冰箱压缩机噪声控制技术综述

2020-10-09周明龙陈文卿邢子文何志龙

家电科技 2020年5期

周明龙陈文卿邢子文何志龙

1.西安交通大学苏州研究院江苏苏州 215123；

2.西安交通大学陕西西安 710049

1 引言

近年来，冰箱噪声成为影响居住环境舒适度的关键因素之一，而全封闭活塞式压缩机通过壳体辐射和吸排气管路向冰箱传递振动噪声，成为冰箱的主要噪声源[1,2]。因此，本文分析了冰箱压缩机噪声产生机理，总结了冰箱压缩机噪声控制方法，展望了冰箱压缩机控制技术发展趋势，为冰箱压缩机的噪声控制提供有益的指导。

2 冰箱压缩机噪声产生机理

冰箱压缩机通过电机驱动曲轴旋转带动活塞在气缸内进行往复运动，将曲轴的旋转运动转变为活塞的直线运动，同时配合吸排气阀片的开启与闭合，实现对制冷剂的吸入、压缩、排出和膨胀的周期性工作过程，从而达到为冰箱输出冷量的目的。压缩机在曲轴活塞系统的惯性力、机械运动部件的摩擦力、电机的电磁力以及气流脉动激励力的共同作用下，产生振动辐射噪声，通过压缩机壳体和吸排气管道等路径继续向外辐射噪声。冰箱压缩机噪声源主要分为3类：机械噪声、气动噪声和电磁噪声[3]，产生机理如图1所示。

2.1 机械噪声

机械性噪声是机械部件在运行过程中受到冲击、摩擦或交变应力的作用下互相碰撞和摩擦，产生机械振动，辐射机械噪声。冰箱压缩机的机械振动噪声主要来源于曲轴活塞系统的惯性力、运动副间的摩擦力和阀板组件的冲击力。

（1）惯性力。冰箱压缩机工作时，曲轴活塞运动机构系统会受到惯性力、摩擦力和气体力的作用。曲轴活塞系统在电机驱动下产生惯性力，与电机转速密切相关，具有显著的周期性，容易激发高阶频率的振动，甚至会与零部件产生共振，诱发更大的噪声。因此曲轴活塞系统的惯性力是诱发冰箱压缩机产生机械振动噪声的主要原因[4]。

（2）摩擦。冰箱压缩机的运动副较多，运动副间快速而断续的接触会激发振动产生噪声，尤其当运动副的润滑不足或者光洁度不良时，会产生比较严重的摩擦噪声[5]。

（3）冲击。冰箱压缩机工作过程中，吸排气阀片会周期性的开启与闭合，导致吸气阀片受到气流冲击产生颤振，排气阀片拍打阀片限位器以及冲击排气孔口阀芯过程中产生冲击，都会产生机械振动，诱发机械噪声。

2.2 气动噪声

气动噪声是指流体的流动或固体在流体中运动导致流体压力波动所诱发的噪声。随着机械部件加工装配精度的提升以及机械振动噪声研究的深入，机械性振动噪声得到有效控制，而气流脉动诱发的气动噪声在冰箱压缩机中占有主要成分[6]。

冰箱压缩机为了实现对制冷剂的吸入、压缩、排出和膨胀的工作过程，在吸排气过程中产生间歇的压力波动，形成气流脉动，诱发气动噪声。制冷剂经过压缩后从阀板组件的出口高速排放出来，与附近的制冷剂迅速混合时产生喷射噪声[7,8]。由于排气压力高，气流脉动幅值大，因而排气噪声显著。此外，由于制冷剂粘滞摩擦力的作用，当具有一定速度的制冷剂遇到障碍物时会与障碍物背后相对静止的制冷剂相互作用，便在障碍物下游流场区域内形成涡旋的气流，产生涡流噪声。

2.3 电磁噪声

电磁噪声是指电磁力作用在定、转子间的气隙中，产生旋转力波或脉动力波，使定子产生振动而向外辐射噪声[9]。电磁力可以分为径向电磁力和切向电磁力，径向电磁力作用在定转子铁芯上，引起径向变形产生振动，向外辐射噪声；切向电磁力对电机本身的振动影响较小，但是作用到壁厚较薄的零部件上时，容易产生较大的振动，甚至产生共振，诱发更大的噪声。

3 噪声控制技术

近些年来，国内外研究学者通过理论联系试验的方法对冰箱压缩机噪声控制技术进行了大量的研究工作，并取得了一定的成果。主要包括：

3.1 降低机械噪声

（1）减小运动部件惯性力。冰箱压缩机曲轴活塞系统的惯性力可以分为旋转惯性力和往复惯性力。旋转惯性力是由曲轴旋转和连杆旋转当量部分产生的，通过理论计算在曲轴上设计平衡块来平衡旋转惯性力，降低系统旋转过程中的不平衡量，减小振动降低噪声。往复惯性力是由活塞、活塞销、连杆往复当量部分产生的，一般情况下，往复运动是非正弦式的，不仅会产生一阶的激励力，还会产生幅值较大的高阶次激励力。往复惯性力虽可通过平衡块的优化设计来平衡一阶惯性力，但无法消除二阶次及高阶次惯性力，仍然会诱发高次谐波的振动，通过传递路径向外辐射噪声[10]，因此设计平衡块只能尽量降低而无法彻底消除往复惯性力。杨任平[11]等以旋转转矩和往复转矩的合力矩为目标函数进行优化平衡块，降低冰箱压缩机曲轴活塞系统的往复转矩，提高旋转转矩占往复转矩的比值，将比值从34%提高到49.7%，压缩机本体噪声可以从36.4 dB降低到33.2 dB。为进一步降低往复惯性力，一方面可以通过变更活塞材质或者镂空活塞内部实体结构等方式对活塞质量进行减重，另一方面可以通过减小活塞直径加大曲轴偏心量，均可以在保证压缩机制冷量的前提下，减小系统的往复惯性力，有助于降低压缩机噪声。此外，建立制冷压缩机多体动力学模型，优化平衡块质径积和曲轴偏置，有助于降低振动噪声[12]。

图1 冰箱压缩机噪声产生机理

（2）抑制阀板组件冲击。冰箱压缩机在吸排气过程中吸排气阀片周期性的开启与闭合，冲击与拍打阀板，诱发振动噪声。因此，一方面优化阀板结构设计，将阀板排气阀芯面高度降低到排气阀片安装基准面以下0.03～0.1 mm为宜，使排气阀片与排气阀芯面的线接触转化为排气阀片与安装基准面的面接触，缓冲排气阀片对阀板的拍打，降低噪声，如图2所示；另一方面通过变更阀板阀片材质，如采用玻璃纤维增强塑料等提高阀板阀片的阻尼，降低阀片拍打阀板时产生的噪声[13]。此外，减小阀片的厚度增大阀片的弹性等措施也有助于改善噪声。

（3）改善运动副间摩擦与润滑。冰箱压缩机运动摩擦副主要有活塞与气缸、活塞销与连杆小头、连杆大头与曲轴和曲轴与气缸间共4对。在曲轴供油孔的喷油作用下，连杆大头与曲轴和曲轴与气缸间的两对摩擦副可以得到润滑油的充分润滑，形成油膜，摩擦噪声相对较小，而活塞与气缸和连杆小头与活塞销两副摩擦副运动接触过程中产生的噪声相对较大。优化活塞与气缸间的间隙，有助于增加润滑形成油膜，降低摩擦噪声。改善活塞销与连杆小头间的润滑方式，如图3所示在连杆上开设通油孔，将曲轴内的润滑油从连杆大头引入到连杆小头，使活塞销与连杆小头的间隙内形成油膜，有助于改善活塞销与连杆小头间的摩擦噪声，在4000～6300 Hz内的高频噪声可以降低3 dB，噪声总值可以降低0.8 dB。此外，适当提高运动部件的光洁度以及润滑油粘度，也有助于降低运动部件间的摩擦，降低摩擦噪声。

3.2 衰减气动噪声

（1）优化阀板结构。一方面，增加阀板排气阀的孔径，降低制冷剂的流速，从源头上降低气流脉动诱发的气动噪声。另一方面，应用CFD技术建立阀板组件工作过程的数值模型，优化吸排气流道的流场，减少吸排气流道上的凸台与尖角，避免因气流喷射而产生的涡流噪声[14]。

（2）设计气流脉动衰减腔。气流脉动衰减腔是基于赫姆霍兹共振原理，衰减压缩机气流脉动降低气动噪声的主要措施，根据压缩机运行转速、冷媒介质和温度压力等参数进行优化设计，是衰减压缩机气流脉动降低气动噪声的主要措施[15]。武晓昆等[16]针对螺杆制冷压缩机排气气流脉动诱发的机脚振动问题，应用赫姆霍兹气流脉动共振腔后，机脚振动加速度值降低36.2%～40.9%。但不可否认，赫姆霍兹共振腔衰减频率范围窄，当流体介质温度压力偏差较大时容易导致衰减频率偏移，普遍应用于定频压缩机降噪领域，对变频压缩机的降噪效果不明显。因此，在气缸上设计π字形排布的两个排气气流脉动衰减腔，拓宽气流脉动衰减的频率范围；在排气高压管上设计气流脉动衰减腔，进一步拓宽降噪频率的带宽。

图2 排气阀板阀芯面优化

图3 活塞销-连杆油路润滑改善

（3）优化设计消声器。优化设计消声器，拓宽降噪频率带宽，提升降噪效果是改善压缩机气动噪声的有效途径。随着数值计算方法的发展和计算机配置的提升，应用有限元法和边界元法对消声器进行CFD分析，仿真结果的精度明显提升，更接近试验结果，因此仿真分析对消声器的结构设计和性能提升具有重要的指导意义[17]。DONE等[18]研究结果表明在内插管式消声器的基础上，设计穿孔管消声器，不仅可以降低压力损失，而且可以拓宽消声器的消声频率范围，在1500～3000 Hz整个频率区间内均有较高的传递损失值。但考虑到穿孔管消声器体积相对较大，制造成本较高，受限于压缩机内部安装空间和制造成本，穿孔管消声器在冰箱压缩机实际降噪应用中并不多见，仍以内插管式消声器为主。大量数值分析和试验结果表明，冰箱压缩机上常用的内插管式消声器的内插管与进气口距离越远时，低频段的最大消声频率就越大；隔板位置对消声器高频的消声性能影响比较大，一般而言，分割的腔体增多，每个腔体的体积减小，频率向高频偏移，高频率段的降噪效果得到改善。

3.3 控制电磁噪声

电机主磁通沿径向进入气隙，在定子和转子上产生径向力和轴向力，诱发定子产生振动辐射噪声，其中径向力是电磁噪声的主要诱因。根据气隙中的磁场能量关系，气隙磁场产生的径向力与气隙磁导率、气隙磁密、电机极对数、定子转子磁动势谐波次数和电网角频率等众多因素有关[19,20]。因此，一方面优化电机结构降低径向力，如适当降低气隙磁通密度，转子采用斜槽结构等；另一方面，提升制造精度优化装配工艺，减小定子转子间气隙不均匀降低径向力。电机定子转子间的气隙不均匀是影响电磁径向力的关键因素，其中气隙不均匀可以分为静态不均匀和动态不均。当定子轴线与转子轴线不重合时，产生气隙静态不均匀，随着偏心值、运行转速和工作负荷的增大而增大。当曲轴挠曲或转子铁芯不圆时会造成气隙动态不均匀。因此，针对定子转子间的气隙不均匀，一方面提高制造精度，减小动态不均匀；另一方面改进装配工艺，调整定子转子间的静态不均匀，如采用划分网格法测量各点的气隙，将测量的气隙值与理论气隙值的偏差控制在10%以内，电磁噪声可以得到显著改善。

3.4 阻断传递路径

冰箱压缩机工作过程中产生的噪声主要通过高压排气管、壳体支撑弹簧、制冷剂和润滑油等途径传递到壳体上，由壳体向外辐射噪声。因此，针对噪声的传递路径采取相应的阻断措施降低壳体响应。

（1）优化高压排气管设计。冰箱压缩机的高压排气管两端分别连接壳体与气缸衰减腔，为制冷系统输送高压制冷气体。高压排气管一方面传递排气气流脉动诱发的振动噪声，另一方面还要传递运动部件不平衡诱发的振动噪声，是冰箱压缩机振动噪声传递的主要路径。TASDELEN等[21]在排气管上应用管簧后，在3000 Hz～3500 Hz内振动有显著改善，管簧的形状和长度等对500 Hz～1500 Hz内振动影响较大。因此，可以利用数值分析结合试验研究的方法，首先，优化高压排气管的管径与壁厚，改变高压排气管插入机壳排气管的焊接深度，偏移排气管的固有频率，避免共振产生更大的振动噪声。其次，优化排气管管簧的线径，提高管簧对排气管振动的吸收，减小排气管的振动传递。最后，优化排气管的长度和形状，衰减排气管内的气流脉动，减小气流脉动诱发的振动噪声。

（2）阻碍底座弹簧的传递。冰箱压缩机底座弹簧将压缩机本体固定到壳体上，同时也会将本体振动噪声传递到壳体上。因此，一方面，降低底座弹簧的固有频率，提高底座弹簧对本体振动的隔振效率，减小本体振动的传递，降低噪声；另一方面，根据压缩机本体振动噪声特性，将底座弹簧的固有频率偏离振动噪声的激励频率，避免共振。

（3）避免腔内制冷剂共振。冰箱压缩机工作过程中的机械噪声和气动噪声通过激励压缩机腔体内的制冷剂将噪声传递到机壳上，继续向外辐射噪声。当冰箱压缩机腔体内制冷剂的固有频率与噪声激励频率一致时，会发生共振，激发更大的噪声。由于压缩机本体部件众多，制冷剂流场复杂，利用制冷剂流场的固有频率与制冷剂种类、工作压力和工作温度等有关的特点，经常采用试验的方法分析制冷剂的固有频率，例如在同一台压缩机上将R134a和R600a制冷剂互换来变更制冷种类，或者通过改变吸排气压力来改变制冷剂的压力和温度，偏移腔体内制冷剂的固有频率，根据测量的噪声结果，分析是否共振。

（4）减小润滑油影响。冰箱压缩机封闭腔体内的制冷剂和润滑油在曲轴的旋转搅动下形成漩涡产生气泡，当气泡破裂时会产生噪声。冰箱压缩机润滑油较少时，溶解在润滑油内的制冷剂较少，在曲轴的旋转搅动下分离出的制冷剂气泡也较少，产生的气泡破裂声轻微。随着润滑油增加，溶解在润滑油内的制冷剂也相应增加，在曲轴的旋转搅动下形成更多的气泡，引起的扰油噪声随之增加。润滑油继续增加，电机定子的线圈会接触或者浸泡在润滑油内，增加线圈与润滑油和制冷剂的接触面积，加速气泡的产生，导致更大的扰油噪声。此外，压缩机内的润滑油通过流固耦合作用对壳体辐射噪声产生影响，随着润滑油含量增加，壳体固有频率向高频偏移[22]。季晓明等[23]等指出润滑油液面高度从0 mm增加到30 mm时，压缩机壳体第5阶和10阶固有频率分别从2441 Hz偏移到2087 Hz和从3231 Hz降低到2938 Hz，固有频率偏移量达到300 Hz，说明润滑油含量对壳体固有频率产生比较大的影响。因此，适当减少润滑油含量，避免润滑油对壳体固有频率产生较大的影响，有助于降低压缩机噪声。

3.5 降低壳体噪声辐射

冰箱压缩机壳起到支撑本体、隔离本体噪声的作用。增加壳体厚度，提高壳体刚度，使壳体固有频率向高频偏移，有利于减小噪声辐射的能力。乐建波[24]等研究结果表明，压缩机上壳体厚度从2.5 mm增加到4.5 mm，壳体的高阶次固有频率向高频偏移500 Hz左右，但是壳体厚度的增加必然导致成本的增加，因此通过增加壳体厚度来改善噪声的方案是行不通的。为了提高壳体的隔声效果，降低壳体的辐射噪声，一方面要优化壳体结构，减少壳体的固有频率，避免壳体共振，例如利用非对称外壳大部分模态固定的特点，将外壳设计成非对称形状，可以有效避免壳体固有频率同时被激励；另一方面通过优化设计外壳结构与形状以获得理想的刚度和结构阻尼，从而弥补壳体厚度减薄对噪声控制带来的不利影响。此外，优化壳体支脚和减振橡胶圈的结构与形状，偏移支脚的固有频率，避免共振[25]。

4 噪声控制技术发展趋势

4.1 优化阀板阀片材质

随着非金属材料性能的改善，其良好的减振降噪性能逐渐显现出来，冰箱压缩机的阀板阀片可以采用非金属材料替代金属材料，增加材料的阻尼，缓解阀片拍打阀板的撞击声，从源头上降低压缩机的机械性振动噪声。

4.2 表面处理活塞-气缸运动副

应用真空镀膜的表面处理技术，在活塞-气缸运动副接触面上喷涂自润滑封严涂层，一方面利用涂层自润滑特性可降低活塞-气缸运动副间的摩擦系数，降低摩擦接触过程中产生的机械振动噪声；另一方面利用涂层封严特性可减小活塞-气缸运动副间的间隙，提高压缩机性能。

4.3 设计可调频自适应气流脉动衰减器

气流脉动衰减器针对压缩机特定运行工况下的降噪效果显著，但当压缩机运行工况变化较大时，如压缩机运行转速改变，气流脉动衰减器的衰减效果减弱甚至消失。为了满足不同运行工况下气流脉动衰减效果，拓宽气流脉动衰减频率范围，往往只能被动采用多个衰减装置并联或者串联，不仅会牺牲衰减效果，而且导致衰减装置体积过大无法安装甚至被动增加压缩机体积。因此，周明龙等[26]提出的一种可调频自适应气流脉动衰减器，可以根据压缩机的运行工况，自动调节气流脉动衰减器的衰减频率，衰减气流脉动，降低振动噪声，或可成为一种新的趋势。

4.4 引进有源降噪技术

有源降噪是利用声波的相消干涉原理，通过引入电声装置产生额外的噪声源与不希望的原始噪声进行叠加，从而达到降低或者抑制噪声的目的。有源降噪具有良好的低频降噪效果，适用于控制低频噪声，目前主要应用于耳机和汽车等领域。随着有源技术的发展，以及对压缩机噪声的深入研究，有源降噪有望逐步应用到冰箱压缩机降噪领域。