压缩机吸气消声器腔室密封性对传声损失的影响分析

孙晓东，陆海江，孙 慧，刘 超，张 飞

（青岛万宝压缩机有限公司，山东 青岛 266590）

压缩机吸气消声器腔室密封性对传声损失的影响分析

孙晓东，陆海江，孙 慧，刘 超，张 飞

（青岛万宝压缩机有限公司，山东 青岛 266590）

以某压缩机吸气消声器为研究对象进行研究。该消声器为四腔结构，含有两个共振腔，两个扩张腔。针对各腔之间存在泄漏问题进行仿真分析与实验验证，采用有限元声学软件分析其传声损失，并在半消音室中进行压缩机噪声测试。对比分析发现，两共振腔之间泄漏会导致共振腔失效，两扩张腔之间泄漏会导致扩张腔传声损失下降，扩张腔与共振腔之间泄漏会导致共振腔消声频率增大，扩张腔消声频率减小。如果两个泄漏的腔分别连接消声器进出口，则所有腔消声峰值都会消失，传声损失大幅下降。

声学；压缩机；吸气消声器；共振腔；扩张腔；泄漏；传声损失

随着人们环保意识的逐渐增强，消费者对家电的噪声影响提出了更高的要求，冰箱生产厂家也通过各种技术途径降低冰箱噪声。冰箱噪声的主要来源是压缩机，压缩机噪声主要分为机械噪声、气动噪声和电磁噪声[1]。气动噪声是由于流体在流动过程中，产生不规则的压力和速度脉动，并且向外辐射宽频噪声[2]。气动噪声最主要的来源就是吸气噪声，目前降低吸气噪声最好的方法就是设计吸气消声器，结构优化的吸气消声器可以有效降低吸气噪声[3]。消声器大部分为多腔结构，主要包括共振腔和扩张腔，由于加工工艺和装配尺寸等原因，各腔之间会存在泄漏问题，这将导致实际消声效果达不到理论计算值。文中以某压缩机吸气消声器为研究对象，对其内部流场进行提取，采用有限元声学软件对其进行传声损失仿真分析，并进行装机噪声测试，对比分析泄漏对共振腔和扩张腔传声损失的影响。

1 消声器传声损失计算

消声器是一种复杂空腔结构，可以通过气流又能降低噪声，是降低空气动力学噪声的有效工具。消声器的种类众多，按其降噪原理主要分为阻性、抗性和阻抗复合式三大类[4]。由于压缩机吸气消声器体积小，结构不规则，目前主要都是抗性消声器[5]。抗性消声器本身并不吸收声能，它是利用管道截面突变或旁接共振腔来达到消声目的，常用的腔式结构有扩张腔和共振腔两类。

传声损失TL（dB）又称消声量，定义为消声器入射声功率Wi与透射声功率Wt之比的对数的10倍，即

这里假设消声器出口是无限均匀管道或消声末端，不存在末端反射。

1.1 扩张式消声器

扩张式消声器是抗性消声器中最常用的一种形式，通过在截面积为S1的管道中接入一段截面积为S2、长度为l的管道组成。单个扩张式消声器的消声量为

1.2 共振式消声器

共振式消声器是依据赫姆霍兹共鸣器的原理设计的，其消声量为

2 传声损失分析

以某吸气消声器为研究对象，提取其内部流场，采用LMS Virtual.lab对其进行传声损失仿真分析。在消声器入口输入一个平面波，出口为无反射边界，声阻抗为Z=ρc，所有壁面都是刚性壁面，采用有限元法计算出口与入口的传声损失[7]。该消声器为4腔结构，2个共振腔，2个扩张腔，从入口开始依次为第一级扩张腔，第一级共振腔，第二级共振腔，第二级扩张腔，各腔之间由内插管连接，消声器腔室结构如图1所示。

为了研究各腔之间泄漏对传声损失的影响，在相同材料属性和边界条件下，分别对无泄漏、两扩张腔之间泄漏、两共振腔之间泄漏、第一级扩张腔与第一级共振腔之间泄漏、第二级扩张腔与第二级共振腔之间泄漏五种情况进行传声损失仿真分析。

图1 消声器腔室结构图

2.1 无泄漏

4个腔之间密封良好，无泄漏的情况下，分析计算得到消声器的传声损失曲线如图2所示。

图2 无泄漏消声器传声损失频谱图

该消声器主要消声频率范围为中低频，2 000 Hz内存在四个消声量峰值，依次为第一级共振腔640 Hz、第二级共振腔800 Hz、第二级扩张腔1 220 Hz、第一级扩张腔1 520 Hz。由于2 500 Hz以后频段消声量基本不变，后面只对比2 500 Hz以内频段消声量。

2.2 两扩张腔之间泄漏

将两扩张腔进行0.5 mm的泄漏口连接，其他各腔之间密封良好，消声量频谱图如图3所示。

图3 两扩张腔泄漏与无泄漏传声损失对比

对比发现，两扩张腔之间泄漏时，扩张腔的消声峰值消失，消声量大幅下降，由于两扩张腔分别连接着消声器的出入口，当两扩张腔之间存在泄漏时，相当于一部分声波会从泄漏口直接绕过两共振腔流出消声器，导致两个共振腔的消声量峰值也随之消失。

2.3 两共振腔之间泄漏

将两共振腔进行0.5 mm的泄漏口连接，其他各腔之间密封良好，消声量频谱图如图4所示。

图4 两共振腔泄漏与无泄漏传声损失对比

对比发现，当两共振腔之间存在泄漏时，扩张腔的两个消声峰值频率1 220 Hz和1 520 Hz不变，原本共振腔的两个消声峰值频率640 Hz和800 Hz消失了，原因是共振式消声器的基本原理是赫姆霍兹共鸣器，其基本假设为共振腔为完全密封结构，腔体内媒质压缩和膨胀时，腔壁不会变形和泄漏，如果存在泄漏则共振腔将失效。

2.4 扩张腔与共振腔之间泄漏

（1）第一级扩张腔与第一级共振腔之间泄漏

将第一级扩张腔与第一级共振腔进行0.5 mm的泄漏口连接，其他各腔之间密封良好，消声量频谱图如图5所示。

图5 第一级扩张腔与共振腔泄漏传声损失对比

对比发现，原本第二级共振腔800 Hz和第二级扩张腔1 220 Hz两个消声峰值频率不变，原本第一级共振腔消声峰值频率由640 Hz上移到820 Hz，原本第一级扩张腔消声峰值频率由1 520 Hz下移到1 490 Hz，750 Hz～1 500 Hz频段内消声量有所上升，490 Hz～750 Hz和1 500 Hz～1 610 Hz频段内消声量有所下降，消声带宽变窄。

（2）第二级扩张腔与第二级共振腔之间泄漏

将第二级扩张腔与第二级共振腔进行0.5 mm的泄漏口连接，其他各腔之间密封良好，消声量频谱图如图6所示。

图6 第二级扩张腔与共振腔泄漏传声损失对比

对比发现，原本第一级共振腔640 Hz和第一级扩张腔1 520 Hz两个消声峰值频率不变，原本第二级共振腔消声峰值频率由800 Hz上移到940 Hz，原本第二级扩张腔消声峰值频率由1 220 Hz下移到1 170 Hz，860 Hz～1 200 Hz频段内消声量有所上升，530 Hz～860 Hz和1 200 Hz～1 520 Hz频段内消声量有所下降，整个消声带宽没有变化。

综合对比发现，当共振腔与扩张腔之间存在泄漏时，共振腔的最大消失频率会上升，扩张腔的最大消声频率会下降，当两消声峰值相互接近时，两者之间的消声量会增大，当两消声峰值相互远离时，两者之间的消声量会减小。

3 实验对比

选取某型号压缩机进行装机验证，为了保证实验的准确性，选取4台压缩机在半消声室中进行十点噪声测试，取4台测试结果的平均值，测试完一种消声器后进行解体换装消声器进行重新测试，保证整个系统只有消声器一个变量。

图7 半消声室实验测试图

为了保证泄漏的准确性，对要求密封的壁面和插槽进行胶粘密封，保证同时只存在一组腔之间泄漏。分别测试消声器无泄漏、两扩张腔泄漏、两共振腔泄漏、第一级扩张腔与第一级共振腔泄漏、第二级扩张腔与第二级共振腔泄漏五种情况下的整机噪声，得到三分之一倍频声压级频谱如图8所示。

图8 五种消声器测试声压级频谱图

对比发现，两扩张腔泄漏是四种情况中声压级最高的，630 Hz～2 000 Hz频段内声压级都较高，消声器消声效果较差。当消声器无泄漏时，可以有效降低630 Hz～2 000 Hz声压级，特别是对630 Hz和800 Hz处两个声压级峰值消声效果最明显，这两个频率正是两个共振腔的消声频率，证明共振式消声器对低频噪声有良好的消声效果。当两共振腔泄漏时，对630 Hz和800 Hz处两个峰值消声效果较差，在1 000 Hz～2 000 Hz频段有较好消声效果，这与仿真分析的两共振腔失效的结果相吻合。当第一级扩张腔与第一级共振腔泄漏时，声压级频谱与无泄漏情况差异不大。当第二级扩张腔与第二级共振腔泄漏时，630 Hz消声效果较差，800 Hz～1 600 Hz频段消声效果较好，800 Hz消声效果最好，这与仿真分析中的峰值频率由630 Hz上移到820 Hz，消声带宽变窄相吻合。综上所述，仿真结果与测试结果一致性较好。

4 结语

通过对四腔吸气消声器各腔之间的泄漏情况的仿真分析与实验验证，得到泄漏对消声器消声性能的影响规律。

（1）当两个共振腔之间泄漏时，两个共振腔都将失效，消声峰值消失，而共振腔主要对中低频噪声有效果，所以共振腔之间泄漏对消声器的影响十分明显。

（2）当两个扩张腔之间泄漏时，两个扩张腔都将失效，消声峰值消失，当两个腔分别直接连接于进出口时，整个消声器所有腔室消声量都将大幅降低。

（3）当扩张腔与共振腔之间泄漏时，共振腔消声频率将上升，扩张腔消声频率将下降，导致消声频带变窄，对低频区域消声效果不理想。

（4）吸气消声器各腔室必须保证密封性良好，否则实际的消声效果将达不到理论设计要求。

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[4]LEVECQUE N,MAHFOUD J,VIOLETTE D,et al.Vibration reduction of a single cylinder reciprocating compressor based on multi-stage balancing[J].Mechanism and Machine Theory,2011,46(1):1-9.

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[6]杜功焕，朱哲民，龚秀芬，等.声学基础[M].3版.南京：南京大学出版社，2012：161-166.

[7]李增刚，詹福良.Virtual.Lab Acoustics声学仿真计算从入门到精通[M].北京：国防工业出版社，2010：49-58.

Analysis of the Influence of Leakproofness of Cavities on Sound Transmission Loss in Compressor’s Suction Mufflers

SUN Xiao-dong,LU Hai-jiang,SUN Hui,LIU Chao,ZHANG Fei
(Qingdao Wanbao Compressor Co.Ltd.,Qingdao 266590,Shandong China)

The suction muffler of a compressor is researched.The muffler has 4 cavities,2 of them are resonant cavities and the others are expanding cavities.The leakages of the cavities are studied by numerical simulation and experimental verification.The LMS Virtual.lab code is used to analyze their sound transmission loss,and the compressor’s noise is tested in a semi-anechoic room.Comparative study shows that the leakage between the two resonant cavities can cause both of them to fail,the leakage between the two expanding cavities can cause their sound transmission losses to decrease,and the leakage between expanding cavity and resonant cavity can cause the noise eliminating frequency of the resonant cavity to increase and the noise eliminating frequency of expanding cavity to decrease.If two leak cavities are connected to the inlet and outlet of the muffler respectively,the noise elimination peaks of all the cavities will disappear and the sound transmission loss will be dramatically reduced.

acoustics;compressor;suction muffler;resonant cavity;expanding cavity;leakage;sound transmission loss

TB535；TU112.59+7

：A

：10.3969/j.issn.1006-1355.2017.04.046

1006-1355(2017)04-0227-04

2017-02-28

孙晓东（1989－），男，山东省烟台市人，主要研究方向为系统振动与噪声控制。

E-mail:sunxiaodongsxd@163.com