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)
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冰箱的質(zhì)量和品牌。國內(nèi)大多數(shù)家庭的冰箱都是擺放在廚房或者客廳,那么冰箱的噪聲會直接影響到用戶的體驗。冰箱的噪聲主要來源于壓縮機本體的噪聲和冰箱箱體內(nèi)的制冷劑的流動和毛細管的噴射。壓縮機作為冰箱的心臟,它的噪聲也是衡量其綜合性能的一個重要指標。壓縮機的噪聲源主要來自壓縮機的吸、排氣噪聲,電磁噪聲和機械振動產(chǎn)生的噪聲。壓縮機的進氣噪聲是由氣流在進氣管內(nèi)的壓力脈動導(dǎo)致的[1]。因此需要在壓縮機的進氣側(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產(chǎn)生的吸氣噪聲[2]。
目前絕大多數(shù)的壓縮機廠都會通過設(shè)計一款合理的吸氣消聲器來消除或者降低吸氣側(cè)的噪聲。一款結(jié)構(gòu)設(shè)計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)部流過的氣流速度快、湍流強度高,很容易產(chǎn)生氣流再生噪聲,即氣動噪聲[3]。本文主要研究如何設(shè)計一款結(jié)構(gòu)合理、消聲性能良好的吸氣消聲器,暫不研究氣動噪聲。為某壓縮機公司推出的某款新型壓縮機設(shè)計一款吸氣消聲器。在原有模型的基礎(chǔ)上,利用聲學(xué)軟件進行消聲器傳遞損失的仿真計算,基于計算結(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)計方案,當然設(shè)計方案還需要進一步的實驗驗證。
本文討論的消聲器的傳遞損失是基于三維模型進行仿真計算的,但是仿真計算主要是對關(guān)鍵的一些參數(shù)的改進進行的,因此只給出了需要計算的一些主要參數(shù),如表1所示。
表1 消聲器主要參數(shù)
簡化模型基本參數(shù)如圖1所示。
圖1 消聲器簡化模型基本參數(shù)
1)上限截止頻率計算如下:
本文主要利用消聲器的傳遞損失來衡量消聲器的聲學(xué)性能[5]。該簡化模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,沒有現(xiàn)成的公式可以計算其總的傳遞損失,因此分兩級計算。由于兩級消聲室之間存在耦合關(guān)系,總的傳遞損失不等于兩級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)來衡量,在Hypermesh中對消聲器的空腔模型進行網(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)值模擬計算的準確度,所以網(wǎng)格的劃分應(yīng)盡量做到足夠精細,以便提高聲學(xué)傳遞損失計算的準確度。對于有限元模型,通常假設(shè)在最小波長內(nèi)有6個單元,也就是最大單元的邊長要小于計算頻率最短波長的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中進行消聲器的傳遞損失計算。消聲器聲學(xué)模型如圖2所示。
圖2 消聲器聲學(xué)模型
1)簡化模型(入口管在底部)的第一級消聲器為帶有內(nèi)插管的擴張室,其傳遞損失為
式中:m1為第一級擴張比;k為波數(shù);la為入口插入管的長度;lc為出口插入管的長度;l21為第一級空腔的長度。
2)原始模型的一級消聲室為側(cè)面入口并帶有內(nèi)插管,其傳遞損失為
式中:m1為第一級擴張比;l21為第一級空腔的長度;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,消聲器的頻率點為4~5 kHz,7~8 kHz的傳遞損失也不是很理想。
1)變換空腔長度,若面積比不改變,則其最大消聲量并無多大改變;2)隨著空腔長度增加,容積V變大,其截止頻率向低頻區(qū)域移動,有可能成為低頻消聲;3)隨著空腔長度增加,kl2變大,其通過頻帶域數(shù)目也增加,但消聲效果未必相應(yīng)增加。
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。
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,截止頻率幾乎不變。
根據(jù)以上分析,為使消聲器的最大消聲量所對應(yīng)的頻率在1800 Hz附近,修改如下幾部分尺寸都會改變消聲器的傳遞損失:1)修改進氣口的位置;2)改變第二級消聲器空腔的長度;3)增大兩級空腔的截面積;4)改變進、出氣口管的截面積;5)在空腔里面添加吸聲材料。
修改空腔長度,單腔擴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,通過頻率為f0=aN/(2l)=3596 Hz。設(shè)計第二級消聲器的最大消聲頻率對應(yīng)第一級的通過頻率,從而得出第二級消聲腔的長度為17.1 mm。因此修改空腔長度,第一級消聲腔由52.5 mm改為34.2 mm,第二級消聲空腔由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改進后的傳遞損失曲線分析
從圖4可以看出,修改空腔長度后,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有得到有效的改善。
第一級消聲器截面面積由939 mm2增大到1204 mm2,第二級由1368 mm2增大到1522 mm2。此時第一級和第二級的擴張比都增大了。截面尺寸如圖5所示。
圖5 改進方案2參數(shù)
修改后其傳遞損失曲線如圖6所示。
圖6 方案2截面積改進前后傳遞損失曲線
從圖6可以看出,改進后的方案在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。
將內(nèi)插管向遠離入口側(cè)方向移動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)計在全頻段范圍內(nèi)都沒有得到較好的改善。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
由于空腔的改變對傳遞損失的影響比較明顯,因此綜合使用方案1、2、3的改進參數(shù)得到綜合方案,對最終的綜合方案進行仿真計算,得到的傳遞損失曲線如圖9所示。
圖9 綜合改進后傳遞損失曲線
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一步優(yōu)化和改進。由于這些數(shù)據(jù)僅僅是消聲器的傳遞損失的仿真計算,對實際的壓縮機噪聲的影響還需要進一步的噪聲測試來驗證。
整機測試主要是采用丹麥的Brüel&Kj?r PULSE噪聲測試系統(tǒng):包括由多個B&K3560C集成的數(shù)據(jù)采集模塊總共包括12+6個通道、10個麥克風傳聲器、3個加速度傳感器和數(shù)據(jù)分析軟件B&K Pulse(包含基本的電聲測試軟件SSR(Steady State Response)、FFT、CPB分析軟件)。按照國家標準采用十點法聲壓級測試[6],測試場所在半消聲室進行,如圖10所示。
圖10 十點法噪聲測試實驗
取4臺運行穩(wěn)定的樣機進行噪聲測試,并取測試數(shù)據(jù)的平均值進行1/3倍頻程頻譜分析,如圖11所示。
圖11 整機測試1/3 倍頻程頻譜
對測試數(shù)據(jù)進行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,綜合改進后的方案和原方案在整機噪聲測試Overall總值也降低了1.6 dB?;究梢则炞C消聲器的方案改進有了一定的效果,如果要達到更低的噪聲水平還需同步進行其他方面的降噪措施。
在對原有的消聲器進行分析的基礎(chǔ)上,提出了理論上比較可行的多個改進方案。針對空腔長度、空腔截面積、入口內(nèi)插管長度、入口插管截面積、出口內(nèi)插管長度、內(nèi)插管的位置等諸多因素設(shè)計了多個改進方案,并利用聲學(xué)軟件SYSNOISE對改進的模型進行傳遞損失的仿真計算。最后通過整機的噪聲測試對改進方案進行驗證。通過對各個改進方案的計算結(jié)果可以得知:1)隨著空腔長度增加,容積V變大,其截止頻率向低頻區(qū)域移動,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、出氣口管的截面積比對消聲量有明顯的影響;4)改變插管的長短和位置會改變消聲器的消聲頻率點。
雖然通過仿真計算得到了消聲效果比較好的方案模型,并且通過整機噪聲測試驗證了改進方案的有效性,但是本次方案的改進還需要更多的樣機測試的驗證才能推廣。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。