【學員問題】往復式冰箱壓縮機噪聲分析及控制方法？
【解答】隨著社會經濟的不斷發展，人們生活水平的不斷提高，環境保護意識大大增強，冰箱作為日常生活必備的家用電器，其性能直接影響到人們的生活和工作，在噪聲控制方面取得了較大的進步，38dB以下。企業只有不斷提高壓縮機的效率（COP），開發新產品，尤其是高效率、低噪聲的產品，才能立足市場，長遠發展。冰箱的噪聲主要來源於冰箱壓縮機的噪聲，所以對冰箱壓縮機進行噪聲分析與控制的重要性不言而喻。目前市場往復式冰箱壓縮機佔有率高達87% ，所以針對往復式冰箱壓縮機的噪聲問題進行系統深入的論述是很有必要的。本文在分析往復式冰箱壓縮機噪聲產生機理和傳遞路徑的基礎上，總結了往復式冰箱壓縮機常用的噪聲控制方法，並介紹了噪聲控制方面的新技術。
一 冰箱壓縮機噪聲源及其傳遞途徑
往復式壓縮機的工作原理是通過曲柄連杆機構將電機的旋轉運動轉換為活塞的往復運動，活塞在氣缸裡的往復運動通過吸氣閥和排氣閥的配合，實現對製冷劑的吸人、壓縮和輸送。在壓縮機工作過程中，它的噪聲來源比較複雜，歸納起來，主要來自三大類：機械噪聲、空氣動力性噪聲和電磁噪聲。
1.1 壓縮機產生的噪聲
機械噪聲 往復慣性力和旋轉慣性力是引起壓縮機振動和噪聲的主要原因。一階慣性力可以通過設計平衡塊平衡，但是二階慣性力是不能通過設計平衡塊平衡。因此，這種周期性的不平衡力可以激發較高頻率的振動，當受振零部件的固有頻率等於周期性不平衡力頻率的整數倍時，則會使零部件產生強烈的共振，從而產生強噪聲。此外，活塞撞擊氣缸和閥板、閥片撞擊閥片限位器都會產生撞擊噪聲。製冷劑及冷凍機油也有可能成為振動和噪聲的激勵源。
空氣動力性噪聲 空氣動力性噪聲是氣體的流動或物體在氣體中運動引起空氣的振動產生的。在冰箱壓縮機中，由於間歇地吸氣、排氣，產生壓力波動，激起閥片和管路振動，從而產生噪聲。此外，壓縮機機體的振動激起殼體中的製冷劑氣體共振，也會產生噪聲。
電磁噪聲 電磁噪聲是由交變磁場對定子和轉子作用，產生周期性的交變力，引起振動產生的。這個交變力與磁通密度的平方成正比。它的切向分量形成的轉矩有助於轉子的轉動，徑向分量引起噪聲。電機的電磁振動一般在100—4000Hz頻率範圍內，電磁噪聲的聲源類型有：（1）感應電機的嗡嗡聲。這種噪聲的頻率是電源頻率的兩倍，即為100Hz，是由定子中磁滯伸縮作用引起的。（2）溝槽諧波噪聲。當轉子的每一個導體通過定子磁板時，作用在轉子和定子氣隙中的整個磁動勢將發生變化而引起噪聲。（3）槽噪聲。由定子內廓引起的氣隙的突然變化使空氣騷動產生噪聲。
1.2 噪聲的傳遞路徑
噪聲在固態、液態和氣態媒質中均能傳播，並根據其傳播媒質相應地被分別稱為固體聲、液體聲和空氣聲。噪聲傳播有直接的和間接的傳播途徑之分。直接傳播是由聲源產生的空氣聲，不經其他媒質的中介作用，直接傳遞給接收器。聲的間接傳播是由聲源產生的聲音，首先完全地或者部分地以固體聲、液體聲或者空氣聲的形式，在一個系統內傳播，然後從一個有適當輻射條件的受激構件上，以空氣聲輻射出去，傳給接收器。在間接傳播的途徑中，可能出現固體聲、液體聲、空氣聲以及單個構件之間共振的多次轉化。在冰箱壓縮機中，噪聲主要是以固體聲和氣體聲進行傳播。
（1）固體聲傳播路徑。聲波的傳遞大小與媒質的特性阻抗（密度與聲速的乘積）有關。在壓縮機噪聲傳遞過程中，固體通道是最重要的傳輸通道。利用計算機仿真技術來研究通過彈簧傳遞的振動，發現若將活塞和連杆的質量減少30% ，即可減少40%的傳遞力 .
（2）氣體聲傳播路徑。全封閉壓縮機腔內充滿了製冷氣體，當機體振動時，製冷劑被激勵，一方面將振動傳輸出去，另一方面有可能產生共振，將振動放大，從而使外殼產生更大噪聲。如果其吸排氣頻率及其諧波與腔內某階自振頻率相重合的話，極易發生氣體共振，高背壓壓縮機與低背壓相比，由於壓力及脈動較大，更易發生共振。
二 噪聲控制技術和方法
根據噪聲傳播理論，降低冰箱壓縮機噪聲可以從兩個方面人手，即聲源和傳播途徑，①通過合理的設計優化壓縮機的各部件，降低壓縮機機體的振動以減少噪聲的產生；②合理設計壓縮機外殼和優化支撐，降低噪聲的輻射。對於往復式冰箱壓縮機的噪聲控制研究已經有很多年了，技術也日趨成熟，目前常用的噪聲控制方法現歸納如下。
2.1 殼體的優化設計
不管機理如何，一個壓縮機最終還是以封閉外殼振動向外輻射的形式產生噪聲，對殼體特性的研究當然也是至關重要的。在殼體的所有參數中，對其輻射能力影響的最大係數是其固有頻率。對殼體的研究另一方面在如何優化外殼形狀問題上展開。目前比較公認的原則是：儘量增大外殼的剛度，以便升高其固有頻率，躲開激勵流量比較高的低頻區域。合理的外殼形狀應是曲率半徑儘量減小，儘量避免曲率的急速變化 .按照這個要求，以下幾個方法都可以有效地降低壓縮機的噪聲：
（1）球形殼體是唯一的最規則的形狀，但考慮到壓縮機內部空間的限制，橢圓形殼體可能是較實用的形狀。這種新的外殼與以往形狀相比，實驗證實在1000—2000Hz的頻段內噪聲有大幅度下降；
（2）合理布置彈簧在殼上的懸掛位置，最理想的位置是該模態的節點；
（3）在外殼上施加振動吸收器，減少壓縮機的振動，從而降低壓縮機的噪聲輻射；
（4）採用不對稱形狀。因為對於一個對稱形狀，模態分布是移動的，對於一個綜合的模態，它可以在外殼的綜合點上激勵，相反地，對於非對稱外殼，絕大部分模態是固定的，在多個點上能同時激勵該模態的機率要小得多；
（5）在壓縮機外殼內表面添加吸聲材料，提高殼體內部的吸聲係數，降低壓縮機內部空氣聲對殼體的激勵，降低了二次空氣聲也就降低了噪聲；
（6）增加殼體厚度是提高殼體剛度和固有頻率最簡單的方法，能有效地降低噪聲，但是相應的成本要增加；
（7）通過在殼體內部添加隔板或者加強筋，改變殼體內部結構，提高殼體的剛度和固有頻率，降低殼體的振動，從而有效地降低噪聲。
2.2 氣閥的優化設計
一般認為閥片撞擊閥座引起機體振動從而輻射噪聲，以下方法都可以有效的降低閥板撞擊閥座輻射的噪聲：
（1）降低閥片對閥座的撞擊速度，降低閥片升程限制器的高度；
（2）選擇較韌軟的閥座材料以破壞閥片閥座之間的阻抗匹配；
（3）採用吸氣、排氣消聲器；
（4）設計合理的閥口形狀，合適的閥片升程限制器及高度；
（5）增加閥片彈簧阻尼，改變閥板的剛度。另外，通過建立了活塞壓縮機氣閥在工作過程中進、排氣閥片所受彈性力、氣體力、慣性力和彈簧力等各個力的數學模型，得出氣閥運動規律的數學模型。運用有限元軟體進行求解，進而優化相關部件的結構參數，提高壓縮機的容積效率，降低氣閥噪聲。
2.3 消聲器的優化設計
在往復式冰箱壓縮機中，普遍採用抗性擴張式消聲器，它的消聲原理是利用管道截面的突然擴張（或者收縮）造成通道內聲阻抗突變，使沿管道傳播的某些頻率的聲波通不過消聲器而反射回聲源去，從而達到消聲的目的。以下幾種方法可以有效提高消聲器的消聲量，降低壓縮機的噪聲：
（1）合理設計消聲器的擴張比，使噪聲突出的頻率等於消聲器的最大消聲頻率；
（2）採用多極擴張室。擴張式消聲器的消聲量隨著頻率周期性的變化，即在某些頻率處的消聲量為零，又由於壓縮機的噪聲的頻帶比較寬，使用兩級擴張式消聲器，可以消除消聲器的通過頻率，最佳設計方案應使第二級擴張室的最大消聲頻率等於第一級擴張室的通過頻率，從而提高總的消聲量；
（3）採用內插管。由分析計算得出，消聲室人口插入管的長度等於1/2的消聲腔長度時，可以提高某些頻率處的消聲量，出口插管的長度等於1/4消聲腔的長度時，可以提高某些頻率處的消聲量，從而提高整個消聲器的消聲量；
（4）採用共振消聲器。針對某些壓縮機中的峰值噪聲比較明顯，利用共振消聲器的頻率選擇性比較強的特點，使用二級共振消聲器，使二級的共振頻率錯開，這樣就形成了一個相對較寬的消聲頻帶，可以有效的降低峰值噪聲。另外，使用穿孔管式共振消聲器，因為結構上很類似擴張式，所以繼承了擴張式消聲器的一些特點，也可以擴大有效消聲頻率範圍。
2.4 電機的優化設計
降低電磁噪聲的方法，一般是改進電機結構設計，以下幾種方法都可以有效地降低電機的噪聲：
（1）選擇適當的槽配合；
（2）採用閉口齒槽；
（3）採用斜槽轉子可削弱齒諧波；
（4）降低氣隙磁密度可減小由基波磁通和定子、轉子各高次諧波的磁勢幅值，以減小徑向作用力；
（5）增大定子、轉子氣隙可改善磁場的均勻性，從而減小單邊磁拉力的作用；
（6）提高加工精度，可使氣隙均勻。
2.5 其他降噪方法
根據多體共振現象，採用直接吸氣是比較好的降低噪聲方法。這種方法可以簡單的理解為把蒸發器返回的氣體與吸氣口消聲器直接相連，即讓返回的製冷劑蒸汽經消聲器直接進入氣閥，這樣的好處是降低了進入缸體內氣體的溫度，因而增大了質量流量，故可增大壓縮機的製冷量。通過優化曲軸，降低不平衡力。旋轉慣性力通過添加平衡塊可以完全平衡掉，平衡塊的質量及添加位置可以通過理論計算獲得，而往復慣性力由於是曲柄轉角的函數，所以不能完全平衡掉。利用反求設計思想，建立曲軸模型，進行CAE分析，給出了動平衡時加載平衡塊的方法，從而降低曲軸的振動，也就降低了其輻射的噪聲。
降低壓縮機重心，調整重心與支撐中心的重合，可以減小機體的振動，從而降低其輻射的噪聲。另外，改變內排氣管的成型形狀，降低內排氣管的振動；提高氣缸座的阻尼；選用固有頻率儘量低的彈簧，使機體與殼體達到阻抗失配；增加壓縮機機腳的剛度，也可以降低壓縮機的振動 .也有學者 利用壓縮機管路供油網絡與電子電路網絡有著直接的相似性，建立與供油系統等價的電子電路模型，在電路模型的基礎上進行數字仿真，預測冷凍機油對整個系統的影響，然後通過優化壓縮機部件結構降低噪聲。
三 噪聲控制技術的發展方向
前面介紹的噪聲控制方法，雖然可以使冰箱壓縮機的噪聲符合國家的規定，但是隨著數值計算和噪聲控制新技術的不斷發展，還可以進一步降低冰箱壓縮機的噪聲。
目前電子計算機的高速發展，應用有限元/邊界元工具可以有效的降低冰箱壓縮機的噪聲。傳統的方法是靠經驗或者通過簡單結構的數學模型來模擬實際情況，在這個過程往往需要很多的假設條件，這樣得到的結果跟實際情況的差距往往比較大，然後再通過試驗進行驗證，研究開發周期長。利用現有噪聲軟體可以大大提高分析的準確度，特別是針對複雜的結構，採用虛擬樣機技術，大大縮短分析時間。如對於複雜的擴張式抗性消聲器，用經典的公式很難計算消聲量，利用有限元軟體對複雜的擴張式消聲器進行分析和優化，弄清楚其頻率特性，就可以突破傳統的消聲器形狀，設計獨特的消聲器形狀，進一步提高消聲量 .在殼體優化方面，利用有限元計算其固有頻率和模態，計算在激勵下的振動響應，然後利用邊界元技術，計算在該響應下的殼體輻射聲場，進行靈敏度分析，從而可以最大限度的降低殼體輻射的噪聲。同樣，對於壓縮機其他部件，也可以預測其輻射聲場。有限元和邊界元工具今後在噪聲控制方面的應用越來越廣泛。有源噪聲與振動控制技術—— 噪聲主動控制（Active Noise Control，簡稱ANC），是當前的噪聲控制技術中最先進的研究方向，由德國物理學家Paul Leug於1933年首次提出的。其基本原理是在噪聲的聲波上疊加一個聲波，該聲波波形的振幅與噪聲一致，而相位則正好與噪聲相反，使兩者相互抵消，達到消除噪聲的目的。
ANC控制系統在工程應用中，以下三個問題是關鍵：
（1）控制系統的快速跟蹤能力，即控制速度應能跟上原噪聲的變化；
（2）控制系統的有效性，即應具有滿足應用要求的降噪量、控制頻率和空間範圍；
（3）控制系統的穩態性和經濟性，即應能穩定工作且性能價格比高。目前該技術已經成功的運用到車內噪聲、管道噪聲、飛機噪聲、輪船艙室噪聲、電廠噪聲，以及有源消聲耳罩、送話器和有源吸聲、隔聲結構。但是在冰箱噪聲控制方面應用還比較少，呂廣慶等人利用自適應噪聲控制方法，對規範化後的冰箱壓縮機室實施了噪聲主動控制技術，平均噪聲下降6.6 dB，峰值噪聲下降l5 dB.西安交大碩士論文將主動控制技術應用於往復式壓縮機的進氣噪聲控制，一維管道單反射源式有源消聲方法，對純音可以達到幾乎完全抵消的狀態，消聲量1000 Hz以下可以達到3O一4O dB.對粉紅噪聲的消聲量在其消聲中心頻率處的降噪量可達到l5—20 dB（A），取得了滿意的效果。隨著主動控制技術的不斷發展，該技術將會逐漸應用到冰箱壓縮機的噪聲控制。
四 結語
本文就往復式冰箱壓縮機的噪聲問題，進行了較為全面的闡述，分析了冰箱壓縮機噪聲的產生、傳播路徑以及目前常用的噪聲控制措施。最後，介紹了噪聲控制方面的新技術（主動控制技術），以及利用有限元和邊界元進行噪聲分析和仿真的方法。然而壓縮機的結構和聲源極其複雜，而且隨著壓縮機技術的不斷發展，壓縮機的效率不斷提高，體積不斷縮小，又會帶來一些新的問題，對冰箱壓縮機噪聲的研究要不斷深入研究。
以上內容均根據學員實際工作中遇到的問題整理而成，供參考，如有問題請及時溝通、指正。
責任編輯：tracy