基于聲波干涉理論對雙缸壓縮機吸氣噪聲影響分析

霍喜軍　韋衍　王珂

珠海凌達壓縮機有限公司　廣東珠海　519110

1　引言

隨著市場競爭加劇，人們對產品的關注不僅僅局限在性能，對舒適性的關注也漸漸增多。作為人體直接感官體驗項目，目前人們已對產品的噪聲提出更嚴格的要求。雙缸壓縮機因其制冷能力強和低振動的特性被廣泛應用于空調系統中，因此噪聲水平就成為考量此類型機型的主要指標[1-4]。本文基于聲波干涉理論對雙缸壓縮機的吸氣噪音進行理論與實際分析。讓雙缸壓縮機的兩種吸氣方式（單吸氣和雙吸氣）對應不同分液器結構及氣缸進氣方式，運用COMSOL多物理場耦合軟件聲學有限元模塊對雙缸壓縮機吸氣噪聲進行了分析，比較不同分液器結構和氣缸進氣方式下分液器的壓力脈動，并與試驗結果進行對比分析。

2　聲波干涉理論

雙缸壓縮機由于結構復雜，內部聲源種類繁多，可分為機械噪聲、電磁噪聲和氣流噪聲三種。吸氣噪聲主要由氣流噪聲引起，根據雙缸壓縮機兩種吸氣方式對照聲學干涉理論，當兩列聲波具有相同頻率并具有固定相位差的特性時，這兩列聲波會在相遇時產生干涉現象[4]。雙缸壓縮機吸氣都是通過管道連接的，因此利用聲波在傳波過程中干涉理論將雙缸壓縮機聲源在管道的聲壓分別表示為：

其中、分別為兩聲源的相位。通過式（1）、式（2）可以推導出兩列聲波合成的總聲壓如式（3）所示：

式中：

當兩聲源強度相等時，其合成的聲壓可以由式（6）所示：

由式（6）可知，當兩列聲波強度相等且相位差為180度時，其合成聲壓幅值為零。根據這一理論，利用雙缸壓縮機上下氣缸吸氣過程相位差也是180度的特性，可以通過將上下氣缸吸氣過程的聲源進行合成干涉的方式達到降低噪聲的目的。單吸氣與雙吸氣結構相比，剛好符合以上分析理論。而雙吸氣結構其聲波通過上下氣缸分別沿兩彎管進行傳遞，當其到達濾網下方時，不但不能產生干涉疊加的效果，反而會形成一個類似于偶極子的噪聲源，因此不能起到降低噪聲的效果。兩種吸氣方式及其噪聲理論示意圖，如圖1所示。

圖1　單雙吸氣方式噪聲機理示意圖

3　有限元分析模型及結果

3.1　有限元分析模型

本文選定我司某一型號雙缸壓縮機氣缸兩種吸氣方式（單吸氣和雙吸氣）對應的分液器結構為分析對象。利用三維軟件PRO/E建立實體模型如圖2所示（分液器N、分液器F、分液器X），其中N、F為同等吸氣方式，容積不同的兩種分液器，X為雙吸氣方式分液器。

模型分析采用R410A冷媒，在吸氣條件下，密度為31.15kg/m3，聲速為177m/s。邊界條件設置：氣缸進氣處為壓力邊界條件，分液器進口處為無反射平面波邊界條件，其余邊界為固體表面。分別在這三種模型的氣缸進氣口處加入一對幅值相等，相位差180度的聲源，并監測分液器入口處的壓力脈動值，可以比較三種進氣方式的壓力脈動值。

圖2　三種分液器模型

圖3　三種分液器入口處壓力脈動比較

圖4　N分液器壓力分布（660Hz）

圖5　F分液器壓力分布（660Hz）

圖6　X分液器壓力分布（660Hz）

表1　三種分液器結構方案試驗測試結果

3.2　有限元分析結果

利用COMSOL聲學有限元模塊對三種分液器模型進行有限元數值模型計算分析，得到雙缸壓縮機在分液器入口處的壓力脈動結果如圖3所示。

由圖3可知，與N和F分液器吸氣方式相比，X分液器在600～1700Hz范圍內壓力脈動值都比較大，另在600和3000Hz處壓力脈動出現峰值。這主要是因為X分液器是雙吸氣結構，其管內的噪聲沿兩彎管各自傳播，而不能起到干涉的作用。反之，N和F分液器其管內的噪聲由于兩列聲波幅值大小相等，相位相差180度，在分叉處進行了干涉，其噪聲平均值較X明顯偏小。另一方面，由于N分液器體積較F分液器大，其消聲性能更好，因此，N分液器噪聲幅值最小，F分液器次之，X分液器最大。

為了更形象的表示三種分液器內部的壓力分布，如圖4、圖5、圖6所示分別為X、N、F分液器在660Hz處的壓力脈動分布圖。

由圖4、圖5、圖6可知，N/F分液器在吸氣管分叉處產生了明顯的聲波干涉現象，壓力脈動值較小（管內最大值為1Pa），而X分液器上彎管內聲波在660Hz處產生了共鳴，管內壓力脈動最大值達到了47Pa以上。根據聲波干涉理論，只有當相同幅值聲源在相位差180度的情況下，并且兩聲源輻射距離完全相等的時候才能發生完全干涉。而由于受到實際結構上下氣缸限制，單吸氣方式聲波發生干涉之前的管道長度不能完全一樣，因此并不能產生完全干涉而徹底消除單極子吸氣噪聲。即使如此，根據之前的有限元計算結果，與X分液器相比，F和N型分液器還是具有更好的噪聲性能。因此，雙缸壓縮機中單吸氣方式比雙吸氣方式具有更好降噪效果。

4　試驗結果驗證

為了驗證理論分析的正確性，試驗以三種分液器結構方案進行裝機測試驗證，結果如表1所示。

由表1可知，在三種方案性能相當的情況下采用N、F、X分液器的雙缸壓縮機噪聲平均值分別為70.2dB、70.95dB和72.35dB。其中N、F分液器方案噪聲值二者差值較小，與X分液器方案差值較大，與理論有限元計算分析結果一致。因此，此理論分析方法正確有效，可以為雙缸壓縮機吸氣方式噪聲優化設計方案提供指導依據。

5　結論

利用聲波干涉理論對雙缸壓縮機吸氣方式進行理論與試驗分析，得到如下噪聲影響結論：

（1）雙缸壓縮機結構特征中上下氣缸吸氣過程相位差也是180度的特性，可以通過將上下氣缸吸氣過程的聲源進行合成干涉，達到降低噪聲的作用，符合聲波干涉理論。

（2）根據雙缸壓縮機吸氣方式設計三種對應分液器結構模型分析，得到X分液器在600～1700Hz范圍內壓力脈動值都比較大，另在600和3000Hz處壓力脈動出現峰值。另一方面，由于N分液器體積較F分液器大，其消聲性能更好，得知N分液器噪聲幅值最小，F分液器次之，X分液器最大。因此，雙缸壓縮機中單吸氣方式比雙吸氣方式具有更好的降噪效果。

（3）對三種分液器模型方案進行試驗驗證，得到N、F、X分液器的雙缸壓縮機噪聲平均值分別為70.2dB、70.95dB和72.35dB。其中N、F分液器方案噪聲值二者差值較小，與X分液器方案差值較大，與有限元計算分析結果一致。因此，此理論分析方法正確有效，分析方法可以對雙缸壓縮機吸氣方式噪聲優化設計方案提供指導依據。