往复式真空泵管道噪声抑制技术研究
陈国平1,2 徐一鸣1,2 陈澎钰1,2 张进男1,2 张旭1,2
1.海信家电集团有限公司
2.海信空调有限公司
摘要
Abstract
往复式真空泵工作噪声大，声品质不佳。为了提升真空泵运行时的声品质，针对往复式真空泵出气口的管道噪声进行研究。首先采集真空泵出口处的噪声，得到真空泵噪声的频域特性，发现真空泵出口处噪声主要集中在0～4000 Hz频率段；然后针对该频率段设计降噪方案，采用消声器串联的方式，消除传递损失曲线的通过频率，并利用Virtual Lab软件对串联消声器的声学性能进行仿真分析；最后将消声方案安装在真空泵出口处进行噪声验证，并进行气体流量损失的实验验证。结果表明，串联消声器对真空泵出口处的降噪效果达25 dB(A)以上，气体的流量损失为9.8%。研究结果对提升真空泵声品质具有借鉴意义。
关键词
Keywords
真空泵；消声器；管道噪声；声学仿真；传递损失
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.01.014
0 引言
随着科技的进步和人们生活水平的提高，仅有制冷、制热功能的空调器已无法满足人们的生活需求，空调已经被赋予更多的功能，如除湿、净化、除甲醛、新风增氧等能引发消费者“兴奋型”需求的功能。其中新风增氧功能的工作原理为：风机驱动将室外空气通过新风管道引入室内，再利用微正压原理[1-2]将室内的空气通过各种缝隙排出室外。该原理能够实现换新风功能，但无法提高室内氧气含量。
目前家用制氧机根据其工作原理可分为分子筛吸附制氧和膜分离制氧[3-5]，两种方式均需要利用真空泵将空气加压。真空泵主要分为往复式真空泵和旋转式真空泵，其中往复式真空泵依靠汽缸内的活塞做往复运动来吸入和排出气体[6-7]，因其具有结构简单、可靠性高、体积小等优点，被用作家用制氧机的一部分。但因其工作过程中做往复式直线运动，故其产生的振动噪声较大，令消费者反感。因此真空泵恶劣的噪声性能已经成为制约其应用的重要因素。
往复式真空泵的噪声主要可以分为两种[8]，一种是活塞在汽缸内往复运动，引起的泵体的剧烈振动产生的噪声；另一种是真空泵出气口因活塞往复运动产生的“嘟嘟”声。国内外学者针对其NVH（Noise, Vibration, Harshness）性能进行大量研究。林胜[9]等针对电车在制动情况下的真空泵声品质不佳问题进行研究，发现真空泵的工作频率与安装支架模态耦合产生共振，通过优化支架结构及动刚度，避免了制动情况的异音。杨志伟[10]等针对汽车真空泵的车内传递噪声进行研究，通过TPA（Transfer Path Analysis）技术定位主要传递路径，并对其进行隔振优化。A Spille-Kohoff等人考虑热变形对真空泵的影响并进行研究[11]，主要通过CFD仿真模拟泵体发生热变形后对真空泵压力、速度、温度的影响。目前关于真空泵的研究主要集中在泵体的结构优化、泵体减振等方面，关于真空泵排气口的脉动噪声的降噪研究仍处于空白阶段。
本文针对往复式真空泵出气口处的“嘟嘟”噪声进行针对性研究，首先采集了真空泵排气口处的噪声数据，得到排气口特征“嘟嘟”噪声主要集中在0～4000 Hz，噪声总值在57 dB(A)左右；然后设计了消声方案，采用串联式消声器消除传递损失曲线的通过频率，改善出气口处的噪声幅值和声品质；根据声品质计算公式[12]，声品质的好坏是以声音的响度来进行计算的，故本文将声压值的大小近似于声品质的好坏。最后制作手板样件，进行实验验证。
1 原始噪声数据采集
往复式真空泵工作过程中产生的噪声大，声品质不佳，消费者很难接受。将真空泵放置在室外进行测量，通过软长管将富氧空气引入室内。因此仅需关注室内侧软管排气口处的噪声值和声压即可。为了保证氧气的流量，使用2个10 L/min的真空泵串联向室内输送富氧空气，共对4个泵单体的稳定性进行测试，经过测试发现，2#泵的稳定性不佳，噪声频域图如图1所示，最终选择1#、3#泵进行串联向室内供氧，噪声结果对比如图2所示。
图1 2#泵体噪声频域图
图2 1#、3#泵体噪声结果对比
将1#泵、3#泵串联后连接软长管，将软长管的排气口放置在室内侧，测试室内长管排气口处的噪声幅值，测试位置为排气口前方1m、上方1m位置[13]。测试设备使用的是西门子公司的8通道数采和PCB公司的356A03型传声器。噪声结果如图3所示，可以看出，排气口处的噪声幅值为57.35 dB(A)，主要集中在0～4000 Hz频率段，且主观评价有非常刺耳的“嘟嘟”声。根据国家标准GB/T 7725—2004《房间空气调节器》中对噪声的相关规定[13]，空调运转时的噪声最大不超过40 dB(A)，且声品质方面主观评价无异音。因此针对管道噪声设计消声方案，消声量需达到20 dB(A)左右，且在0～4000 Hz范围内实现全频段消声。
图3 室内噪声频域图
2 消声方案设计
扩张式消声器是针对管道噪声降噪的优选手段，因此本文利用扩张式消声器针对真空泵的管道噪声进行降噪处理，消声器传递损失的计算公式为：
式中：m为扩张比，是入口截面积与扩张腔截面积的比值；l为扩张腔的有效长度；k为波数。由式（1）可以看出：对于单扩张腔消声器，其消声量与消声器扩张腔有效长度和出入口与扩张腔的面积比有关。因式中存在正弦函数，因此消声器的传递损失曲线为正弦曲线。因此单扩张腔的消声器无法避免存在传递损失为零的通过频率。为了消除消声器传递损失的通过频率，采用双扩张腔串联式消声器[14-15]，通过合理设计两个扩张腔的有效长度，可以避免传递损失的通过频率。
为了保证消声器的消声量能够达到20 dB(A)以上，需要保证消声器有足够大的扩张比。往复式真空泵出口的直径一定，故需合理设计消声器扩张腔的截面积以满足消声需求。真空泵出口直径为6 mm，根据式（1）的计算，消声器扩张腔直径需达到35 mm，理论消声量为25 dB(A)。针对图3给出的目标消声量和目标消声频段，本文设计了三种消声方案，如表1所示，利用声学仿真软件LMS Virtual Lab[16]对三种消声方案进行仿真计算，得到的仿真结果如图4～图6所示。
表1 三种方案的消声器规格
图4 单扩张腔长消声器传递损失曲线
图5 单扩张腔短消声器传递损失曲线
图6 两级串联扩张腔式消声器传递损失曲线
由图4～图6可以看出，方案1、方案2两个单扩张腔消声器的最大消声量均为25 dB(A)，与理论计算值相同，两条传递损失曲线均存在通过频率，不同的是通过频率的位置不同，这一规律符合单扩张式消声器传递损失的机理。方案3中传递损失的最大理论消声量高达65 dB(A)，且在0～4000 Hz全频段范围内消声能力均提升。说明两个消声器串联后，其消声能力得到相对应的提升。传递损失曲线的通过频率得到提升，最低的传递损失量也能够达到20 dB(A)，满足消声需求。但是，在0～100 Hz的低频范围内，串联消声器的消声能力不足，是否会影响到声品质需要实验验证。
3 消声方案验证
3.1 消声效果验证
为了验证设计方案的消声效果，针对方案1～方案3进行手板样件制作，并在半消音室内进行噪声实验。为保证气体流量，实验将两个真空泵串联后放置在室外侧，模拟实际应用情况下，将真空泵装配在室外机箱体；将软长管的一端连接真空泵的出气口，另一端引入消音室的室内侧，模拟实际使用情况下，利用软管将富氧空气引入室内。根据国标GB/T 7725—2004进行噪声实验，得到三种方案的消声效果分别如图7～图9所示。
图7 长消声器的消声效果
图8 短消声器的消声效果
图9 串联消声器的消声效果
由图7可以看出，方案1长消声器的消声量为19 dB(A)，噪声主观评价仍存在明显的“嘟嘟”噪声，声品质不佳，这是由于单扩张消声器存在消声量为零的通过频率，从频域图上可以看出在800 Hz及2400 Hz附近出现峰值，这与图4给出的仿真结果一致。方案1的消声能力不足，仍存在较为明显的噪声峰值。
由图8可以看出，方案2短消声器的消声量为22 dB(A)，噪声主观图4单扩张腔长消声器传递损失曲线评价不佳，仍存在明显异音，改变消声腔的长度不能避免传递损失的通过频率，但随着传递损失曲线跨度的增大，通过频率的个数在减少。从频域图中可以看出在3000 Hz附近出现明显峰值，这与图5给出的仿真结果一致。
由图9可以看出，方案3串联消声器的消声量为28 dB(A)，主观评价噪声较小，无“嘟嘟”噪声产生。消声器串联后其消声性能有一定的加强。从频域图上可以看出，噪声主要集中在200 Hz以下的低频噪声，这是因为串联消声器在低频处的消声能力较弱，这与图6给出的仿真结果一致。
3.2 真空泵流量损失验证
综合三种消声方案来看，方案3串联消声器的消声能力更强，且能够实现全频段消声，无“嘟嘟”的管道噪声产生，故选取方案3为最终消声方案。针对加装串联消声器后对气体流量损失进行实验验证，搭建了气体流量测试试验台，分别测试两个真空泵串联后的气体流量与加装消声器后的气体流量，测试结果显示，不加消声器时，两个真空泵能够提供的气体流量为19.4 L/min；加装消声器后，两个真空泵能够提供的气体流量为17.5 L/min，气体损失为9.8%，结合消声器的优良消声性能，17.5 L/min的气体流量在可接受范围内。
4 结论
本文主要研究了往复式真空泵的噪声组成及频段分布，再根据频段分布进行针对性的降噪方案设计，通过采用两级串联扩张腔式消声器消除传递损失曲线的通过频率，并进行噪声实验，验证了降噪效果，得出的结论与研究成果对推动真空泵的噪声改善具有指导性意义：
（1）真空泵排气口处的噪声较大，幅值高达57 dB(A)，噪声主要集中在0～4000 Hz频率段。若不对其进行降噪处理，其噪声幅值及声品质将会成为制约真空泵家用的重要因素。
（2）消声器是消除脉动噪声最为优选的手段，为了消除传递损失通过频率对排气口声品质的影响，通过采用串联消声器，并合理设计前后扩张腔的有效长度，给出的消声方案其消声量高达28 dB(A)，将排气口处的噪声幅值降至29 dB(A)的低值，且声品质良好。
（3）对加装消声装置的真空泵进行流量测试，流量由初始的19.4 L/min变为17.5 L/min，加装消声装置后，流量减小9.8%，仍可满足使用需求。
参考文献
[1] 李曾婷. 创新性大, 关注度高 《家用和类似用途新风净化机》行业标准实施[J]. 电器, 2021(11): 50-51.
[2] 苗青, 宋力强, 孔美阳, 等. 新风空调评测项目及评测方法探讨[J]. 家电科技, 2020(zk): 349-352.
[3] 韩旭, 童矗, 张雨潇, 等. 制氧技术在富氧空调系统中的应用[J]. 洁净与空调技术, 2015(04): 19-23.
[4] 辛志玲, 赵基钢, 张大全, 等. 富氧膜材料的研究进展与应用[J]. 化工科技, 2009, 17(02): 45-49.
[5] 楼百根, 李鹏, 杨春, 等. 家用制氧机技术及标准分析研究[J]. 家电科技, 2021(03): 38- 41+45.
[6] 赖泽丰. 关于空调生产使用旋片式真空泵的寿命研究[J]. 家电科技, 2016(12): 52-54.
[7] 杨乃恒. 干式真空泵的原理、特征及其应用[J]. 真空, 2000(03): 1-9.
[8] 李炳欢, 梁广发, 王巍, 等. 新能源汽车电子真空泵噪音影响机制研究[J]. 时代汽车, 2022(02): 116-117.
[9] 林胜, 钟秤平, 陈清爽, 等. 某电动汽车真空泵噪声分析与优化[J]. 汽车实用技术, 2022, 47(21): 112-117.
[10] 杨志伟, 姚占, 张庆军, 等. 电动汽车真空泵车内噪声诊断与优化分析[J]. 噪声与振动 控制, 2020, 40(06): 263-267.
[11] A Spille-Kohoff, J Hesse, R Andres, F Hetze. CFD simulation of a dry scroll vacuum pump with clearances, solid heating and thermal deformation[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2017, 232(01): 012052.
[12] T/CAB 0103—2021人工声环境舒适性测评规范 第1部分：房间空气调节器[S].
[13] GB/T 7725—2004房间空气调节器[S].
[14] 高书娜, 赵金斗. 多共振消声器串联系统声学特性分析及应用[J]. 振动与冲击, 2016, 35(02): 189-194.
[15] 韩雷, 季宏丽, 裘进浩, 等. 两级串联扩张腔式消声器声学特性的分析[J]. 应用力学学 报, 2018, 35(01): 60-64+227.
[16] 詹福良, 徐俊伟. Virtual Lab Acoustics声学仿真计算从入门到精通[M]. 西安: 西北工 业大学出版社, 2013: 22-41.
（责任编辑：马冀圆）
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