宋家由，林楊妙，葛麗霞

（嘉興南洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314031）

0 引言

冰箱作為家電設(shè)備中使用頻率最高的設(shè)備之一，其各方面的性能直接影響一個(gè)冰箱的質(zhì)量和品牌。國(guó)內(nèi)大多數(shù)家庭的冰箱都是擺放在廚房或者客廳，那么冰箱的噪聲會(huì)直接影響到用戶的體驗(yàn)。冰箱的噪聲主要來(lái)源于壓縮機(jī)本體的噪聲和冰箱箱體內(nèi)的制冷劑的流動(dòng)和毛細(xì)管的噴射。壓縮機(jī)作為冰箱的心臟，它的噪聲也是衡量其綜合性能的一個(gè)重要指標(biāo)。壓縮機(jī)的噪聲源主要來(lái)自壓縮機(jī)的吸、排氣噪聲，電磁噪聲和機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲。壓縮機(jī)的進(jìn)氣噪聲是由氣流在進(jìn)氣管內(nèi)的壓力脈動(dòng)導(dǎo)致的[1]。因此需要在壓縮機(jī)的進(jìn)氣側(cè)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(shí)產(chǎn)生的吸氣噪聲[2]。

目前絕大多數(shù)的壓縮機(jī)廠都會(huì)通過(guò)設(shè)計(jì)一款合理的吸氣消聲器來(lái)消除或者降低吸氣側(cè)的噪聲。一款結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜及內(nèi)部流過(guò)的氣流速度快、湍流強(qiáng)度高，很容易產(chǎn)生氣流再生噪聲，即氣動(dòng)噪聲[3]。本文主要研究如何設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)合理、消聲性能良好的吸氣消聲器，暫不研究氣動(dòng)噪聲。為某壓縮機(jī)公司推出的某款新型壓縮機(jī)設(shè)計(jì)一款吸氣消聲器。在原有模型的基礎(chǔ)上，利用聲學(xué)軟件進(jìn)行消聲器傳遞損失的仿真計(jì)算，基于計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)模型的三維結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。最后得到比較合理的消聲器設(shè)計(jì)方案，當(dāng)然設(shè)計(jì)方案還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 消聲量理論公式的計(jì)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(jìn)行仿真計(jì)算的，但是仿真計(jì)算主要是對(duì)關(guān)鍵的一些參數(shù)的改進(jìn)進(jìn)行的，因此只給出了需要計(jì)算的一些主要參數(shù)，如表1所示。

表1 消聲器主要參數(shù)

簡(jiǎn)化模型基本參數(shù)如圖1所示。

圖1 消聲器簡(jiǎn)化模型基本參數(shù)

1.2 消聲器截止頻率[4]

1）上限截止頻率計(jì)算如下：

1.3 消聲量的計(jì)算

本文主要利用消聲器的傳遞損失來(lái)衡量消聲器的聲學(xué)性能[5]。該簡(jiǎn)化模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，沒(méi)有現(xiàn)成的公式可以計(jì)算其總的傳遞損失，因此分兩級(jí)計(jì)算。由于兩級(jí)消聲室之間存在耦合關(guān)系，總的傳遞損失不等于兩級(jí)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(jié)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(lái)衡量，在Hypermesh中對(duì)消聲器的空腔模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在有限元分析方法中，網(wǎng)格的稀疏將直接影響到數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確度，所以網(wǎng)格的劃分應(yīng)盡量做到足夠精細(xì)，以便提高聲學(xué)傳遞損失計(jì)算的準(zhǔn)確度。對(duì)于有限元模型，通常假設(shè)在最小波長(zhǎng)內(nèi)有6個(gè)單元，也就是最大單元的邊長(zhǎng)要小于計(jì)算頻率最短波長(zhǎng)的1/6[6]。利用Hypermesh完成網(wǎng)格的劃分后導(dǎo)出.inp格式的文件，然后在LMS.Virtual.Lab中進(jìn)行消聲器的傳遞損失計(jì)算。消聲器聲學(xué)模型如圖2所示。

圖2 消聲器聲學(xué)模型

1）簡(jiǎn)化模型（入口管在底部）的第一級(jí)消聲器為帶有內(nèi)插管的擴(kuò)張室，其傳遞損失為

式中：m1為第一級(jí)擴(kuò)張比；k為波數(shù)；la為入口插入管的長(zhǎng)度；lc為出口插入管的長(zhǎng)度；l21為第一級(jí)空腔的長(zhǎng)度。

2）原始模型的一級(jí)消聲室為側(cè)面入口并帶有內(nèi)插管，其傳遞損失為

式中：m1為第一級(jí)擴(kuò)張比；l21為第一級(jí)空腔的長(zhǎng)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(shù)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(diǎn)為4～5 kHz，7～8 kHz的傳遞損失也不是很理想。

2 不同因素對(duì)消聲量的影響

2.1 空腔長(zhǎng)度對(duì)消聲量的影響(保持空腔直徑不變)

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

2.2 空腔直徑影響(保持空腔長(zhǎng)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(qū)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(shí)，截止頻率幾乎不變。

2.4 改進(jìn)消聲器的尺寸

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

3 不同設(shè)計(jì)方案的仿真分析

3.1 方案1

修改空腔長(zhǎng)度，單腔擴(kuò)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(guò)頻率為f0=aN/(2l)=3596 Hz。設(shè)計(jì)第二級(jí)消聲器的最大消聲頻率對(duì)應(yīng)第一級(jí)的通過(guò)頻率，從而得出第二級(jí)消聲腔的長(zhǎng)度為17.1 mm。因此修改空腔長(zhǎng)度，第一級(jí)消聲腔由52.5 mm改為34.2 mm，第二級(jí)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(jìn)后的傳遞損失曲線分析

從圖4可以看出，修改空腔長(zhǎng)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(méi)有得到有效的改善。

3.2 修改空腔的截面積

第一級(jí)消聲器截面面積由939 mm2增大到1204 mm2，第二級(jí)由1368 mm2增大到1522 mm2。此時(shí)第一級(jí)和第二級(jí)的擴(kuò)張比都增大了。截面尺寸如圖5所示。

圖5 改進(jìn)方案2參數(shù)

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(jìn)前后傳遞損失曲線

從圖6可以看出，改進(jìn)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(nèi)傳遞損失反而變差了。

3.3 修改內(nèi)插管在隔板上得位置

將內(nèi)插管向遠(yuǎn)離入口側(cè)方向移動(dòng)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(shè)計(jì)在全頻段范圍內(nèi)都沒(méi)有得到較好的改善。在很多頻段范圍內(nèi)傳遞損失都有所下降，只有在8～9 kHz范圍內(nèi)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(zhǎng)度、截面面積及內(nèi)插管在隔板上的位置

由于空腔的改變對(duì)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(jìn)參數(shù)得到綜合方案，對(duì)最終的綜合方案進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的傳遞損失曲線如圖9所示。

圖9 綜合改進(jìn)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(nèi)傳遞損失還是需要進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。由于這些數(shù)據(jù)僅僅是消聲器的傳遞損失的仿真計(jì)算，對(duì)實(shí)際的壓縮機(jī)噪聲的影響還需要進(jìn)一步的噪聲測(cè)試來(lái)驗(yàn)證。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

整機(jī)測(cè)試主要是采用丹麥的Brüel&Kj?r PULSE噪聲測(cè)試系統(tǒng)：包括由多個(gè)B&K3560C集成的數(shù)據(jù)采集模塊總共包括12+6個(gè)通道、10個(gè)麥克風(fēng)傳聲器、3個(gè)加速度傳感器和數(shù)據(jù)分析軟件B&K Pulse（包含基本的電聲測(cè)試軟件SSR（Steady State Response）、FFT、CPB分析軟件）。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用十點(diǎn)法聲壓級(jí)測(cè)試[6]，測(cè)試場(chǎng)所在半消聲室進(jìn)行，如圖10所示。

圖10 十點(diǎn)法噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)

取4臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定的樣機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試，并取測(cè)試數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行1/3倍頻程頻譜分析，如圖11所示。

圖11 整機(jī)測(cè)試1/3 倍頻程頻譜

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)后的方案和原方案在整機(jī)噪聲測(cè)試Overall總值也降低了1.6 dB。基本可以驗(yàn)證消聲器的方案改進(jìn)有了一定的效果，如果要達(dá)到更低的噪聲水平還需同步進(jìn)行其他方面的降噪措施。

5 結(jié)語(yǔ)

在對(duì)原有的消聲器進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了理論上比較可行的多個(gè)改進(jìn)方案。針對(duì)空腔長(zhǎng)度、空腔截面積、入口內(nèi)插管長(zhǎng)度、入口插管截面積、出口內(nèi)插管長(zhǎng)度、內(nèi)插管的位置等諸多因素設(shè)計(jì)了多個(gè)改進(jìn)方案，并利用聲學(xué)軟件SYSNOISE對(duì)改進(jìn)的模型進(jìn)行傳遞損失的仿真計(jì)算。最后通過(guò)整機(jī)的噪聲測(cè)試對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)各個(gè)改進(jìn)方案的計(jì)算結(jié)果可以得知：1）隨著空腔長(zhǎng)度增加，容積V變大，其截止頻率向低頻區(qū)域移動(dòng)，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(jìn)、出氣口管的截面積比對(duì)消聲量有明顯的影響；4）改變插管的長(zhǎng)短和位置會(huì)改變消聲器的消聲頻率點(diǎn)。

雖然通過(guò)仿真計(jì)算得到了消聲效果比較好的方案模型，并且通過(guò)整機(jī)噪聲測(cè)試驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性，但是本次方案的改進(jìn)還需要更多的樣機(jī)測(cè)試的驗(yàn)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。