制冷压缩机减震降噪技术研究

2020/6/24 11:45:32 人评论 次浏览 分类:噪声分析

摘要:制冷压缩机是冰箱、空调,等众多家用设备的主要噪声源,它的振动与噪声也影响到它作为家用设备的舒适性。其减振除噪的重要性不言而喻。本文介绍了制冷压缩机振动与噪声的产生原因与机理。介绍了一些传统的减震降噪的措施与手段,同时着重介绍了一些最新的减震降噪技术。

 关键词:制冷压缩机;减振;降噪;

 随着社会经济的不断发展,人们生活水平的不断提高,环境保护意识大大增强,制冷压缩机是冰箱、空调,等众多家用设备的主要噪声源,其性能直接影响到人们的生活和工作,在噪声控制方面取得了较大的进步。本文主要根据国内外发表的文献,对这一问题进行了详细总结,分为制冷压缩机振动噪声的主要原因、振动噪声产生和传播机理研究进展和减振降噪措施。总结了制冷压缩机常用的噪声控制方法,并介绍了噪声控制方面的新技术,包括有源声控技术,包括源噪声控制技术压电智能材料的应用,形状记忆合金的应用等最新技术及其他尚未在制冷压缩机领域应用但很有前景可以拿来借鉴的技术。

 1、制冷压缩机噪声原因与机理

制冷压缩机系统产生的噪声主要由机械性噪声、电磁噪声和压缩机产生的流体动力特性噪声构成,以及其他各种噪声的耦合噪声。          

 

(1)机械性噪声:

机械性噪声主要由摩擦、磨损以及机构间的力传递不均匀产生的。转子及其装配件的不平衡:转子啮合、转子转速波动引起的冲击噪声;开启式螺杆制冷压缩机的电机与连轴器不对中引起的振动与噪声;轴承振动与噪声。机体外部包括机壳、支承结构、底座的振动与噪声。油分离器,蒸发器、冷却系统的振动与噪声。电机轴和轴承之间的相互作用形成电机的机械噪声。

(2)流体动力特性噪声:

流体动力特性噪声包括气流噪声和油流噪声。气流噪声主要是吸、排气噪声,包括气体进、出排气腔及转子槽基元容积时形成的涡流噪声,排气过程中回流和膨胀产生的喷流噪声;气流管道脉动及弯头振动、噪声;吸、排气止回阀噪声。油流噪声包括:喷油噪声;油流管道噪声;油泵气穴、困油噪声等。

(3)电磁噪声:

电磁噪声时电动机中特有的噪声,其属于机械性噪声,在电动机中,电磁噪声是由交变磁场对定、转子作用,产生周期性的交变力引起的振动和噪声。当电源电压不稳定时,最容易产生电磁振动和噪声。

2 压缩机噪声振动传递路径

根据全封闭压缩机的结构,我们可以把传递路径分为三类:1.固体路径(弹簧、管、机体总成);2.液体通道(冷冻油);3.气体通道即制冷气。

2.1 固体通道

我们知道,声波的传递大小与媒质的特性阻抗(密度与声速的乘积)有关。Binder 认为固体通道是压缩机最重要的传输通道。Thomton 也认为压缩机噪声主要的传递路径是固体通道。他首先企图找出压缩机某阶振动模态与其噪声级的联系。因为这一模态假若存在的话,就可以通过调整电机与主机的相互运动关系使振动匹配破坏,从而噪声降低。但他们的企图没有实现。接着他用改变传输性来降低噪声。具体采用措施如下:隔振选用固有频率尽量低的弹簧;阻抗失配即弹簧与机体连接处尽量选用特性阻抗低的材料。Jenkins 利用计算机仿真技术来研究通过弹簧传递的振动。他发现若将活塞和连杆的质量减少30%,即可减少40%的传递力。他同时发现,通过仅仅优化平衡块的质量和位置对弹簧的变形影响很小,而通过优化弹簧与机体的连接点的位置,可大幅度降低水平位移。除弹簧外,吸排气管也同样是重要的传递通道,Soedel 将吸排气管建立了一个数学模型来求得各管参数对振动的影响。他得出如下结论:压缩增加时,管路的刚度增加,从而固有频率有所增加,当质量流量增加时,管路自振频率将下降。随后Toio用有限元法对排气管进行修改,也可使管路刚度下降,从而避开压缩机旋转频率及其谐波。另外,Sinpson简单采用了一个汽车空调软管代替现行的铜管,也取得了很好的效果。

2.2 液体通道

关于该类通道对噪声的影响,文献资料较少。Simpson 用铜管弯曲成螺旋状并在其表面钻上小孔(直径0.010″)称作起泡器。然后将这一起动器浸在压机油中并与排气腔相连,这一措施连同其它方法使噪声降低了5dB,这种起动器对1000Hz 以上的噪声似乎很有效,但文献没有提及对性能有何影响。

2.3 气体通道

Thomton 做过实验,证实对于刚性连接的旋转压缩机固体通道是主要的传输通道。但改为弹簧连接后,气体通道即成为主要的传输通道。全封闭压缩机腔内充满了制冷气体,当机体振动时,制冷剂被激励,一方面将振动传输出去,另一方面有可能产生共振,将振动放大,从而使外壳产生更大噪声。在这一领域值得一提的是Johnson 和Hamilton,他们是第一次进行并发现气体在腔内共振实验的人。他们首先发现压缩机噪声谱中460Hz 处有一个高峰,这个高峰随着温度的改变来回移动,通过测量声功率,发现460Hz 有很强的方向性,与偶极子源特性类似。通过计算可知是压缩机腔内的轴向气体共振。这些推论又用如下实验得到了证明:更换制冷剂,对激励源共振进行激励用抗性滤波器进行滤波消声。他随后又进行了严格的计算,得出一系列的自振频率。基于以上工作,他们指出一个压缩机如果其吸排气频率及其谐波与腔内某阶自振频率相重合的话,极易发生气体共振。并指出高背压压缩机与低背压相比,由于压力及脉动较大,更易发生共振,另外,除气体脉动外,机体本身的振动也有可能成为共振激励源。继Johnson 实验之后,许多人如 ThomtonFeldmaier 等也发现了同样的共振现象。Jojo在低背压的压缩机中也发现了多体共振现象并进行了实验验证和理论计算。他用一根管直接与吸气腔相连后,由于消除了气体共振使噪声下降了

15dB。随后又有人采用了一些新的实验方法来研究气体共振现象,如Matsnzaka,他用白噪声激励气体在腔内不同位置测量压力变化,从而求得腔内气体振动模态。Vetsuji 用同样的方法修改了一个压缩机外壳的形状,得出了如下实验结果:噪声谱形状有新的变化时,1k 和1.25kHz 频段内又出现了三个新的共振。更为精确的是Lee 和Kin他们用有限元法对腔内气体进行三维计算,并成功地用压缩机进行了气体共振仿真模拟。

 3、减振降噪措施

(1)传统措施

解决电机噪声。首先,即解决不平衡问题,一般总是通过平衡计算在转子上下端两部分增加不同重量平衡块进行平衡,其不足之处是在减小振动同时也增加压缩机的负荷使压缩机效率有一定的降低。目前最有效解决这一问题的方法是使用双气缸化。

降低压缩机所产生的低频振动及共振,从以下几个方面入手。首先,改进加强系统配管材料刚性,在允许使用的范围内选用强度、刚性大的材质的管,这样可减小共振。第二,对制冷压缩机加附阻尼材料。第三,根据不同的制冷需要和不同压缩机,改进配管结构。

改善排气口形状降噪。排气时在三角形排气口顶部产生局部气流,形成局部激波,产生噪声,可以通过三角形顶部用圆弧过渡来克服局部激波噪声。国内一些制冷压缩机生产企业在进油的排气口形状作了一定的改进,如将平口改为斜口或在出口部安装合适的排气消声器。

吸声隔声材料的使用。近来国内外空调压缩机普遍采用一种隔声套,对压缩机进行处理。隔声套是控制制冷压缩机机组噪声传播的一种有效措施。

(2)制冷压缩机减振除噪的最新技术

1)有源噪声控制技术

 在振动控制中,降低低频噪声和低频振动一直是一项困难的工程。一般吸频带非常窄,构件的低频吸声量很小。有源噪声控制方法是近年来发展起来的一种全新的噪声控制方法。与传统的降噪技术相比,优势在于对低频噪声控制效果好以及对原系统的附加质量小,因此近年来有源噪声控制在降低低频噪声中得到了广泛的应用。

   有源噪声控制是在指定区域人为地、有目的地产生一个次级声信号去控制初级声信号,以达到降噪目的的技术方法。根据两列声波相消性干涉或声辐射抑制的原理,通过次级声源产生与初级声源的声波大小相等、相位相反的声波辐射,使二者相互抵消,从而达到降噪的目的。

此种技术是率先在汽车中应用的,英国Lotus汽车公司与ISVR合作,将自适应有源降躁技术应用于噪声控制。控制的核心是电脑模块,采用发动机转速信号分频方法,分离出多阶正弦波参考信号。在发动机转速为30005000r/min范围内明显降低了车内低频发动机噪声,可降低车内轰鸣声(对应发动机点火频率噪声)10dB左右。由于采用了多个监测传声器和次级声源,降噪区域较大,能快速跟随车内低频发动机噪声的变化。

2)压电智能材料的应用

压电材料具有质量小、频响宽,安装与控制方便,不必破坏原有结构,既能用作传感器,又能作为驱动器,越来越多地用于解决薄板结构振动与噪声的控制问题,利用压电智能材料降低机内噪声是通过对机身振动的主动控制来实现的。其基本原理是把分别作为传感器和驱动器的压电元件粘贴或嵌入机身结构(如板、壳、梁)中,传感器感受机身结构振动,产生相应的控制算法进行处理后生成相应的控制信号,控制信号再经功率放大后,经驱动器使机身结构产生应变以改变结构的动态阻尼,实现对振动的主动控制,从而抑制和衰减结构对机内辐射的噪声

常用的压电材料有石英体、压电陶瓷、聚偏二氟乙烯(PVDF)和压电复合材料。其中,压电复合材料是20世纪80年代兴起的一种新材料,它是将压电陶瓷相和聚合物相按照一定的连通方式、体积比例和空间几何分布复合制成的。它可以成倍地提高材料的某些压电性能,并具有常用压电陶瓷所没有的优良性能

3)形状记忆合金的应用

形状记忆合金的形状记忆效应是指材料能够记住它在高温状态下的形状,即处于低温下的形状记忆合金在外力作用下产生变形后,如果将其加热超过材料的相变点,会恢复到原来高温状态下的形状。此外形状记忆合金还具有超弹性性能,它的应力与应变之间呈现出迟滞循环效应,其弹性和超弹性变型量可分别达到2%8%。常用的形状记忆金有镍钛合金利用形状记忆合金的独特性能,可以设计出形状记忆合金减振垫片,用在变速器齿轮等传动系零部件中。当机器运行时,传动系零部件温度逐渐升高,由于各零部件材料的膨胀系数不同,传动系的工作状况逐渐变差,导致振动和噪声增大。形状记忆合金减振垫片的弹性恢复力随着温度升高而增大,能够增加传动系零部件热膨胀后的坚固力,从而达到稳定工作状态和减振目的

4)以升声治声

所谓以声治声,就是采用人工办法,制造一种与噪声的强度、频率相同而方向相反的声音,通过相互对抵,从而把噪声消除掉

为了验证以声治声的办法是否有效,科学家们做了这样一个试验:在一条鼓风机的管道两端,分别装上一个能 发出50周正弦波的扬声器。它们所发 出的声音的强弱完全一样,但方向完全相反。结果,两个声音完全重叠后而抵消掉了,消声效果比较理想。目前,许多国家已根据这一原理,研制出了一种能产生消声声音的机器,并用它来消除不同的噪声了

5)无接缝进气道治声(很有可能将来会用于压缩机降噪的新技术)

近日,由空中客车公司工程师设计和开发的一项无接缝进气道技术荣获了“2006年度欧洲金分贝奖,这是欧洲为鼓励发展降低噪声的创新技术而专门设立的奖项空中客车公司发动机声学技术部负责人、“无接缝进气道” 技术的创造者赫弗巴塔德在解释这一新技术时表示,现在飞机所产生的噪声绝大部分是由发动机风扇产生的。为解决这一问题,发动机短舱的内壁需要覆盖吸音材料衬垫用来隔音。通常来说,这些吸音衬垫在飞机起飞的时候可以降低发动机的噪声45个分贝,在降落的时候可以降低发动机的噪声约2个分贝

过去,要覆盖一个发动机短舱内壁往往需要两到三片这样的吸音衬垫,而这些吸音衬垫的接合处往往也会产生一定的噪声,也就是常说的“散射噪声”。巴塔德和他的技术团队开发的“无接缝进气道” 新技术则是用一整片管状的吸音衬垫来覆盖整个发动机內壁,没有衬垫的接缝,从而成功地降低了噪声水平

 参考文献:

【1】  黄宇 蒋伟康 刘春慧 靳海水 周易旋转式压缩机气流噪声研究综述和展望(11上海交通大学振动、冲击、噪声研究所 上海200240; 21上海日立电器有限公司,上海 201206)

【2】   杨伟成 家用小型制冷压缩机的噪声控制

【3】   季晓明 孟晓宏 金涛 往复式冰箱压缩机噪声分析及控制方法综述

【4】   陈宇慧,制冷压缩机及其管道系统振动噪声研究综述(福州大学化学化工学院  350002)制冷压缩机及其管道系统振动噪声研究综述

【5】   宋雷鸣,金洪杰.DQX系列旋转式压缩机噪声源的理论分析与试验研究.北方交通大学学报.2000.24(4)

6】   噪声污染控制新技术 创净环保科技公司



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