在线工博会
返回

某冰箱压缩机消声器消声特性的有限元分析
加西贝拉压缩机有限公司 常利伟
为节省流量，手机版未显示文章中的图片，请点击此处浏览网页版
摘要 本文在一定的基本假设的前提下，合理处理进出口及壁面的边界条件，建立了消音器内部声场的三维有限元模型，对某冰箱压缩机消声器的消声性能进行了仿真计算，分析了不同结构参数对消声器传递损失的影响。为冰箱压缩机消声器的设计、评价提供了帮助。
关键词: 声学有限元消声器 传递损失
冰箱压缩机的噪声是衡量压缩机品质的主要指标之一。压缩机可分为机械噪声，电磁噪音以及空气动力噪音。在压缩机噪声成分中有相当部分是气流噪声，主要产生在压缩机的进排气端。一般地，排气噪音较进气噪音弱，所以针对压缩机的空气动力噪音的研究以吸气噪音为主，因此消声器的设计与优化是降低压缩机噪声的有效途径。[2]
传递损失是衡量消音器声学性能的一个重要指标。相关的研究方法有FEA、BEA、四端参数传递矩阵等多种方法。其中传递矩阵限于平面波传播，只能对消声器内部声场做近似的理论分析。对于结构比较复杂的消声器，采用数值计算方法有限元法或边界元法显得更有效。有限元计算精度比边界元好。本文采用有限元法。[2]
由于消声器声场结构比较复杂，在建立消声器声场有限元模型时必须进行合理的假设，并在声场边界上加上相应的边界途径，计算出消声器入口和出口的声压，进而求得消声器的传递损失。本文运用仿真分析软件Vitual. lab 的Acoustics 声学模块进行了声学有限元分析，分析了不同的结构参数对消声器传递损失的影响，为提高压缩机消声器的声学设计提供了有益的帮助。
1 理论模型
1.1 基本假设[1]
（1）介质为理想流体，即介质中不存在黏性，声波在介质中传播没有能量损耗；
（2）介质在没有声干扰时其速度为0，介质是静态的（即认为流体本身的流速和声波的传播速度相比很小可以忽略不计），且介质是均匀的（即介质中静态压强和静态密度不变）；
（3）声传播是绝热过程，即介质与毗邻的部分不会由于声传播引起的温差而产生热交换；
（4）介质中传播的是小振幅声波，介质中各种声场的参数都是一阶微量，可以用线性波动方程来描述。
1.2 波动方程[1]
消声器为抗式消声器，在基本假设的前提下，认为内部声场是均匀理想流体媒质的小振幅声波波动，直角坐标系下声传播的波动方程为：

（图片）

其中，p 为声压，t 为时间，c 为声速。
消声器的消声性能通常用传递损失来衡量，计算公式如下：

（图片）

其中， pin 和pout 分别为消声器输入和输出的声压； Sin 和Sout S 和S 分别为消声器进口和出口的截面积。
2 计算模型
2.1 建模原则
消声器内部为非耦合的声场，即忽略流体与结构的耦合作用，所以仅对消声器内部空腔建模。模型网格密度必须足够细致到能分辨最高主频，即每个波长里至少要有6 个线形单元或3 个二次单元。
2.2 边界条件
（1）进口边界条件
假设入射波为平面波，在入口处施加单位速度。
（2）出口边界条件
在消声器的出口端假设认为接一个无限长的直管，定义出口为一个全吸收无反射的平面波声场，其声阻抗率定义为：
Z = ρc （3）
其中， ρ 为密度，c 为声速。
（3）内壁边界条件
不考虑壁面吸收，认为是刚性壁面。在刚性壁面上，媒介的法向速度为零，即

（图片）

3 数值计算
某冰箱消音器，其几何模型及网格模型如图1 所示。本文主要讨论消音器入口管段直径、消音器主腔室容积对消音器传递损失的影响。消声器内部的介质为R600a，密度1.45kg/m，声速215.8m/s。

（图片）

图1 消音器结构简图及网格模型

3.1 消音器主腔室容积V 的影响

（图片）

图 2 不同主腔室容积的传递损失

图 2 为不同主腔室容积的消音器传递损失曲线。可以看出，在1700Hz 以下的较低频域，消音器腔体容积影响较小。其余频段，不论是消声频率还是消声量都随着主腔室容积的变化有较大改变。从总体效果来看，随着消音器消音器腔体容积越大，传递损失越大。因此，在设计消音器时，从声学角度考虑，应尽量扩大消音器主腔室容积。
3.2 进气管段直径Ds 的影响

（图片）

图 3 不同进气管段直径的传递损失

图3 为三种不同进气管段直径的消音器传递损失比较曲线。可以看出，在整个5000Hz 以内的范围内，消声频率变化不是很明显，消声量有一些变化，直径越小，传递损失越大。同时消音器的设计涉及其他方面的问题，入口段直径直径过小会影响压缩机的效率，因此要综合考虑。
4 结论
通过建立不同的三维的有限元模型，对冰箱压缩机消音器的传递损失进行了计算及对比，分析了主腔室容积、进气管段直径对消音器消声性能的影响。1700Hz 以上的较高频段内，消音器主腔室容积越大，消声性能越好；对于进气管段直径，在已经计算的范围内对声学的影响相对较小，管径小的消音效果好，消音器设计时须综合考虑。
参考文献
[1] 孟晓宏,金涛. 复杂结构消声器消声特性的有限元分析. lms 用户大会论文集2007
[2] 刘红等. 冰箱压缩机消声器声学特性的数值分析. 噪声与振动控制 2009.02 12/11/2011

LMS仿真与试验解决方案 (点击访问)
电话：86--4000920665
地址：北京市朝阳区望京中环南路7号西门子大厦9层
电脑版 客户端 关于我们
佳工机电网 - 机电行业首选网站