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基于聲學(xué)超材料的冰箱降噪方案設(shè)計(jì)
發(fā)表時(shí)間:2019-07-09 17:29:00

1、引言


隨著消費(fèi)水平的提高,消費(fèi)者對(duì)冰箱的要求不再僅限于對(duì)食物保鮮,而對(duì)節(jié)能、環(huán)保以及噪聲水平的要求也越來越高。壓縮機(jī)作為冰箱的主要噪聲源,其噪聲主要以空氣聲的形式通過壓縮機(jī)散熱格柵向外輻射,其中的高頻成分大部分被壓縮機(jī)散熱格柵隔離,而1500Hz以下的中低頻輻射噪聲成為影響用戶體驗(yàn)的主要因素。



現(xiàn)在降低壓縮機(jī)噪聲的主要方法是在壓縮機(jī)上包裹隔音棉[1],而隔音棉對(duì)低頻噪聲的吸收和隔聲效果差,降噪效果非常有限;傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)聲抑制材料為阻尼材料,依靠自身結(jié)構(gòu)隨貼敷背板的振動(dòng)產(chǎn)生剪切形變耗能,因此其主要抑振作用頻段為中高頻,而對(duì)于低頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)的抑制作用則不夠理想[2];傳統(tǒng)的吸振結(jié)構(gòu)器件主要為動(dòng)力吸振器[3],其主要是針對(duì)單一頻率的結(jié)構(gòu)振動(dòng),但作動(dòng)器的輸出響應(yīng)頻率、控制線路的設(shè)計(jì)以及整體系統(tǒng)長(zhǎng)期服役的可靠性等因素成為制約其大面積實(shí)際應(yīng)用的主要障礙,更多是停留在實(shí)驗(yàn)室模型研究階段[4]。為了在有效降低壓縮機(jī)噪聲的同時(shí)保證產(chǎn)品的可靠性和能效,需要找到一種低頻隔聲效果好同時(shí)具有較好散熱性能的隔聲降噪材料。


聲學(xué)超材料作為一種新型隔聲材料,其隔聲基于局域共振原理,即當(dāng)設(shè)計(jì)頻段的聲波入射到聲學(xué)超材料上時(shí),會(huì)激勵(lì)聲學(xué)超材料發(fā)生形變,產(chǎn)生局域共振。聲學(xué)超材料一半左右的部分產(chǎn)生與聲波相同方向的振動(dòng)變形,另一半產(chǎn)生與聲波相反方向的振動(dòng)變形,因此透過聲學(xué)超材料的聲波在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生干涉,進(jìn)而出現(xiàn)正負(fù)疊加抵消的現(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了隔聲效果。研究基于聲學(xué)超材料方案的冰箱低頻降噪技術(shù)具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值。


2、隔聲機(jī)理分析


為了研究聲學(xué)超材料的聲學(xué)特性,本文模擬駐波管中的隔聲性能試驗(yàn),利用COMSOL建立了聲學(xué)超材料有限元仿真模型,如圖1所示,圖中方形圓孔結(jié)構(gòu)即為聲學(xué)超材料單元。聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)邊緣部分設(shè)置為固定約束條件,兩端使用了完全吸收邊界以防止聲波的反射,入射聲源設(shè)定為幅值為1Pa的平面波,從管子的一側(cè)入射。


圖1 聲學(xué)超材料聲學(xué)特性仿真邊界條件設(shè)置


以主要隔聲頻段在440Hz為例,通過COMSOL仿真,分別作出隔聲峰值左右相鄰頻率(420Hz、460Hz)的聲場(chǎng)聲強(qiáng)分布圖,圖中的箭頭指向和疏密代表聲強(qiáng)的方向和強(qiáng)弱。從云圖可以看出,方形圓孔結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超材料單元,其通過四周膜的聲場(chǎng)分量和通過中間孔的聲場(chǎng)分量相互干擾,聲波能量傳播呈現(xiàn)出漩渦狀。如圖2所示,420Hz(<440Hz)時(shí)聲波能量通過孔向下傳播;如圖3所示,當(dāng)頻率為460Hz(>440Hz)時(shí),聲波能量透過薄膜向下傳播;在中間頻率(440Hz),這兩部分聲波的相互抵消干擾達(dá)到最大,它們疊加形成的總聲場(chǎng)聲功率最小,因而隔聲量最大。


圖2 隔聲峰值頻率左側(cè)420Hz頻率處的聲強(qiáng)分布



圖3 隔聲峰值頻率右側(cè)460Hz頻率處的聲強(qiáng)分布


3、噪聲源分析及方案設(shè)計(jì)


壓縮機(jī)是冰箱的主要噪聲源,其主要由機(jī)械噪聲、氣流脈動(dòng)噪聲及電磁噪聲構(gòu)成。機(jī)械噪聲是內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件本身運(yùn)動(dòng)的力不平衡、力矩不平衡以及摩擦付之間的摩擦,甚至動(dòng)作件之間間隙碰撞等導(dǎo)致;氣流脈動(dòng)噪聲是壓縮機(jī)間歇性吸排氣的工作方式導(dǎo)致的;電磁噪聲是由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的徑向交變電磁力激發(fā)的噪聲。這三種噪聲和冰箱系統(tǒng)耦合,最終通過結(jié)構(gòu)或聲輻射傳遞出去,表現(xiàn)出復(fù)雜的聲源特性。


3.1 噪聲源分析

消聲室中,在距離冰箱的前、后、左、右1m處的四個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)冰箱進(jìn)行測(cè)試,取其后側(cè)測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜進(jìn)行分析,如圖4所示。


圖4 冰箱后面測(cè)點(diǎn)噪音頻譜


通過頻域定位,可以看出,630Hz是冰箱最突出的噪聲頻段。為了判斷該頻段噪聲的發(fā)聲位置,使用聲學(xué)照相機(jī)對(duì)630Hz噪聲頻段進(jìn)行聲源定位,其結(jié)果顯示,該款冰箱630Hz噪聲頻段主要從冰箱壓機(jī)倉位置輻射出來。


3.2 超材料降噪方案設(shè)計(jì)

超材料典型幾何參數(shù)如圖5所示,使用COMSOL仿真軟件,對(duì)超材料進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。將超材料的隔聲峰值頻率設(shè)定在600Hz附近,加工駐波管測(cè)試樣件如圖6所示。利用駐波管測(cè)試,聲學(xué)超材料樣件的隔聲量曲線如圖7所示,其隔聲峰值在609Hz,與仿真數(shù)據(jù)基本一致。


圖5 聲學(xué)超材料單元幾何參數(shù)


圖6 聲學(xué)超材料測(cè)試樣件


圖7 聲學(xué)超材料隔聲量實(shí)驗(yàn)曲線


3.3 超材料降噪效果驗(yàn)證

將圖6所示的超材料樣件,加工在原壓機(jī)散熱格柵處,如圖8所示。搭載冰箱進(jìn)行噪音測(cè)試,計(jì)算冰箱的聲功率,聲學(xué)超材料降噪樣機(jī)相比原始樣機(jī)噪聲改善了3.6 dB(A)。


取冰箱后側(cè)測(cè)點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù),降噪前后頻譜對(duì)比如圖9所示,在630Hz頻段降噪6dB以上,頻譜上凸出異常的頻段消失。從人耳主觀聽感判斷,冰箱的異音消失,聽感顯著改善。


圖8 搭載聲學(xué)超材料的壓縮機(jī)蓋板


圖9 冰箱后面測(cè)點(diǎn)頻譜對(duì)比


3.4 超材料散熱效果驗(yàn)證

聲學(xué)超材料滿足降噪效果的同時(shí),也需要保證壓機(jī)倉有足夠的散熱量,不能對(duì)整機(jī)能耗產(chǎn)生大的影響。


由于聲學(xué)超材料的等效穿孔率低于壓機(jī)倉蓋板散熱窗口處的等效穿孔率,為了保證搭載聲學(xué)超材料后的壓機(jī)倉蓋板與原始蓋板具有相似的散熱性能,將壓機(jī)倉蓋板整個(gè)后部設(shè)計(jì)成聲學(xué)超材料,如圖8所示,其有效開孔面積為原始格柵開孔面積的95%。


在壓縮機(jī)吸排氣管上部、下部,布置4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比監(jiān)控,冰箱搭載聲學(xué)超材料后的溫升以及耗電量對(duì)比如表1所示。四個(gè)測(cè)點(diǎn)平均溫度上升1.4℃,整機(jī)耗電量惡化1.3%,在可以接受的范圍。



4、結(jié)論


本文利用COMSOL仿真軟件對(duì)聲學(xué)超材料降噪機(jī)理進(jìn)行了分析,并且從冰箱實(shí)際降噪的角度出發(fā),首先對(duì)冰箱噪聲特性進(jìn)行了分析,對(duì)影響用戶體驗(yàn)的主要噪聲源進(jìn)行了頻域定位,輸出630Hz為主要降噪頻段。然后基于聲學(xué)照相機(jī)對(duì)630Hz頻段噪聲進(jìn)行了空間定位,判斷其主要從壓機(jī)倉輻射貢獻(xiàn)。繼而針對(duì)壓縮機(jī)主要輻射噪聲,通過COMSOL仿真軟件對(duì)聲學(xué)超材料進(jìn)行了隔聲量設(shè)計(jì),利用駐波管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。最后,將該降噪頻段的聲學(xué)超材料搭載冰箱壓機(jī)倉蓋板使用,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,630Hz頻段噪聲大幅改善,整機(jī)降噪3.6dB,效果顯著有效,且具有良好的通風(fēng)換熱效果。聲學(xué)超材料作為一種新型的隔聲材料,在家電中低頻噪聲改善領(lǐng)域具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。


參考文獻(xiàn)

[1] 黃磊. 吸聲材料與隔聲材料在空調(diào)降噪中的應(yīng)用[D]. 湖南:湖南大學(xué), 2016.

[2] Lee, D.H. Optimal Placement of Constrained-Layer Damping forReduction of Interior Noise[J]. AIAA Journal, 2008. 46(1): 75-83.

[3] Liu, K. and J. Liu. The damped dynamic vibration absorbers: revisitedand new result[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005. 284(3-5): 1181-1189.

[4] Sun, H.L., et al. Application of dynamic vibration absorbers in structuralvibration control under multi-frequency harmonic excitations[J]. AppliedAcoustics, 2008. 69(12): 1361-1367.