□毛開智 □袁 浩

上海日立電器有限公司上海201206

家用變頻空調壓縮機噪聲的消除研究

□毛開智 □袁 浩

上海日立電器有限公司上海201206

通過實驗針對性地研究了壓縮機單體噪聲和空調噪聲之間的量化關系，發(fā)現(xiàn)壓縮機噪聲在空調中傳播時出現(xiàn)明顯的頻率選擇特性。從聲源、傳遞路徑和聲輻射三個維度分析，確認選擇特性與壓縮機本體的聲輻射特性顯著相關，而聲輻射特性又與壓縮機聲源特性類型密切相關。結合仿真分析，針對性地優(yōu)化了壓縮機特定頻段的噪聲，同時改善空調的隔聲特性，大幅降低了空調的整體噪聲。

隨著空調的不斷普及和人們生活水平的提高，噪聲問題越來越受到關注。對于變頻空調而言，在制熱運行時，壓縮機的轉速最高可超過6 000 r/min，此時壓縮機的噪聲較為明顯，也是室外機噪聲的主要來源。筆者研究了壓縮機的噪聲表現(xiàn)，取得壓縮機單體噪聲和空調噪聲之間的量化關系，并從聲源、傳遞路徑和聲輻射三個維度分析并優(yōu)化壓縮機，以改善空調的整體噪聲。

空調室外機的基本結構如圖1所示，中隔板將風扇和壓縮機分隔在兩個腔室中，壓縮機通過附屬銅管結構與換熱器連接。作為主要結構的風扇和壓縮機是空調室外機的主要聲源，此外附屬銅管的振動及銅管內部冷媒的高速流動也是室外機的噪聲源。圖2為壓縮機內部的基本結構，冷媒從儲液器側被吸入，經過泵體被壓縮后從消聲器排出。冷媒被吸入壓縮機的過程中會產生強烈的壓力脈動，并產生氣流噪聲，此外，電機在工作過程中也會產生電磁噪聲，壓縮機泵體在高速旋轉過程中也不可避免地會產生機械結構噪聲。

筆者從空調壓縮機噪聲的傳遞特性、聲輻射特點及聲源特性三個方向進行分析，針對性地優(yōu)化設計，達到大幅改善空調噪聲的目的。

圖1 空調室外機基本結構

圖2 壓縮機基本結構

1 聲輻射特性分析

針對變頻壓縮機，行業(yè)一般采用消聲棉進行隔聲，并將壓縮機包裹在空調鈑金件之中，因此相對于壓縮機單體，噪聲特性顯著不同。在試驗室對壓縮機隔聲效果進行測試，結果如圖3所示，可知采用消聲棉及鈑金件包裹壓縮機，可以大幅降低壓縮機噪聲。

圖3 空調壓縮機的隔聲效果

空調壓縮機的隔聲效果為：頻率低于400 Hz，基本無隔聲效果；聲音頻率越高，隔聲效果越顯著。此外，隔聲效果有頻率選擇特性，500～630 Hz、1 250 Hz、2 000～2 500 Hz、5 000～8 000 Hz的隔聲效果較好，而800～1 000Hz、1 600 Hz、3 150～4 000 Hz的隔聲效果相對較差。

針對消聲棉難以抑制的噪聲頻段，采用聲源定位[1～2]的方式對各頻段噪聲傳播路徑進行了測試。從壓縮機單體噪聲特性上看，空調隔聲較差的頻段通常表現(xiàn)為漫射型噪聲輻射特性，這部分噪聲在壓縮機單體測試時雖然強度不高，但是聲輻射面積覆蓋范圍較大，輻射方向不集中。

以800 Hz為例，圖4為800 Hz聲壓級分布云圖，噪聲峰值位置對稱分布在壓縮機上部空腔的兩側，這與同頻段的結構模態(tài)仿真結果基本一致，因此基本上可以判斷是由空腔模態(tài)（圖5）引起的氣流共鳴聲[3]。

圖4 800Hz聲壓級分布云圖

圖5 800Hz附近空腔模態(tài)云圖

與此類似的如1 000 Hz、1 600 Hz、3 150 Hz和4 000 Hz等頻段，幾乎整個壓縮機均存在大面積且較高的聲壓輻射。該類型噪聲，即使單體測試聲壓值并不高，但整體聲功率將遠大于小面積輻射的聲源。該類型聲源分布的普遍性更容易由消聲棉的縫隙中釋放出，因此不易被隔聲處理。

隔聲效果較好的頻段表現(xiàn)為集中型噪聲輻射特性，這部分頻段在壓縮機單體噪聲頻譜上表現(xiàn)得非常突出，但是在空調上表現(xiàn)并不明顯。圖6、圖7為5 000 Hz和6 300 Hz頻段噪聲分布云圖。

圖6 5000 Hz聲壓級分布云圖

圖7 6300 Hz聲壓級分布云圖

5 000 Hz噪聲主要從壓縮機電機部分的上端沿及線圈位置向外輻射，全周方向無明顯強弱，而6 300 Hz噪聲峰值位置在全周上呈120°均布，分布在電機上下沿。兩個頻段的噪聲源都比較集中，且有很明顯的特征，該特征與空腔模態(tài)或電機的結構模態(tài)特征不吻合，因此可能是由電機自身的激勵源特性所決定的。

2 壓縮機噪聲的降低

通過對5 000～6 300 Hz噪聲聲源傳遞路徑進行分析，基本確認壓縮機電機自激勵噪聲輻射面積相對較小，且消聲棉對該頻段噪聲的吸聲能力較強，若改用吸聲效果更佳的復合材料消聲棉，基本可以抑制該頻段的噪聲峰值，相同頻率的壓縮機單體噪聲和空調噪聲的對比如圖8所示。

對800 Hz、1 600 Hz、3 150～4 000 Hz這些特殊頻段噪聲的抑制效果不佳，因為這些頻段聲輻射面積大，更易從消聲棉的縫隙中釋放出。另外，從聲輻射特性上看，上述頻段皆屬于氣流噪聲類型，其中800～1 000 Hz和1 600 Hz為氣流噪聲中的空腔模態(tài)共鳴聲，考慮采用在排氣通道上增加消聲器進行改善[4-6]。3 150～4 000 Hz頻段一般認為是氣缸壓縮過程產生的噪聲，通常采用消聲孔的方式進行抑制[7-9]。壓縮機單體顯著偏高的5 000 Hz頻段噪聲則需要通過優(yōu)化電機的方式進行抑制。消聲器的消聲量和消聲頻段采用聲學有限元方法進行分析，相比解析解精度更高。計算主要基于亥姆霍茲方程[10-11]：

圖8 壓縮機單體噪聲和空調噪聲對比

式中：k為波數(shù)，k=ω/c=2πf/c；ω為聲波角頻率，ω=2πf，Hz;f為聲波頻率；p為聲壓場函數(shù)，Pa；ρ0為密度，kg/m3；q為質點振動速度場函數(shù)，m/s。

通過定義邊界條件，求解亥姆霍茲方程，即可得到消聲器的聲場分布。再通過進出口的聲壓計算消聲器的傳遞損失：

式中：Si為消聲器進口面積，m2；S0為消聲器出口面積，m2；Pi為消聲器入口聲壓，Pa；P0為消聲器出口聲壓，Pa；c0為介質聲速，m/s；vi為消聲器入口質點振動速度，m/s。

通過對圖9所示排氣擴張式消聲器進行結構優(yōu)化，使其在800～1 000 Hz有明顯的消聲效果，如圖10所示。另外在氣缸的排氣通道上增加如圖11所示的排氣亥姆霍茲消聲孔，針對3 150～4 000 Hz頻段噪聲的消聲量如圖12所示。

圖9 排氣擴張式消聲器結構圖

圖10 排氣擴張式消聲器改進前后消聲量

圖11 排氣亥姆霍茲消聲孔結構圖

圖12 排氣亥姆霍茲消聲孔消聲量

3 實驗驗證

應用優(yōu)化后的消聲器和排氣消聲孔，以及復合材料消聲棉，空調整體噪聲下降明顯?？照{室外機噪聲更是有明顯的改善，如圖13所示。

4 結論

圖13 空調室外機噪聲改善前后對比

通過對變頻空調壓縮機噪聲問題進行深入分析，獲得壓縮機單體噪聲和空調噪聲之間的量化關系，針對性地找出了壓縮機對空調室外機影響較大的噪聲頻段。再通過一系列試驗和分析，確定了噪聲源和傳遞路徑等噪聲特性，從聲源、傳遞路徑和聲輻射三個維度進行分析并優(yōu)化壓縮機結構，利用仿真計算提高產品的開發(fā)效率，最終大幅降低空調的整體噪聲水平。

[1]張海濱，蔣偉康，萬泉.壓縮機噪聲的跟蹤采樣近場聲全息實驗研究[J].振動與沖擊，2010，29（11）：51-54，65.

[2]葉一枝，黃建民.聲源定位技術在工業(yè)領域中研究與應用[J].上海電氣技術，2009，2（2）：55-58.

[3]張敏，游斌.空調消聲器的優(yōu)化設計與應用[J].順德職業(yè)技術學院學報，2008，6（4）：15-17.

[4]訾進蕾，黃波，黃之敏，等.改性PBT排氣消音器在旋轉式壓縮機上的應用[J].上海電氣技術，2012，5（2）：8-11.

[5]PARK J C,WANG S Y.Noise Reducion for Compressors by Modes Control Using Topolgy Optimization of Eigenvalue[J]. Journal ofSound and Vibration，2008,315（4-5）:836-848.

[6]童振華，朱利鋒.基于共振消音模型的空調壓縮機氣缸消音孔優(yōu)化設計[C].中國制冷學會2009年學術年會，天津，2009.

[7]王軍，毛開智，張海鋒，等.家用變頻空調室內機異常音的研究和消除[C].2013年中國家用電器技術大會，無錫，2013.

[8]YUE XJ,BADC,BAY S,et al.Pressure Analysis in a Compressor Cylinder Based on Detached Eddy Simulation and DynamicMesh[J].ProceedingsoftheInstitutionof MechanicalEngineers,PartC:JournalofMechanical EngineeringScience,2013,227（6）:1242-1251.

[9]福田基一，奧田襄介.噪聲控制與消聲設計[M].張成，譯.北京：國防工業(yè)出版社，1982.

[10]李增剛，詹福良.Virtual.Lab Acoustics聲學仿真高級計算應用實例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

Through experimental studyon the quantitative relationship between noises generated bythe compressor itself and by the air-conditioner it is found that noise generated by the compressor has obvious selectivity characteristic when it circulates in the air conditioner.By three-dimensional analysis involving sound source, transmission path and sound radiation,it is confirmed that the selection characteristics is correlated significantly with the acoustic radiation characteristics of the compressor body,while the acoustic radiation characteristics is closely related to the characteristics of the sound source of the compressor.When the specific frequencies of the compressor noise are optimized via simulation analysis and sound insulation properties of air conditioner is improved,the overall noise of air conditioner is reduced dramatically.

空調器；壓縮機；噪聲；消聲

Air Conditioner；Compressor；Noise；Noise Elimination

TH122；TB535

A

1672-0555（2016）03-040-04

2016年4月

毛開智（1984—），男，本科，工程師，主要從事壓縮機設計工作