摘要：压缩机的噪声辐射是通过壳体的振动辐射出去,为了降低压缩机的噪声,并进一步优化壳体的声学特性,利用数值模拟方法,在合理简化模型的基础上,进行了壳体模态分析。然后,研究不同的参数(泵体支撑方式,集中力作用方向,壳体形状、厚度和阻尼)对壳体噪声辐射的影响,给出有效降低壳体噪声辐射的方法,其分析结果给压缩机壳体的设计与优化提供重要的参考依据。
关键词：振动与波; 压缩机; 壳体; 噪声辐射; 数值分析
冰箱压缩机的噪声是衡量压缩机品质的主要指标之一,而压缩机主要是通过壳体的振动辐射噪声的,因此研究壳体的振动特性以及噪声辐射具有较大的意义。
目前冰箱压缩机壳体降噪的方法主要采用试验研究的方法,且最常采用的降噪措施为增加壳体的厚度,归振华[ 1 ]利用试验研究的方法研究了两种不同钢材和厚度壳体的隔声效果,但是增加厚度会显著增加产品成本且试验的方法具有一定盲目性。李洪亮[ 2 ]从圆柱壳振动理论入手,将压缩机壳体简化为无限长圆柱壳,并利用形状系数进行修正,讨论了壳体不同参数对壳体噪声辐射的影响,但是对于复杂形状的压缩机壳体分析结果与实际偏差较大。因此,数值模拟对于分析复杂形状壳体振动特性是一种很有效的方法。
本文以某往复式冰箱压缩机的壳体为研究对象,基于有限元分析方法,采用ANSYS软件建立壳体的有限元模型, SYSNO ISE软件进行声学分析。提取了壳体的振动模态;然后在模态分析的基础上,分析了壳体的厚度,阻尼,形状,压缩机泵体与壳体的连接方式以及力的作用方向对壳体噪声辐射的影响。
1 模态分析
1. 1 有限元模型
本文主要分析不同壳体参数下的噪声辐射,因此将压缩机的泵体简化为集中质量,以集中力的形式作用于壳体,仅建立压缩机壳体及机脚的模型,几何模型和有限元网格模型如图1所示。边界条件为约束壳体的刚体位移,载荷为压缩机泵体的重力。
图1 壳体的几何模型和网格模型
1.2 壳体模态分析
为分析壳体的噪声辐射特性,首先提取了壳体的前10阶固有频率,见表1所示,图2为壳体的前8阶固有振型。可以看出,前四阶固有频率较低,反映支座的刚度,从第五阶开始反映的是壳体本身的振动特性,其中第8阶模态为非对称模态。
图2 壳体的前8阶模态示意图
2 壳体的噪声辐射分析
2.1 泵体支撑方式的影响
往复式冰箱压缩机泵体常采用的支撑方式有两种,即悬挂方式和底部支撑方式,如图3所示,两种连接方式的受力情况如图4所示,悬挂方式下壳体作用力在三个方向具有分量,而支撑方式下壳体仅受轴向力。
图3 泵体两种连接方式示意图
图4 悬挂方式壳体受力示意图
图5为两种连接方式下壳体的辐射声功率,从图可以看出,在2 000 Hz以下两种连接方式的声功率几乎一样,而在2 000 Hz - 3 000 Hz和3 500 Hz -4 500 Hz频率范围内,底部支撑连接方式下壳体的噪声辐射明显低于悬挂方式,因此压缩机泵体采用底部支撑连接方式有利于降低压缩机的辐射噪声。
图5 两种连接方式壳体的辐射声功率
2. 2 集中力作用方向的影响
不同的作用力方向对壳体的激励不同,因此研究力的作用方向对壳体的噪声辐射影响很有必要。本文假设有三个方向的力作用于壳体上,分别为径向力、切向力和轴向力,如图6所示。
图6 施加在壳体上的三种力
图7为壳体在三种力作用下的声功率,由图可知,径向力作用下壳体辐射声功率最大,即径向力最容易激起壳体的振动,切向力次之,轴向力引起的壳体辐射声功率最低。由壳体的振型图可以看出,第5 - 8阶固有振型为壳体的环向振动,在径向力作用下很容易激起壳体振动并产生共振,而切向力和轴向力作用下不容易激起壳体振动。因此压缩机泵体采用悬挂方式时,受力比较复杂,三个方向的力同时作用,因此壳体噪声辐射大;而压缩机泵体采用底部支撑方式时,受力简单,仅受轴向力,所以壳体辐射声功率小。
图7 不用作用力方向下壳体辐射声功率
2. 3 壳体形状的影响
壳体噪声辐射与壳体的固有频率有着密切关系,而壳体的形状则影响着壳体的固有频率,压缩机的壳体分上下壳体,由于下壳体受泵体的限制其形状变动不大,因此仅考虑上壳体的形状对壳体噪声辐射的影响,即上壳体的圆角半径,如图8所示。
图8 上壳体示意图
不同的圆角半径下壳体的固有频率如表2 所示,可以看出,壳体的固有频率随着圆角半径的增大而增高,即壳体的刚度随着圆角半径增大而增大。
图9为不同圆角半径下壳体辐射声功率,可以看出,随着圆角半径的增大,在1 500 - 2 500 Hz和3000 - 5 000 Hz的频率范围里,壳体的辐射声功率逐渐降低;在1 500 Hz以下则壳体辐射变化不大。因此,大圆角半径有利于降低压缩机壳体的噪声辐射。
图9 不同圆角半径下壳体辐射声功率
2. 4 壳体厚度的影响
增大壳体厚度是最简单最常用的降噪方法,本文考虑了三种厚度的壳体,分别为: 2 mm, 3 mm, 4mm。图10为三种壁厚下壳体的固有频率的变化,由图10可以看出,前四阶模态频率随着壳体厚度增大而降低,因为厚度增加后壳体的质量相应的增大。从第五阶固有频率后,壳体的固有频率随着壳体厚度的增加而增大,因为壳体增厚后其刚度也相应的增大。
图10 不同壁厚下壳体模态比较
图11为不同厚度下壳体的辐射声功率,可以看出,随着厚度的增大壳体的噪声辐射几乎在整个频率范围内逐渐下降,因为厚度增加后壳体的刚度增大,壳体的固有频率也增大,要激起高固有频率的壳体振动需要更多能量,因此增加厚度是一种很简单而有效的降噪方法,且在整个频带范围内都有较好的降噪效果,但是厚度增加后壳体的制造成本就会相应增加。
图11 不同壁厚下壳体辐射声功率
2. 5 壳体阻尼的影响
壳体的阻尼对能量的消耗起着至关重要的作用,本文考虑了三种壳体的结构阻尼,分别为: C =0、C = 0. 01和C = 0. 1。图12为三种阻尼下壳体的辐射声功率,可以看出,在高频范围内,随着壳体阻尼的增大,壳体辐射声功率逐渐降低,同时峰值逐渐降低。因此,采用高阻尼的壳体材料有利于降低壳体的高频噪声。
图12 不同结构阻尼下壳体辐射声功率
结语
在分析壳体固有频率的基础上,利用有限元和边界元相结合的方法,研究了不同参数对壳体噪声辐射的影响,得出以下结论:
(1)泵体采用底部支撑的方式与壳体连接时,壳体的噪声辐射较低,而采用悬挂方式时壳体的噪声辐射较高;
(2)力的作用方向对壳体的噪声辐射有很大的影响,径向力对壳体的噪声辐射贡献最大,切向力次之,而轴向力最小;
(3)上壳体的圆角半径增大,壳体的固有频率增大,噪声辐射则随着降低,因此大的圆角半径有利于压缩机噪声的降低;
(4)壳体厚度越厚,壳体的噪声辐射就越低。同时,壳体的阻尼增大后,壳体的噪声辐射就降低,对应的峰值也会降低。
参考文献:
[ 1 ] 归振华,陈熙源. 冰箱压缩机壳体的隔声效果研究
[ J ]. 噪声与振动控制, 1994, (5) : 25 - 30.
[ 2 ] 李洪亮,吴成军,黄协清. 圆柱形压缩机壳体声辐射特性参数研究[ J ]. 制冷学报, 2002, (4) : 5 - 9.
[ 3 ] J. H. Lee, J. Kim. Sound Transmission Through Cylindrical Shell of Hermetic Comp ressors [A ]. Proceedings of the 2000 International Comp ressor Engineering Conference at Purdue, 2000. 933 - 940.
[ 4 ] LMS Corp, SYSNO ISE 5. 5 User’sManual. 2000.
[ 5 ] 李洪亮,吴成军,黄协清. 无限长FFS圆柱壳体远场辐射声压的参数研究[ J ]. 农业工程学报. 2003, 19 (3) : 41 - 44.(end)
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