往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)噪聲測(cè)試與消聲分析

蘭同宇，王孚懋，孫海濱，韋艷娟，張玉環(huán)

（1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島266590；2.青島萬(wàn)寶壓縮機(jī)有限公司，山東 青島266590）

近20年來(lái)我國(guó)冰箱技術(shù)發(fā)展很快，全球市場(chǎng)占有率已經(jīng)達(dá)到了16%。節(jié)能、高效與低噪聲已經(jīng)成重要的性能指標(biāo)，影響冰箱等家電產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率[1]。壓縮機(jī)是冰箱的主要?jiǎng)恿υ?，也是振?dòng)與噪聲的主要來(lái)源，消聲器、壓簧、制冷劑管道等結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題依然是目前的研究熱點(diǎn)[2]。如Kim 等用數(shù)值方法設(shè)計(jì)新吸氣消聲器，提升了壓縮機(jī)整機(jī)性能[3]。Chang等使用遺傳算法（GA）對(duì)消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估并完成了設(shè)計(jì)[4]。王孚懋等建立冰箱壓縮機(jī)隔振系統(tǒng)模型，研究了壓簧剛度、支撐間距等參數(shù)變化對(duì)力傳遞率的影響特性[5]。Han 等通過(guò)改變蒸發(fā)器入口管形狀及布局，降低了冰箱管道振動(dòng)輻射噪聲[6]。

冰箱壓縮機(jī)噪聲來(lái)源較為復(fù)雜，在噪聲控制工程中，對(duì)主要噪聲源進(jìn)行識(shí)別分析顯得尤為重要。本文針對(duì)某型號(hào)壓縮機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)整機(jī)噪聲與低頻振動(dòng)偏大等問(wèn)題，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試與噪聲分析，根據(jù)分析結(jié)果提出改進(jìn)方案并進(jìn)行了方案驗(yàn)證。

1 壓縮機(jī)噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)

1.1 壓縮機(jī)簡(jiǎn)介

此型號(hào)壓縮機(jī)為單杠活塞式壓縮機(jī)，運(yùn)行時(shí)額定功率為600 W，額定電流為3 A，額定轉(zhuǎn)速為2 950 r/min，應(yīng)用范圍為L(zhǎng)BP/MBP，制冷量820 W，適應(yīng)于商用冰箱及大型商超冷柜，主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 壓縮機(jī)主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)

噪聲測(cè)試環(huán)境為半消聲室，符合《GB/9098-2008電冰箱用全封閉型電動(dòng)機(jī)-壓縮機(jī)》測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。壓縮機(jī)配用減振墊，地腳螺栓不固定；壓縮機(jī)吸/排氣管與消聲室外代用制冷系統(tǒng)連接，使用非剛性連接方式。采用A 計(jì)權(quán)聲功率級(jí)噪聲水平的測(cè)定方法，半球面測(cè)量表面半徑為r（r>=1.0 m），采用10 測(cè)點(diǎn)布置法。測(cè)試中使用丹麥GRAS-46AE 聲學(xué)傳感器、朗德公司（HEAD）Recorder4.0 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和Artemis Suite6.0 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中半消聲室環(huán)境及10測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。

半消聲室10 測(cè)點(diǎn)測(cè)試架表面的平均A 聲級(jí)dB（A）為

式中：LpAi為在第i個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的A聲級(jí)dB(A)；

K1i為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)上的背景噪聲修正值。

2 壓縮機(jī)噪聲測(cè)試及頻譜分析

2.1 拆除各元件噪聲測(cè)試試驗(yàn)

圖2 半消聲室內(nèi)壓縮機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

為識(shí)別壓縮機(jī)在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)輻射的主要噪聲源，根據(jù)可再現(xiàn)性原則設(shè)計(jì)了5種不同測(cè)試工況：

（1）標(biāo)準(zhǔn)工況，見(jiàn)表1，制冷劑為R404a；

（2）拆除氣動(dòng)元件（吸/排氣閥片、汽缸蓋、消音蓋、吸氣消聲器、排氣管）時(shí)的空載（不充注制冷劑）工況；

（3）拆除氣動(dòng)與運(yùn)動(dòng)元件（活塞、活塞銷、連桿、彈性定位銷）時(shí)的空載工況；

（4）拆除吸氣消聲器時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)工況；

（5）拆除排氣管，測(cè)試工況盡可能接近標(biāo)準(zhǔn)工況。壓縮機(jī)（機(jī)芯）拆除零部件后狀態(tài)見(jiàn)圖3。

圖3 壓縮機(jī)拆除零部件后狀態(tài)

將拆除各元件的機(jī)芯放置在新機(jī)殼內(nèi)重新進(jìn)行密封焊接，注入與標(biāo)準(zhǔn)工況相同的油量。放入半消聲室，連接制冷系統(tǒng)管路進(jìn)行聲壓測(cè)試及聲功率級(jí)計(jì)算，10測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

拆除氣動(dòng)元件后在空載工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，噪聲以壓縮機(jī)機(jī)械噪聲與電磁噪聲為主。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，除機(jī)械噪聲和電磁噪聲外，還存在制冷劑氣流脈動(dòng)噪聲[7]。對(duì)比整機(jī)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)，兩者聲功率級(jí)相差18.45 dB，得知?dú)饬髅}動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)整機(jī)噪聲影響較大。拆除氣動(dòng)元件和運(yùn)動(dòng)元件后空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，壓縮機(jī)主要噪聲源為電磁噪聲，測(cè)試噪聲值為29.47 dB，與半消聲室背景噪聲差異較小。與僅拆除氣動(dòng)原件壓縮機(jī)比較，由表2 可知，機(jī)械噪聲差異值為38.19–29.47=8.72 dB，可知該型號(hào)壓縮機(jī)的主要噪聲源為氣動(dòng)噪聲，其次為機(jī)械噪聲，而電磁噪聲對(duì)整機(jī)噪聲影響較小。

表1 壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試工況

進(jìn)氣噪聲和排氣噪聲亦是活塞式壓縮機(jī)的主要噪聲源，吸氣消聲器和排氣管設(shè)計(jì)的合理性對(duì)抑制進(jìn)氣和排氣噪聲有較大影響[2,8]。在壓縮機(jī)拆除吸氣消聲器后對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)狀況噪聲值，聲功率級(jí)上升5.42 dB。拆除排氣管后噪聲值與標(biāo)準(zhǔn)狀況相差4.18 dB，可見(jiàn)進(jìn)氣噪聲強(qiáng)于排氣噪聲。

2.2 拆除各元件后噪聲頻譜分析

為進(jìn)一步明確壓縮機(jī)噪聲源分布及降噪頻段，利用Artemis Suite6.0軟件對(duì)5種不同工況噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，噪聲頻譜見(jiàn)圖4、圖5。

從圖4中標(biāo)準(zhǔn)工況與拆除氣動(dòng)元件工況的噪聲源頻譜對(duì)比看出，壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲主要分布在200 Hz～800 Hz和1 500 Hz～16 000 Hz 2個(gè)頻段，呈寬頻分布特征，尤其在2 000 Hz左右，氣動(dòng)噪聲最大差異值為33 dB，這是壓縮機(jī)降噪控制的主要消降頻段。由同時(shí)拆除氣動(dòng)和運(yùn)動(dòng)元件工況下的噪聲源頻譜可知，電磁噪聲峰值為20 dB，對(duì)應(yīng)頻率為1 600 Hz，可見(jiàn)電磁噪聲對(duì)整機(jī)噪聲影響較小。將僅拆除氣動(dòng)元件工況與同時(shí)拆除氣動(dòng)和運(yùn)動(dòng)元件工況噪聲源頻譜對(duì)比，得知壓縮機(jī)機(jī)械噪聲主要分布在100 Hz～200 Hz 和500 Hz～4 000 Hz 之間，是由轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不平衡力引發(fā)的振動(dòng)噪聲及由曲軸-活塞-連桿相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦噪聲，4 000 Hz 以上影響較小。

圖4 拆除氣動(dòng)及運(yùn)動(dòng)元件工況下1/3倍頻程譜圖

由圖5 可知，拆除吸氣消聲器工況下壓縮機(jī)噪聲頻率在100 Hz～400 Hz 和630 Hz～1 250 Hz，在其它頻段波動(dòng)較小。

圖5 拆除吸氣及排氣元件工況下1/3倍頻程譜圖

因此，吸氣消聲器主要降低中低頻噪聲，對(duì)抑制2 000 Hz左右的高頻氣動(dòng)噪聲作用較小。對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)狀況噪聲源頻譜，拆除排氣管后，壓縮機(jī)在50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz處噪聲幅值均有降低。根據(jù)理論分析，排氣管振動(dòng)噪聲激勵(lì)源為壓縮機(jī)，激勵(lì)頻率為f=n?z?i/60，其中n 為轉(zhuǎn)速，z 為氣缸參數(shù)（單缸取1），i 為諧頻階次，計(jì)算噪聲諧頻分別為49.2 Hz、98.4 Hz、147.6 Hz等，與試驗(yàn)測(cè)試值基本一致。排氣管固有頻率與壓縮機(jī)激振頻率相接近，會(huì)產(chǎn)生共振。在1 500 Hz～2 600 Hz之間，標(biāo)準(zhǔn)工況下噪聲值明顯高于壓縮機(jī)無(wú)排氣管工況，且此頻段為氣動(dòng)噪聲主要分布頻段，2 000 Hz 處無(wú)排氣管壓縮機(jī)噪聲值降低約15 dB，由此推斷，制冷劑在排氣管內(nèi)產(chǎn)生的周期性氣流脈動(dòng)和氣流噴注噪聲是2 000 Hz峰值噪聲的主要影響因素。

表2 壓縮機(jī)10測(cè)點(diǎn)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)/dB

3 壓縮機(jī)改進(jìn)措施

3.1 消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)壓縮機(jī)腔內(nèi)排氣管振動(dòng)與噪聲問(wèn)題，根據(jù)試驗(yàn)分析結(jié)果，提出在排氣管彎管處安裝減振彈簧，提高排氣管固有頻率，避開(kāi)壓縮機(jī)低頻結(jié)構(gòu)共振頻率。同時(shí)在靠近排氣管進(jìn)氣端口處設(shè)計(jì)消聲器，減少由制冷劑流經(jīng)排氣管產(chǎn)生脈動(dòng)壓力作用所引起的周期振動(dòng)或瞬時(shí)沖擊，降低2 000 Hz氣動(dòng)峰值噪聲，排氣管消聲器具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 壓縮機(jī)排氣管消聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

這是一個(gè)二級(jí)串接抗性消聲器，由入口管、擴(kuò)張腔、孔板和出口管等4 部分組成。受壓縮機(jī)腔內(nèi)空間結(jié)構(gòu)限制，排氣管消聲器的擴(kuò)張腔長(zhǎng)度L4與內(nèi)徑尺寸D2變動(dòng)余量較小，故本文重點(diǎn)對(duì)消聲器內(nèi)孔板位置、孔板內(nèi)徑和內(nèi)插管長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)。為減少變量，保證壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性，入口管和出口管仍使用原排氣管，材料為鍍鋅鋼管，外徑為4.78 mm，壁厚為0.7 mm。

3.2 消聲器聲學(xué)性能評(píng)價(jià)

目前對(duì)設(shè)計(jì)的消聲器進(jìn)行聲學(xué)性能評(píng)價(jià)時(shí)，大都采用三維有限元方法進(jìn)行傳遞損失計(jì)算。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，三維有限元較一維平面波理論具有更高的適用性、精準(zhǔn)性，而傳遞損失TL（dB）定義為消聲器入口與出口處聲功率級(jí)之差，不受聲源和末端阻抗影響[9]，計(jì)算公式為

式中：Lin、Lout分別為消聲器輸入聲功率級(jí)、輸出聲功率級(jí)；Win、Wout分別為消聲器輸入聲功率、輸出聲功率。對(duì)此本文采用比利時(shí)公司的三維有限元聲學(xué)仿真軟件LMS Virtual.lab Acoustic對(duì)消聲器傳遞損失進(jìn)行數(shù)值模擬。

模擬計(jì)算時(shí),消聲器擴(kuò)張腔長(zhǎng)度L4為70 mm，內(nèi)徑D2為22 mm。初始位置孔板距離消聲器入口端面L1為35 mm，孔板內(nèi)徑D1為3.38 mm，進(jìn)/出口內(nèi)插管L2/L3為0 mm。排氣管內(nèi)制冷劑為R404a，密度為1.62 kg/m3，聲速為240 m/s。而且在模擬過(guò)程中，僅改變孔板位置、孔板內(nèi)徑、進(jìn)/出口內(nèi)插管長(zhǎng)度等某一結(jié)構(gòu)參數(shù)值，其它參數(shù)值保持不變，消聲器不同結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.3 聲學(xué)模擬結(jié)果分析

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)消聲器傳遞損失的影響見(jiàn)圖7，由此得知：

(1)隨著孔板與入口端面的距離L1不斷增大，消聲器消聲頻帶逐漸向高頻移動(dòng)，當(dāng)L1接近消聲器擴(kuò)張腔長(zhǎng)度的1/2 時(shí)，消聲低谷頻帶變寬。由此可知，孔板設(shè)計(jì)應(yīng)避開(kāi)消聲器中心位置。

(2)隨著孔板內(nèi)徑D1的不斷增大，消聲器整體消聲性能減弱，傳遞損失峰值由50 dB 降低到42 dB。因此，進(jìn)行排氣管消聲器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，孔徑不宜過(guò)大。

(3)當(dāng)進(jìn)/出口內(nèi)插管長(zhǎng)度L2/L3較短時(shí)，消聲器在3 800 Hz 處存在通過(guò)頻率，消聲量為零。隨著L2/L3長(zhǎng)度增加，通過(guò)頻率消失，消聲性能得到改善，可知進(jìn)/出口內(nèi)插管長(zhǎng)度影響消聲器通過(guò)頻率，且長(zhǎng)度不宜太短。

通過(guò)對(duì)排氣管消聲器設(shè)計(jì)尺寸的消聲分析，結(jié)合壓縮機(jī)降噪頻率，設(shè)計(jì)了一種帶有消聲器與減振彈簧的新排氣管，整機(jī)裝配結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

4 壓縮機(jī)效果驗(yàn)證

由于受測(cè)試設(shè)備限制，不能直接測(cè)量排氣管消聲器的傳遞損失，只能測(cè)量裝有新排氣管壓縮機(jī)的整機(jī)噪聲。將6臺(tái)裝有新排氣管的壓縮機(jī)進(jìn)行整機(jī)噪聲測(cè)試并取數(shù)據(jù)測(cè)試均值，與原排氣管壓縮機(jī)噪聲頻譜進(jìn)行對(duì)比，1/3倍頻程噪聲頻譜見(jiàn)圖9。

對(duì)比得知，裝有新排氣管的壓縮機(jī)在1 500 Hz～2 500 Hz之間噪聲降低，2 000 Hz處聲壓級(jí)由原來(lái)的49.3 dB降低到35.5 dB，降低值為13.8 dB，在轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)基頻及諧頻處噪聲也有改善。

圖7 消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳遞損失的影響

圖8 裝有新排氣管壓縮機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)

圖9 排氣管改進(jìn)前后噪聲源頻譜對(duì)比

然而在6 300 Hz～16 000 Hz 之間，壓縮機(jī)噪聲幅值有所升高，可見(jiàn)壓縮機(jī)噪聲來(lái)源較為復(fù)雜。通過(guò)計(jì)算，裝有新排氣管的壓縮機(jī)聲功率級(jí)均值為54.81 dB，相對(duì)于改善前整機(jī)噪聲降低1.83 dB。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)5 種工況的對(duì)比測(cè)試分析，確認(rèn)氣動(dòng)噪聲為主要噪聲源，機(jī)械噪聲為次要聲源，電磁噪聲對(duì)整機(jī)噪聲影響較小。壓縮機(jī)氣動(dòng)噪聲呈寬頻分布特征，進(jìn)氣噪聲強(qiáng)于排氣噪聲，噪聲峰值為49.3 dB，對(duì)應(yīng)頻率為2 000 Hz。壓縮機(jī)激振頻率引發(fā)排氣管低頻振動(dòng)。

根據(jù)測(cè)試分析結(jié)果，提出設(shè)置排氣管消聲器與安裝彎管減振彈簧等改進(jìn)措施，并進(jìn)行樣機(jī)制作與測(cè)試。在轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)基頻及諧頻處，裝有新排氣管的壓縮機(jī)噪聲值均有所降低，其中2 000 Hz 處氣動(dòng)噪聲峰值由49.3 dB 降為35.5 dB，整機(jī)聲功率級(jí)降低1.83 dB，具有明顯的降噪效果，但結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步優(yōu)化。