冰箱壓縮機噪聲控制技術綜述

周明龍 陳文卿 邢子文 何志龍

1.西安交通大學蘇州研究院 江蘇蘇州 215123；

2.西安交通大學 陜西西安 710049

1 引言

近年來，冰箱噪聲成為影響居住環境舒適度的關鍵因素之一，而全封閉活塞式壓縮機通過殼體輻射和吸排氣管路向冰箱傳遞振動噪聲，成為冰箱的主要噪聲源[1,2]。因此，本文分析了冰箱壓縮機噪聲產生機理，總結了冰箱壓縮機噪聲控制方法，展望了冰箱壓縮機控制技術發展趨勢，為冰箱壓縮機的噪聲控制提供有益的指導。

2 冰箱壓縮機噪聲產生機理

冰箱壓縮機通過電機驅動曲軸旋轉帶動活塞在氣缸內進行往復運動，將曲軸的旋轉運動轉變為活塞的直線運動，同時配合吸排氣閥片的開啟與閉合，實現對制冷劑的吸入、壓縮、排出和膨脹的周期性工作過程，從而達到為冰箱輸出冷量的目的。壓縮機在曲軸活塞系統的慣性力、機械運動部件的摩擦力、電機的電磁力以及氣流脈動激勵力的共同作用下，產生振動輻射噪聲，通過壓縮機殼體和吸排氣管道等路徑繼續向外輻射噪聲。冰箱壓縮機噪聲源主要分為3類：機械噪聲、氣動噪聲和電磁噪聲[3]，產生機理如圖1所示。

2.1 機械噪聲

機械性噪聲是機械部件在運行過程中受到沖擊、摩擦或交變應力的作用下互相碰撞和摩擦，產生機械振動，輻射機械噪聲。冰箱壓縮機的機械振動噪聲主要來源于曲軸活塞系統的慣性力、運動副間的摩擦力和閥板組件的沖擊力。

（1）慣性力。冰箱壓縮機工作時，曲軸活塞運動機構系統會受到慣性力、摩擦力和氣體力的作用。曲軸活塞系統在電機驅動下產生慣性力，與電機轉速密切相關，具有顯著的周期性，容易激發高階頻率的振動，甚至會與零部件產生共振，誘發更大的噪聲。因此曲軸活塞系統的慣性力是誘發冰箱壓縮機產生機械振動噪聲的主要原因[4]。

（2）摩擦。冰箱壓縮機的運動副較多，運動副間快速而斷續的接觸會激發振動產生噪聲，尤其當運動副的潤滑不足或者光潔度不良時，會產生比較嚴重的摩擦噪聲[5]。

（3）沖擊。冰箱壓縮機工作過程中，吸排氣閥片會周期性的開啟與閉合，導致吸氣閥片受到氣流沖擊產生顫振，排氣閥片拍打閥片限位器以及沖擊排氣孔口閥芯過程中產生沖擊，都會產生機械振動，誘發機械噪聲。

2.2 氣動噪聲

氣動噪聲是指流體的流動或固體在流體中運動導致流體壓力波動所誘發的噪聲。隨著機械部件加工裝配精度的提升以及機械振動噪聲研究的深入，機械性振動噪聲得到有效控制，而氣流脈動誘發的氣動噪聲在冰箱壓縮機中占有主要成分[6]。

冰箱壓縮機為了實現對制冷劑的吸入、壓縮、排出和膨脹的工作過程，在吸排氣過程中產生間歇的壓力波動，形成氣流脈動，誘發氣動噪聲。制冷劑經過壓縮后從閥板組件的出口高速排放出來，與附近的制冷劑迅速混合時產生噴射噪聲[7,8]。由于排氣壓力高，氣流脈動幅值大，因而排氣噪聲顯著。此外，由于制冷劑粘滯摩擦力的作用，當具有一定速度的制冷劑遇到障礙物時會與障礙物背后相對靜止的制冷劑相互作用，便在障礙物下游流場區域內形成渦旋的氣流，產生渦流噪聲。

2.3 電磁噪聲

電磁噪聲是指電磁力作用在定、轉子間的氣隙中，產生旋轉力波或脈動力波，使定子產生振動而向外輻射噪聲[9]。電磁力可以分為徑向電磁力和切向電磁力，徑向電磁力作用在定轉子鐵芯上，引起徑向變形產生振動，向外輻射噪聲；切向電磁力對電機本身的振動影響較小，但是作用到壁厚較薄的零部件上時，容易產生較大的振動，甚至產生共振，誘發更大的噪聲。

3 噪聲控制技術

近些年來，國內外研究學者通過理論聯系試驗的方法對冰箱壓縮機噪聲控制技術進行了大量的研究工作，并取得了一定的成果。主要包括：

3.1 降低機械噪聲

（1）減小運動部件慣性力。冰箱壓縮機曲軸活塞系統的慣性力可以分為旋轉慣性力和往復慣性力。旋轉慣性力是由曲軸旋轉和連桿旋轉當量部分產生的，通過理論計算在曲軸上設計平衡塊來平衡旋轉慣性力，降低系統旋轉過程中的不平衡量，減小振動降低噪聲。往復慣性力是由活塞、活塞銷、連桿往復當量部分產生的，一般情況下，往復運動是非正弦式的，不僅會產生一階的激勵力，還會產生幅值較大的高階次激勵力。往復慣性力雖可通過平衡塊的優化設計來平衡一階慣性力，但無法消除二階次及高階次慣性力，仍然會誘發高次諧波的振動，通過傳遞路徑向外輻射噪聲[10]，因此設計平衡塊只能盡量降低而無法徹底消除往復慣性力。楊任平[11]等以旋轉轉矩和往復轉矩的合力矩為目標函數進行優化平衡塊，降低冰箱壓縮機曲軸活塞系統的往復轉矩，提高旋轉轉矩占往復轉矩的比值，將比值從34%提高到49.7%，壓縮機本體噪聲可以從36.4 dB降低到33.2 dB。為進一步降低往復慣性力，一方面可以通過變更活塞材質或者鏤空活塞內部實體結構等方式對活塞質量進行減重，另一方面可以通過減小活塞直徑加大曲軸偏心量，均可以在保證壓縮機制冷量的前提下，減小系統的往復慣性力，有助于降低壓縮機噪聲。此外，建立制冷壓縮機多體動力學模型，優化平衡塊質徑積和曲軸偏置，有助于降低振動噪聲[12]。

圖1 冰箱壓縮機噪聲產生機理

（2）抑制閥板組件沖擊。冰箱壓縮機在吸排氣過程中吸排氣閥片周期性的開啟與閉合，沖擊與拍打閥板，誘發振動噪聲。因此，一方面優化閥板結構設計，將閥板排氣閥芯面高度降低到排氣閥片安裝基準面以下0.03～0.1 mm為宜，使排氣閥片與排氣閥芯面的線接觸轉化為排氣閥片與安裝基準面的面接觸，緩沖排氣閥片對閥板的拍打，降低噪聲，如圖2所示；另一方面通過變更閥板閥片材質，如采用玻璃纖維增強塑料等提高閥板閥片的阻尼，降低閥片拍打閥板時產生的噪聲[13]。此外，減小閥片的厚度增大閥片的彈性等措施也有助于改善噪聲。

（3）改善運動副間摩擦與潤滑。冰箱壓縮機運動摩擦副主要有活塞與氣缸、活塞銷與連桿小頭、連桿大頭與曲軸和曲軸與氣缸間共4對。在曲軸供油孔的噴油作用下，連桿大頭與曲軸和曲軸與氣缸間的兩對摩擦副可以得到潤滑油的充分潤滑，形成油膜，摩擦噪聲相對較小，而活塞與氣缸和連桿小頭與活塞銷兩副摩擦副運動接觸過程中產生的噪聲相對較大。優化活塞與氣缸間的間隙，有助于增加潤滑形成油膜，降低摩擦噪聲。改善活塞銷與連桿小頭間的潤滑方式，如圖3所示在連桿上開設通油孔，將曲軸內的潤滑油從連桿大頭引入到連桿小頭，使活塞銷與連桿小頭的間隙內形成油膜，有助于改善活塞銷與連桿小頭間的摩擦噪聲，在4000～6300 Hz內的高頻噪聲可以降低3 dB，噪聲總值可以降低0.8 dB。此外，適當提高運動部件的光潔度以及潤滑油粘度，也有助于降低運動部件間的摩擦，降低摩擦噪聲。

3.2 衰減氣動噪聲

（1）優化閥板結構。一方面，增加閥板排氣閥的孔徑，降低制冷劑的流速，從源頭上降低氣流脈動誘發的氣動噪聲。另一方面，應用CFD技術建立閥板組件工作過程的數值模型，優化吸排氣流道的流場，減少吸排氣流道上的凸臺與尖角，避免因氣流噴射而產生的渦流噪聲[14]。

（2）設計氣流脈動衰減腔。氣流脈動衰減腔是基于赫姆霍茲共振原理，衰減壓縮機氣流脈動降低氣動噪聲的主要措施，根據壓縮機運行轉速、冷媒介質和溫度壓力等參數進行優化設計，是衰減壓縮機氣流脈動降低氣動噪聲的主要措施[15]。武曉昆等[16]針對螺桿制冷壓縮機排氣氣流脈動誘發的機腳振動問題，應用赫姆霍茲氣流脈動共振腔后，機腳振動加速度值降低36.2%～40.9%。但不可否認，赫姆霍茲共振腔衰減頻率范圍窄，當流體介質溫度壓力偏差較大時容易導致衰減頻率偏移，普遍應用于定頻壓縮機降噪領域，對變頻壓縮機的降噪效果不明顯。因此，在氣缸上設計π字形排布的兩個排氣氣流脈動衰減腔，拓寬氣流脈動衰減的頻率范圍；在排氣高壓管上設計氣流脈動衰減腔，進一步拓寬降噪頻率的帶寬。

圖2 排氣閥板閥芯面優化

圖3 活塞銷-連桿油路潤滑改善

（3）優化設計消聲器。優化設計消聲器，拓寬降噪頻率帶寬，提升降噪效果是改善壓縮機氣動噪聲的有效途徑。隨著數值計算方法的發展和計算機配置的提升，應用有限元法和邊界元法對消聲器進行CFD分析，仿真結果的精度明顯提升，更接近試驗結果，因此仿真分析對消聲器的結構設計和性能提升具有重要的指導意義[17]。DONE等[18]研究結果表明在內插管式消聲器的基礎上，設計穿孔管消聲器，不僅可以降低壓力損失，而且可以拓寬消聲器的消聲頻率范圍，在1500～3000 Hz整個頻率區間內均有較高的傳遞損失值。但考慮到穿孔管消聲器體積相對較大，制造成本較高，受限于壓縮機內部安裝空間和制造成本，穿孔管消聲器在冰箱壓縮機實際降噪應用中并不多見，仍以內插管式消聲器為主。大量數值分析和試驗結果表明，冰箱壓縮機上常用的內插管式消聲器的內插管與進氣口距離越遠時，低頻段的最大消聲頻率就越大；隔板位置對消聲器高頻的消聲性能影響比較大，一般而言，分割的腔體增多，每個腔體的體積減小，頻率向高頻偏移，高頻率段的降噪效果得到改善。

3.3 控制電磁噪聲

電機主磁通沿徑向進入氣隙，在定子和轉子上產生徑向力和軸向力，誘發定子產生振動輻射噪聲，其中徑向力是電磁噪聲的主要誘因。根據氣隙中的磁場能量關系，氣隙磁場產生的徑向力與氣隙磁導率、氣隙磁密、電機極對數、定子轉子磁動勢諧波次數和電網角頻率等眾多因素有關[19,20]。因此，一方面優化電機結構降低徑向力，如適當降低氣隙磁通密度，轉子采用斜槽結構等；另一方面，提升制造精度優化裝配工藝，減小定子轉子間氣隙不均勻降低徑向力。電機定子轉子間的氣隙不均勻是影響電磁徑向力的關鍵因素，其中氣隙不均勻可以分為靜態不均勻和動態不均。當定子軸線與轉子軸線不重合時，產生氣隙靜態不均勻，隨著偏心值、運行轉速和工作負荷的增大而增大。當曲軸撓曲或轉子鐵芯不圓時會造成氣隙動態不均勻。因此，針對定子轉子間的氣隙不均勻，一方面提高制造精度，減小動態不均勻；另一方面改進裝配工藝，調整定子轉子間的靜態不均勻，如采用劃分網格法測量各點的氣隙，將測量的氣隙值與理論氣隙值的偏差控制在10%以內，電磁噪聲可以得到顯著改善。

3.4 阻斷傳遞路徑

冰箱壓縮機工作過程中產生的噪聲主要通過高壓排氣管、殼體支撐彈簧、制冷劑和潤滑油等途徑傳遞到殼體上，由殼體向外輻射噪聲。因此，針對噪聲的傳遞路徑采取相應的阻斷措施降低殼體響應。

（1）優化高壓排氣管設計。冰箱壓縮機的高壓排氣管兩端分別連接殼體與氣缸衰減腔，為制冷系統輸送高壓制冷氣體。高壓排氣管一方面傳遞排氣氣流脈動誘發的振動噪聲，另一方面還要傳遞運動部件不平衡誘發的振動噪聲，是冰箱壓縮機振動噪聲傳遞的主要路徑。TASDELEN等[21]在排氣管上應用管簧后，在3000 Hz～3500 Hz內振動有顯著改善，管簧的形狀和長度等對500 Hz～1500 Hz內振動影響較大。因此，可以利用數值分析結合試驗研究的方法，首先，優化高壓排氣管的管徑與壁厚，改變高壓排氣管插入機殼排氣管的焊接深度，偏移排氣管的固有頻率，避免共振產生更大的振動噪聲。其次，優化排氣管管簧的線徑，提高管簧對排氣管振動的吸收，減小排氣管的振動傳遞。最后，優化排氣管的長度和形狀，衰減排氣管內的氣流脈動，減小氣流脈動誘發的振動噪聲。

（2）阻礙底座彈簧的傳遞。冰箱壓縮機底座彈簧將壓縮機本體固定到殼體上，同時也會將本體振動噪聲傳遞到殼體上。因此，一方面，降低底座彈簧的固有頻率，提高底座彈簧對本體振動的隔振效率，減小本體振動的傳遞，降低噪聲；另一方面，根據壓縮機本體振動噪聲特性，將底座彈簧的固有頻率偏離振動噪聲的激勵頻率，避免共振。

（3）避免腔內制冷劑共振。冰箱壓縮機工作過程中的機械噪聲和氣動噪聲通過激勵壓縮機腔體內的制冷劑將噪聲傳遞到機殼上，繼續向外輻射噪聲。當冰箱壓縮機腔體內制冷劑的固有頻率與噪聲激勵頻率一致時，會發生共振，激發更大的噪聲。由于壓縮機本體部件眾多，制冷劑流場復雜，利用制冷劑流場的固有頻率與制冷劑種類、工作壓力和工作溫度等有關的特點，經常采用試驗的方法分析制冷劑的固有頻率，例如在同一臺壓縮機上將R134a和R600a制冷劑互換來變更制冷種類，或者通過改變吸排氣壓力來改變制冷劑的壓力和溫度，偏移腔體內制冷劑的固有頻率，根據測量的噪聲結果，分析是否共振。

（4）減小潤滑油影響。冰箱壓縮機封閉腔體內的制冷劑和潤滑油在曲軸的旋轉攪動下形成漩渦產生氣泡，當氣泡破裂時會產生噪聲。冰箱壓縮機潤滑油較少時，溶解在潤滑油內的制冷劑較少，在曲軸的旋轉攪動下分離出的制冷劑氣泡也較少，產生的氣泡破裂聲輕微。隨著潤滑油增加，溶解在潤滑油內的制冷劑也相應增加，在曲軸的旋轉攪動下形成更多的氣泡，引起的擾油噪聲隨之增加。潤滑油繼續增加，電機定子的線圈會接觸或者浸泡在潤滑油內，增加線圈與潤滑油和制冷劑的接觸面積，加速氣泡的產生，導致更大的擾油噪聲。此外，壓縮機內的潤滑油通過流固耦合作用對殼體輻射噪聲產生影響，隨著潤滑油含量增加，殼體固有頻率向高頻偏移[22]。季曉明等[23]等指出潤滑油液面高度從0 mm增加到30 mm時，壓縮機殼體第5階和10階固有頻率分別從2441 Hz偏移到2087 Hz和從3231 Hz降低到2938 Hz，固有頻率偏移量達到300 Hz，說明潤滑油含量對殼體固有頻率產生比較大的影響。因此，適當減少潤滑油含量，避免潤滑油對殼體固有頻率產生較大的影響，有助于降低壓縮機噪聲。

3.5 降低殼體噪聲輻射

冰箱壓縮機殼起到支撐本體、隔離本體噪聲的作用。增加殼體厚度，提高殼體剛度，使殼體固有頻率向高頻偏移，有利于減小噪聲輻射的能力。樂建波[24]等研究結果表明，壓縮機上殼體厚度從2.5 mm增加到4.5 mm，殼體的高階次固有頻率向高頻偏移500 Hz左右，但是殼體厚度的增加必然導致成本的增加，因此通過增加殼體厚度來改善噪聲的方案是行不通的。為了提高殼體的隔聲效果，降低殼體的輻射噪聲，一方面要優化殼體結構，減少殼體的固有頻率，避免殼體共振，例如利用非對稱外殼大部分模態固定的特點，將外殼設計成非對稱形狀，可以有效避免殼體固有頻率同時被激勵；另一方面通過優化設計外殼結構與形狀以獲得理想的剛度和結構阻尼，從而彌補殼體厚度減薄對噪聲控制帶來的不利影響。此外，優化殼體支腳和減振橡膠圈的結構與形狀，偏移支腳的固有頻率，避免共振[25]。

4 噪聲控制技術發展趨勢

4.1 優化閥板閥片材質

隨著非金屬材料性能的改善，其良好的減振降噪性能逐漸顯現出來，冰箱壓縮機的閥板閥片可以采用非金屬材料替代金屬材料，增加材料的阻尼，緩解閥片拍打閥板的撞擊聲，從源頭上降低壓縮機的機械性振動噪聲。

4.2 表面處理活塞-氣缸運動副

應用真空鍍膜的表面處理技術，在活塞-氣缸運動副接觸面上噴涂自潤滑封嚴涂層，一方面利用涂層自潤滑特性可降低活塞-氣缸運動副間的摩擦系數，降低摩擦接觸過程中產生的機械振動噪聲；另一方面利用涂層封嚴特性可減小活塞-氣缸運動副間的間隙，提高壓縮機性能。

4.3 設計可調頻自適應氣流脈動衰減器

氣流脈動衰減器針對壓縮機特定運行工況下的降噪效果顯著，但當壓縮機運行工況變化較大時，如壓縮機運行轉速改變，氣流脈動衰減器的衰減效果減弱甚至消失。為了滿足不同運行工況下氣流脈動衰減效果，拓寬氣流脈動衰減頻率范圍，往往只能被動采用多個衰減裝置并聯或者串聯，不僅會犧牲衰減效果，而且導致衰減裝置體積過大無法安裝甚至被動增加壓縮機體積。因此，周明龍等[26]提出的一種可調頻自適應氣流脈動衰減器，可以根據壓縮機的運行工況，自動調節氣流脈動衰減器的衰減頻率，衰減氣流脈動，降低振動噪聲，或可成為一種新的趨勢。

4.4 引進有源降噪技術

有源降噪是利用聲波的相消干涉原理，通過引入電聲裝置產生額外的噪聲源與不希望的原始噪聲進行疊加，從而達到降低或者抑制噪聲的目的。有源降噪具有良好的低頻降噪效果，適用于控制低頻噪聲，目前主要應用于耳機和汽車等領域。隨著有源技術的發展，以及對壓縮機噪聲的深入研究，有源降噪有望逐步應用到冰箱壓縮機降噪領域。

5 結論

本文全面地介紹了冰箱壓縮機噪聲產生的機理及相應的控制措施。雖然目前對壓縮機噪聲研究已經取得了一定的成果，但影響因素眾多，且互相影響，相互制約，給冰箱壓縮機的降噪增加了難度，工程應用中還沒有形成系統的噪聲控制理論和設計方法。因此，從理論研究上降低壓縮機噪聲并應用于實踐還需要進一步的努力。