賈延旭 朱秀華 曹旭明

（1.景德鎮(zhèn)藝術(shù)職業(yè)大學(xué)，江西 景德鎮(zhèn) 333000；2.長虹華意壓縮機(jī)股份有限公司，江西 景德鎮(zhèn) 333000）

作為現(xiàn)代家庭中不可或缺的電器之一，冰箱的噪聲問題一直備受關(guān)注。噪聲不僅會影響生活質(zhì)量，還可能對人們的身體健康產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，降低冰箱噪聲對提高家庭環(huán)境的舒適度、增強(qiáng)身心健康具有至關(guān)重要的作用。

作為冰箱的“心臟”，壓縮機(jī)是冰箱噪聲最主要的來源之一。在冰箱的制冷過程中，壓縮機(jī)需要吸入低溫、低壓的氣體冷媒，經(jīng)過壓縮后排出高溫、高壓的氣體冷媒[1]。壓縮機(jī)會進(jìn)行周期性吸排氣，并且在排氣過程中形成排氣脈動，排氣脈動會產(chǎn)生聲波，聲波會在排氣管道中傳播，從而產(chǎn)生噪聲，因此排氣脈動與噪聲關(guān)系密切[2]。而排氣噪聲的主要來源就是排氣脈動產(chǎn)生的聲波，其頻率和強(qiáng)度與排氣脈動的特性有很大關(guān)系[3]。為了實現(xiàn)降低壓縮機(jī)噪聲的目標(biāo)，需要對壓縮機(jī)排氣壓力脈動進(jìn)行深入研究，通過改變氣體流過的路徑來降低其脈動幅值。

1 排氣消聲器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

冰箱壓縮機(jī)排氣時需要經(jīng)過排氣消聲器，同時排氣消音器會降低排氣脈動的頻率和強(qiáng)度，從而達(dá)到降低噪聲強(qiáng)度的目的。降低噪聲強(qiáng)度的主要手段為干涉和相位差[4]。干涉降噪指的是2 個或多個聲波相互疊加時產(chǎn)生的干涉效應(yīng)。當(dāng)2 個聲波的相位差為正或負(fù)的整數(shù)倍時，會互相增強(qiáng)，而當(dāng)相位差為半波長的奇數(shù)倍時，會互相抵消，從而降低其強(qiáng)度。相位差降噪指的是2 個聲波間的相位差異。當(dāng)2 個聲波的相位差為0 或2π 的整數(shù)倍時，會完全同相疊加，增加噪聲的強(qiáng)度。而當(dāng)相位差為π 或奇數(shù)倍的π 時，會完全反相疊加，使噪聲減弱或消除。聲波的干涉和相位差是消音器降低噪聲強(qiáng)度的重要手段，通過合理設(shè)計排氣消音器的尺寸、整體結(jié)構(gòu)和具體特征，可以使聲波相位差達(dá)到π 倍或π 的奇數(shù)倍，從而降低噪聲強(qiáng)度。另一個重要理論依據(jù)是流體動力學(xué)原理，也可以通過優(yōu)化排氣消音器的設(shè)計和結(jié)構(gòu)，達(dá)到降低流動氣體阻力、優(yōu)化流動氣體流動路徑、改變流動氣體流動速度分布的目的[5]。例如，通過優(yōu)化消音器的流道形狀和尺寸，可以使流體的湍流和渦流變小，從而降低噪聲強(qiáng)度[6]?？梢娕艢庀羝鞯慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計將直接影響其消聲效果。改進(jìn)前的排氣消音器結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過11 處結(jié)構(gòu)突變來降低排氣脈動的強(qiáng)度。

圖1 改進(jìn)前的消音器

為了進(jìn)一步降低壓縮機(jī)的排氣脈動，對現(xiàn)有排氣消音器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。首先，從整體結(jié)構(gòu)入手進(jìn)行優(yōu)化。與改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的排氣消音器通過改變12 處結(jié)構(gòu)來降低排氣脈動強(qiáng)度。在第二段“U”形彎處增加長度、增大圓弧半徑并改善流通路徑，以達(dá)到降低排氣脈動的目的。并從靜力學(xué)角度分析入手，在高于蓋板位置10mm 處進(jìn)行應(yīng)力分析，通過改變結(jié)構(gòu)來降低此處的應(yīng)力集中，提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，避免結(jié)構(gòu)失效，從而保證更改后的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)于改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其次，從整體長度入手，在原有長度基礎(chǔ)上增加了18mm，使氣流流經(jīng)的路徑變長，以增加阻力和摩擦，降低噪聲強(qiáng)度，但同時也會造成能量損失。這是由于流體需要克服更長的管路阻力，因此流體的動能會逐漸降低，從而增加了能量損失。但通過合理設(shè)計可以將損失控制在允許范圍內(nèi)。最后，在距離出氣端尾部10mm 處設(shè)計縮口結(jié)構(gòu)。該設(shè)計可以改變氣流的速度和壓力分布，從而減少噪聲的產(chǎn)生和傳播。當(dāng)氣流通過縮口時，其速度會增加，而壓力會降低，這種速度和壓力的變化可以使氣流中的湍流和渦旋變小，從而降低噪聲。此外，縮口還可以改變氣流的方向和流向，使氣流更平穩(wěn)、穩(wěn)定，進(jìn)而減少噪聲的傳播。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的消音器

1.2 LMSVirtual 軟件分析

為了比較優(yōu)化前、后的排氣消音器降低排氣脈動的效果，使用LMSVirtual 軟件對前、后2 種結(jié)構(gòu)的排氣消音器進(jìn)行模擬分析。分析時設(shè)置相同的技術(shù)參數(shù)和條件，排除其他因素對分析結(jié)果的影響，更準(zhǔn)確地模擬和評估排氣消音器優(yōu)化前、后對降低排氣脈動的影響。分析結(jié)果如圖3所示?？梢姼倪M(jìn)后消音器的傳遞損失顯著大于改進(jìn)前，表明與優(yōu)化前的排氣消音器相比，優(yōu)化后的排氣消音器能更有效地降低排氣脈動，從而降低壓縮機(jī)噪聲。但也會在一定程度上降低壓縮機(jī)制冷量。

圖3 改進(jìn)前、后對比圖

2 試驗驗證

2.1 試驗環(huán)境

為了比較排氣消音器改進(jìn)前、后的實際降噪效果，應(yīng)用上述優(yōu)化方法制造優(yōu)化后的排氣消音器，將其安裝在壓縮機(jī)上進(jìn)行性能和噪聲測試。測試的壓縮機(jī)被放置在滿足GB/T4214.1—2017 測試環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)施中，采用半球測量面上直接測量A 計權(quán)聲功率級的測試方法進(jìn)行測量。測試位置如圖4所示。通過12 個傳感器測量各點的A 計權(quán)聲功率級噪聲值，并通過測量表面的個點平均A 計權(quán)聲功率級噪聲值LPi，計算出壓縮機(jī)的A 計權(quán)聲功率級噪聲值LP，單位為dB，如公式（1）所示。

圖4 A 計權(quán)測試示意圖

測試性能時使用的是第二制冷劑量熱器法，是一種利用制冷劑的熱傳導(dǎo)性質(zhì)來實現(xiàn)熱量傳遞的方法。在該方法中，制冷劑被用作傳熱介質(zhì)，通過制冷劑的循環(huán)流動來實現(xiàn)熱量傳遞。其工作原理如下：制冷劑在蒸發(fā)器中吸收外部熱源的熱量并蒸發(fā)，呈蒸汽或氣體狀態(tài)。蒸汽或氣體狀態(tài)的制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，其溫度和壓力升高。高溫、高壓的制冷劑進(jìn)入冷凝器，與冷卻介質(zhì)（如水或空氣）接觸，將熱量傳遞給冷卻介質(zhì)，使制冷劑冷卻并凝結(jié)成液體狀態(tài)。冷凝成液體狀態(tài)的制冷劑經(jīng)過節(jié)流閥（或膨脹閥）時壓力降低，并進(jìn)入蒸發(fā)器，重新開始循環(huán)。在這種方式下，制冷劑在蒸發(fā)器和冷凝器間循環(huán)流動，進(jìn)行熱量傳遞。

2.2 試驗過程

對裝有改進(jìn)前排氣消音器的壓縮機(jī)進(jìn)行測試，并記錄測試結(jié)果，包括壓縮機(jī)的制冷量、功率、COP、噪聲和振動。

噪聲測試條件見表1。

表1 噪聲測試條件

制冷量測試條件見表2。

表2 制冷量測試條件

然后在已經(jīng)測試過的壓縮機(jī)中更換改進(jìn)后的排氣消音器，不更改其他零件，并按照相同順序?qū)嚎s機(jī)再次進(jìn)行測試，測試條件、參數(shù)與第一次測試相同，并記錄測試結(jié)果。

2.3 測試結(jié)果分析

2 次測試后的數(shù)據(jù)見表3。從表3 可以得知，裝有優(yōu)化后排氣消音器結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)制冷量降低約為4.06W，COP 約降0.05，噪聲約降2.97dB。通過分析數(shù)據(jù)可知，雖然壓縮機(jī)的制冷量有所下降，但下降的幅度約為1%，在允許范圍內(nèi)，而COP 約降0.3%，幾乎可以忽略，但噪聲降低的幅度為6.6%，影響較大（以上數(shù)據(jù)取平均值）。

表3 改進(jìn)前、后數(shù)據(jù)比較

3 結(jié)果與討論

通過軟件模擬計算可知，冰箱壓縮機(jī)排氣消音器的結(jié)構(gòu)對排氣脈動的影響較大，進(jìn)而影響壓縮機(jī)噪聲強(qiáng)度。不同結(jié)構(gòu)的消音器對排氣脈動的抑制效果存在差異，通過合理設(shè)計消音器的長度、拐角半徑和局部結(jié)構(gòu)特征等參數(shù)，可有效降低壓縮機(jī)噪聲強(qiáng)度。試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的排氣消音器的結(jié)構(gòu)能夠有效降低排氣脈動的幅值和頻率，從而達(dá)到減少噪聲的目的。

本文進(jìn)一步探討了能夠有效降低排氣脈動的消音器結(jié)構(gòu)的工作原理。通過分析消音器內(nèi)部的流場和聲學(xué)特性可知，改進(jìn)后的消音器能夠通過改變氣流的流動路徑和速度分布來減少排氣脈動的產(chǎn)生。

最后本文對其效果進(jìn)行了評估。試驗結(jié)果表明，改進(jìn)后的方案在保證排氣脈動抑制效果的同時，對其他方面的性能影響較小，能滿足實際應(yīng)用要求。

4 結(jié)論

本文研究表明，合理設(shè)計排氣消音器的結(jié)構(gòu)特征能夠改變氣流的流動路徑和速度分布并降低排氣脈動，從而達(dá)到減少噪聲的目的。LMSVirtual 軟件模擬分析和試驗驗證表明，優(yōu)化后的消音器可使噪聲約降2.97dB（A），約降6.6%。同時，優(yōu)化后的排氣消音器還能保證壓縮機(jī)其他方面的性能，滿足人們對降低冰箱噪聲的要求。