冰箱壓縮機吸氣消聲器聲學特性分析

韓寶坤，牛家鵬，閆成穩，鮑懷謙

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

冰箱壓縮機吸氣消聲器聲學特性分析

韓寶坤，牛家鵬，閆成穩，鮑懷謙

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

采用在壓縮機吸氣端設置消聲器的方法降低冰箱在運行過程中制冷壓縮機所產生的噪聲。采用Creo 3.0對壓縮機吸氣消聲器進行三維建模，使用CATIA劃分網格，運用LMS.Virtual.Lab對內腔無導流管的消聲器進行聲學傳遞損失計算。針對無導流管的消聲器在壓縮機主要噪聲頻段消聲效果不穩定的特征，設計內腔方形導流管、內腔圓形導流管兩種消聲器，與無導流管消聲器進行對比，發現導流管可以提高消聲器的消聲性能，而導流管的形狀也影響消聲器的消聲性能，圓形導流管比方形導流管有更好的降噪效果。最后通過壓縮機整體噪聲測試實驗，驗證上述不同結構消聲器在壓縮機穩定工況時降噪的對比效果，得出圓形導流管消聲器對于整機輻射噪聲消聲效果好的結論。

聲學；制冷壓縮機；吸氣消聲器；傳遞損失；導流管；噪聲測試

隨著社會的發展，人們生活水平不斷提高，人們對家用電器的噪聲越來越重視，噪聲越來越成為衡量冰箱壓縮機品質的重要指標。冰箱的噪聲主要由制冷壓縮機引起，而壓縮機的噪聲主要由氣流脈動噪聲、機械噪聲和電磁噪聲三部分組成，其中氣流脈動噪聲所占的比重最大，是壓縮機的主要噪聲源[1]。因此降低氣流脈動噪聲對壓縮機的研究有著十分重要的意義，為了降低制冷劑流動所產生的吸氣噪聲，采用在壓縮機吸氣端設置消聲器的方法來降低噪聲[2-3]。壓縮機的吸氣消聲器是一種抗性擴張式消聲器，它的消聲原理是利用管道界面的突然擴張或者收縮，使沿管道傳播的某些頻率的聲波不能通過消聲器，從而達到消聲的目的。現如今大部分吸氣消聲器內腔中設置一隔板以提高消聲性能，通過改變隔板位置參數來改進消聲器的消聲性能，具有一定的效果，但在壓縮機氣流脈動噪聲的主要頻段800 Hz～1 000 Hz消聲效果不明顯[4]。

文中基于有限元法，對冰箱壓縮機的吸氣消聲器進行聲場分析，研究內腔無導流管消聲的傳遞損失，分析其消聲特性并針對無導流管消聲器本身的不足，設計了內腔方形導流管、圓形導流管兩種新型消聲器，通過分析，發現導流管可以提高消聲器的傳遞損失，而圓形導流管較之方形有更高的傳遞損失。最后通過實驗，證明改進后的圓形導流管消聲器在整機噪聲測試中有更好的降噪效果，為產品設計提供依據和理論基礎。

1 吸氣消聲器建模

1.1 消聲器結構參數

壓縮機吸氣消聲器采用PBT樹脂（聚對苯二甲酸丁二醇酯）材料合成，PBT樹脂為結晶性，熔點在230℃左右，相對密度為1.35，具有優良的力學性能，有自潤滑性和耐磨性，具有摩擦系數低、耐熱、耐候好等特性。吸氣消聲器內腔中設置一隔板，以提高消聲性能，隔板中間設置一小孔，孔徑為6.5 mm。如圖1所示。

圖1 消聲器結構

1.2 消聲器模型

對于家用冰箱制冷壓縮機來說，其壓縮機的氣流速度較低，可以忽略消聲器內部的流體與機構的耦合作用，認為消聲器內部是非耦合聲場。因此，就僅對消聲器的內部腔結構建立數學模型。在Creo3.0中先建立無導流管吸氣消聲器的三維模型。將消聲器內表面即制冷劑流過內腔表面的部分進行內表面提取，通過填充、投影將其實體化。如圖2所示。

圖2 無導流管消聲器

在有限元分析方法中，網格的稀疏將直接影響到數值模擬計算的準確度，所以，網格的劃分應盡量做到足夠精細，以便提高聲學傳遞損失計算的準確度。對于有限元模型，通常假設在最小波長內有6個單元，也就是最大單元的邊長要小于計算頻率最短波長的1/6[5]。為了控制變量使仿真結果更加準確，在CATIA中將內腔無導流管消聲器進行網格劃分，并將其保存為bdf格式，然后導入LMS.Virtual. Lab中進行消聲器的傳遞損失計算，如圖3所示。

圖3 無導流管消聲器網格

2 仿真分析

2.1 參數設置

冰箱壓縮機的吸氣消聲器是一種抗性消聲器。消聲量與消聲頻率段是衡量消聲器聲學性能的主要指標，而消聲器的傳遞損失就是測量消聲量的一種度量方法。傳遞損失即為消聲器的進口入射聲功率級與出口處的透射聲功率級之差[6]，其計算表達式為

式中Win、Wout為入射聲功率、透射聲功率；Sin、Sout為入口面積、出口面積；Pin、Pout為入射聲壓、透射聲壓。

為了在聲學仿真計算時使問題簡單方便，必須對媒質和聲波過程做一些假設[4]：

(1)假定聲波在消聲器的內部傳播是在理想的無黏性流動媒質中進行的，傳播過程沒有能量的損失；

(2)假定傳播過程中，消聲器內部的媒質與周圍的部分不會產生溫度差而引發熱交換；

(3)假定所用媒質在宏觀上是靜止且無聲擾動，消聲器內部靜壓、聲速、密度、溫度等均為常量；

(4)假定聲波以小振幅的形式在媒質中傳播，其隨時間變化的高階量可以忽略不計，聲過程可以用線性波動方程來簡化表示。

冰箱壓縮機中的內部制冷劑為R600a（異丁烷），其密度ρ=1.63 kg/m3，聲速c=218.5 m/s。在LMS.Virtual.Lab中計算消聲器的傳遞損失時需要設置必要的邊界條件，其中，在進口處是速度邊界條件，假設入射波為一維平面波，其速度為1 m/s。在出口處是阻抗邊界條件，為無反射的平面波聲場，其聲阻抗率為Z=ρc。內部壁面邊界不考慮內壁面的吸收作用，假設內壁面是剛性邊界，媒質的法向速度為零，即

2.2 仿真結果

在LMS.Virtual.Lab中按照上述的邊界條件，通過定義流體材料、流體屬性、出入口單元組、查看聲場分布、定義輸入輸出點等步驟，對內腔無導流管制冷壓縮機吸氣消聲器進行傳遞損失的計算，計算結果如圖4所示。

圖4 無導流管消聲器的傳遞損失

由圖4傳遞損失曲線可知，無導流管消聲器在壓縮機氣流脈動噪聲主要頻段800 Hz～1 000 Hz內有一定的消聲效果，800 Hz時傳遞損失為38 dB，1 000 Hz時為45 dB，雖然傳遞損失略有上升，但傳遞損失均值不大，只有40 dB，且總體增長幅度較小。因此整體消聲效果不佳，消聲性能有待提高。

2.3 設計改進對比

針對上述內腔無導流管吸氣消聲器消聲性能不穩定、傳遞損失均值低的問題，設計了內腔方形導流管、內腔圓形導流管兩種新型吸氣消聲器。其中方形導流管的邊長與圓形導流管的直徑相等。其導流管的內徑為9 mm，外徑為10 mm，其余尺寸及材料與無導流管吸氣消聲器完全相同，對這兩種消聲器進行內腔表面提取并實體化，如圖5、圖6所示。

圖5 方形導流管消聲器

圖6 圓形導流管消聲器

為了控制變量使仿真結果準確，采用與無導流管消聲器相同的參數與邊界條件，對其進行聲學傳遞損失仿真計算。三種不同結構消聲器傳遞損失對比如圖7所示。

圖7 三種結構傳遞損失對比

因為冰箱壓縮機的氣流脈動噪聲能量主要發生在800 Hz～1 000 Hz頻率段，所以通過上圖可以分析得到，在冰箱壓縮機吸氣消聲器中，有導流管的設置相比于沒有導流管的設置，在壓縮機的氣流脈動噪聲主要頻率范圍內傳遞損失明顯提高，800 Hz～1 000 Hz范圍內平均提高了30 dB，因此有導流管消聲器比無導流管消聲器有更好的消聲性能；而圓形導流管的消聲器相比于方形導流管的消聲器，傳遞損失略有提高，在800 Hz～1 000 Hz時平均提高了8 dB，圓形導流管直徑與方形導流管邊長相等，故圓形管道橫截面積較小，在導流管走向結構、消聲器腔體結構相同的情況下，圓形導流管的截面突變比較大，所以，圓形導流管消聲器較之方形導流管消聲器有更好的消聲性能。

3 實驗驗證

3.1 測試設備與方法

根據國家標準GB/T 9098-2008，為確保測試準確性，將三種不同吸氣消聲器裝配到同一臺制冷壓縮機中先后進行噪聲測試，將壓縮機置于半消音室中，維持環境溫度在20±5℃。根據十點法放入半球中心位置，將壓縮機抽真空，然后注入R600 a制冷劑，保證吸氣壓力為-0.028±0.01 MPa，排氣壓力為0.586±0.05 MPa，在壓縮機工況穩定后，即可進行聲壓級和聲功率級的測試[7]。

測試過程中用PCB數據線連接十個麥克風，通過使用朗德公司（HEAD）Recorder 4.0數據采集系統采集噪聲數據，然后導入計算機使用朗德Artemi S Suite 6.0數據分析軟件進行頻譜分析與聲功率計算，最終得出壓縮機的輻射聲功率級，待測試完成后統計測試結果并進行對比。

3.2 實驗結果分析

測試結束后統計三次測試的數據如表1所示，噪聲頻譜圖如圖9所示。

圖8 半消聲室內壓縮機測試與數據采集分析系統

表1 噪聲測試數據 dB

圖9 噪聲頻譜

從整機聲功率測試數據統計表可以看出：有導流管的吸氣消聲器相比于沒有導流管的消聲器，在壓縮機整體噪聲測試中有顯著降噪效果，聲功率級降低了3.65 dB。由于傳遞損失是在理想邊界條件下單獨仿真計算的，不考慮流速的影響，且壓縮機內部結構復雜，存在較多噪聲源，壓縮機運行過程中產生的振動會引起消聲器的振動，影響消聲性能，故計算結果數值較大。所以綜合以上分析可知，有導流管消聲器比沒有導流管的消聲器在壓縮機整體降噪方面有顯著優勢；而圓形導流管吸氣消聲器比方形導流管吸氣消聲器更能在一定程度上降低壓縮機整體噪聲，聲功率級可進一步降低1.41 dB。

從整機測試噪聲頻譜圖中可以看出：方形、圓形導流管消聲器裝機測試時在800 Hz～1000 Hz頻率段較之無導流管消聲器有明顯的消聲效果，噪聲值降低了近5 dB，且圓形導流管消聲器較之方形導流管消聲器裝機測試時在800 Hz～1 000 Hz頻率段有更好的消聲效果，噪聲可進一步降低1.5 dB。

4 結語

為了有效降低冰箱壓縮機的噪聲，通過三維建模、網格劃分、數值仿真的方法對三種不同內腔（無導流管、方形導流管、圓形導流管）吸氣消聲器進行了傳遞損失分析計算，并針對分析結果分別進行整機輻射噪聲實驗驗證，得到以下結論：

（1）仿真和實驗結果證明，在制冷壓縮機吸氣消聲器結構中，腔體中導流管的有無對消聲性能有影響，腔體有導流管的消聲器比沒有導流管的消聲器有更好消聲性能，消聲頻段更寬，在整機輻射噪聲方面有更好的降噪效果。

（2）仿真和實驗結果證明，在制冷壓縮機吸氣消聲器結構中，腔體中導流管的形狀對消聲性能有影響，圓形導流管消聲器比方形導流管消聲器在消聲頻段上差別不大，但是圓形導流管消聲器比方形導流管消聲器有更好的消聲性能，在整機輻射噪聲方面有更好的效果。

[1]仲崇明.冰箱壓縮機振動噪聲特性的理論與實驗研究[D].上海：上海交通大學論文，2010.

[2]吳正業，李紅旗，張華.制冷壓縮機[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3]Pan F,Jones J D.Gas path sound transmission sphericallyshaped reciprocating compressor theory and experiment [J].Journal of Vibration andAcoustics,1999(1):8-17.

[4]張師帥，黃書才，方澤云，等.冰箱壓縮機吸氣消聲器的聲學特性研究[C].2012年中國家用電器技術大會論文集，2012.

[5]劉斌，馮濤，吳雪.斜筒式滾筒洗衣機工作變形與低頻噪聲分析[J].噪聲與振動控制，2010，30(3)：50-54.

[6]詹福良，徐俊偉.Virtual.Lab Acoustics聲學仿真計算從入門到精通[M].西安：西北工業大學出版社，2013：41-44.

[7]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.GB/T 9098-2008，電冰箱用全封閉型電動機-壓縮機[S].北京：中國標準出版社，2008.

Acoustic CharacteristicsAnalysis of Refrigerator Compressor Suction Mufflers

HAN Bao-kun,NIU Jia-Peng,YAN Cheng-Wen,BAO Huai-qian
(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590,Shandong China)

In order to reduce the noise of refrigeration compressors in the operation process,a muffler is installed in the suction side of the refrigeration compressor.The three-dimension model of the muffler is established by Creo3.0 and the finite element mesh is constructed by CATIA.The transmission loss of the muffler without the guide duct is numerically simulated by acoustics software LMS Virtual Lab.Due to the instability of the noise elimination effect of the muffler without guide duct in the main noise frequency band,two kinds of mufflers with inner cavity of the square guide duct and the circular guide duct are designed respectively.Compared with the muffler without the guide duct,it is concluded that the guide duct can improve the acoustical performance of the muffler.Also,the shape of the guide duct can affect the acoustical performance of the muffler.The circular guide duct has better noise reduction effect than that of the square guide duct.The conclusion is validated by the compressor noise test.

acoustics;refrigeration compressor;suction muffler;transmission loss;guide duct;noise test

TB535

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.06.035

1006-1355(2016)06-0178-04

2016-05-16

山東省自然科學基金資助項目（ZR2012AM011）

韓寶坤（1971-），男，山東省萊蕪市人，教授，研究方向為振動與噪聲控制。E-mail:bk_han@163.com