基于多孔吸声材料的滚动转子式压缩机降噪特性研究

赵凤荣，黄波

（上海海立电器有限公司，上海 201206）

0 引言

随着生活水平的不断提高，人们对舒适性的要求也越来越高。对于空调而言，不仅有能效的要求，用户也逐渐追求低的噪声水平。压缩机作为空调的主要噪声源之一，直接向外辐射噪声。因此转子式压缩机要占有更多市场，必须在振动噪声方面有所突破[1-3]。而目前滚动转子式压缩机内部降低气流噪声的手段以抗性消声为主，主要通过改变消声器结构或增加霍姆赫兹共振腔来实现压缩机的降噪[4]。另外，黄波等[5]研究了在滚动转子式压缩机中使用高阻尼的聚醚醚酮作为排气阀的主要材料，降低了阀片的冲击噪声，在压缩机高转速的中低频段下降了3～5 dB。蔡建程等[6]分析了往复式制冷压缩机噪声的类型及传递路径，指出壳体是压缩机自身噪声向外辐射的最终载体，并对压缩机的壳体模态及装配工艺进行研究，指出结构模态与振动噪声的关系。

阻性消声应用相对较少，这主要受阻性消声材料自身属性所限制。随着压缩机转速越来越高[7]，压缩机内部冷冻机油和制冷剂温度也逐渐升高，这对压缩机内部非金属件的要求也更加严格。而目前大多数吸声材料不能满足高温高压下与制冷剂和冷冻机油的相容性要求，在模拟压缩机内部材料加速寿命试验时，部分吸声材料由于高温发生碳化，也有部分材料与制冷剂或冷冻机油发生化学反应。

目前可以在压缩机内部使用的吸声材料，主要有泡沫金属类（泡沫铁、泡沫镍或泡沫铝）、泡沫玻璃及泡沫塑料中的密胺材料[8]。泡沫玻璃有较好的开孔率[9]，高达85%以上，但是由于材料的特性，其力学性能较差，容易遭到破坏，泡沫玻璃在切割位置有容易掉落的碎屑，在压缩机内部使用可能会造成压缩机的堵转，或对空调系统有不良影响，本文主要对泡沫塑料（主要是密胺材料）及泡沫金属进行探讨。在20世纪80年代，密胺材料（三聚氰胺泡沫）由德国公司巴斯夫率先取得了重大进展[10]，随后其公司公布了三聚氰胺泡沫的制备方法[11]，并逐步开始在建筑等领域广泛使用。张慧洁等[12]为了提高低频吸声效果，以聚酯纤维、微穿孔板和铝纤维板为研究对象，得出在合适的结构设计下，在低频100～500 Hz频段，材料的平均吸声系数达0.55。张亚虎等[13]提出一种共振吸声体结构，利用吸声体的共振频率与噪声声压级峰值频率相吻合引起共振的方法，最大限度地吸收噪声声压级的峰值，达到吸声降噪的目的。黄磊[14]研究了吸声和隔声材料在空调降噪中的应用，主要在压缩机外侧安装隔声罩和吸声材料，分析了吸声层材料与隔声层材料对空调降噪的影响。

1 多孔吸声材料消声机理

多孔吸声材料在结构上有一个共同特征，就是表面和内部有无数微细孔隙，微孔的孔径多在微米到十几微米间。这些微孔间互相贯通，具有较好通气性，微孔的总体积约占总体积的95%以上[15]。

当声波入射到多孔吸声材料表面时，一部分声波从多孔材料表面反射，另一部分声波透射进入孔隙，并衍射到材料内部的微孔内。进入多孔材料的这部分声波，引起孔隙中的黏滞阻力，以及孔隙中的空气和孔壁与纤维之间的热传导，从而相当一部分能量转化为热能被耗散掉。特别是低频的吸收，主要依靠材料细纤维的振动来实现[15-16]。此外，声波在多孔性吸声材料内经过多次反射进一步衰减，当进入多孔性吸声材料内的声波再次返回时，声波能量已经衰减很多，只剩下小部分能量，大部分则被多孔性吸声材料损耗吸收掉。所以只有数量丰富、且内部孔与孔之间互相连通的多孔材料才可能使声能深入到材料内部，因此声波才能顺利渗入[17]。

2 密胺海绵材料特性

密胺海绵是采用热固性聚合物（三聚氰胺树脂）为原料制成的弹性开孔泡沫。其纤细而易于成型的纤维构成了三维网状结构，其微观特性见图1。其材料分子式为C3H6N6，一般为白色单斜晶体，不溶于水，熔点354 ℃。密胺海绵是一种低容重、高开孔率、柔性的纳米超细纤维泡沫塑料，具有良好的阻燃性和吸声特性。其开孔率高达95%以上，使得声波能充分有效地进入材料的深层，之后转化为热能被耗散掉，达到吸声的目的。

图1 密胺材料微观特性

密胺海绵的物理性质稳定，在较大的温度范围内有稳定的物理性能，有效工作温度在-200～240 ℃。由于密胺海绵优良的吸声特性及阻燃性，被广泛应用于地铁及轨道列车的隔热吸音、船舶的声学降噪、飞机座舱和管道系统的隔音及运载火箭载荷区的覆层，在压缩机内部的研究和应用较少。

3 吸声系数测试

3.1 测试标准

多孔吸声材料一般用吸声系数来评价，吸声系数是被吸声材料吸收的声能和入射声能之比。而吸声系数的检测主要有阻抗管法[18-19]和混响室法[20]，而阻抗管法又分为驻波比法及传递函数法。

驻波比法[18]用于在阻抗管中测定法向入射条件下吸声材料和结构的吸声系数、反射系数和表面声阻抗率或表面声导纳率。将测试件装在阻抗管的一端，入射声波由阻抗管另一端的扬声器产生，入射声波与从样件反射回来的声波相叠加，从而在阻抗管内部建立起驻波。当入射声波与反射波同相位时，驻波图出现极大值；当两者反相时，则出现极小值。驻波比根据测得的第n个声压极小值处的声压振幅和极大值处的声压幅值得到。

传递函数法[19]也是阻抗管法的一种，只不过传声器与驻波比法不同。待测试的样品在阻抗管的一端，平面波由声源产生，在靠近样品的两个测点位置测量声压，求得两个传声器信号的声传递函数，用此计算试件的法向入射复反射因数、法向入射吸声系数和声阻抗率。

根据GB/T20247—2006[20]，混响室法测定吸声系数，可以用于测试横向和法向有明显不同结构的材料。阻抗管法一般要求样件较小，而混响室法则要求样品大小10～12 m2的标准样件，这对测试带来较大不便。而阻抗管法仅限于法向入射参数的研究，要求测试样品与阻抗管的截面大小相同即可。

3.2 吸声系数测试

本次样品主要由几家合作公司提供，主要有泡沫金属类（泡沫铁、泡沫镍）以及泡沫塑料（密胺材料），其中密胺材料分为普通材与高密度材料，以及F公司多倍压缩产品。吸声系数测试委托第三方专业机构完成，测试依据GB/T18696.2—2002[19]进行测试，测试频段为80～5 000 Hz范围。

具体待测样品见表1，测试目的主要为筛选出适合滚动转子式压缩机应用的样品，为方便对比，样件均统一厚度5 mm。

表1 测试样品信息

由图2可知，不同厂家密胺材料吸声系数差异很大，尤其是中高频1 000 Hz以上频段。对于泡沫镍而言，5 mm厚度时，500 Hz以下频段相对有优势，但对于1 000 Hz以上频段，吸声性能相对较差。

图2 5种不同材料吸声系数

对于样品2和样品3，在5 mm厚度时，产品密度的差异，也主要体现在800 Hz以上频段，尤其是4 000～5 000 Hz频段，高密度的吸声系数是低密度的两倍左右。

在1 250 Hz以下频段，样品4吸声系数相对最高，且1 250 Hz以上频段，吸声系数也能保持优势，综合吸声系数及材料成本，初期考虑在压缩机内部使用样品4进行实验验证。

4 多孔吸声材料在压缩机内应用

对于滚动转子式压缩机而言，由于整体是封闭式结构，故在压缩机壳体内部适合使用多孔吸声材料。在不影响现有结构的前提下，初步考虑在压缩机下壳盖内部衬入多孔吸声材料，主要原因是下壳盖处有安装空间，且由下壳盖辐射出去噪声多为中高频噪声，对整机噪声级值影响较大；在此处嵌入多孔吸声材料，无需有较大结构上变动；且此处基本无气流冲击，对材料强度要求不高。

因此将样品4加工至圆环形，放至下壳盖内部，前期试制阶段，用环氧胶将圆环形密胺吸声材料与压缩机下侧盖板结合起来。装入滚动转子式压缩机下壳盖前样品如图3所示，圆环状海绵体。

图3 密胺材料

图4 下壳盖内嵌入密胺吸声材料

基础式样和加密胺消声材料两方案各3台，对压缩机单体噪声进行测试，测试在上海海立电器全消室进行，测试结果见图5。从测试结果来看，加入密胺消声材料后，高转速下，尤其是5 400 r/min和6 000 r/min，噪声值下降约2 dBA。

图5 噪声测试结果对比

图6所示为两种方案频谱对比，从数据结果来看，主要改善频段为1 000 Hz以上中高频频段。此处整机测试噪声改善频段跟密胺材料单体吸声测试会有差异，主要还是材料厚度以及压缩机内部实际工作过程中，多孔吸声材料会吸入部分冷冻机油有关，这会对消声频段以及消声量有一定影响。

图6 基础式样与下端盖加多孔消声材料方案频谱对比

冷冻机油影响多孔吸声材料的吸声性能，主要是因为在有油状态下，制冷剂在密胺材料中流速会发生变化，从而影响吸声频段。为降低冷冻机油的影响，可考虑对密胺材料进行疏水疏油表面处理，或在密胺材料的表面进行覆膜处理，使得冷冻机油无法进入到材料内部，从而降低冷冻机油对吸声性能的影响。

5 结论

本文研究了5种不同厂家、不同类型、不同密度的多孔吸声材料，用传递函数法分析对比了在不同频段的吸声系数，得出如下结论：

1）在1 250 Hz以下频段，Z公司密胺材料吸声系数最高，在1 250 Hz以上频段，F公司高密度密胺材料吸声特性最优，但在中低频段，没有明显优势；

2）在500 Hz以下频段，泡沫镍与Z公司密胺材料吸声系数相当，约为0.03，但在500 Hz以上频段，泡沫镍吸声系数随频段的增幅没有密胺材料的高，在5 000 Hz频段处的吸声系数仅为0.12；

3）在压缩机下端盖内部嵌入Z公司密胺材料，和常规无吸声材料的压缩机相比，整机噪声级降低2 dBA，在1 000 Hz以上关键频段，声压级下降约2～5 dB。