搭配選擇，既能拓寬消聲頻段，也能獲得整體不錯的消聲效果。

2.5 出口內插管長度對消聲器傳遞損失的影響

出口內插管長度L3分別取0、5 mm、10 mm 和15 mm，模擬結果如圖5（d）所示。由圖可以看出，L3為5 mm、10 mm 和15 mm 時，消聲量都優(yōu)于L3為0時。在1 100 Hz～2 000 Hz頻段內，消聲器消聲量會隨著L3的增加而增大，但增大的幅度不大；在2 000 Hz～3 000 Hz 頻段內，L3的不同主要會影響消聲峰值的位置，且隨著L3的增加消聲峰值向低頻方向移動。因此，出口內插管長度應選取大于0，并根據實際情況選取合適的內插管長度。

圖5 不同結構參數對吸氣消聲器傳遞損失的影響

3 實驗對比

從圖4（c）可以看出，新吸氣消聲器消聲效果在1 250 Hz和2 500 Hz～4 000 Hz頻段需要增強，但從聲學仿真分析結果來看，優(yōu)化內部結構參數對1 250 Hz附近的消聲效果影響不大，所以本文側重考慮增強2 500 Hz～4 000 Hz頻段的消聲效果，優(yōu)化后的結構參數：L1為10 mm，A2為7 mm，L2為38 mm，L3為10 mm。

新消聲器優(yōu)化前、后的傳遞損失曲線如圖6 所示，可以看出優(yōu)化后的新消聲器除了在1 200 Hz～2 100 Hz 頻段的傳遞損失有所降低，在其他頻段的傳遞損失都有所提升，在500 Hz～800 Hz 和2 200 Hz～2 900 Hz 頻段的傳遞損失提高比較明顯。

圖6 新消聲器優(yōu)化前、后的傳遞損失

將優(yōu)化后的新消聲器用第1.2節(jié)所述的實驗方法組裝成樣機，進行噪聲和性能測試，保證整個系統(tǒng)只有消聲器一個變量，取測試結果均值與新消聲器（原始）實驗數據進行對比，如圖7和表3所示。

從圖7 可以看出，壓縮機在500 Hz～800 Hz 和2 200 Hz～2 900 Hz頻段的聲壓級降低，在600 Hz處差值最大，在1 250Hz～2200Hz頻段的聲壓級上升，與圖6 的仿真結果相一致，驗證了仿真結果的準確性。從表3 中可以看出，優(yōu)化新結構消聲器使壓縮機聲功率級降低0.64 dB，但制冷量和性能參數也略有下降。最終，優(yōu)化后的新結構消聲器相比于內插式（原始）消聲器，整機噪聲降低2.51 dB，制冷量提高5.63 W，性能參數提高0.015。

圖7 新消聲器優(yōu)化前、后的整機噪聲頻譜

表3 新消聲器優(yōu)化前、后整機性能參數

4 結語

為改善吸氣消聲器腔室泄露的問題，設計了一種新結構吸氣消聲器。通過增加腔室和增大容積，達到降噪和提效的目的，并通過仿真分析和實驗，優(yōu)化了消聲器內部引流管2的長度、引流管2的通流截面寬度、擴張孔位置和出口內插管長度等4 個結構參數，最終總結出以下幾點結論：

（1）引流管2 的長度為腔室長度的1/4 時，吸氣消聲器降噪效果最好。

（2）引流管2 的通流截面面積大小對消聲效果影響不大，但與相鄰腔室引流管通流截面尺寸相同時，會產生共振，使在2 000 Hz～3 200 Hz 附近的消聲效果明顯降低。

（3）共振腔的擴張孔在引流管中間位置時，吸氣消聲器在700 Hz～2 800 Hz 頻段的消聲效果最好；擴張孔在引流管兩端時，吸氣消聲器在2 800 Hz～3 300 Hz頻段的消聲效果更好一些。

（4）隨著出口內插管長度增加，吸氣消聲器在2 000 Hz～3 500 Hz 頻段的消聲峰值會逐漸向低頻方向移動。