对某压缩机厂的冰箱压缩机吸气消声器的优化

宋家由，林杨妙，葛丽霞

（嘉兴南洋职业技术学院，浙江 嘉兴 314031）

0 引言

冰箱作为家电设备中使用频率最高的设备之一，其各方面的性能直接影响一个冰箱的质量和品牌。国内大多数家庭的冰箱都是摆放在厨房或者客厅，那么冰箱的噪声会直接影响到用户的体验。冰箱的噪声主要来源于压缩机本体的噪声和冰箱箱体内的制冷剂的流动和毛细管的喷射。压缩机作为冰箱的心脏，它的噪声也是衡量其综合性能的一个重要指标。压缩机的噪声源主要来自压缩机的吸、排气噪声，电磁噪声和机械振动产生的噪声。压缩机的进气噪声是由气流在进气管内的压力脉动导致的[1]。因此需要在压缩机的进气侧加装吸气消声器，吸气消声器主要用于减弱制冷剂吸入压缩部分时产生的吸气噪声[2]。

目前绝大多数的压缩机厂都会通过设计一款合理的吸气消声器来消除或者降低吸气侧的噪声。一款结构设计合理的吸气消声器可以有效地降低吸气噪声，在这里不考虑由于消声器本身结构复杂及内部流过的气流速度快、湍流强度高，很容易产生气流再生噪声，即气动噪声[3]。本文主要研究如何设计一款结构合理、消声性能良好的吸气消声器，暂不研究气动噪声。为某压缩机公司推出的某款新型压缩机设计一款吸气消声器。在原有模型的基础上，利用声学软件进行消声器传递损失的仿真计算，基于计算结果指导模型的三维结构参数的优化。最后得到比较合理的消声器设计方案，当然设计方案还需要进一步的实验验证。

1 消声量理论公式的计算

1.1 消声器的建模

本文讨论的消声器的传递损失是基于三维模型进行仿真计算的，但是仿真计算主要是对关键的一些参数的改进进行的，因此只给出了需要计算的一些主要参数，如表1所示。

表1 消声器主要参数

简化模型基本参数如图1所示。

图1 消声器简化模型基本参数

1.2 消声器截止频率[4]

1）上限截止频率计算如下：

1.3 消声量的计算

本文主要利用消声器的传递损失来衡量消声器的声学性能[5]。该简化模型的结构比较复杂，没有现成的公式可以计算其总的传递损失，因此分两级计算。由于两级消声室之间存在耦合关系，总的传递损失不等于两级各自的传递损失之和，所以该方法只能估算消声器的传递损失，其结果只能作为参考。

消声器的消声量主要还是用消声器的传递损失（TL）来衡量，在Hypermesh中对消声器的空腔模型进行网格划分，在有限元分析方法中，网格的稀疏将直接影响到数值模拟计算的准确度，所以网格的划分应尽量做到足够精细，以便提高声学传递损失计算的准确度。对于有限元模型，通常假设在最小波长内有6个单元，也就是最大单元的边长要小于计算频率最短波长的1/6[6]。利用Hypermesh完成网格的划分后导出.inp格式的文件，然后在LMS.Virtual.Lab中进行消声器的传递损失计算。消声器声学模型如图2所示。

图2 消声器声学模型

1）简化模型（入口管在底部）的第一级消声器为带有内插管的扩张室，其传递损失为

式中：m1为第一级扩张比；k为波数；la为入口插入管的长度；lc为出口插入管的长度；l21为第一级空腔的长度。

2）原始模型的一级消声室为侧面入口并带有内插管，其传递损失为

式中：m1为第一级扩张比；l21为第一级空腔的长度；la为入口到底面的距离；lc为出口到顶面的距离。

将具体数值代入，得传递损失曲线如图3所示。

图3 消声器的传递损失曲线

从图3可以看出，消声器的频率点为4～5 kHz，7～8 kHz的传递损失也不是很理想。

2 不同因素对消声量的影响

2.1 空腔长度对消声量的影响(保持空腔直径不变)

1）变换空腔长度，若面积比不改变，则其最大消声量并无多大改变；2）随着空腔长度增加，容积V变大，其截止频率向低频区域移动，有可能成为低频消声；3）随着空腔长度增加，kl2变大，其通过频带域数目也增加，但消声效果未必相应增加。

2.2 空腔直径影响(保持空腔长度不变)

1）空腔直径增大，面积比增大，最大消声量也随即增大；2）截止频率因容积V增大而移向低频区域。

2.3 空腔纵横比的影响(保持空腔容积不变)

1）空腔越扁，面积比就越大，最大消声量也就随之增大；2）容积不变时，截止频率几乎不变。

2.4 改进消声器的尺寸

根据以上分析，为使消声器的最大消声量所对应的频率在1800 Hz附近，修改如下几部分尺寸都会改变消声器的传递损失：1）修改进气口的位置；2）改变第二级消声器空腔的长度；3）增大两级空腔的截面积；4）改变进、出气口管的截面积；5）在空腔里面添加吸声材料。

3 不同设计方案的仿真分析

3.1 方案1

修改空腔长度，单腔扩张室消声器的最大消声频率为fmax=a (2N+1)/(4l)，(N=0，1，2，3……)。令N=0，fmax=1800 Hz，得出l=34.2 mm，通过频率为f0=aN/(2l)=3596 Hz。设计第二级消声器的最大消声频率对应第一级的通过频率，从而得出第二级消声腔的长度为17.1 mm。因此修改空腔长度，第一级消声腔由52.5 mm改为34.2 mm，第二级消声空腔由14 mm改为17.1 mm，得到其传递损失曲线，如图4所示。

图4 方案1改进后的传递损失曲线分析

从图4可以看出，修改空腔长度后，传递损失在4～5 kHz和7～8 kHz得到有效的改善，总的效果并不理想，在5～6 kHz附近的传递损失并没有得到有效的改善。

3.2 修改空腔的截面积

第一级消声器截面面积由939 mm2增大到1204 mm2，第二级由1368 mm2增大到1522 mm2。此时第一级和第二级的扩张比都增大了。截面尺寸如图5所示。

图5 改进方案2参数

修改后其传递损失曲线如图6所示。

图6 方案2截面积改进前后传递损失曲线

从图6可以看出，改进后的方案在5～6 kHz之间传递损失有所增加，但是在4～5 kHz频率范围内传递损失反而变差了。

3.3 修改内插管在隔板上得位置

将内插管向远离入口侧方向移动10 mm，如图7所示。将插管的位置改变后，称为方案3，得其传递损失曲线如图8所示。

图7 方案3插管位置修改

从图8可以看出，方案3的设计在全频段范围内都没有得到较好的改善。在很多频段范围内传递损失都有所下降，只有在8～9 kHz范围内传递损失稍微有所改善。

图8 方案3插管位置修改前后的传递损失曲线

3.4 综合空腔的长度、截面面积及内插管在隔板上的位置

由于空腔的改变对传递损失的影响比较明显，因此综合使用方案1、2、3的改进参数得到综合方案，对最终的综合方案进行仿真计算，得到的传递损失曲线如图9所示。

图9 综合改进后传递损失曲线

从图9可以看出，除了在2～3 kHz和4～5 kHz的频段传递损失有比较明显的改善以外，高频部分的传递损失也有所改善，但是在5～6 kHz的频段范围内传递损失还是需要进一步优化和改进。由于这些数据仅仅是消声器的传递损失的仿真计算，对实际的压缩机噪声的影响还需要进一步的噪声测试来验证。

4 实验测试

整机测试主要是采用丹麦的Brüel&Kjær PULSE噪声测试系统：包括由多个B&K3560C集成的数据采集模块总共包括12+6个通道、10个麦克风传声器、3个加速度传感器和数据分析软件B&K Pulse（包含基本的电声测试软件SSR（Steady State Response）、FFT、CPB分析软件）。按照国家标准采用十点法声压级测试[6]，测试场所在半消声室进行，如图10所示。

图10 十点法噪声测试实验

取4台运行稳定的样机进行噪声测试，并取测试数据的平均值进行1/3倍频程频谱分析，如图11所示。

图11 整机测试1/3 倍频程频谱

对测试数据进行CPB分析可以看出，在低频段和3～5 kHz的噪声和5～8 kHz频段的噪声都有所改善，综合改进后的方案和原方案在整机噪声测试Overall总值也降低了1.6 dB。基本可以验证消声器的方案改进有了一定的效果，如果要达到更低的噪声水平还需同步进行其他方面的降噪措施。

5 结语

在对原有的消声器进行分析的基础上，提出了理论上比较可行的多个改进方案。针对空腔长度、空腔截面积、入口内插管长度、入口插管截面积、出口内插管长度、内插管的位置等诸多因素设计了多个改进方案，并利用声学软件SYSNOISE对改进的模型进行传递损失的仿真计算。最后通过整机的噪声测试对改进方案进行验证。通过对各个改进方案的计算结果可以得知：1）随着空腔长度增加，容积V变大，其截止频率向低频区域移动，有可能成为低频消声；2）空腔直径增大，面积比增大，最大消声量也随之增大；3）改变进、出气口管的截面积比对消声量有明显的影响；4）改变插管的长短和位置会改变消声器的消声频率点。

虽然通过仿真计算得到了消声效果比较好的方案模型，并且通过整机噪声测试验证了改进方案的有效性，但是本次方案的改进还需要更多的样机测试的验证才能推广。降噪还需要从各方面入手解决，比如排气噪声、壳体的隔声等。