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        壓縮機(jī)排氣管消聲器的聲學(xué)特性研究

        2020-05-14 10:33:44張永軍羅玉軍羅建滔蔣鄒
        環(huán)境技術(shù) 2020年2期

        張永軍,羅玉軍,羅建滔,蔣鄒

        (1.柳州邦誠(chéng)科技股份有限公司,柳州 545006; 2.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,柳州 545006;3.大連理工大學(xué)建筑工程學(xué)部,大連 116026)

        引言

        家用空調(diào)的振動(dòng)噪聲作為舒適性的重要指標(biāo),室外機(jī)的主要激勵(lì)源為壓縮機(jī)和風(fēng)葉,而壓縮機(jī)及其配管系統(tǒng)的振動(dòng)噪聲最為復(fù)雜,包含壓縮機(jī)腳墊系統(tǒng)的振動(dòng)、管路的振動(dòng)、管內(nèi)冷媒的沖擊[1]、電磁聲、液流聲等。其中氣流噪聲因?yàn)閴嚎s機(jī)缸內(nèi)吸、排產(chǎn)生脈沖[2],壓縮機(jī)機(jī)體的振動(dòng)時(shí),制冷劑被激勵(lì)產(chǎn)生噪聲沿著管路傳播。消聲裝置通常被用來(lái)降低壓縮機(jī)的噪聲,其允許流體通過(guò)而同時(shí)限制噪聲的自由通過(guò)[3]。由于制冷劑特性與管路的設(shè)計(jì),空調(diào)室外機(jī)管路中一般采用抗性消聲器,通過(guò)消聲器內(nèi)部的氣流阻抗,將聲波能量反射會(huì)聲源,從而達(dá)到降低噪聲的目的[4]。

        畢崢[5]采用理論計(jì)算、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的研究方法,對(duì)基本消聲結(jié)構(gòu)的聲學(xué)特性及分析方法進(jìn)行詳盡的研究,在此基礎(chǔ)上對(duì)復(fù)合式消聲器進(jìn)行研究,總結(jié)復(fù)合式消聲器聲學(xué)性能和設(shè)計(jì)步驟。樂(lè)建波[6]等針對(duì)電冰箱壓縮機(jī)噪聲頻譜800 Hz的頻段,構(gòu)建消聲器,采用數(shù)值模擬的方法,得出消聲器內(nèi)部的傳遞特性和聲壓分布。李家柱[7]研究了管道聲學(xué)不同孔形狀的聲傳遞損失。仇穎[8]等對(duì)壓縮機(jī)吸排氣消聲腔進(jìn)行了理論及計(jì)算和實(shí)驗(yàn),為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)??紫閺?qiáng)[9]等對(duì)制冷壓縮機(jī)的排氣管消聲器的孔板徑對(duì)傳遞損失的影響。YunLi[10]等對(duì)不同制冷壓縮機(jī)腔內(nèi)消聲器的聲學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比,研究其傳遞損失。

        本文針對(duì)某款家用空調(diào)式外機(jī)與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)相連接的排氣管上的消聲器,建立其聲學(xué)模型,通過(guò)仿真模擬計(jì)算,研究不同擴(kuò)張比、擴(kuò)張室長(zhǎng)度、插入深度與穿孔孔徑大小、數(shù)量對(duì)消聲器傳遞損失的影響,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

        1 消聲器結(jié)構(gòu)及聲學(xué)理論

        消除噪聲是消聲元件的最主要功能之一。消聲元件和系統(tǒng)的消聲效果一般有四個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo):傳遞損失、插入損失、聲壓級(jí)插值和聲壓級(jí)。在壓縮機(jī)的管路系統(tǒng)中,一般只有一個(gè)消聲器,故采用傳遞損失來(lái)評(píng)價(jià)消聲元件。由于成本、空間限制,空調(diào)室外機(jī)的消聲器一般為擴(kuò)張式消聲器,如圖1所示。消聲器為擴(kuò)張腔結(jié)構(gòu),進(jìn)入管有部分插入到擴(kuò)張器中,并且進(jìn)入管開(kāi)有圓形小孔。

        對(duì)于擴(kuò)張消聲器,其由一個(gè)主要腔室和兩邊與之相連的管道組成,如圖2所示。進(jìn)氣管的截面積S1和出氣管的截面積S2比擴(kuò)張腔室的截面積S3要小。截面積的變化改變了聲阻抗,入射波到達(dá)擴(kuò)張室后,一部分能量被反射回進(jìn)氣管,消耗聲能。聲波達(dá)到與擴(kuò)張室的交界處時(shí),一部分被反射回來(lái),形成反射波,一部分進(jìn)入擴(kuò)張室,到達(dá)擴(kuò)張室與出氣管交界處時(shí),一部分入射波被反射回來(lái),余下的投射到出氣管中繼續(xù)傳播。

        在x=0處,壓力和體積速度滿足[11]:

        在x=L處,壓力和體積速度滿足:

        式中:

        Pi,—進(jìn)氣管進(jìn)入擴(kuò)張腔的入射波聲壓;

        ,Pr—進(jìn)氣管進(jìn)入擴(kuò)張腔的反射波聲壓;

        P2i—擴(kuò)張室內(nèi)的入射聲波的聲壓;

        P2r—擴(kuò)張室內(nèi)的反射聲波的聲壓;

        S1—進(jìn)氣管的截面面積;

        S2—擴(kuò)張腔的截面面積;

        S3—出氣管的截面面積。

        在管路的排氣系統(tǒng)中,擴(kuò)張管道兩邊的進(jìn)氣管和出氣管的截面面積通常是相同的,即S1=S3。

        將和整理,可將擴(kuò)張消聲器的功率傳遞系數(shù)簡(jiǎn)化為:

        圖1 消聲器結(jié)構(gòu)

        圖2 擴(kuò)張消聲器組成示意圖

        則擴(kuò)張消聲器的傳遞損失為:

        式中:

        m=S2/S1—擴(kuò)張比;

        k—波數(shù);

        λ—波長(zhǎng)。

        傳遞損失與擴(kuò)張比與擴(kuò)張室的長(zhǎng)度有關(guān)。

        一般有兩種方法可提高擴(kuò)張比,一是減小管路的尺寸,二是增加擴(kuò)張室的截面積,但是限于空間限制與系統(tǒng)的性能需求,改動(dòng)這兩項(xiàng)的可能性較小。可通過(guò)增加進(jìn)氣管與出氣管插入到擴(kuò)張室中的長(zhǎng)度來(lái)增加傳遞損失。

        如圖1所示,消聲器只有進(jìn)氣管插入到擴(kuò)張室中,其傳遞損失簡(jiǎn)化為:

        式中:

        La—進(jìn)氣管的插入擴(kuò)張室的長(zhǎng)度。

        對(duì)于穿孔消聲器,其傳遞損失和頻率與穿孔的直徑和面積有關(guān)。在聲學(xué)模型中,一般通過(guò)傳遞阻抗來(lái)描述穿孔的孔徑和面積。本文使用由Bento Coelho定義的阻抗[12]:

        式中:

        σ—開(kāi)孔率;

        f—頻率;

        ρ—流體的密度;

        c—流體的聲速;

        dh—開(kāi)孔的孔徑。

        2 消聲器聲學(xué)性能模擬及分析

        消聲器采用的材料為紫銅,管的壁厚為0.8 mm,進(jìn)氣管與出氣管的外徑為12 mm,擴(kuò)張腔的外徑為30 mm,擴(kuò)張腔長(zhǎng)度為58 mm,進(jìn)氣管的長(zhǎng)度為69 mm,插入深度為40 mm,出氣管的長(zhǎng)度為11 mm,進(jìn)氣管上開(kāi)有4列共計(jì)20個(gè)小孔,孔徑為6 mm。

        制冷劑為R32冷媒,排氣溫度為70 ℃,密度為1.1 kg/m3,氣體常數(shù)為114 J/(kg·K),絕熱指數(shù)為1.22,根據(jù)黨錫淇等的方法[13]計(jì)算其聲速為229 m/s。

        在模擬過(guò)程中,僅改變擴(kuò)張比、插入深度與穿孔孔徑大小、數(shù)量中的某一結(jié)構(gòu)參數(shù)的值,其余參數(shù)不變。下面采用VA One對(duì)排氣管消聲器傳遞損失進(jìn)行模擬仿真。在前處理軟件中對(duì)消聲器進(jìn)行網(wǎng)格劃分、賦予屬性,導(dǎo)入VA Oone中建立邊界元模型。在入口處施加1 m/s的單位振動(dòng)速度速度,使用以下公式求解傳遞損失[14]:

        式中:

        p1—入口處聲壓;

        p3—出口處聲壓;

        Ain—入口處截面積;

        Aout—出口處截面積。

        2.1 擴(kuò)張腔長(zhǎng)度對(duì)傳遞損失的影響

        僅改變擴(kuò)張腔直徑,設(shè)置其分別為20、25、30、35、40和45 mm,計(jì)算消聲器的傳遞損失,模擬結(jié)果如圖3所示。

        在180~1 500 Hz,隨著頻率增加,傳遞損失增大,在1 500~4 000 Hz,隨著頻率的增加,傳遞損失減小。傳遞損失的波谷隨著擴(kuò)張腔直徑的增大而往右移,傳遞損失的有效長(zhǎng)度增大。但當(dāng)擴(kuò)張腔長(zhǎng)度為30 mm時(shí),在整個(gè)頻段的傳遞損失的幅值都較大。

        滾動(dòng)轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)噪聲的主要頻段為2 000 Hz以上[15],因此建議在設(shè)計(jì)消聲器擴(kuò)張腔直徑時(shí),需對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,選取較好傳遞損失下的直徑。

        2.2 進(jìn)氣管插入深度對(duì)傳遞損失的影響

        僅改變進(jìn)氣管插入擴(kuò)張腔部分的長(zhǎng)度,設(shè)置其分別為25、30、35、40、45和50 mm,計(jì)算消聲器的傳遞損失,模擬結(jié)果如圖4所示。

        在1 700 Hz以前,各長(zhǎng)度對(duì)傳遞損失的影響較?。辉? 700 Hz以后,隨著插入深度的增加,傳遞損失增大,傳遞損失的有效長(zhǎng)度變短。其中當(dāng)插入深度為40 mm時(shí),傳遞損失在全頻段都較大。

        2.3 穿孔直徑對(duì)傳遞損失的影響

        僅改變穿孔的直徑,設(shè)置其分別為1、2、3、4、5和6 mm,計(jì)算消聲器的傳遞損失,模擬結(jié)果如圖5所示。

        在1 700 Hz以前,隨著穿孔直徑的增加,傳遞損失減?。辉? 700 Hz以后,隨著穿孔直徑的增加。傳遞損失增大;在1 700~4 000 Hz頻段,穿孔直徑為5 mm時(shí),傳遞損失有最大傳遞損失,為11 dB。

        2.4 穿孔數(shù)對(duì)傳遞損失的影響

        僅改變穿孔的數(shù)量,設(shè)置其分別為10、15、20、25、30和35個(gè),計(jì)算消聲器的傳遞損失,模擬結(jié)果如圖6所示。

        在1 700 Hz以前,隨著穿孔數(shù)量的增加,傳遞損失減??;在1 700 Hz以后,隨著穿孔數(shù)量的增加。傳遞損失增大;在1 700~4 000HZ頻段,穿孔數(shù)量為35個(gè)孔時(shí),傳遞損失有最大傳遞損失,為14 dB。

        圖3 擴(kuò)張腔直徑對(duì)傳遞損失的影響

        圖4 插入深度對(duì)傳遞損失的影響

        圖5 穿孔直徑對(duì)傳遞損失的影響

        圖6 穿孔數(shù)對(duì)傳遞損失的影響

        3 結(jié)論

        在控制壓縮機(jī)噪聲通過(guò)配管系統(tǒng)內(nèi)部冷媒的傳播,在排氣管設(shè)計(jì)消聲器來(lái)進(jìn)行降噪,分別對(duì)消聲器的擴(kuò)張腔直徑、插入深度、開(kāi)孔直徑和開(kāi)孔數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,分析各因素對(duì)消聲器傳遞損失的影響,得到以下結(jié)論:

        1)在壓縮機(jī)噪聲的主要頻段,擴(kuò)張腔對(duì)傳遞損失的影響較為復(fù)雜,在改變直徑的同時(shí)會(huì)改變擴(kuò)張腔的長(zhǎng)度,在分析的數(shù)值中,30 mm的直徑傳遞損失最大,因此在設(shè)計(jì)擴(kuò)張腔直徑時(shí),需綜合考慮改變擴(kuò)張腔直徑引起的擴(kuò)張腔長(zhǎng)度改變對(duì)傳遞損失的綜合影響。

        2)進(jìn)氣管插入擴(kuò)張腔的插入深度增加時(shí),在1 700 Hz后傳遞損失增大,在設(shè)計(jì)插入深度時(shí)可適當(dāng)增大。

        3)增加穿孔直徑和穿孔數(shù)均可在壓縮機(jī)噪聲主要頻段內(nèi)增加傳遞損失,降低壓縮機(jī)噪聲。

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