消音器在冰箱降噪中的研究

陳澎鈺 江俊

（美的制冷集團(tuán)冰箱事業(yè)部研發(fā)中心 安徽合肥 230000）

消音器在冰箱降噪中的研究

陳澎鈺 江俊

（美的制冷集團(tuán)冰箱事業(yè)部研發(fā)中心 安徽合肥 230000）

冰箱系統(tǒng)中冷媒高速流動(dòng)產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲是主要噪聲源之一。本文通過對某款冰箱進(jìn)行測試、分析，并采用理論計(jì)算和仿真分析手段提出增加消音器的降噪方案。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，取得了明顯的降噪效果。

冰箱；冷媒噪音；消音器

1 引言

隨著人們生活水平的不斷提高，產(chǎn)品噪音水平逐漸成為客戶關(guān)注的重點(diǎn)之一，是衡量產(chǎn)品品質(zhì)的重要指標(biāo)。冰箱噪音主要包括壓縮機(jī)噪音、風(fēng)機(jī)噪音、冷媒噪音及振動(dòng)輻射噪音等。由于存在冷媒流動(dòng)速度高，壓力大及制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制較多等特點(diǎn)，所以冷媒噪音改善難度相對較大，成為制約整機(jī)噪音改善的瓶頸之一。本文將研究如何在不影響制冷系統(tǒng)性能前提下降低冷媒噪音。

2 噪音頻譜特性分析

根據(jù)聲學(xué)理論可知，任何噪音都是伴隨某種振動(dòng)產(chǎn)生。對于冰箱制冷系統(tǒng)來說，冷媒在制冷系統(tǒng)中的流速高、紊流現(xiàn)象嚴(yán)重，其所產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)是產(chǎn)生冷媒噪音的主要原因。由于冷媒在制冷系統(tǒng)中的脈動(dòng)壓力會(huì)沖擊管路，激發(fā)管壁振動(dòng)，向外輻射噪音。因此為了了解冷媒噪音的頻率特性，及冷媒壓力脈動(dòng)頻譜特性，在冰箱機(jī)械室管路附件布置傳聲器，進(jìn)行噪音測試。傳聲器位置示意圖如圖1。

實(shí)測頻譜如圖2、圖3所示。從實(shí)測頻譜可以看出，該機(jī)型在300Hz～400Hz左右低頻段、800Hz～1kHz左右中低頻段和3kHz～4kHz左右高頻段噪音相對較高，而該測點(diǎn)處300Hz～400Hz左右低頻段噪音主要為壓縮機(jī)噪音和結(jié)構(gòu)件振動(dòng)輻射噪音，所以冷媒音降噪目標(biāo)頻段設(shè)定為800Hz～1kHz左右中低頻段和3kHz～4kHz左右高頻段。

3 消音器的設(shè)計(jì)

消音器根據(jù)其原理、形式、規(guī)格、材料及用途的不同可分為不同種類，常見的各種消音器可分為阻性、抗性、復(fù)合式和排氣放空式四種類型。其中抗性消音器是通過管道內(nèi)聲學(xué)特性的突變處將部分聲波反射回聲源方向，以實(shí)現(xiàn)消音目的。

針對冰箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及冷媒噪音特性，考慮在排氣管路上增加擴(kuò)張式消音器進(jìn)行改善。擴(kuò)張式消音器消音量可按下式計(jì)算：

L——擴(kuò)張腔長度（m）。

由（1）式可見，消音量ΔL與sin（kl）值有關(guān)，而sin（kl）是頻率的周期性函數(shù)，因此擴(kuò)張式消音器的消音量也將隨頻率而周期性的變化。

相對于消音量最大值的頻率稱為峰值頻率。

可見擴(kuò)張式消音器具有很強(qiáng)的頻率選擇性，設(shè)計(jì)消音器應(yīng)使消音器的峰值頻率與所消除噪音的目標(biāo)頻率相一致，以實(shí)現(xiàn)最佳消音效果。

本文中消音器設(shè)計(jì)流程為：（1）依據(jù)系統(tǒng)管路直徑和安裝空間大小，對消音結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行初步設(shè)計(jì)；（2）計(jì)算設(shè)計(jì)方案傳遞損失；（3）根據(jù)目標(biāo)頻率對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行修改；（4）核算修改方案傳遞損失；（5）必要時(shí)重復(fù)2、3步驟，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

消音器傳遞損失計(jì)算采用聲學(xué)有限元方法進(jìn)行仿真計(jì)算。該方法主要基于以下基本物理方程：

聲波的連續(xù)性方程：

聲學(xué)運(yùn)動(dòng)方程：

聲波的物態(tài)方程：

式中： ―拉格朗日算子

將式（3）、（4）、（5）的高階量去掉后按傅里葉變換分解為頻域，得到Helmholtz方程為：

式中：ω——聲波角頻率；ω=2πf；f——聲波頻率。

通過定義邊界條件并求解Helmholtz方程，即可得到消聲器的聲場分布。再通過進(jìn)出口聲壓計(jì)算消音器的傳遞損失。

本次所設(shè)計(jì)消音器的目標(biāo)頻率根據(jù)噪音頻譜分析結(jié)果設(shè)定為800Hz～1kHz左右中低頻段和3kHz～4kHz左右高頻段。經(jīng)過數(shù)次方案修改，最終設(shè)計(jì)方案傳遞損失計(jì)算結(jié)果如圖6所示。該方案在1kHz、3.5kHz左右頻段消音量較大，同時(shí)結(jié)構(gòu)尺寸滿足裝配要求，符合設(shè)計(jì)要求。

表1 對比試驗(yàn)結(jié)果

圖1 傳聲器位置示意圖

圖2 實(shí)測噪音FFT頻譜

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

按照設(shè)計(jì)方案試制樣件并在冰箱系統(tǒng)中進(jìn)行對比驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。增加消音器方案測點(diǎn)位置噪音改善1.2dB左右，降噪效果明顯。

同時(shí)對兩方案噪音頻譜進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖7所示。增加消音器后在630Hz～1kHz、3.15kHz～4kHz頻段噪音降幅較大，個(gè)別頻段噪音降幅達(dá)8dB左右。實(shí)際消音頻段與設(shè)計(jì)目標(biāo)消音頻率基本吻合。

5 結(jié)論

本文通過對某款冰箱噪音進(jìn)行測試、分析，得出冷媒噪音相對較大的頻段范圍，并針對該頻段噪音設(shè)計(jì)消音器，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證取得良好的降噪效果，證明擴(kuò)張式消音器對消除冰箱冷媒噪音具有一定效果，可采用該方法對冰箱冷媒噪音進(jìn)行改善。

圖3 實(shí)測噪音CPB頻譜

圖4 消音器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 消音器計(jì)算模型

圖6 傳遞損失曲線

圖7 CPB頻譜分析

[1]馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊.機(jī)械工業(yè)出版社，2002

[2]王軍，毛開智，張海峰，袁浩.家用變頻空調(diào)內(nèi)機(jī)異常音的研究和消除.中國家電大會(huì)論文集，2013

[3]李增剛，詹福良.聲學(xué)仿真高級(jí)應(yīng)用實(shí)例.國防工業(yè)出版社，2010

The muffler research in reducing the noise of refrigerator

CHEN Pengyu JIANG Jun
(Refrigeration Division, Midea Group Hefei 230000)

The aerodynamic noise issuing from high-speed refrigerant in the system was one of the major refrigerator noise. The article offer a reducing noise method of increasing a muffler by testing, analysis, and theoretical simulation analysis. The program achieved significant effect according to the test.

Refrigerator; Refrigerant noise; Muffler