基于多孔吸聲材料的滾動轉子式壓縮機降噪特性研究

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，人們對舒適性的要求也越來越高。對于空調而言，不僅有能效的要求，用戶也逐漸追求低的噪聲水平。壓縮機作為空調的主要噪聲源之一，直接向外輻射噪聲。因此轉子式壓縮機要占有更多市場，必須在振動噪聲方面有所突破[1-3]。而目前滾動轉子式壓縮機內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構或增加霍姆赫茲共振腔來實現壓縮機的降噪[4]。另外，黃波等[5]研究了在滾動轉子式壓縮機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，在壓縮機高轉速的中低頻段下降了3～5 dB。蔡建程等[6]分析了往復式制冷壓縮機噪聲的類型及傳遞路徑，指出殼體是壓縮機自身噪聲向外輻射的最終載體，并對壓縮機的殼體模態及裝配工藝進行研究，指出結構模態與振動噪聲的關系。

阻性消聲應用相對較少，這主要受阻性消聲材料自身屬性所限制。隨著壓縮機轉速越來越高[7]，壓縮機內部冷凍機油和制冷劑溫度也逐漸升高，這對壓縮機內部非金屬件的要求也更加嚴格。而目前大多數吸聲材料不能滿足高溫高壓下與制冷劑和冷凍機油的相容性要求，在模擬壓縮機內部材料加速壽命試驗時，部分吸聲材料由于高溫發生碳化，也有部分材料與制冷劑或冷凍機油發生化學反應。

目前可以在壓縮機內部使用的吸聲材料，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85%以上，但是由于材料的特性，其力學性能較差，容易遭到破壞，泡沫玻璃在切割位置有容易掉落的碎屑，在壓縮機內部使用可能會造成壓縮機的堵轉，或對空調系統有不良影響，本文主要對泡沫塑料（主要是密胺材料）及泡沫金屬進行探討。在20世紀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象，得出在合適的結構設計下，在低頻100～500 Hz頻段，材料的平均吸聲系數達0.55。張亞虎等[13]提出一種共振吸聲體結構，利用吸聲體的共振頻率與噪聲聲壓級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的峰值，達到吸聲降噪的目的。黃磊[14]研究了吸聲和隔聲材料在空調降噪中的應用，主要在壓縮機外側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空調降噪的影響。

1 多孔吸聲材料消聲機理

多孔吸聲材料在結構上有一個共同特征，就是表面和內部有無數微細孔隙，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]。

當聲波入射到多孔吸聲材料表面時，一部分聲波從多孔材料表面反射，另一部分聲波透射進入孔隙，并衍射到材料內部的微孔內。進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，從而相當一部分能量轉化為熱能被耗散掉。特別是低頻的吸收，主要依靠材料細纖維的振動來實現[15-16]。此外，聲波在多孔性吸聲材料內經過多次反射進一步衰減，當進入多孔性吸聲材料內的聲波再次返回時，聲波能量已經衰減很多，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。所以只有數量豐富、且內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。其纖細而易于成型的纖維構成了三維網狀結構，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354 ℃。密胺海綿是一種低容重、高開孔率、柔性的納米超細纖維泡沫塑料，具有良好的阻燃性和吸聲特性。其開孔率高達95%以上，使得聲波能充分有效地進入材料的深層，之后轉化為熱能被耗散掉，達到吸聲的目的。

圖1 密胺材料微觀特性

密胺海綿的物理性質穩定，在較大的溫度范圍內有穩定的物理性能，有效工作溫度在-200～240 ℃。由于密胺海綿優良的吸聲特性及阻燃性，被廣泛應用于地鐵及軌道列車的隔熱吸音、船舶的聲學降噪、飛機座艙和管道系統的隔音及運載火箭載荷區的覆層，在壓縮機內部的研究和應用較少。

3 吸聲系數測試

3.1 測試標準

多孔吸聲材料一般用吸聲系數來評價，吸聲系數是被吸聲材料吸收的聲能和入射聲能之比。而吸聲系數的檢測主要有阻抗管法[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法。

駐波比法[18]用于在阻抗管中測定法向入射條件下吸聲材料和結構的吸聲系數、反射系數和表面聲阻抗率或表面聲導納率。將測試件裝在阻抗管的一端，入射聲波由阻抗管另一端的揚聲器產生，入射聲波與從樣件反射回來的聲波相疊加，從而在阻抗管內部建立起駐波。當入射聲波與反射波同相位時，駐波圖出現極大值；當兩者反相時，則出現極小值。駐波比根據測得的第n個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。待測試的樣品在阻抗管的一端，平面波由聲源產生，在靠近樣品的兩個測點位置測量聲壓，求得兩個傳聲器信號的聲傳遞函數，用此計算試件的法向入射復反射因數、法向入射吸聲系數和聲阻抗率。

根據GB/T20247—2006[20]，混響室法測定吸聲系數，可以用于測試橫向和法向有明顯不同結構的材料。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的標準樣件，這對測試帶來較大不便。而阻抗管法僅限于法向入射參數的研究，要求測試樣品與阻抗管的截面大小相同即可。

3.2 吸聲系數測試

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公司多倍壓縮產品。吸聲系數測試委托第三方專業機構完成，測試依據GB/T18696.2—2002[19]進行測試，測試頻段為80～5 000 Hz范圍。

具體待測樣品見表1，測試目的主要為篩選出適合滾動轉子式壓縮機應用的樣品，為方便對比，樣件均統一厚度5 mm。

表1 測試樣品信息

由圖2可知，不同廠家密胺材料吸聲系數差異很大，尤其是中高頻1 000 Hz以上頻段。對于泡沫鎳而言，5 mm厚度時，500 Hz以下頻段相對有優勢，但對于1 000 Hz以上頻段，吸聲性能相對較差。

圖2 5種不同材料吸聲系數

對于樣品2和樣品3，在5 mm厚度時，產品密度的差異，也主要體現在800 Hz以上頻段，尤其是4 000～5 000 Hz頻段，高密度的吸聲系數是低密度的兩倍左右。

在1 250 Hz以下頻段，樣品4吸聲系數相對最高，且1 250 Hz以上頻段，吸聲系數也能保持優勢，綜合吸聲系數及材料成本，初期考慮在壓縮機內部使用樣品4進行實驗驗證。

4 多孔吸聲材料在壓縮機內應用

對于滾動轉子式壓縮機而言，由于整體是封閉式結構，故在壓縮機殼體內部適合使用多孔吸聲材料。在不影響現有結構的前提下，初步考慮在壓縮機下殼蓋內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，對整機噪聲級值影響較大；在此處嵌入多孔吸聲材料，無需有較大結構上變動；且此處基本無氣流沖擊，對材料強度要求不高。

因此將樣品4加工至圓環形，放至下殼蓋內部，前期試制階段，用環氧膠將圓環形密胺吸聲材料與壓縮機下側蓋板結合起來。裝入滾動轉子式壓縮機下殼蓋前樣品如圖3所示，圓環狀海綿體。

圖3 密胺材料

圖4 下殼蓋內嵌入密胺吸聲材料

基礎式樣和加密胺消聲材料兩方案各3臺，對壓縮機單體噪聲進行測試，測試在上海海立電器全消室進行，測試結果見圖5。從測試結果來看，加入密胺消聲材料后，高轉速下，尤其是5 400 r/min和6 000 r/min，噪聲值下降約2 dBA。

圖5 噪聲測試結果對比

圖6所示為兩種方案頻譜對比，從數據結果來看，主要改善頻段為1 000 Hz以上中高頻頻段。此處整機測試噪聲改善頻段跟密胺材料單體吸聲測試會有差異，主要還是材料厚度以及壓縮機內部實際工作過程中，多孔吸聲材料會吸入部分冷凍機油有關，這會對消聲頻段以及消聲量有一定影響。

圖6 基礎式樣與下端蓋加多孔消聲材料方案頻譜對比

冷凍機油影響多孔吸聲材料的吸聲性能，主要是因為在有油狀態下，制冷劑在密胺材料中流速會發生變化，從而影響吸聲頻段。為降低冷凍機油的影響，可考慮對密胺材料進行疏水疏油表面處理，或在密胺材料的表面進行覆膜處理，使得冷凍機油無法進入到材料內部，從而降低冷凍機油對吸聲性能的影響。

5 結論

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，用傳遞函數法分析對比了在不同頻段的吸聲系數，得出如下結論：

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

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

3）在壓縮機下端蓋內部嵌入Z公司密胺材料，和常規無吸聲材料的壓縮機相比，整機噪聲級降低2 dBA，在1 000 Hz以上關鍵頻段，聲壓級下降約2～5 dB。