摘 要：采用在压缩机吸气端设置消声器的方法降低冰箱在运行过程中制冷压缩机所产生的噪声。采用Creo 3.0对压缩机吸气消声器进行三维建模，使用CATIA划分网格，运用LMS.Virtual.Lab对内腔无导流管的消声器进行声学传递损失计算。针对无导流管的消声器在压缩机主要噪声频段消声效果不稳定的特征，设计内腔方形导流管、内腔圆形导流管两种消声器，与无导流管消声器进行对比，发现导流管可以提高消声器的消声性能，而导流管的形状也影响消声器的消声性能，圆形导流管比方形导流管有更好的降噪效果。最后通过压缩机整体噪声测试实验，验证上述不同结构消声器在压缩机稳定工况时降噪的对比效果，得出圆形导流管消声器对于整机辐射噪声消声效果好的结论。
关键词：声学；制冷压缩机；吸气消声器；传递损失；导流管；噪声测试
随着社会的发展，人们生活水平不断提高，人们对家用电器的噪声越来越重视，噪声越来越成为衡量冰箱压缩机品质的重要指标。冰箱的噪声主要由制冷压缩机引起，而压缩机的噪声主要由气流脉动噪声、机械噪声和电磁噪声三部分组成，其中气流脉动噪声所占的比重最大，是压缩机的主要噪声源[1]。因此降低气流脉动噪声对压缩机的研究有着十分重要的意义，为了降低制冷剂流动所产生的吸气噪声，采用在压缩机吸气端设置消声器的方法来降低噪声[2-3]。压缩机的吸气消声器是一种抗性扩张式消声器，它的消声原理是利用管道界面的突然扩张或者收缩，使沿管道传播的某些频率的声波不能通过消声器，从而达到消声的目的。现如今大部分吸气消声器内腔中设置一隔板以提高消声性能，通过改变隔板位置参数来改进消声器的消声性能，具有一定的效果，但在压缩机气流脉动噪声的主要频段800 Hz～1 000 Hz消声效果不明显[4]。
文中基于有限元法，对冰箱压缩机的吸气消声器进行声场分析，研究内腔无导流管消声的传递损失，分析其消声特性并针对无导流管消声器本身的不足，设计了内腔方形导流管、圆形导流管两种新型消声器，通过分析，发现导流管可以提高消声器的传递损失，而圆形导流管较之方形有更高的传递损失。最后通过实验，证明改进后的圆形导流管消声器在整机噪声测试中有更好的降噪效果，为产品设计提供依据和理论基础。
1 吸气消声器建模
1.1 消声器结构参数
压缩机吸气消声器采用PBT树脂（聚对苯二甲酸丁二醇酯）材料合成，PBT树脂为结晶性，熔点在230℃左右，相对密度为1.35，具有优良的力学性能，有自润滑性和耐磨性，具有摩擦系数低、耐热、耐候好等特性。吸气消声器内腔中设置一隔板，以提高消声性能，隔板中间设置一小孔，孔径为6.5 mm。如图1所示。
图1 消声器结构
1.进气口 2.过滤网 3.消声器外壳 4.排气口 5.隔板
1.2 消声器模型
对于家用冰箱制冷压缩机来说，其压缩机的气流速度较低，可以忽略消声器内部的流体与机构的耦合作用，认为消声器内部是非耦合声场。因此，就仅对消声器的内部腔结构建立数学模型。在Creo3.0中先建立无导流管吸气消声器的三维模型。将消声器内表面即制冷剂流过内腔表面的部分进行内表面提取，通过填充、投影将其实体化。如图2所示。
图2 无导流管消声器
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[5]。为了控制变量使仿真结果更加准确，在CATIA中将内腔无导流管消声器进行网格划分，并将其保存为bdf格式，然后导入LMS.Virtual. Lab中进行消声器的传递损失计算，如图3所示。
图3 无导流管消声器网格
2 仿真分析
2.1 参数设置
冰箱压缩机的吸气消声器是一种抗性消声器。消声量与消声频率段是衡量消声器声学性能的主要指标，而消声器的传递损失就是测量消声量的一种度量方法。传递损失即为消声器的进口入射声功率级与出口处的透射声功率级之差[6]，其计算表达式为
式中Win、Wout为入射声功率、透射声功率；Sin、Sout为入口面积、出口面积；Pin、Pout为入射声压、透射声压。
为了在声学仿真计算时使问题简单方便，必须对媒质和声波过程做一些假设[4]：
(1)假定声波在消声器的内部传播是在理想的无黏性流动媒质中进行的，传播过程没有能量的损失；
(2)假定传播过程中，消声器内部的媒质与周围的部分不会产生温度差而引发热交换；
(3)假定所用媒质在宏观上是静止且无声扰动，消声器内部静压、声速、密度、温度等均为常量；
(4)假定声波以小振幅的形式在媒质中传播，其随时间变化的高阶量可以忽略不计，声过程可以用线性波动方程来简化表示。
冰箱压缩机中的内部制冷剂为R600a（异丁烷），其密度ρ=1.63 kg/m3，声速c=218.5 m/s。在LMS.Virtual.Lab中计算消声器的传递损失时需要设置必要的边界条件，其中，在进口处是速度边界条件，假设入射波为一维平面波，其速度为1 m/s。在出口处是阻抗边界条件，为无反射的平面波声场，其声阻抗率为Z=ρc。内部壁面边界不考虑内壁面的吸收作用，假设内壁面是刚性边界，媒质的法向速度为零，即
2.2 仿真结果
在LMS.Virtual.Lab中按照上述的边界条件，通过定义流体材料、流体属性、出入口单元组、查看声场分布、定义输入输出点等步骤，对内腔无导流管制冷压缩机吸气消声器进行传递损失的计算，计算结果如图4所示。
图4 无导流管消声器的传递损失
由图4传递损失曲线可知，无导流管消声器在压缩机气流脉动噪声主要频段800 Hz～1 000 Hz内有一定的消声效果，800 Hz时传递损失为38 dB，1 000 Hz时为45 dB，虽然传递损失略有上升，但传递损失均值不大，只有40 dB，且总体增长幅度较小。因此整体消声效果不佳，消声性能有待提高。
2.3 设计改进对比
针对上述内腔无导流管吸气消声器消声性能不稳定、传递损失均值低的问题，设计了内腔方形导流管、内腔圆形导流管两种新型吸气消声器。其中方形导流管的边长与圆形导流管的直径相等。其导流管的内径为9 mm，外径为10 mm，其余尺寸及材料与无导流管吸气消声器完全相同，对这两种消声器进行内腔表面提取并实体化，如图5、图6所示。
图5 方形导流管消声器
图6 圆形导流管消声器
为了控制变量使仿真结果准确，采用与无导流管消声器相同的参数与边界条件，对其进行声学传递损失仿真计算。三种不同结构消声器传递损失对比如图7所示。
图7 三种结构传递损失对比
因为冰箱压缩机的气流脉动噪声能量主要发生在800 Hz～1 000 Hz频率段，所以通过上图可以分析得到，在冰箱压缩机吸气消声器中，有导流管的设置相比于没有导流管的设置，在压缩机的气流脉动噪声主要频率范围内传递损失明显提高，800 Hz～1 000 Hz范围内平均提高了30 dB，因此有导流管消声器比无导流管消声器有更好的消声性能；而圆形导流管的消声器相比于方形导流管的消声器，传递损失略有提高，在800 Hz～1 000 Hz时平均提高了8 dB，圆形导流管直径与方形导流管边长相等，故圆形管道横截面积较小，在导流管走向结构、消声器腔体结构相同的情况下，圆形导流管的截面突变比较大，所以，圆形导流管消声器较之方形导流管消声器有更好的消声性能。
3 实验验证
3.1 测试设备与方法
根据国家标准GB/T 9098-2008，为确保测试准确性，将三种不同吸气消声器装配到同一台制冷压缩机中先后进行噪声测试，将压缩机置于半消音室中，维持环境温度在20±5℃。根据十点法放入半球中心位置，将压缩机抽真空，然后注入R600 a制冷剂，保证吸气压力为-0.028±0.01 MPa，排气压力为0.586±0.05 MPa，在压缩机工况稳定后，即可进行声压级和声功率级的测试[7]。
测试过程中用PCB数据线连接十个麦克风，通过使用朗德公司（HEAD）Recorder 4.0数据采集系统采集噪声数据，然后导入计算机使用朗德Artemi S Suite 6.0数据分析软件进行频谱分析与声功率计算，最终得出压缩机的辐射声功率级，待测试完成后统计测试结果并进行对比。
3.2 实验结果分析
测试结束后统计三次测试的数据如表1所示，噪声频谱图如图9所示。
图8 半消声室内压缩机测试与数据采集分析系统
表1 噪声测试数据 dB
图9 噪声频谱
从整机声功率测试数据统计表可以看出：有导流管的吸气消声器相比于没有导流管的消声器，在压缩机整体噪声测试中有显著降噪效果，声功率级降低了3.65 dB。由于传递损失是在理想边界条件下单独仿真计算的，不考虑流速的影响，且压缩机内部结构复杂，存在较多噪声源，压缩机运行过程中产生的振动会引起消声器的振动，影响消声性能，故计算结果数值较大。所以综合以上分析可知，有导流管消声器比没有导流管的消声器在压缩机整体降噪方面有显著优势；而圆形导流管吸气消声器比方形导流管吸气消声器更能在一定程度上降低压缩机整体噪声，声功率级可进一步降低1.41 dB。
从整机测试噪声频谱图中可以看出：方形、圆形导流管消声器装机测试时在800 Hz～1000 Hz频率段较之无导流管消声器有明显的消声效果，噪声值降低了近5 dB，且圆形导流管消声器较之方形导流管消声器装机测试时在800 Hz～1 000 Hz频率段有更好的消声效果，噪声可进一步降低1.5 dB。
4 结语
为了有效降低冰箱压缩机的噪声，通过三维建模、网格划分、数值仿真的方法对三种不同内腔（无导流管、方形导流管、圆形导流管）吸气消声器进行了传递损失分析计算，并针对分析结果分别进行整机辐射噪声实验验证，得到以下结论：
（1）仿真和实验结果证明，在制冷压缩机吸气消声器结构中，腔体中导流管的有无对消声性能有影响，腔体有导流管的消声器比没有导流管的消声器有更好消声性能，消声频段更宽，在整机辐射噪声方面有更好的降噪效果。
（2）仿真和实验结果证明，在制冷压缩机吸气消声器结构中，腔体中导流管的形状对消声性能有影响，圆形导流管消声器比方形导流管消声器在消声频段上差别不大，但是圆形导流管消声器比方形导流管消声器有更好的消声性能，在整机辐射噪声方面有更好的效果。
