基于声波干涉理论对双缸压缩机吸气噪声影响分析

霍喜军　韦衍　王珂

珠海凌达压缩机有限公司　广东珠海　519110

1　引言

随着市场竞争加剧，人们对产品的关注不仅仅局限在性能，对舒适性的关注也渐渐增多。作为人体直接感官体验项目，目前人们已对产品的噪声提出更严格的要求。双缸压缩机因其制冷能力强和低振动的特性被广泛应用于空调系统中，因此噪声水平就成为考量此类型机型的主要指标[1-4]。本文基于声波干涉理论对双缸压缩机的吸气噪音进行理论与实际分析。让双缸压缩机的两种吸气方式（单吸气和双吸气）对应不同分液器结构及气缸进气方式，运用COMSOL多物理场耦合软件声学有限元模块对双缸压缩机吸气噪声进行了分析，比较不同分液器结构和气缸进气方式下分液器的压力脉动，并与试验结果进行对比分析。

2　声波干涉理论

双缸压缩机由于结构复杂，内部声源种类繁多，可分为机械噪声、电磁噪声和气流噪声三种。吸气噪声主要由气流噪声引起，根据双缸压缩机两种吸气方式对照声学干涉理论，当两列声波具有相同频率并具有固定相位差的特性时，这两列声波会在相遇时产生干涉现象[4]。双缸压缩机吸气都是通过管道连接的，因此利用声波在传波过程中干涉理论将双缸压缩机声源在管道的声压分别表示为：

其中、分别为两声源的相位。通过式（1）、式（2）可以推导出两列声波合成的总声压如式（3）所示：

式中：

当两声源强度相等时，其合成的声压可以由式（6）所示：

由式（6）可知，当两列声波强度相等且相位差为180度时，其合成声压幅值为零。根据这一理论，利用双缸压缩机上下气缸吸气过程相位差也是180度的特性，可以通过将上下气缸吸气过程的声源进行合成干涉的方式达到降低噪声的目的。单吸气与双吸气结构相比，刚好符合以上分析理论。而双吸气结构其声波通过上下气缸分别沿两弯管进行传递，当其到达滤网下方时，不但不能产生干涉叠加的效果，反而会形成一个类似于偶极子的噪声源，因此不能起到降低噪声的效果。两种吸气方式及其噪声理论示意图，如图1所示。

图1　单双吸气方式噪声机理示意图

3　有限元分析模型及结果

3.1　有限元分析模型

本文选定我司某一型号双缸压缩机气缸两种吸气方式（单吸气和双吸气）对应的分液器结构为分析对象。利用三维软件PRO/E建立实体模型如图2所示（分液器N、分液器F、分液器X），其中N、F为同等吸气方式，容积不同的两种分液器，X为双吸气方式分液器。

模型分析采用R410A冷媒，在吸气条件下，密度为31.15kg/m3，声速为177m/s。边界条件设置：气缸进气处为压力边界条件，分液器进口处为无反射平面波边界条件，其余边界为固体表面。分别在这三种模型的气缸进气口处加入一对幅值相等，相位差180度的声源，并监测分液器入口处的压力脉动值，可以比较三种进气方式的压力脉动值。

图2　三种分液器模型

图3　三种分液器入口处压力脉动比较

图4　N分液器压力分布（660Hz）

图5　F分液器压力分布（660Hz）

图6　X分液器压力分布（660Hz）

表1　三种分液器结构方案试验测试结果

3.2　有限元分析结果

利用COMSOL声学有限元模块对三种分液器模型进行有限元数值模型计算分析，得到双缸压缩机在分液器入口处的压力脉动结果如图3所示。

由图3可知，与N和F分液器吸气方式相比，X分液器在600～1700Hz范围内压力脉动值都比较大，另在600和3000Hz处压力脉动出现峰值。这主要是因为X分液器是双吸气结构，其管内的噪声沿两弯管各自传播，而不能起到干涉的作用。反之，N和F分液器其管内的噪声由于两列声波幅值大小相等，相位相差180度，在分叉处进行了干涉，其噪声平均值较X明显偏小。另一方面，由于N分液器体积较F分液器大，其消声性能更好，因此，N分液器噪声幅值最小，F分液器次之，X分液器最大。

为了更形象的表示三种分液器内部的压力分布，如图4、图5、图6所示分别为X、N、F分液器在660Hz处的压力脉动分布图。

由图4、图5、图6可知，N/F分液器在吸气管分叉处产生了明显的声波干涉现象，压力脉动值较小（管内最大值为1Pa），而X分液器上弯管内声波在660Hz处产生了共鸣，管内压力脉动最大值达到了47Pa以上。根据声波干涉理论，只有当相同幅值声源在相位差180度的情况下，并且两声源辐射距离完全相等的时候才能发生完全干涉。而由于受到实际结构上下气缸限制，单吸气方式声波发生干涉之前的管道长度不能完全一样，因此并不能产生完全干涉而彻底消除单极子吸气噪声。即使如此，根据之前的有限元计算结果，与X分液器相比，F和N型分液器还是具有更好的噪声性能。因此，双缸压缩机中单吸气方式比双吸气方式具有更好降噪效果。

4　试验结果验证

为了验证理论分析的正确性，试验以三种分液器结构方案进行装机测试验证，结果如表1所示。

由表1可知，在三种方案性能相当的情况下采用N、F、X分液器的双缸压缩机噪声平均值分别为70.2dB、70.95dB和72.35dB。其中N、F分液器方案噪声值二者差值较小，与X分液器方案差值较大，与理论有限元计算分析结果一致。因此，此理论分析方法正确有效，可以为双缸压缩机吸气方式噪声优化设计方案提供指导依据。

5　结论

利用声波干涉理论对双缸压缩机吸气方式进行理论与试验分析，得到如下噪声影响结论：

（1）双缸压缩机结构特征中上下气缸吸气过程相位差也是180度的特性，可以通过将上下气缸吸气过程的声源进行合成干涉，达到降低噪声的作用，符合声波干涉理论。

（2）根据双缸压缩机吸气方式设计三种对应分液器结构模型分析，得到X分液器在600～1700Hz范围内压力脉动值都比较大，另在600和3000Hz处压力脉动出现峰值。另一方面，由于N分液器体积较F分液器大，其消声性能更好，得知N分液器噪声幅值最小，F分液器次之，X分液器最大。因此，双缸压缩机中单吸气方式比双吸气方式具有更好的降噪效果。

（3）对三种分液器模型方案进行试验验证，得到N、F、X分液器的双缸压缩机噪声平均值分别为70.2dB、70.95dB和72.35dB。其中N、F分液器方案噪声值二者差值较小，与X分液器方案差值较大，与有限元计算分析结果一致。因此，此理论分析方法正确有效，分析方法可以对双缸压缩机吸气方式噪声优化设计方案提供指导依据。