减振降噪技术在空调系统中的应用

减振降噪技术在空调系统中的应用

1声音品质的挑战由于家用电器的噪声，用户除了性能之外的另一个焦点。而噪声本身,对使用者的身体健康来说,也是一种环境污染。国际居室噪声标准规定家用电器的噪声应低于42dB(A),而这一标准在国内市场遭到了严重的挑战,用户对噪声的反馈率正呈现逐年增高的趋势,对噪声的要求也不再仅限于限值的要求,声音的品质正成为一种流行元素,在不断升温。目前冰箱降噪的主要方法是采用试验研究的方法,且最常用的降噪措施为采用低噪声零部件、振动缓冲技术、消声器、胶泥使用等,主要方法是试验-测试-试验-再测试的方法,来达到降噪的目的。2现有抗衰减技术2.1优化冰箱噪音和噪声的方法2.1.1振动噪声由于冰箱体积小,使用的压缩机大多是密闭型旋转式压缩机。在压缩机工作过程中,噪声来源比较复杂,主要来自三大类:机械噪声、空气动力性噪声和电磁噪声。(1)机械噪声。往复惯性力和旋转惯性力是引起压缩机振动和噪声的主要表现。一阶惯性力可以通过设计平衡块来平衡,但是二阶惯性力不能。因此,这种周期性的不平衡里可以激发较高频率的振动,当受振零部件的固有频率等于周期性不平衡力的整数倍时,则会使零部件产生强烈的共振,从而产生强噪声;其次为摩擦激发和冲击,一般往复式压缩机有4个以上的摩擦副。摩擦激发是因润滑不良引起的,由于摩擦面快速而断续的接触引起高频激发,摩擦表面的光洁度和载荷直接影响激发的频率。此外,活塞撞击气缸壁和阀板、阀片撞击阀片限位器都会产生撞击噪声。制冷剂和冷冻机油也有可能成为振动和噪声的激励源。(2)空气动力性噪声。空气动力性噪声是气体的流动或物体在气体中运动引起空气振动产生的。在冰箱压缩机中,由于间歇性地吸气、排气,产生压力波动,激起阀片和管路振动,从而产生噪声。此外,压缩机机体的振动激起课题中的制冷剂气体共振,也会产生噪声。(3)电磁噪声。电磁噪声是由交变磁场对定子和转子作用,产生周期性的交变力,引起振动产生的。这个交变力与磁通密度的平方成正比。它的切向分量形成的转矩有助于转子的转动,径向分量引起噪声。电机的电磁振动一般在100～4000Hz频率范围内。主要降噪方法有以下几种。(1)降低声源噪声源。降低声源噪声源,是噪声控制的最根本、最直接和最有效的途径,也是技术难度最大的途径。想要降低声源噪声,首先必须识别出噪声源,弄清楚其产生噪声的规律和机理,然后改进机器设计方案和结构,以降低产生噪声的激振力,从而达到降低噪声的目的。常见的降低激振力的措施有提高旋转部件的动平衡精度、改善运动副的润滑、提高装配精度、避免湍流、振动件隔离等。其次可降低发声部件对激振力的响应,包含两层意思,一是分辨机器主要辐射噪声的部件或表面,改善激振力源到该部位的传递特性,使之对激振力具有较小的响应,例如把发声系统的固有频率降低到激振力频率的1/3以下或提高到远离激振力的频率,则发声部位的振动响应将明显降低;二是低噪声辐射表面的声辐射系数,即同样大小的振动所辐射的噪声能量更小,常用措施是改善辐射表面的结构形状和附加一些内耗损系数较大的阻尼材料。(2)减少振动源的不平衡力。虽然振动来源不同,但振动的主要来源是振动源本身的不平衡力引起的对设备的激励。减少或消除振动源本身的不平衡力即激励力,从振动源来控制,改进振动设备的设计和提高制造加工精度,以减少其产生的振动,是最有效的控制方法。(3)防止共振。振动机械的激励力的振动频率,若与设备的固有频率一致,就会引起共振。共振放大了设备振动的效果,而且其破坏力远大于一般的振动,因此防止共振的发生成为降噪的一项关键问题。压缩机控制共振的主要方法是改变机器的转速或改变机型,以改变振动源的扰动频率;改变设施的结构和总体尺寸,或采用局部加强法以改变机械结构的固有频率;将振动源安装在非刚性的基础上,降低共振频率;对于一些薄壳机体,用粘贴弹性高阻尼结构材料增加阻尼,以增加能量逸散,减低振幅。(4)采用隔振技术。隔振就是在振动源与地基、地基与需要防振的机器设备之间,安装具有一定弹性的装置,使得振动源与地基之间或设备与地基之间的近刚性连接成为弹性连接,以隔离或减少振动能量的传递,从而达到减振降噪的目的。隔振分为积极隔振和消极隔振两类。其中,积极隔振用来减小振动设备传入地基的扰动力,使振动源的振动扰动不能传播到其他任何地方;消极隔振指的是利用弹性装置减少来自地基的扰动位移,使需要仿真的仪器设备不受影响,当设计合理时,扰动力的传递率会相应地降低。值得注意的是,不合理的隔振设计不但不能减少振动的传递率,反而可能增大振动的传递率。而橡胶隔振器是工程中最常用的隔振元件,主要优点是具有一定的阻尼,在共振点附近能较好的抑制共振,并适合垂直、水平、旋转三个方向的隔振。橡胶隔振器一般采用硬度和阻尼相当的橡胶材料制成,常用橡胶材料的主要参数如表1所示:2.1.2结构声辐射阻尼振动和声辐射之间有着密切的关系,振动能量转变为声能量的效应是由结构与介质之间的相互作用所决定,即结构声辐射取决于结构表面振动和结构转移振动能量到它周围介质的能力。当一个振动辐射噪声如果没有其他能量的损耗,振动机械能主要通过转化为声能向周围介质空间辐射出去,但是由于结构损耗阻尼的存在,一部分机械能将转变为热能,所以,实际机械系统对声场的响应依赖于结构阻尼也依赖于声辐射阻尼。在冰箱应用过程中,结构声辐射阻尼可以忽略不计,而结构阻尼对振动和噪声的控制具有重要的影响,不可忽略。从结构声辐射理论可知,弯曲波是板结构声辐射的主要原因,为抑制弯曲振动的产生和减少弯曲波能量的传递,对结构加筋处理,可以在低频内有效提高结构的隔声效果;但同时,刚度增加,使结构的固有频率向高频段移动,从而增加了结构高频的声辐射。根据加筋原则,筋条应尽量处于结构振型的节线位置附近,然而应用阻尼技术时,阻尼材料应尽量位于结构振型最大振幅处,因而需两者兼顾。传统的方法是通过加筋来提高板的刚度,但不能增加结构的阻尼和耗能特性,减少振动能量的传输,因此减振效果有限。阻尼材料由于减振效果好,价格低廉,便于使用和实施等优点得到了广泛的应用,不同种类的阻尼材料有不同的性能曲线,并适用于不同的使用环境。(1)整理剂的成分及结构粘弹性阻尼材料是目前应用最为广泛的一种阻尼材料,可以在相当大的范围内调整材料的成分及结构,从而满足特定温度及频率的要求,并有足够的阻尼耗损因子。粘弹性阻尼材料主要分为橡胶类、沥青类和塑料类,一般是以片状结构形式使用,而且现在的阻尼胶泥一般都带有粘结剂,可直接贴覆在需要减振的结构上。(2)特殊效益双环涂层阻尼涂料由高分子树脂加入适量的填料以及辅助材料配制而成,是一种可涂敷在各种金属板状结构表面上,具有减振、绝热和一定密封性能的特种涂料,应用广泛,可直接涂敷在金属板表面上,也可与环氧类底漆配合使用。(3)阻尼合金的减振特性为克服粘弹性阻尼材料本身刚性小的缺点,人们研制出大阻尼合金。阻尼合金具有良好的减振性能,既是结构材料又有高阻尼性能。例如,双晶型锰-铜系合金,具有振动衰减特性好、机械强度高、耐腐蚀、耐高温、导热性好等优点,缺点是机械性能有所降低,价格昂贵。(4)高分子材料增强解决方案在两块钢板和铝板之间夹有非常薄的粘弹性高分子材料,就构成复合金属板材。金属板弯曲时,通过高分子材料的剪切变形发挥其阻尼特性,它不仅损耗因子大,而且在常温或高温下均能保持良好的减振性能。此材料的强度由基体材料的强度保证,阻尼性能由粘弹性材料和约束层结构保证。常用工程材料的损耗因子,如表2所示。2.2阻性式消声器消声器主要用于消除管道中的噪声,一般可以分为抗性消声器和阻性式消声器两大类。抗性消声器主要以声抗性原理,使原在管道中行进的噪声遇到加装的消声器后,被反射回去,消声器起到滤波作用,而不是将传播中的噪声能量耗散掉。抗性消声器的消声作用一般具有共振性质,因为它具有明显的频率选择特性,所以特别适应于在管道噪声的频谱中具有明显的峰值特征的情况,一般更适合于低中频段;阻性式消声器主要是利用在管道壁上或在其通道中铺设吸声材料,使噪声能量在管道中传播时不断被吸声材料所吸收,从而导致噪声逐渐减弱。(1)扩展管式消声器,即在主传声管道中加装一节具有一定长度,面积比主管道大的管子。从原理上讲,中间加接的管子,截面积应与主管道不同,扩张或收缩的都可以。然而一般管道传声常伴有气流,为了不影响气流的传送,一般总是采用扩张截面。(2)共振式消声器,是另一类抗性消声装置。如果在传声管道壁上装有一霍姆赫兹消声器,当共鸣器的共振频率与传声频率一致时,共鸣器旁支将使该频率的声波产生旁路,从而阻挡该声波继续向前传去,这一共鸣器起到了管道中滤波的作用。然而在实际上往往没那么简单,一般是在主管道上采用穿孔结构。(3)阻性式消声器是在刚性管道壁上铺有吸声材料或吸声结构的一段消声管道,它是以吸收消耗声波能量的原理使声波在传播过程中强度逐渐减弱的一种降噪措施。2.3振动控制部分有源噪声控制技术不同于传统的噪声控制技术,即人为地引入一个可控制的声源或振动源,调整其幅值和相位使其与原来的噪声源或振动源相互作用,达到降低原始噪声或振动源辐射和传播的目的。主要控制场合有管道内噪声的有源控制、密闭空间内噪声的有源控制,对振动的有有源隔振、有源减振以及对振动结构中的弯曲波的直接有源控制,对结构声的有源控制等。在设计过程中,主要包括三部分,即传感器部分、控制器部分和致动器部分。传感器部分是整个有源控制系统的眼睛,它用来直接或间接的拾取要被控制的物理量,如声压、声强或振动速度、加速度等;控制器部分一般由数值信号处理机和信号条件器等电子部分组成,它通过对传感器传来的物理场信息进行分析计算,实时产生输出信号去驱动致动器部分,常见的致动器有扬声器、激振器和液压装置。有源结构声控制是直接在结构上使用振动源来降低结构的辐射噪声,控制目标是声辐射功率,好处是能用较小的代价得到较大的控制效果。2.4多孔材料的使用由毛细孔或缝隙结构构成的多空材料,具有吸声的基本性能。这种材料具有比一般密实材料低得多的声速与密度以及与传声空气介质相趋近的特性阻抗;此外,它还具有很高的吸声性能。因此,一方面能使空气中的声波能量容易进入多孔材料,在材料中传播时,又能被大量吸收掉,所以在冰箱应用中主要使用在压缩机周围,能够极大地满足压缩机低频机械噪声和高频电磁噪声的吸声要求,达到降低冰箱工作噪声的目的。具体的贴覆方式和使用的位置,根据不同压缩机的型号和使用的频率而不同。工作中常用的集中多孔材料的吸声性能如表3所示。阻尼技术和多孔吸声材料共同应用时降噪结果对比显示,见表4。阻尼材料用于压缩机支撑板和连接管路,吸声材料贴在压机仓内靠近压缩机处,以不影响散热为佳。3降声源噪声的集中性能本文