對某壓縮機廠的冰箱壓縮機吸氣消聲器的優化

宋家由，林楊妙，葛麗霞

（嘉興南洋職業技術學院，浙江 嘉興 314031）

0 引言

冰箱作為家電設備中使用頻率最高的設備之一，其各方面的性能直接影響一個冰箱的質量和品牌。國內大多數家庭的冰箱都是擺放在廚房或者客廳，那么冰箱的噪聲會直接影響到用戶的體驗。冰箱的噪聲主要來源于壓縮機本體的噪聲和冰箱箱體內的制冷劑的流動和毛細管的噴射。壓縮機作為冰箱的心臟，它的噪聲也是衡量其綜合性能的一個重要指標。壓縮機的噪聲源主要來自壓縮機的吸、排氣噪聲，電磁噪聲和機械振動產生的噪聲。壓縮機的進氣噪聲是由氣流在進氣管內的壓力脈動導致的[1]。因此需要在壓縮機的進氣側加裝吸氣消聲器，吸氣消聲器主要用于減弱制冷劑吸入壓縮部分時產生的吸氣噪聲[2]。

目前絕大多數的壓縮機廠都會通過設計一款合理的吸氣消聲器來消除或者降低吸氣側的噪聲。一款結構設計合理的吸氣消聲器可以有效地降低吸氣噪聲，在這里不考慮由于消聲器本身結構復雜及內部流過的氣流速度快、湍流強度高，很容易產生氣流再生噪聲，即氣動噪聲[3]。本文主要研究如何設計一款結構合理、消聲性能良好的吸氣消聲器，暫不研究氣動噪聲。為某壓縮機公司推出的某款新型壓縮機設計一款吸氣消聲器。在原有模型的基礎上，利用聲學軟件進行消聲器傳遞損失的仿真計算，基于計算結果指導模型的三維結構參數的優化。最后得到比較合理的消聲器設計方案，當然設計方案還需要進一步的實驗驗證。

1 消聲量理論公式的計算

1.1 消聲器的建模

本文討論的消聲器的傳遞損失是基于三維模型進行仿真計算的，但是仿真計算主要是對關鍵的一些參數的改進進行的，因此只給出了需要計算的一些主要參數，如表1所示。

表1 消聲器主要參數

簡化模型基本參數如圖1所示。

圖1 消聲器簡化模型基本參數

1.2 消聲器截止頻率[4]

1）上限截止頻率計算如下：

1.3 消聲量的計算

本文主要利用消聲器的傳遞損失來衡量消聲器的聲學性能[5]。該簡化模型的結構比較復雜，沒有現成的公式可以計算其總的傳遞損失，因此分兩級計算。由于兩級消聲室之間存在耦合關系，總的傳遞損失不等于兩級各自的傳遞損失之和，所以該方法只能估算消聲器的傳遞損失，其結果只能作為參考。

消聲器的消聲量主要還是用消聲器的傳遞損失（TL）來衡量，在Hypermesh中對消聲器的空腔模型進行網格劃分，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[6]。利用Hypermesh完成網格的劃分后導出.inp格式的文件，然后在LMS.Virtual.Lab中進行消聲器的傳遞損失計算。消聲器聲學模型如圖2所示。

圖2 消聲器聲學模型

1）簡化模型（入口管在底部）的第一級消聲器為帶有內插管的擴張室，其傳遞損失為

式中：m1為第一級擴張比；k為波數；la為入口插入管的長度；lc為出口插入管的長度；l21為第一級空腔的長度。

2）原始模型的一級消聲室為側面入口并帶有內插管，其傳遞損失為

式中：m1為第一級擴張比；l21為第一級空腔的長度；la為入口到底面的距離；lc為出口到頂面的距離。

將具體數值代入，得傳遞損失曲線如圖3所示。

圖3 消聲器的傳遞損失曲線

從圖3可以看出，消聲器的頻率點為4～5 kHz，7～8 kHz的傳遞損失也不是很理想。

2 不同因素對消聲量的影響

2.1 空腔長度對消聲量的影響(保持空腔直徑不變)

1）變換空腔長度，若面積比不改變，則其最大消聲量并無多大改變；2）隨著空腔長度增加，容積V變大，其截止頻率向低頻區域移動，有可能成為低頻消聲；3）隨著空腔長度增加，kl2變大，其通過頻帶域數目也增加，但消聲效果未必相應增加。

2.2 空腔直徑影響(保持空腔長度不變)

1）空腔直徑增大，面積比增大，最大消聲量也隨即增大；2）截止頻率因容積V增大而移向低頻區域。

2.3 空腔縱橫比的影響(保持空腔容積不變)

1）空腔越扁，面積比就越大，最大消聲量也就隨之增大；2）容積不變時，截止頻率幾乎不變。

2.4 改進消聲器的尺寸

根據以上分析，為使消聲器的最大消聲量所對應的頻率在1800 Hz附近，修改如下幾部分尺寸都會改變消聲器的傳遞損失：1）修改進氣口的位置；2）改變第二級消聲器空腔的長度；3）增大兩級空腔的截面積；4）改變進、出氣口管的截面積；5）在空腔里面添加吸聲材料。

3 不同設計方案的仿真分析

3.1 方案1

修改空腔長度，單腔擴張室消聲器的最大消聲頻率為fmax=a (2N+1)/(4l)，(N=0，1，2，3……)。令N=0，fmax=1800 Hz，得出l=34.2 mm，通過頻率為f0=aN/(2l)=3596 Hz。設計第二級消聲器的最大消聲頻率對應第一級的通過頻率，從而得出第二級消聲腔的長度為17.1 mm。因此修改空腔長度，第一級消聲腔由52.5 mm改為34.2 mm，第二級消聲空腔由14 mm改為17.1 mm，得到其傳遞損失曲線，如圖4所示。

圖4 方案1改進后的傳遞損失曲線分析

從圖4可以看出，修改空腔長度后，傳遞損失在4～5 kHz和7～8 kHz得到有效的改善，總的效果并不理想，在5～6 kHz附近的傳遞損失并沒有得到有效的改善。

3.2 修改空腔的截面積

第一級消聲器截面面積由939 mm2增大到1204 mm2，第二級由1368 mm2增大到1522 mm2。此時第一級和第二級的擴張比都增大了。截面尺寸如圖5所示。

圖5 改進方案2參數

修改后其傳遞損失曲線如圖6所示。

圖6 方案2截面積改進前后傳遞損失曲線

從圖6可以看出，改進后的方案在5～6 kHz之間傳遞損失有所增加，但是在4～5 kHz頻率范圍內傳遞損失反而變差了。

3.3 修改內插管在隔板上得位置

將內插管向遠離入口側方向移動10 mm，如圖7所示。將插管的位置改變后，稱為方案3，得其傳遞損失曲線如圖8所示。

圖7 方案3插管位置修改

從圖8可以看出，方案3的設計在全頻段范圍內都沒有得到較好的改善。在很多頻段范圍內傳遞損失都有所下降，只有在8～9 kHz范圍內傳遞損失稍微有所改善。

圖8 方案3插管位置修改前后的傳遞損失曲線

3.4 綜合空腔的長度、截面面積及內插管在隔板上的位置

由于空腔的改變對傳遞損失的影響比較明顯，因此綜合使用方案1、2、3的改進參數得到綜合方案，對最終的綜合方案進行仿真計算，得到的傳遞損失曲線如圖9所示。

圖9 綜合改進后傳遞損失曲線

從圖9可以看出，除了在2～3 kHz和4～5 kHz的頻段傳遞損失有比較明顯的改善以外，高頻部分的傳遞損失也有所改善，但是在5～6 kHz的頻段范圍內傳遞損失還是需要進一步優化和改進。由于這些數據僅僅是消聲器的傳遞損失的仿真計算，對實際的壓縮機噪聲的影響還需要進一步的噪聲測試來驗證。

4 實驗測試

整機測試主要是采用丹麥的Brüel&Kj?r PULSE噪聲測試系統：包括由多個B&K3560C集成的數據采集模塊總共包括12+6個通道、10個麥克風傳聲器、3個加速度傳感器和數據分析軟件B&K Pulse（包含基本的電聲測試軟件SSR（Steady State Response）、FFT、CPB分析軟件）。按照國家標準采用十點法聲壓級測試[6]，測試場所在半消聲室進行，如圖10所示。

圖10 十點法噪聲測試實驗

取4臺運行穩定的樣機進行噪聲測試，并取測試數據的平均值進行1/3倍頻程頻譜分析，如圖11所示。

圖11 整機測試1/3 倍頻程頻譜

對測試數據進行CPB分析可以看出，在低頻段和3～5 kHz的噪聲和5～8 kHz頻段的噪聲都有所改善，綜合改進后的方案和原方案在整機噪聲測試Overall總值也降低了1.6 dB。基本可以驗證消聲器的方案改進有了一定的效果，如果要達到更低的噪聲水平還需同步進行其他方面的降噪措施。

5 結語

在對原有的消聲器進行分析的基礎上，提出了理論上比較可行的多個改進方案。針對空腔長度、空腔截面積、入口內插管長度、入口插管截面積、出口內插管長度、內插管的位置等諸多因素設計了多個改進方案，并利用聲學軟件SYSNOISE對改進的模型進行傳遞損失的仿真計算。最后通過整機的噪聲測試對改進方案進行驗證。通過對各個改進方案的計算結果可以得知：1）隨著空腔長度增加，容積V變大，其截止頻率向低頻區域移動，有可能成為低頻消聲；2）空腔直徑增大，面積比增大，最大消聲量也隨之增大；3）改變進、出氣口管的截面積比對消聲量有明顯的影響；4）改變插管的長短和位置會改變消聲器的消聲頻率點。

雖然通過仿真計算得到了消聲效果比較好的方案模型，并且通過整機噪聲測試驗證了改進方案的有效性，但是本次方案的改進還需要更多的樣機測試的驗證才能推廣。降噪還需要從各方面入手解決，比如排氣噪聲、殼體的隔聲等。