基于多孔吸聲材料的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)降噪特性研究

趙鳳榮，黃波

（上海海立電器有限公司，上海 201206）

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)舒適性的要求也越來越高。對(duì)于空調(diào)而言，不僅有能效的要求，用戶也逐漸追求低的噪聲水平。壓縮機(jī)作為空調(diào)的主要噪聲源之一，直接向外輻射噪聲。因此轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)要占有更多市場(chǎng)，必須在振動(dòng)噪聲方面有所突破[1-3]。而目前滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)內(nèi)部降低氣流噪聲的手段以抗性消聲為主，主要通過改變消聲器結(jié)構(gòu)或增加霍姆赫茲共振腔來實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的降噪[4]。另外，黃波等[5]研究了在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)中使用高阻尼的聚醚醚酮作為排氣閥的主要材料，降低了閥片的沖擊噪聲，在壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速的中低頻段下降了3～5 dB。蔡建程等[6]分析了往復(fù)式制冷壓縮機(jī)噪聲的類型及傳遞路徑，指出殼體是壓縮機(jī)自身噪聲向外輻射的最終載體，并對(duì)壓縮機(jī)的殼體模態(tài)及裝配工藝進(jìn)行研究，指出結(jié)構(gòu)模態(tài)與振動(dòng)噪聲的關(guān)系。

阻性消聲應(yīng)用相對(duì)較少，這主要受阻性消聲材料自身屬性所限制。隨著壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速越來越高[7]，壓縮機(jī)內(nèi)部冷凍機(jī)油和制冷劑溫度也逐漸升高，這對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)部非金屬件的要求也更加嚴(yán)格。而目前大多數(shù)吸聲材料不能滿足高溫高壓下與制冷劑和冷凍機(jī)油的相容性要求，在模擬壓縮機(jī)內(nèi)部材料加速壽命試驗(yàn)時(shí)，部分吸聲材料由于高溫發(fā)生碳化，也有部分材料與制冷劑或冷凍機(jī)油發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

目前可以在壓縮機(jī)內(nèi)部使用的吸聲材料，主要有泡沫金屬類（泡沫鐵、泡沫鎳或泡沫鋁）、泡沫玻璃及泡沫塑料中的密胺材料[8]。泡沫玻璃有較好的開孔率[9]，高達(dá)85%以上，但是由于材料的特性，其力學(xué)性能較差，容易遭到破壞，泡沫玻璃在切割位置有容易掉落的碎屑，在壓縮機(jī)內(nèi)部使用可能會(huì)造成壓縮機(jī)的堵轉(zhuǎn)，或?qū)照{(diào)系統(tǒng)有不良影響，本文主要對(duì)泡沫塑料（主要是密胺材料）及泡沫金屬進(jìn)行探討。在20世紀(jì)80年代，密胺材料（三聚氰胺泡沫）由德國公司巴斯夫率先取得了重大進(jìn)展[10]，隨后其公司公布了三聚氰胺泡沫的制備方法[11]，并逐步開始在建筑等領(lǐng)域廣泛使用。張慧潔等[12]為了提高低頻吸聲效果，以聚酯纖維、微穿孔板和鋁纖維板為研究對(duì)象，得出在合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)下，在低頻100～500 Hz頻段，材料的平均吸聲系數(shù)達(dá)0.55。張亞虎等[13]提出一種共振吸聲體結(jié)構(gòu)，利用吸聲體的共振頻率與噪聲聲壓級(jí)峰值頻率相吻合引起共振的方法，最大限度地吸收噪聲聲壓級(jí)的峰值，達(dá)到吸聲降噪的目的。黃磊[14]研究了吸聲和隔聲材料在空調(diào)降噪中的應(yīng)用，主要在壓縮機(jī)外側(cè)安裝隔聲罩和吸聲材料，分析了吸聲層材料與隔聲層材料對(duì)空調(diào)降噪的影響。

1 多孔吸聲材料消聲機(jī)理

多孔吸聲材料在結(jié)構(gòu)上有一個(gè)共同特征，就是表面和內(nèi)部有無數(shù)微細(xì)孔隙，微孔的孔徑多在微米到十幾微米間。這些微孔間互相貫通，具有較好通氣性，微孔的總體積約占總體積的95%以上[15]。

當(dāng)聲波入射到多孔吸聲材料表面時(shí)，一部分聲波從多孔材料表面反射，另一部分聲波透射進(jìn)入孔隙，并衍射到材料內(nèi)部的微孔內(nèi)。進(jìn)入多孔材料的這部分聲波，引起孔隙中的黏滯阻力，以及孔隙中的空氣和孔壁與纖維之間的熱傳導(dǎo)，從而相當(dāng)一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能被耗散掉。特別是低頻的吸收，主要依靠材料細(xì)纖維的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)[15-16]。此外，聲波在多孔性吸聲材料內(nèi)經(jīng)過多次反射進(jìn)一步衰減，當(dāng)進(jìn)入多孔性吸聲材料內(nèi)的聲波再次返回時(shí)，聲波能量已經(jīng)衰減很多，只剩下小部分能量，大部分則被多孔性吸聲材料損耗吸收掉。所以只有數(shù)量豐富、且內(nèi)部孔與孔之間互相連通的多孔材料才可能使聲能深入到材料內(nèi)部，因此聲波才能順利滲入[17]。

2 密胺海綿材料特性

密胺海綿是采用熱固性聚合物（三聚氰胺樹脂）為原料制成的彈性開孔泡沫。其纖細(xì)而易于成型的纖維構(gòu)成了三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其微觀特性見圖1。其材料分子式為C3H6N6，一般為白色單斜晶體，不溶于水，熔點(diǎn)354 ℃。密胺海綿是一種低容重、高開孔率、柔性的納米超細(xì)纖維泡沫塑料，具有良好的阻燃性和吸聲特性。其開孔率高達(dá)95%以上，使得聲波能充分有效地進(jìn)入材料的深層，之后轉(zhuǎn)化為熱能被耗散掉，達(dá)到吸聲的目的。

圖1 密胺材料微觀特性

密胺海綿的物理性質(zhì)穩(wěn)定，在較大的溫度范圍內(nèi)有穩(wěn)定的物理性能，有效工作溫度在-200～240 ℃。由于密胺海綿優(yōu)良的吸聲特性及阻燃性，被廣泛應(yīng)用于地鐵及軌道列車的隔熱吸音、船舶的聲學(xué)降噪、飛機(jī)座艙和管道系統(tǒng)的隔音及運(yùn)載火箭載荷區(qū)的覆層，在壓縮機(jī)內(nèi)部的研究和應(yīng)用較少。

3 吸聲系數(shù)測(cè)試

3.1 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

多孔吸聲材料一般用吸聲系數(shù)來評(píng)價(jià)，吸聲系數(shù)是被吸聲材料吸收的聲能和入射聲能之比。而吸聲系數(shù)的檢測(cè)主要有阻抗管法[18-19]和混響室法[20]，而阻抗管法又分為駐波比法及傳遞函數(shù)法。

駐波比法[18]用于在阻抗管中測(cè)定法向入射條件下吸聲材料和結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)、反射系數(shù)和表面聲阻抗率或表面聲導(dǎo)納率。將測(cè)試件裝在阻抗管的一端，入射聲波由阻抗管另一端的揚(yáng)聲器產(chǎn)生，入射聲波與從樣件反射回來的聲波相疊加，從而在阻抗管內(nèi)部建立起駐波。當(dāng)入射聲波與反射波同相位時(shí)，駐波圖出現(xiàn)極大值；當(dāng)兩者反相時(shí)，則出現(xiàn)極小值。駐波比根據(jù)測(cè)得的第n個(gè)聲壓極小值處的聲壓振幅和極大值處的聲壓幅值得到。

傳遞函數(shù)法[19]也是阻抗管法的一種，只不過傳聲器與駐波比法不同。待測(cè)試的樣品在阻抗管的一端，平面波由聲源產(chǎn)生，在靠近樣品的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)位置測(cè)量聲壓，求得兩個(gè)傳聲器信號(hào)的聲傳遞函數(shù)，用此計(jì)算試件的法向入射復(fù)反射因數(shù)、法向入射吸聲系數(shù)和聲阻抗率。

根據(jù)GB/T20247—2006[20]，混響室法測(cè)定吸聲系數(shù)，可以用于測(cè)試橫向和法向有明顯不同結(jié)構(gòu)的材料。阻抗管法一般要求樣件較小，而混響室法則要求樣品大小10～12 m2的標(biāo)準(zhǔn)樣件，這對(duì)測(cè)試帶來較大不便。而阻抗管法僅限于法向入射參數(shù)的研究，要求測(cè)試樣品與阻抗管的截面大小相同即可。

3.2 吸聲系數(shù)測(cè)試

本次樣品主要由幾家合作公司提供，主要有泡沫金屬類（泡沫鐵、泡沫鎳）以及泡沫塑料（密胺材料），其中密胺材料分為普通材與高密度材料，以及F公司多倍壓縮產(chǎn)品。吸聲系數(shù)測(cè)試委托第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)完成，測(cè)試依據(jù)GB/T18696.2—2002[19]進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻段為80～5 000 Hz范圍。

具體待測(cè)樣品見表1，測(cè)試目的主要為篩選出適合滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)應(yīng)用的樣品，為方便對(duì)比，樣件均統(tǒng)一厚度5 mm。

表1 測(cè)試樣品信息

由圖2可知，不同廠家密胺材料吸聲系數(shù)差異很大，尤其是中高頻1 000 Hz以上頻段。對(duì)于泡沫鎳而言，5 mm厚度時(shí)，500 Hz以下頻段相對(duì)有優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于1 000 Hz以上頻段，吸聲性能相對(duì)較差。

圖2 5種不同材料吸聲系數(shù)

對(duì)于樣品2和樣品3，在5 mm厚度時(shí)，產(chǎn)品密度的差異，也主要體現(xiàn)在800 Hz以上頻段，尤其是4 000～5 000 Hz頻段，高密度的吸聲系數(shù)是低密度的兩倍左右。

在1 250 Hz以下頻段，樣品4吸聲系數(shù)相對(duì)最高，且1 250 Hz以上頻段，吸聲系數(shù)也能保持優(yōu)勢(shì)，綜合吸聲系數(shù)及材料成本，初期考慮在壓縮機(jī)內(nèi)部使用樣品4進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

4 多孔吸聲材料在壓縮機(jī)內(nèi)應(yīng)用

對(duì)于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)而言，由于整體是封閉式結(jié)構(gòu)，故在壓縮機(jī)殼體內(nèi)部適合使用多孔吸聲材料。在不影響現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的前提下，初步考慮在壓縮機(jī)下殼蓋內(nèi)部襯入多孔吸聲材料，主要原因是下殼蓋處有安裝空間，且由下殼蓋輻射出去噪聲多為中高頻噪聲，對(duì)整機(jī)噪聲級(jí)值影響較大；在此處嵌入多孔吸聲材料，無需有較大結(jié)構(gòu)上變動(dòng)；且此處基本無氣流沖擊，對(duì)材料強(qiáng)度要求不高。

因此將樣品4加工至圓環(huán)形，放至下殼蓋內(nèi)部，前期試制階段，用環(huán)氧膠將圓環(huán)形密胺吸聲材料與壓縮機(jī)下側(cè)蓋板結(jié)合起來。裝入滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)下殼蓋前樣品如圖3所示，圓環(huán)狀海綿體。

圖3 密胺材料

圖4 下殼蓋內(nèi)嵌入密胺吸聲材料

基礎(chǔ)式樣和加密胺消聲材料兩方案各3臺(tái)，對(duì)壓縮機(jī)單體噪聲進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試在上海海立電器全消室進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見圖5。從測(cè)試結(jié)果來看，加入密胺消聲材料后，高轉(zhuǎn)速下，尤其是5 400 r/min和6 000 r/min，噪聲值下降約2 dBA。

圖5 噪聲測(cè)試結(jié)果對(duì)比

圖6所示為兩種方案頻譜對(duì)比，從數(shù)據(jù)結(jié)果來看，主要改善頻段為1 000 Hz以上中高頻頻段。此處整機(jī)測(cè)試噪聲改善頻段跟密胺材料單體吸聲測(cè)試會(huì)有差異，主要還是材料厚度以及壓縮機(jī)內(nèi)部實(shí)際工作過程中，多孔吸聲材料會(huì)吸入部分冷凍機(jī)油有關(guān)，這會(huì)對(duì)消聲頻段以及消聲量有一定影響。

圖6 基礎(chǔ)式樣與下端蓋加多孔消聲材料方案頻譜對(duì)比

冷凍機(jī)油影響多孔吸聲材料的吸聲性能，主要是因?yàn)樵谟杏蜖顟B(tài)下，制冷劑在密胺材料中流速會(huì)發(fā)生變化，從而影響吸聲頻段。為降低冷凍機(jī)油的影響，可考慮對(duì)密胺材料進(jìn)行疏水疏油表面處理，或在密胺材料的表面進(jìn)行覆膜處理，使得冷凍機(jī)油無法進(jìn)入到材料內(nèi)部，從而降低冷凍機(jī)油對(duì)吸聲性能的影響。

5 結(jié)論

本文研究了5種不同廠家、不同類型、不同密度的多孔吸聲材料，用傳遞函數(shù)法分析對(duì)比了在不同頻段的吸聲系數(shù)，得出如下結(jié)論：

1）在1 250 Hz以下頻段，Z公司密胺材料吸聲系數(shù)最高，在1 250 Hz以上頻段，F(xiàn)公司高密度密胺材料吸聲特性最優(yōu)，但在中低頻段，沒有明顯優(yōu)勢(shì)；

2）在500 Hz以下頻段，泡沫鎳與Z公司密胺材料吸聲系數(shù)相當(dāng)，約為0.03，但在500 Hz以上頻段，泡沫鎳吸聲系數(shù)隨頻段的增幅沒有密胺材料的高，在5 000 Hz頻段處的吸聲系數(shù)僅為0.12；

3）在壓縮機(jī)下端蓋內(nèi)部嵌入Z公司密胺材料，和常規(guī)無吸聲材料的壓縮機(jī)相比，整機(jī)噪聲級(jí)降低2 dBA，在1 000 Hz以上關(guān)鍵頻段，聲壓級(jí)下降約2～5 dB。