壓縮機吸氣消聲器腔室密封性對傳聲損失的影響分析

孫曉東，陸海江，孫 慧，劉 超，張 飛

（青島萬寶壓縮機有限公司，山東 青島 266590）

壓縮機吸氣消聲器腔室密封性對傳聲損失的影響分析

孫曉東，陸海江，孫 慧，劉 超，張 飛

（青島萬寶壓縮機有限公司，山東 青島 266590）

以某壓縮機吸氣消聲器為研究對象進行研究。該消聲器為四腔結(jié)構(gòu)，含有兩個共振腔，兩個擴張腔。針對各腔之間存在泄漏問題進行仿真分析與實驗驗證，采用有限元聲學軟件分析其傳聲損失，并在半消音室中進行壓縮機噪聲測試。對比分析發(fā)現(xiàn)，兩共振腔之間泄漏會導(dǎo)致共振腔失效，兩擴張腔之間泄漏會導(dǎo)致擴張腔傳聲損失下降，擴張腔與共振腔之間泄漏會導(dǎo)致共振腔消聲頻率增大，擴張腔消聲頻率減小。如果兩個泄漏的腔分別連接消聲器進出口，則所有腔消聲峰值都會消失，傳聲損失大幅下降。

聲學；壓縮機；吸氣消聲器；共振腔；擴張腔；泄漏；傳聲損失

隨著人們環(huán)保意識的逐漸增強，消費者對家電的噪聲影響提出了更高的要求，冰箱生產(chǎn)廠家也通過各種技術(shù)途徑降低冰箱噪聲。冰箱噪聲的主要來源是壓縮機，壓縮機噪聲主要分為機械噪聲、氣動噪聲和電磁噪聲[1]。氣動噪聲是由于流體在流動過程中，產(chǎn)生不規(guī)則的壓力和速度脈動，并且向外輻射寬頻噪聲[2]。氣動噪聲最主要的來源就是吸氣噪聲，目前降低吸氣噪聲最好的方法就是設(shè)計吸氣消聲器，結(jié)構(gòu)優(yōu)化的吸氣消聲器可以有效降低吸氣噪聲[3]。消聲器大部分為多腔結(jié)構(gòu)，主要包括共振腔和擴張腔，由于加工工藝和裝配尺寸等原因，各腔之間會存在泄漏問題，這將導(dǎo)致實際消聲效果達不到理論計算值。文中以某壓縮機吸氣消聲器為研究對象，對其內(nèi)部流場進行提取，采用有限元聲學軟件對其進行傳聲損失仿真分析，并進行裝機噪聲測試，對比分析泄漏對共振腔和擴張腔傳聲損失的影響。

1 消聲器傳聲損失計算

消聲器是一種復(fù)雜空腔結(jié)構(gòu)，可以通過氣流又能降低噪聲，是降低空氣動力學噪聲的有效工具。消聲器的種類眾多，按其降噪原理主要分為阻性、抗性和阻抗復(fù)合式三大類[4]。由于壓縮機吸氣消聲器體積小，結(jié)構(gòu)不規(guī)則，目前主要都是抗性消聲器[5]?？剐韵暺鞅旧聿⒉晃章暷?，它是利用管道截面突變或旁接共振腔來達到消聲目的，常用的腔式結(jié)構(gòu)有擴張腔和共振腔兩類。

傳聲損失TL（dB）又稱消聲量，定義為消聲器入射聲功率Wi與透射聲功率Wt之比的對數(shù)的10倍，即

這里假設(shè)消聲器出口是無限均勻管道或消聲末端，不存在末端反射。

1.1 擴張式消聲器

擴張式消聲器是抗性消聲器中最常用的一種形式，通過在截面積為S1的管道中接入一段截面積為S2、長度為l的管道組成。單個擴張式消聲器的消聲量為

1.2 共振式消聲器

共振式消聲器是依據(jù)赫姆霍茲共鳴器的原理設(shè)計的，其消聲量為

2 傳聲損失分析

以某吸氣消聲器為研究對象，提取其內(nèi)部流場，采用LMS Virtual.lab對其進行傳聲損失仿真分析。在消聲器入口輸入一個平面波，出口為無反射邊界，聲阻抗為Z=ρc，所有壁面都是剛性壁面，采用有限元法計算出口與入口的傳聲損失[7]。該消聲器為4腔結(jié)構(gòu)，2個共振腔，2個擴張腔，從入口開始依次為第一級擴張腔，第一級共振腔，第二級共振腔，第二級擴張腔，各腔之間由內(nèi)插管連接，消聲器腔室結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了研究各腔之間泄漏對傳聲損失的影響，在相同材料屬性和邊界條件下，分別對無泄漏、兩擴張腔之間泄漏、兩共振腔之間泄漏、第一級擴張腔與第一級共振腔之間泄漏、第二級擴張腔與第二級共振腔之間泄漏五種情況進行傳聲損失仿真分析。

圖1 消聲器腔室結(jié)構(gòu)圖

2.1 無泄漏

4個腔之間密封良好，無泄漏的情況下，分析計算得到消聲器的傳聲損失曲線如圖2所示。

圖2 無泄漏消聲器傳聲損失頻譜圖

該消聲器主要消聲頻率范圍為中低頻，2 000 Hz內(nèi)存在四個消聲量峰值，依次為第一級共振腔640 Hz、第二級共振腔800 Hz、第二級擴張腔1 220 Hz、第一級擴張腔1 520 Hz。由于2 500 Hz以后頻段消聲量基本不變，后面只對比2 500 Hz以內(nèi)頻段消聲量。

2.2 兩擴張腔之間泄漏

將兩擴張腔進行0.5 mm的泄漏口連接，其他各腔之間密封良好，消聲量頻譜圖如圖3所示。

圖3 兩擴張腔泄漏與無泄漏傳聲損失對比

對比發(fā)現(xiàn)，兩擴張腔之間泄漏時，擴張腔的消聲峰值消失，消聲量大幅下降，由于兩擴張腔分別連接著消聲器的出入口，當兩擴張腔之間存在泄漏時，相當于一部分聲波會從泄漏口直接繞過兩共振腔流出消聲器，導(dǎo)致兩個共振腔的消聲量峰值也隨之消失。

2.3 兩共振腔之間泄漏

將兩共振腔進行0.5 mm的泄漏口連接，其他各腔之間密封良好，消聲量頻譜圖如圖4所示。

圖4 兩共振腔泄漏與無泄漏傳聲損失對比

對比發(fā)現(xiàn)，當兩共振腔之間存在泄漏時，擴張腔的兩個消聲峰值頻率1 220 Hz和1 520 Hz不變，原本共振腔的兩個消聲峰值頻率640 Hz和800 Hz消失了，原因是共振式消聲器的基本原理是赫姆霍茲共鳴器，其基本假設(shè)為共振腔為完全密封結(jié)構(gòu)，腔體內(nèi)媒質(zhì)壓縮和膨脹時，腔壁不會變形和泄漏，如果存在泄漏則共振腔將失效。

2.4 擴張腔與共振腔之間泄漏

（1）第一級擴張腔與第一級共振腔之間泄漏

將第一級擴張腔與第一級共振腔進行0.5 mm的泄漏口連接，其他各腔之間密封良好，消聲量頻譜圖如圖5所示。

圖5 第一級擴張腔與共振腔泄漏傳聲損失對比

對比發(fā)現(xiàn)，原本第二級共振腔800 Hz和第二級擴張腔1 220 Hz兩個消聲峰值頻率不變，原本第一級共振腔消聲峰值頻率由640 Hz上移到820 Hz，原本第一級擴張腔消聲峰值頻率由1 520 Hz下移到1 490 Hz，750 Hz～1 500 Hz頻段內(nèi)消聲量有所上升，490 Hz～750 Hz和1 500 Hz～1 610 Hz頻段內(nèi)消聲量有所下降，消聲帶寬變窄。

（2）第二級擴張腔與第二級共振腔之間泄漏

將第二級擴張腔與第二級共振腔進行0.5 mm的泄漏口連接，其他各腔之間密封良好，消聲量頻譜圖如圖6所示。

圖6 第二級擴張腔與共振腔泄漏傳聲損失對比

對比發(fā)現(xiàn)，原本第一級共振腔640 Hz和第一級擴張腔1 520 Hz兩個消聲峰值頻率不變，原本第二級共振腔消聲峰值頻率由800 Hz上移到940 Hz，原本第二級擴張腔消聲峰值頻率由1 220 Hz下移到1 170 Hz，860 Hz～1 200 Hz頻段內(nèi)消聲量有所上升，530 Hz～860 Hz和1 200 Hz～1 520 Hz頻段內(nèi)消聲量有所下降，整個消聲帶寬沒有變化。

綜合對比發(fā)現(xiàn)，當共振腔與擴張腔之間存在泄漏時，共振腔的最大消失頻率會上升，擴張腔的最大消聲頻率會下降，當兩消聲峰值相互接近時，兩者之間的消聲量會增大，當兩消聲峰值相互遠離時，兩者之間的消聲量會減小。

3 實驗對比

選取某型號壓縮機進行裝機驗證，為了保證實驗的準確性，選取4臺壓縮機在半消聲室中進行十點噪聲測試，取4臺測試結(jié)果的平均值，測試完一種消聲器后進行解體換裝消聲器進行重新測試，保證整個系統(tǒng)只有消聲器一個變量。

圖7 半消聲室實驗測試圖

為了保證泄漏的準確性，對要求密封的壁面和插槽進行膠粘密封，保證同時只存在一組腔之間泄漏。分別測試消聲器無泄漏、兩擴張腔泄漏、兩共振腔泄漏、第一級擴張腔與第一級共振腔泄漏、第二級擴張腔與第二級共振腔泄漏五種情況下的整機噪聲，得到三分之一倍頻聲壓級頻譜如圖8所示。

圖8 五種消聲器測試聲壓級頻譜圖

對比發(fā)現(xiàn)，兩擴張腔泄漏是四種情況中聲壓級最高的，630 Hz～2 000 Hz頻段內(nèi)聲壓級都較高，消聲器消聲效果較差。當消聲器無泄漏時，可以有效降低630 Hz～2 000 Hz聲壓級，特別是對630 Hz和800 Hz處兩個聲壓級峰值消聲效果最明顯，這兩個頻率正是兩個共振腔的消聲頻率，證明共振式消聲器對低頻噪聲有良好的消聲效果。當兩共振腔泄漏時，對630 Hz和800 Hz處兩個峰值消聲效果較差，在1 000 Hz～2 000 Hz頻段有較好消聲效果，這與仿真分析的兩共振腔失效的結(jié)果相吻合。當?shù)谝患墧U張腔與第一級共振腔泄漏時，聲壓級頻譜與無泄漏情況差異不大。當?shù)诙墧U張腔與第二級共振腔泄漏時，630 Hz消聲效果較差，800 Hz～1 600 Hz頻段消聲效果較好，800 Hz消聲效果最好，這與仿真分析中的峰值頻率由630 Hz上移到820 Hz，消聲帶寬變窄相吻合。綜上所述，仿真結(jié)果與測試結(jié)果一致性較好。

4 結(jié)語

通過對四腔吸氣消聲器各腔之間的泄漏情況的仿真分析與實驗驗證，得到泄漏對消聲器消聲性能的影響規(guī)律。

（1）當兩個共振腔之間泄漏時，兩個共振腔都將失效，消聲峰值消失，而共振腔主要對中低頻噪聲有效果，所以共振腔之間泄漏對消聲器的影響十分明顯。

（2）當兩個擴張腔之間泄漏時，兩個擴張腔都將失效，消聲峰值消失，當兩個腔分別直接連接于進出口時，整個消聲器所有腔室消聲量都將大幅降低。

（3）當擴張腔與共振腔之間泄漏時，共振腔消聲頻率將上升，擴張腔消聲頻率將下降，導(dǎo)致消聲頻帶變窄，對低頻區(qū)域消聲效果不理想。

（4）吸氣消聲器各腔室必須保證密封性良好，否則實際的消聲效果將達不到理論設(shè)計要求。

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[6]杜功煥，朱哲民，龔秀芬，等.聲學基礎(chǔ)[M].3版.南京：南京大學出版社，2012：161-166.

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Analysis of the Influence of Leakproofness of Cavities on Sound Transmission Loss in Compressor’s Suction Mufflers

SUN Xiao-dong,LU Hai-jiang,SUN Hui,LIU Chao,ZHANG Fei
(Qingdao Wanbao Compressor Co.Ltd.,Qingdao 266590,Shandong China)

The suction muffler of a compressor is researched.The muffler has 4 cavities,2 of them are resonant cavities and the others are expanding cavities.The leakages of the cavities are studied by numerical simulation and experimental verification.The LMS Virtual.lab code is used to analyze their sound transmission loss,and the compressor’s noise is tested in a semi-anechoic room.Comparative study shows that the leakage between the two resonant cavities can cause both of them to fail,the leakage between the two expanding cavities can cause their sound transmission losses to decrease,and the leakage between expanding cavity and resonant cavity can cause the noise eliminating frequency of the resonant cavity to increase and the noise eliminating frequency of expanding cavity to decrease.If two leak cavities are connected to the inlet and outlet of the muffler respectively,the noise elimination peaks of all the cavities will disappear and the sound transmission loss will be dramatically reduced.

acoustics;compressor;suction muffler;resonant cavity;expanding cavity;leakage;sound transmission loss

TB535；TU112.59+7

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.046

1006-1355(2017)04-0227-04

2017-02-28

孫曉東（1989－），男，山東省煙臺市人，主要研究方向為系統(tǒng)振動與噪聲控制。

E-mail:sunxiaodongsxd@163.com