基于復合吸聲結構的冰箱降噪研究

孫敬龍 丁龍輝 潘毅廣 張海鵬 齊聰山

海信（山東）冰箱有限公司 山東青島 266000

1 引言

隨著生活品質的提高，用戶對冰箱噪聲控制水平的要求也越來越高。壓縮機艙內部件、風機和制冷系統是冰箱的三大噪聲源，其中壓縮機艙內部件是主要的噪聲源。壓縮機3900RPM高頻運行時輻射噪聲明顯，容易引起用戶投訴。

目前的辦法主要是在壓縮機艙后蓋板上粘貼吸音棉來降噪，但吸音棉吸聲頻段窄，降噪效果有限[1]。還有相關研究在壓縮機靠近艙壁的一側加吸音棉，在壓縮機靠近后蓋板的一側加隔聲板來降噪[2]，但此種方法需要壓縮機艙有足夠的空間。當前壓縮機艙大多小而精，無法在其內部設置吸音棉和隔聲板結構。朱小兵等人[3]將聲學超材料用于壓縮機艙降噪，降噪效果明顯，但聲學超材料加工難度大、成本高。鑒于此，提出一種微穿孔板+吸聲空腔復合壓縮機艙后蓋板結構。在后蓋板結構上增設微穿孔板和吸聲空腔，并通過數值模擬方法計算吸聲系數來確定吸聲空腔尺寸以達到理想吸聲效果。

微穿孔板吸聲機理是利用微穿孔的聲阻來降低聲波傳遞，從而達到降噪效果[3]，微穿孔的孔徑越小，吸聲效果越好。但在實際應用中，單獨的微穿孔板降噪也具有一定局限性，通常在微縫板后設置聲學空腔來拓寬吸聲頻段和增加吸聲效果。聲學空腔尺寸直接影響結構的吸聲系數，吸聲系數測定需要駐波管實驗。采用數值方法模擬駐波管實驗計算不同聲學空腔尺寸的吸聲系數，綜合考慮吸聲系數和安裝空間來確定聲學空腔尺寸。最后對設計的復合后蓋板結構進行降噪效果實驗驗證。

2 吸聲理論與復合后蓋板設計

根據馬大猷提出的微穿孔板理論[4]，微穿孔板的吸聲原理是毫米級穿孔具有一定的聲阻。聲阻抗是指波振面上聲壓與通過這個面積的體積速度的復數比值，實部為聲阻，虛部為聲抗，聲阻抗計算公式如下：

其中聲阻抗實部為：

其中聲阻抗虛部為：

聲阻常數、聲質量常數和穿孔板常數分別為：

圖1 微穿孔板-吸聲空腔復合結構

圖2 阻抗管法吸聲系數測試

圖3 仿真實驗模型

圖4 聲壓分布

式中，t為微穿孔板厚度，d為微穿孔直徑，ω為角頻率，μ為流體運動粘度，υ為體溫度導熱系數，ρ為流體密度，ε為穿孔率。通過式（2）和（3）可以計算出微穿孔板的聲阻抗特性，進而在仿真軟件中加載求解。

微穿孔板吸聲原理是毫米級穿孔具有良好聲阻抗特性，當聲波入射到穿孔板上時，聲波在微孔內干涉抵消。但單個穿孔板的吸聲頻段也具有一定局限性。微穿孔板+吸聲空腔復合結構可以拓寬吸聲頻段，提高吸聲效果[5]。本文通過優化原有壓縮機艙后蓋板結構，設置微穿孔板，并在微穿孔板與后蓋板之間設置吸聲空腔，形成微穿孔板+吸聲空腔復合結構，如圖1所示。壓縮機艙輻射噪聲經過穿孔板產生第一次衰減，在吸聲空腔中相互干涉抵消產生二次衰減，從而降低輻射噪聲。

3 吸聲空腔仿真設計

吸聲空腔大小會影響微穿孔板-吸聲空腔復合結構的吸聲頻段和吸聲系數。本文主要針對壓縮機艙內1500～3000Hz中高頻輻射噪聲進行降噪設計，因此需要設計吸聲空腔尺寸。吸聲空腔確定需要阻抗管法測定吸聲系數，聲源產生平面聲波，在微穿孔處產生部分反射，在其前方形成駐波，使用傳聲器測量出靠近樣品的波腹與波節的駐波比即可得到吸聲系數，如圖2所示。

本文根據阻抗管法測試吸聲系數原理，在數值仿真軟件LMS Virtual Lab中建立材料吸聲系數測試仿真實驗模型，如圖3所示。聲源采用單位質點振動速度的平面波聲源，定義平面單位振動。在聲源與穿孔板之間設置場點A和B用于計算吸聲系數，穿孔板后面為聲學空腔。微穿孔板采用鋁質材料，計算時需要將材料傳熱引起的能量消耗計入穿孔板聲阻的計算中，溫度傳導系數設為0.00002，空氣密度1.22kg/m3，微孔直徑0.7mm，孔間距5mm，穿孔板厚度2mm。計算時空腔尺寸分別采用20mm、80mm和160mm，用于對比不同空腔尺寸的吸聲特性。

4 計算結果與驗證

圖4為計算結果的聲壓分布云圖，可以看到聲波沿駐波管從左向右傳播，穿過微穿孔板后產生明顯衰減。聲波在空腔內再次產生衰減，這是由于直達聲波與反射聲波在吸聲空腔內發生干涉抵消。計算結果表明微穿孔板+吸聲空腔復合吸聲結構可以有效降噪。圖5為20mm、80mm和160mm三種吸聲空腔尺寸對應的吸聲頻段與吸聲系數。可以看到，20mm吸聲空腔的吸聲頻段為1500～3000Hz，吸聲峰值在2200Hz處；80mm吸聲空腔的吸聲頻段變寬為1600～3500Hz，在2100和3000Hz處出現吸聲峰值；160mm吸聲空腔的吸聲頻段繼續變寬為1200～3500Hz，在1700、2400和3000Hz處出現吸聲峰值。由上述分析可知，吸聲空腔尺寸越大，吸聲頻段越寬，降噪效果越明顯。但冰箱一般靠墻放置，考慮放置空間要求，吸聲空腔設置為20mm。

制作復合后蓋板手板件，進行降噪效果實驗驗證。噪音測試按照國標[6]進行，測試溫度25℃。測試時采用調頻儀設定壓縮機轉速為3900r/min，待壓縮機運行30min穩定后，開始測量噪音數據，測量三次，每次測量時間120s。然后計算三次測量的聲功率，并取三次測量的算數平均值作為最終的聲功率值。1/3倍頻程如圖6所示，采用原始后蓋板時，噪音為37.01dB(A)。將原始后蓋板替換為微縫板，噪音在400～4000Hz頻段內均有下降，噪音下降為36.04dB(A)。采用復合后蓋板時，在基頻63Hz、400～4000Hz頻段內噪音均有下降，噪音下降為35.27dB(A)。相對于原始后蓋板，采用復合后蓋板后噪音下降1.74dB(A)。計算與實驗結果均表明微穿孔+20mm吸聲空腔復合后蓋板可有效降低1500～3000Hz頻段輻射噪音。此外，復合后蓋板制作簡單，成本不高，完全可以應用于壓縮機艙降噪。

此外，還可以看到實驗驗證結果與計算結果存在一定偏差，實驗得到的吸聲頻段比計算吸聲頻段寬。這可能有兩方面原因，一是計算采用的是駐波管模型，邊界條件與實際測試存在偏差。二是由于微穿孔板加工工藝偏差使實際微穿孔板的穿孔率、穿孔尺寸與數值計算定義的穿孔參數存在微小偏差。但總的看來實驗驗證結果與計算結果一致性較好，計算結果可以有效指導復合后蓋板設計。

5 結論

圖5 吸聲系數

圖6 實驗驗證結果

本文針對冰箱壓縮機3900RPM運行時1500～3000Hz頻段的輻射噪聲開展降噪研究。提出微穿孔板+吸聲空腔的復合壓縮機艙后蓋板吸聲結構。采用數值計算方法模擬駐波管實驗計算吸聲系數，確定吸聲空腔的尺寸為20mm，吸聲頻段為1500～3000Hz。實驗結果表明，采用復合后蓋板時在63Hz、400～4000Hz頻段內噪音均有下降，噪音由37.01dB(A)下降為35.27dB(A)。計算結果與實驗結果吻合較好，表明微穿孔+20mm吸聲空腔復合后蓋板可有效降低1500～3000Hz頻段輻射噪音。此外，復合后蓋板制作簡單，成本不高，完全可以應用于壓縮機艙降噪。