制冷壓縮機(jī)減振降噪技術(shù)專題調(diào)研

1、制冷壓縮機(jī)減震降噪技術(shù)研究專題調(diào)研摘要：制冷壓縮機(jī)是冰箱、空調(diào)，等眾多家用設(shè)備的主要噪聲源，它的振動(dòng)與噪聲也影響到它作為家用設(shè)備的舒適性。其減振除噪的重要性不言而喻。本文介紹了制冷壓縮機(jī)振動(dòng)與噪聲的產(chǎn)生原因與機(jī)理。介紹了一些傳統(tǒng)的減震降噪的措施與手段，同時(shí)著重介紹了一些最新的減震降噪技術(shù)。關(guān)鍵詞：制冷壓縮機(jī)；減振；降噪；隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，環(huán)境保護(hù)意識(shí)大大增強(qiáng)，制冷壓縮機(jī)是冰箱、空調(diào)，等眾多家用設(shè)備的主要噪聲源，其性能直接影響到人們的生活和工作，在噪聲控制方面取得了較大的進(jìn)步。本文主要根據(jù)國(guó)內(nèi)外發(fā)表的文獻(xiàn)，對(duì)這一問題進(jìn)行了詳細(xì)總結(jié)，分為制冷壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲的主要原因、

2、振動(dòng)噪聲產(chǎn)生和傳播機(jī)理研究進(jìn)展和減振降噪措施?？偨Y(jié)了制冷壓縮機(jī)常用的噪聲控制方法，并介紹了噪聲控制方面的新技術(shù)，包括有源聲控技術(shù)，包括源噪聲控制技術(shù)壓電智能材料的應(yīng)用，形狀記憶合金的應(yīng)用等最新技術(shù)及其他尚未在制冷壓縮機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用但很有前景可以拿來借鑒的技術(shù)。 1、制冷壓縮機(jī)噪聲原因與機(jī)理制冷壓縮機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲主要由機(jī)械性噪聲、電磁噪聲和壓縮機(jī)產(chǎn)生的流體動(dòng)力特性噪聲構(gòu)成，以及其他各種噪聲的耦合噪聲。制冷壓縮機(jī) 流體動(dòng)力噪聲:1. 氣流噪聲;2. 油流噪聲；電磁噪聲：1. 基波磁通引起的振動(dòng)；2. 高次諧波磁通引起的振動(dòng)；機(jī)械噪聲：1. 機(jī)械不平衡引起的振動(dòng)；2. 機(jī)械碰撞，滑動(dòng)引起的噪聲： 制冷

3、劑定子軸承 噪聲外殼 （1）機(jī)械性噪聲：機(jī)械性噪聲主要由摩擦、磨損以及機(jī)構(gòu)間的力傳遞不均勻產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)子及其裝配件的不平衡：轉(zhuǎn)子嚙合、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速波動(dòng)引起的沖擊噪聲；開啟式螺桿制冷壓縮機(jī)的電機(jī)與連軸器不對(duì)中引起的振動(dòng)與噪聲；軸承振動(dòng)與噪聲。機(jī)體外部包括機(jī)殼、支承結(jié)構(gòu)、底座的振動(dòng)與噪聲。油分離器，蒸發(fā)器、冷卻系統(tǒng)的振動(dòng)與噪聲。電機(jī)軸和軸承之間的相互作用形成電機(jī)的機(jī)械噪聲。（2）流體動(dòng)力特性噪聲：流體動(dòng)力特性噪聲包括氣流噪聲和油流噪聲。氣流噪聲主要是吸、排氣噪聲，包括氣體進(jìn)、出排氣腔及轉(zhuǎn)子槽基元容積時(shí)形成的渦流噪聲，排氣過程中回流和膨脹產(chǎn)生的噴流噪聲；氣流管道脈動(dòng)及彎頭振動(dòng)、噪聲；吸、排氣止回閥噪聲。油

4、流噪聲包括：噴油噪聲；油流管道噪聲；油泵氣穴、困油噪聲等。（3）電磁噪聲：電磁噪聲時(shí)電動(dòng)機(jī)中特有的噪聲，其屬于機(jī)械性噪聲，在電動(dòng)機(jī)中，電磁噪聲是由交變磁場(chǎng)對(duì)定、轉(zhuǎn)子作用，產(chǎn)生周期性的交變力引起的振動(dòng)和噪聲。當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定時(shí)，最容易產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲。2 壓縮機(jī)噪聲振動(dòng)傳遞路徑根據(jù)全封閉壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)，我們可以把傳遞路徑分為三類：1.固體路徑(彈簧、管、機(jī)體總成)；2.液體通道(冷凍油)；3.氣體通道即制冷氣。2.1 固體通道我們知道，聲波的傳遞大小與媒質(zhì)的特性阻抗(密度與聲速的乘積)有關(guān)。Binder 認(rèn)為固體通道是壓縮機(jī)最重要的傳輸通道。Thomton 也認(rèn)為壓縮機(jī)噪聲主要的傳遞路徑是固體通

5、道。他首先企圖找出壓縮機(jī)某階振動(dòng)模態(tài)與其噪聲級(jí)的了解。因?yàn)檫@一模態(tài)假若存在的話，就可以通過調(diào)整電機(jī)與主機(jī)的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系使振動(dòng)匹配破壞，從而噪聲降低。但他們的企圖沒有實(shí)現(xiàn)。接著他用改變傳輸性來降低噪聲。具體采用措施如下：隔振選用固有頻率盡量低的彈簧；阻抗失配即彈簧與機(jī)體連接處盡量選用特性阻抗低的材料。Jenkins 利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來研究通過彈簧傳遞的振動(dòng)。他發(fā)現(xiàn)若將活塞和連桿的質(zhì)量減少30，即可減少40的傳遞力。他同時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過僅僅優(yōu)化平衡塊的質(zhì)量和位置對(duì)彈簧的變形影響很小，而通過優(yōu)化彈簧與機(jī)體的連接點(diǎn)的位置，可大幅度降低水平位移。除彈簧外，吸排氣管也同樣是重要的傳遞通道，Soedel 將吸

6、排氣管建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型來求得各管參數(shù)對(duì)振動(dòng)的影響。他得出如下結(jié)論：壓縮增加時(shí)，管路的剛度增加，從而固有頻率有所增加，當(dāng)質(zhì)量流量增加時(shí)，管路自振頻率將下降。隨后Toio用有限元法對(duì)排氣管進(jìn)行修改，也可使管路剛度下降，從而避開壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波。另外，Sinpson簡(jiǎn)單采用了一個(gè)汽車空調(diào)軟管代替現(xiàn)行的銅管，也取得了很好的效果。2.2 液體通道關(guān)于該類通道對(duì)噪聲的影響，文獻(xiàn)資料較少。Simpson 用銅管彎曲成螺旋狀并在其表面鉆上小孔(直徑0.010)稱作起泡器。然后將這一起動(dòng)器浸在壓機(jī)油中并與排氣腔相連，這一措施連同其它方法使噪聲降低了5dB，這種起動(dòng)器對(duì)1000Hz 以上的噪聲似乎很有效，

7、但文獻(xiàn)沒有提及對(duì)性能有何影響。2.3 氣體通道Thomton 做過實(shí)驗(yàn)，證實(shí)對(duì)于剛性連接的旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)固體通道是主要的傳輸通道。但改為彈簧連接后，氣體通道即成為主要的傳輸通道。全封閉壓縮機(jī)腔內(nèi)充滿了制冷氣體，當(dāng)機(jī)體振動(dòng)時(shí)，制冷劑被激勵(lì)，一方面將振動(dòng)傳輸出去，另一方面有可能產(chǎn)生共振，將振動(dòng)放大，從而使外殼產(chǎn)生更大噪聲。在這一領(lǐng)域值得一提的是Johnson 和Hamilton，他們是第一次進(jìn)行并發(fā)現(xiàn)氣體在腔內(nèi)共振實(shí)驗(yàn)的人。他們首先發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)噪聲譜中460Hz 處有一個(gè)高峰，這個(gè)高峰隨著溫度的改變來回移動(dòng)，通過測(cè)量聲功率，發(fā)現(xiàn)460Hz 有很強(qiáng)的方向性，與偶極子源特性類似。通過計(jì)算可知是壓縮機(jī)腔內(nèi)的軸

8、向氣體共振。這些推論又用如下實(shí)驗(yàn)得到了證明：更換制冷劑，對(duì)激勵(lì)源共振進(jìn)行激勵(lì)用抗性濾波器進(jìn)行濾波消聲。他隨后又進(jìn)行了嚴(yán)格的計(jì)算，得出一系列的自振頻率?；谝陨瞎ぷ鳎麄冎赋鲆粋€(gè)壓縮機(jī)如果其吸排氣頻率及其諧波與腔內(nèi)某階自振頻率相重合的話，極易發(fā)生氣體共振。并指出高背壓壓縮機(jī)與低背壓相比，由于壓力及脈動(dòng)較大，更易發(fā)生共振，另外，除氣體脈動(dòng)外，機(jī)體本身的振動(dòng)也有可能成為共振激勵(lì)源。繼Johnson 實(shí)驗(yàn)之后，許多人如 ThomtonFeldmaier 等也發(fā)現(xiàn)了同樣的共振現(xiàn)象。Jojo在低背壓的壓縮機(jī)中也發(fā)現(xiàn)了多體共振現(xiàn)象并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論計(jì)算。他用一根管直接與吸氣腔相連后，由于消除了氣體共振使

9、噪聲下降了15dB。隨后又有人采用了一些新的實(shí)驗(yàn)方法來研究氣體共振現(xiàn)象，如Matsnzaka，他用白噪聲激勵(lì)氣體在腔內(nèi)不同位置測(cè)量壓力變化，從而求得腔內(nèi)氣體振動(dòng)模態(tài)。Vetsuji 用同樣的方法修改了一個(gè)壓縮機(jī)外殼的形狀，得出了如下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：噪聲譜形狀有新的變化時(shí)，1k 和1.25kHz 頻段內(nèi)又出現(xiàn)了三個(gè)新的共振。更為精確的是Lee 和Kin他們用有限元法對(duì)腔內(nèi)氣體進(jìn)行三維計(jì)算，并成功地用壓縮機(jī)進(jìn)行了氣體共振仿真模擬。3、減振降噪措施（1）傳統(tǒng)措施解決電機(jī)噪聲。首先，即解決不平衡問題，一般總是通過平衡計(jì)算在轉(zhuǎn)子上下端兩部分增加不同重量平衡塊進(jìn)行平衡，其不足之處是在減小振動(dòng)同時(shí)也增加壓縮機(jī)的負(fù)

10、荷使壓縮機(jī)效率有一定的降低。目前最有效解決這一問題的方法是使用雙氣缸化。降低壓縮機(jī)所產(chǎn)生的低頻振動(dòng)及共振，從以下幾個(gè)方面入手。首先，改進(jìn)加強(qiáng)系統(tǒng)配管材料剛性，在允許使用的范圍內(nèi)選用強(qiáng)度、剛性大的材質(zhì)的管，這樣可減小共振。第二，對(duì)制冷壓縮機(jī)加附阻尼材料。第三，根據(jù)不同的制冷需要和不同壓縮機(jī)，改進(jìn)配管結(jié)構(gòu)。改善排氣口形狀降噪。排氣時(shí)在三角形排氣口頂部產(chǎn)生局部氣流，形成局部激波，產(chǎn)生噪聲，可以通過三角形頂部用圓弧過渡來克服局部激波噪聲。國(guó)內(nèi)一些制冷壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在進(jìn)油的排氣口形狀作了一定的改進(jìn)，如將平口改為斜口或在出口部安裝合適的排氣消聲器。吸聲隔聲材料的使用。近來國(guó)內(nèi)外空調(diào)壓縮機(jī)普遍采用一種隔聲套

11、，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行處理。隔聲套是控制制冷壓縮機(jī)機(jī)組噪聲傳播的一種有效措施。（2）制冷壓縮機(jī)減振除噪的最新技術(shù)1）有源噪聲控制技術(shù) 在振動(dòng)控制中，降低低頻噪聲和低頻振動(dòng)一直是一項(xiàng)困難的工程。一般吸頻帶非常窄，構(gòu)件的低頻吸聲量很小。有源噪聲控制方法是近年來發(fā)展起來的一種全新的噪聲控制方法。與傳統(tǒng)的降噪技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)在于對(duì)低頻噪聲控制效果好以及對(duì)原系統(tǒng)的附加質(zhì)量小，因此近年來有源噪聲控制在降低低頻噪聲中得到了廣泛的應(yīng)用。 有源噪聲控制是在指定區(qū)域人為地、有目的地產(chǎn)生一個(gè)次級(jí)聲信號(hào)去控制初級(jí)聲信號(hào)，以達(dá)到降噪目的的技術(shù)方法。根據(jù)兩列聲波相消性干涉或聲輻射抑制的原理，通過次級(jí)聲源產(chǎn)生與初級(jí)聲源的聲波大小相等

12、、相位相反的聲波輻射，使二者相互抵消，從而達(dá)到降噪的目的。此種技術(shù)是率先在汽車中應(yīng)用的，英國(guó)Lotus汽車公司與ISVR合作，將自適應(yīng)有源降躁技術(shù)應(yīng)用于噪聲控制?？刂频暮诵氖请娔X模塊，采用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)分頻方法，分離出多階正弦波參考信號(hào)。在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為30005000r/min范圍內(nèi)明顯降低了車內(nèi)低頻發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，可降低車內(nèi)轟鳴聲(對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火頻率噪聲)10dB左右。由于采用了多個(gè)監(jiān)測(cè)傳聲器和次級(jí)聲源，降噪?yún)^(qū)域較大，能快速跟隨車內(nèi)低頻發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的變化。2）壓電智能材料的應(yīng)用壓電材料具有質(zhì)量小、頻響寬，安裝與控制方便，不必破壞原有結(jié)構(gòu)，既能用作傳感器，又能作為驅(qū)動(dòng)器，越來越多地用于解決薄板結(jié)構(gòu)振

13、動(dòng)與噪聲的控制問題，利用壓電智能材料降低機(jī)內(nèi)噪聲是通過對(duì)機(jī)身振動(dòng)的主動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)的。其基本原理是把分別作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器的壓電元件粘貼或嵌入機(jī)身結(jié)構(gòu)(如板、殼、梁)中，傳感器感受機(jī)身結(jié)構(gòu)振動(dòng)，產(chǎn)生相應(yīng)的控制算法進(jìn)行處理后生成相應(yīng)的控制信號(hào)，控制信號(hào)再經(jīng)功率放大后，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器使機(jī)身結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變以改變結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)阻尼，實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的主動(dòng)控制，從而抑制和衰減結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)內(nèi)輻射的噪聲常用的壓電材料有石英體、壓電陶瓷、聚偏二氟乙烯(PVDF)和壓電復(fù)合材料。其中，壓電復(fù)合材料是20世紀(jì)80年代興起的一種新材料，它是將壓電陶瓷相和聚合物相按照一定的連通方式、體積比例和空間幾何分布復(fù)合制成的。它可以成倍地提高材料的某

14、些壓電性能，并具有常用壓電陶瓷所沒有的優(yōu)良性能3)形狀記憶合金的應(yīng)用形狀記憶合金的形狀記憶效應(yīng)是指材料能夠記住它在高溫狀態(tài)下的形狀，即處于低溫下的形狀記憶合金在外力作用下產(chǎn)生變形后，如果將其加熱超過材料的相變點(diǎn)，會(huì)恢復(fù)到原來高溫狀態(tài)下的形狀。此外形狀記憶合金還具有超彈性性能，它的應(yīng)力與應(yīng)變之間呈現(xiàn)出遲滯循環(huán)效應(yīng)，其彈性和超彈性變型量可分別達(dá)到2%和8%。常用的形狀記憶金有鎳鈦合金利用形狀記憶合金的獨(dú)特性能，可以設(shè)計(jì)出形狀記憶合金減振墊片，用在變速器齒輪等傳動(dòng)系零部件中。當(dāng)機(jī)器運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)系零部件溫度逐漸升高，由于各零部件材料的膨脹系數(shù)不同，傳動(dòng)系的工作狀況逐漸變差，導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲增大。形狀記憶

15、合金減振墊片的彈性恢復(fù)力隨著溫度升高而增大，能夠增加傳動(dòng)系零部件熱膨脹后的堅(jiān)固力，從而達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)和減振目的4）以升聲治聲所謂“以聲治聲”，就是采用人工辦法，制造一種與噪聲的強(qiáng)度、頻率相同而方向相反的聲音，通過相互對(duì)抵，從而把噪聲消除掉為了驗(yàn)證以聲治聲的辦法是否有效，科學(xué)家們做了這樣一個(gè)試驗(yàn)：在一條鼓風(fēng)機(jī)的管道兩端，分別裝上一個(gè)能 發(fā)出50周正弦波的揚(yáng)聲器。它們所發(fā) 出的聲音的強(qiáng)弱完全一樣，但方向完全相反。結(jié)果，兩個(gè)聲音完全重疊后而抵消掉了，消聲效果比較理想。目前，許多國(guó)家已根據(jù)這一原理，研制出了一種能產(chǎn)生消聲聲音的機(jī)器，并用它來消除不同的噪聲了5)無接縫進(jìn)氣道治聲（很有可能將來會(huì)用于壓縮

16、機(jī)降噪的新技術(shù)）近日，由空中客車公司工程師設(shè)計(jì)和開發(fā)的一項(xiàng)“無接縫進(jìn)氣道” 技術(shù)榮獲了“2006年度歐洲金分貝獎(jiǎng)”，這是歐洲為鼓勵(lì)發(fā)展降低噪聲的創(chuàng)新技術(shù)而專門設(shè)立的獎(jiǎng)項(xiàng)空中客車公司發(fā)動(dòng)機(jī)聲學(xué)技術(shù)部負(fù)責(zé)人、“無接縫進(jìn)氣道” 技術(shù)的創(chuàng)造者赫弗巴塔德在解釋這一新技術(shù)時(shí)表示，現(xiàn)在飛機(jī)所產(chǎn)生的噪聲絕大部分是由發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇產(chǎn)生的。為解決這一問題，發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的內(nèi)壁需要覆蓋吸音材料襯墊用來隔音。通常來說，這些吸音襯墊在飛機(jī)起飛的時(shí)候可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲4到5個(gè)分貝，在降落的時(shí)候可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲約2個(gè)分貝過去，要覆蓋一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙內(nèi)壁往往需要兩到三片這樣的吸音襯墊，而這些吸音襯墊的接合處往往也會(huì)產(chǎn)生一定的噪聲，也就是常說的“散射噪聲”。巴塔德和他的技術(shù)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“無接縫進(jìn)氣道” 新技術(shù)則是用一整片管狀的吸音襯墊來覆蓋整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁，沒有襯墊的接縫，從而成功地降低了噪聲水平參考文獻(xiàn)：【1】 黃宇 蔣偉康 劉春慧 靳海水 周易旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)氣流噪聲研究綜述和展望(11上海交通大學(xué)振動(dòng)、沖擊、噪聲研究所上海200240; 21上