冰箱壓縮機的殼體模態(tài)優(yōu)化降噪方法

陳 剛，朱金江，肖建華，陳 曦，李菁瑞

(黃石東貝壓縮機有限公司，湖北 黃石 435000)

近幾年，隨著變頻冰箱的廣泛應用，變頻壓縮機高速工作時的高頻噪聲問題越來越凸顯，嚴重影響用戶的使用體驗。壓縮機在工作過程中，由于內(nèi)部零部件間的相對運動和摩擦會產(chǎn)生震動和噪聲，并最終以壓縮機外殼震動的形式向外輻射噪聲。殼體向外輻射噪聲的大小與殼體的固有特性有關，因此，研究壓縮機殼體的固有特性對冰箱高頻噪聲的控制非常重要[1]。梅長云等[2]通過對壓縮機殼體進行VTF(振動傳遞函數(shù))仿真分析，尋找上下殼體振速最大的位置，優(yōu)化了殼體形狀。張?zhí)煲淼萚3]采用有限元分析的方法，完成了某型號半封閉雙螺桿制冷壓縮機的殼體結構模態(tài)分析與強度分析，發(fā)現(xiàn)殼體的噪聲響應與模態(tài)、振型及共振點相關。然而，僅僅利用模態(tài)分析并不能完全解決高頻噪聲問題，還需要對剛度和共振點進行優(yōu)化。張友國等[4]使用Hyperwork軟件的Optistruct模塊得到了最優(yōu)拓撲形態(tài)，在電控蓋板結構上增加環(huán)向筋和徑向筋來提升模態(tài)頻率和剛度。袁勃等[5]通過分析殼體拉應力、壓應力的分布,結合模態(tài)振型合理布局殼體表面加強筋和優(yōu)化圓角,使殼體強度滿足要求。樂建波等[1]基于數(shù)值分析的方法,建立了壓縮機殼體有限元模型,模擬分析了不同厚度及不同形狀上殼體對壓縮機殼體固有特性的影響規(guī)律。

信號處理技術以強大的滲透力被許多重要的應用領域廣泛采用。在降噪處理方面，朱文英等[6]對比了各種數(shù)字濾波器的降噪效果，為優(yōu)化車內(nèi)噪聲提供了參考依據(jù)。徐一帆[7]提出了一種利用小波降噪處理汽車發(fā)動機噪聲信號的方法。盡管很多專家學者基于殼體模態(tài)或者基于信號處理技術分析了車體噪聲，但基于信號處理分析的模態(tài)設計仍是需要研究的課題。為了研究變頻冰箱工作時存在高頻噪聲的問題，本文提出一種基于信號處理技術的壓縮機殼體模態(tài)優(yōu)化降噪方法，以提高殼體模態(tài)分析精度，改善壓縮機高頻噪聲。

1 測試方法及原理

1.1 壓縮機測試環(huán)境和系統(tǒng)

測試壓縮機噪聲需要一個符合標準的半消聲室或者全消聲室。本測試方法將壓縮機置于半消聲室中央，根據(jù)國標要求連接壓縮機工況模擬系統(tǒng)，調(diào)節(jié)吸、排氣壓力，系統(tǒng)運行3 h，壓力達到標準要求后，使用Noise-test軟件測試噪聲。

壓縮機屬于小體積型物體，適用方法為半球面聲功率測試法，半球面安裝10個測試點。半球面聲功率測試傳感器布點位置示意圖如圖1所示。

圖1 半球面聲功率測試傳感器布點位置示意圖

1.2 聲壓傳感器測試原理及噪聲A聲功率級的計算方法

聲壓傳感器的測試原理：聲壓的振動傳到麥克風的振膜上，推動里面的磁鐵形成變化的電流，變化的電流信號傳輸?shù)胶竺娴穆曇籼幚黼娐愤M行放大處理；測試軟件采集信號，進行傅里葉變換后，計算出每個麥克風的聲壓級；通過公式計算得出最終的噪聲結果。

噪聲A聲級測試時首先要對測試環(huán)境進行修正，確保不受外部環(huán)境干擾，修正的參數(shù)要根據(jù)消聲室實際本底噪聲確定， 再根據(jù)噪聲產(chǎn)生的壓力大小測出聲壓，聲壓級數(shù)據(jù)按式(1)計算：

(1)

式(1)中，LPA為測量表面的平均A聲級，dB(基準值為20 μPa)；LPAi為第i點測得的A聲級，dB(基準值為20 μPa)；K1i為第i測點上的背景噪聲修正值，dB；N為測點總數(shù)。

利用信號處理技術，采集得到壓縮機噪聲總值和壓縮機每一個聲壓傳感器在0～10 kHz范圍內(nèi)的窄帶普噪聲。單個傳感器聲壓窄帶譜如圖2所示。從圖2可以看出，噪聲在2 150 Hz附近比較集中，說明這一區(qū)域的噪聲是影響壓縮機整體高頻噪聲的主要因素，在這一區(qū)域范圍內(nèi)的高峰值點就是易產(chǎn)生共振的點。

圖2 單個傳感器聲壓窄帶譜

1.3 高頻噪聲的輻射原理分析

壓縮機在運行時因吸、排氣閥片的開啟與閉合高速運動，閥片與閥板之間的相互拍擊產(chǎn)生高頻寬帶噪聲，制冷劑在流道內(nèi)高速流動也會產(chǎn)生一些高頻湍流噪聲，這些噪聲形成了壓縮機內(nèi)部的聲源，以壓縮機殼體振動的形式向外輻射噪聲。壓縮機噪聲源是寬頻帶噪聲，殼體在噪聲區(qū)域內(nèi)存在一個或者多個共振點，殼體自身存在這樣的模態(tài)節(jié)點，殼體的模態(tài)和振型方向設計如果不合理，則非常容易激起殼體自身模態(tài)的共振，從而產(chǎn)生高頻噪聲。因此，為控制壓縮機高頻噪聲對殼體模態(tài)進行設計優(yōu)化是非常必要的。殼體模態(tài)優(yōu)化設計時要考慮2個要素：①規(guī)避重點高峰值點；②高峰值點的振型方向盡量不要與殼體面垂直。

2 基于噪聲信號處理結果的殼體模態(tài)優(yōu)化設計

2.1 噪聲信號信息

選取10個壓縮機噪聲測試點，獲取每個傳感器聲壓信號信息，綜合分析這10組數(shù)據(jù)，按照高峰值頻率點在這10個信號中所占比例，以及綜合噪聲值的大小進行判斷，確定出殼體輻射高頻共振噪聲點為2 836，3 014，3 224 Hz。提取到這些信息點后，對殼體模態(tài)結構和振型進行分析改善。

2.2 殼體模態(tài)參數(shù)測試

壓縮機在進行殼體模態(tài)優(yōu)化設計前，首先要確定當前產(chǎn)品的模態(tài)。當前產(chǎn)品的模態(tài)使用力錘法測試，測點布置完成后，根據(jù)測試要求將每一個點的模態(tài)信息測試出來。壓縮機模態(tài)測試布點及振型如圖3所示。

(a) 模態(tài)測試布點

(b) 系統(tǒng)振型

模態(tài)測試完成后，提取前6階模態(tài)的參數(shù)。壓縮機殼體模態(tài)參數(shù)見表1。

表1 壓縮機殼體模態(tài)參數(shù)

從表1可以看出，1～3階模態(tài)點與上述噪聲信號處理結果得出的噪聲節(jié)點比較吻合，說明2 199，2 290，3 362 Hz就是易產(chǎn)生共振的高峰值點。因此，殼體模態(tài)設計時需要重點避開。避開的方法是設計更高的殼體模態(tài)，這樣設計首先是避開了這些共振點，其次，殼體模態(tài)越高，要激勵殼體共振所需要的能量就越大。因后面幾階模態(tài)已經(jīng)非常高，暫不作設計要求。

2.3 殼體模態(tài)優(yōu)化設計

殼體模態(tài)優(yōu)化主要是對殼體的弧度和曲率進行優(yōu)化設計。因為殼體弧度越圓滑，曲率變化越小，越不容易產(chǎn)生密集的模態(tài)點，而且殼體模態(tài)會更高?；赟olidWorks軟件調(diào)整殼體的曲線結構，使相交的曲線之間過渡更平滑，以減少或避免產(chǎn)生細小的凸起部位，然后再將3D圖紙導入Ansys structure模塊，理論分析殼體模態(tài)。壓縮機殼體模態(tài)優(yōu)化前、后的效果如圖4所示。從圖4可以看出，殼體優(yōu)化前終檢部位顏色較深，說明曲率變化大，優(yōu)化后殼體的整體顏色趨于相同，說明曲率過渡較好。

(a) 優(yōu)化前殼體及模態(tài)節(jié)點

(b) 優(yōu)化后殼體及模態(tài)節(jié)點

殼體優(yōu)化前、后模態(tài)對比見表2。從表2可以看出，殼體優(yōu)化后，各階模態(tài)均有提高，其中，1階模態(tài)提高了約900 Hz，2階模態(tài)提高了約1 230 Hz，成功避開了高頻噪聲共振節(jié)點。對優(yōu)化后的殼體進行噪聲驗證，結果為壓縮機整體噪聲降低了2 dB(A)左右，高頻噪聲降低了5 dB(A)左右。

表2 殼體優(yōu)化前、后模態(tài)對比 Hz

3 結論

高頻噪聲改善一直是壓縮機的重要研究方向。本文首先運用噪聲信號處理方法進行窄帶譜分析，尋找出易產(chǎn)生共振點的區(qū)域范圍，再結合殼體自身模態(tài)點，最終確定共振頻率高峰值點。利用SolidWorks軟件對殼體曲線結構進行優(yōu)化，成功避開了高頻噪聲共振點，有效地降低了壓縮機高頻噪聲。