往復式真空泵管道噪聲抑制技術研究
陳國平1,2 徐一鳴1,2 陳澎鈺1,2 張進男1,2 張旭1,2
1.海信家電集團有限公司
2.海信空調有限公司
摘要
Abstract
往復式真空泵工作噪聲大，聲品質不佳。為了提升真空泵運行時的聲品質，針對往復式真空泵出氣口的管道噪聲進行研究。首先采集真空泵出口處的噪聲，得到真空泵噪聲的頻域特性，發現真空泵出口處噪聲主要集中在0～4000 Hz頻率段；然后針對該頻率段設計降噪方案，采用消聲器串聯的方式，消除傳遞損失曲線的通過頻率，并利用Virtual Lab軟件對串聯消聲器的聲學性能進行仿真分析；最后將消聲方案安裝在真空泵出口處進行噪聲驗證，并進行氣體流量損失的實驗驗證。結果表明，串聯消聲器對真空泵出口處的降噪效果達25 dB(A)以上，氣體的流量損失為9.8%。研究結果對提升真空泵聲品質具有借鑒意義。
關鍵詞
Keywords
真空泵；消聲器；管道噪聲；聲學仿真；傳遞損失
DOI:10.19784/j.cnki.issn1672-0172.2023.01.014
0 引言
隨著科技的進步和人們生活水平的提高，僅有制冷、制熱功能的空調器已無法滿足人們的生活需求，空調已經被賦予更多的功能，如除濕、凈化、除甲醛、新風增氧等能引發消費者“興奮型”需求的功能。其中新風增氧功能的工作原理為：風機驅動將室外空氣通過新風管道引入室內，再利用微正壓原理[1-2]將室內的空氣通過各種縫隙排出室外。該原理能夠實現換新風功能，但無法提高室內氧氣含量。
目前家用制氧機根據其工作原理可分為分子篩吸附制氧和膜分離制氧[3-5]，兩種方式均需要利用真空泵將空氣加壓。真空泵主要分為往復式真空泵和旋轉式真空泵，其中往復式真空泵依靠汽缸內的活塞做往復運動來吸入和排出氣體[6-7]，因其具有結構簡單、可靠性高、體積小等優點，被用作家用制氧機的一部分。但因其工作過程中做往復式直線運動，故其產生的振動噪聲較大，令消費者反感。因此真空泵惡劣的噪聲性能已經成為制約其應用的重要因素。
往復式真空泵的噪聲主要可以分為兩種[8]，一種是活塞在汽缸內往復運動，引起的泵體的劇烈振動產生的噪聲；另一種是真空泵出氣口因活塞往復運動產生的“嘟嘟”聲。國內外學者針對其NVH（Noise, Vibration, Harshness）性能進行大量研究。林勝[9]等針對電車在制動情況下的真空泵聲品質不佳問題進行研究，發現真空泵的工作頻率與安裝支架模態耦合產生共振，通過優化支架結構及動剛度，避免了制動情況的異音。楊志偉[10]等針對汽車真空泵的車內傳遞噪聲進行研究，通過TPA（Transfer Path Analysis）技術定位主要傳遞路徑，并對其進行隔振優化。A Spille-Kohoff等人考慮熱變形對真空泵的影響并進行研究[11]，主要通過CFD仿真模擬泵體發生熱變形后對真空泵壓力、速度、溫度的影響。目前關于真空泵的研究主要集中在泵體的結構優化、泵體減振等方面，關于真空泵排氣口的脈動噪聲的降噪研究仍處于空白階段。
本文針對往復式真空泵出氣口處的“嘟嘟”噪聲進行針對性研究，首先采集了真空泵排氣口處的噪聲數據，得到排氣口特征“嘟嘟”噪聲主要集中在0～4000 Hz，噪聲總值在57 dB(A)左右；然后設計了消聲方案，采用串聯式消聲器消除傳遞損失曲線的通過頻率，改善出氣口處的噪聲幅值和聲品質；根據聲品質計算公式[12]，聲品質的好壞是以聲音的響度來進行計算的，故本文將聲壓值的大小近似于聲品質的好壞。最后制作手板樣件，進行實驗驗證。
1 原始噪聲數據采集
往復式真空泵工作過程中產生的噪聲大，聲品質不佳，消費者很難接受。將真空泵放置在室外進行測量，通過軟長管將富氧空氣引入室內。因此僅需關注室內側軟管排氣口處的噪聲值和聲壓即可。為了保證氧氣的流量，使用2個10 L/min的真空泵串聯向室內輸送富氧空氣，共對4個泵單體的穩定性進行測試，經過測試發現，2#泵的穩定性不佳，噪聲頻域圖如圖1所示，最終選擇1#、3#泵進行串聯向室內供氧，噪聲結果對比如圖2所示。
圖1 2#泵體噪聲頻域圖
圖2 1#、3#泵體噪聲結果對比
將1#泵、3#泵串聯后連接軟長管，將軟長管的排氣口放置在室內側，測試室內長管排氣口處的噪聲幅值，測試位置為排氣口前方1m、上方1m位置[13]。測試設備使用的是西門子公司的8通道數采和PCB公司的356A03型傳聲器。噪聲結果如圖3所示，可以看出，排氣口處的噪聲幅值為57.35 dB(A)，主要集中在0～4000 Hz頻率段，且主觀評價有非常刺耳的“嘟嘟”聲。根據國家標準GB/T 7725—2004《房間空氣調節器》中對噪聲的相關規定[13]，空調運轉時的噪聲最大不超過40 dB(A)，且聲品質方面主觀評價無異音。因此針對管道噪聲設計消聲方案，消聲量需達到20 dB(A)左右，且在0～4000 Hz范圍內實現全頻段消聲。
圖3 室內噪聲頻域圖
2 消聲方案設計
擴張式消聲器是針對管道噪聲降噪的優選手段，因此本文利用擴張式消聲器針對真空泵的管道噪聲進行降噪處理，消聲器傳遞損失的計算公式為：
式中：m為擴張比，是入口截面積與擴張腔截面積的比值；l為擴張腔的有效長度；k為波數。由式（1）可以看出：對于單擴張腔消聲器，其消聲量與消聲器擴張腔有效長度和出入口與擴張腔的面積比有關。因式中存在正弦函數，因此消聲器的傳遞損失曲線為正弦曲線。因此單擴張腔的消聲器無法避免存在傳遞損失為零的通過頻率。為了消除消聲器傳遞損失的通過頻率，采用雙擴張腔串聯式消聲器[14-15]，通過合理設計兩個擴張腔的有效長度，可以避免傳遞損失的通過頻率。
為了保證消聲器的消聲量能夠達到20 dB(A)以上，需要保證消聲器有足夠大的擴張比。往復式真空泵出口的直徑一定，故需合理設計消聲器擴張腔的截面積以滿足消聲需求。真空泵出口直徑為6 mm，根據式（1）的計算，消聲器擴張腔直徑需達到35 mm，理論消聲量為25 dB(A)。針對圖3給出的目標消聲量和目標消聲頻段，本文設計了三種消聲方案，如表1所示，利用聲學仿真軟件LMS Virtual Lab[16]對三種消聲方案進行仿真計算，得到的仿真結果如圖4～圖6所示。
表1 三種方案的消聲器規格
圖4 單擴張腔長消聲器傳遞損失曲線
圖5 單擴張腔短消聲器傳遞損失曲線
圖6 兩級串聯擴張腔式消聲器傳遞損失曲線
由圖4～圖6可以看出，方案1、方案2兩個單擴張腔消聲器的最大消聲量均為25 dB(A)，與理論計算值相同，兩條傳遞損失曲線均存在通過頻率，不同的是通過頻率的位置不同，這一規律符合單擴張式消聲器傳遞損失的機理。方案3中傳遞損失的最大理論消聲量高達65 dB(A)，且在0～4000 Hz全頻段范圍內消聲能力均提升。說明兩個消聲器串聯后，其消聲能力得到相對應的提升。傳遞損失曲線的通過頻率得到提升，最低的傳遞損失量也能夠達到20 dB(A)，滿足消聲需求。但是，在0～100 Hz的低頻范圍內，串聯消聲器的消聲能力不足，是否會影響到聲品質需要實驗驗證。
3 消聲方案驗證
3.1 消聲效果驗證
為了驗證設計方案的消聲效果，針對方案1～方案3進行手板樣件制作，并在半消音室內進行噪聲實驗。為保證氣體流量，實驗將兩個真空泵串聯后放置在室外側，模擬實際應用情況下，將真空泵裝配在室外機箱體；將軟長管的一端連接真空泵的出氣口，另一端引入消音室的室內側，模擬實際使用情況下，利用軟管將富氧空氣引入室內。根據國標GB/T 7725—2004進行噪聲實驗，得到三種方案的消聲效果分別如圖7～圖9所示。
圖7 長消聲器的消聲效果
圖8 短消聲器的消聲效果
圖9 串聯消聲器的消聲效果
由圖7可以看出，方案1長消聲器的消聲量為19 dB(A)，噪聲主觀評價仍存在明顯的“嘟嘟”噪聲，聲品質不佳，這是由于單擴張消聲器存在消聲量為零的通過頻率，從頻域圖上可以看出在800 Hz及2400 Hz附近出現峰值，這與圖4給出的仿真結果一致。方案1的消聲能力不足，仍存在較為明顯的噪聲峰值。
由圖8可以看出，方案2短消聲器的消聲量為22 dB(A)，噪聲主觀圖4單擴張腔長消聲器傳遞損失曲線評價不佳，仍存在明顯異音，改變消聲腔的長度不能避免傳遞損失的通過頻率，但隨著傳遞損失曲線跨度的增大，通過頻率的個數在減少。從頻域圖中可以看出在3000 Hz附近出現明顯峰值，這與圖5給出的仿真結果一致。
由圖9可以看出，方案3串聯消聲器的消聲量為28 dB(A)，主觀評價噪聲較小，無“嘟嘟”噪聲產生。消聲器串聯后其消聲性能有一定的加強。從頻域圖上可以看出，噪聲主要集中在200 Hz以下的低頻噪聲，這是因為串聯消聲器在低頻處的消聲能力較弱，這與圖6給出的仿真結果一致。
3.2 真空泵流量損失驗證
綜合三種消聲方案來看，方案3串聯消聲器的消聲能力更強，且能夠實現全頻段消聲，無“嘟嘟”的管道噪聲產生，故選取方案3為最終消聲方案。針對加裝串聯消聲器后對氣體流量損失進行實驗驗證，搭建了氣體流量測試試驗臺，分別測試兩個真空泵串聯后的氣體流量與加裝消聲器后的氣體流量，測試結果顯示，不加消聲器時，兩個真空泵能夠提供的氣體流量為19.4 L/min；加裝消聲器后，兩個真空泵能夠提供的氣體流量為17.5 L/min，氣體損失為9.8%，結合消聲器的優良消聲性能，17.5 L/min的氣體流量在可接受范圍內。
4 結論
本文主要研究了往復式真空泵的噪聲組成及頻段分布，再根據頻段分布進行針對性的降噪方案設計，通過采用兩級串聯擴張腔式消聲器消除傳遞損失曲線的通過頻率，并進行噪聲實驗，驗證了降噪效果，得出的結論與研究成果對推動真空泵的噪聲改善具有指導性意義：
（1）真空泵排氣口處的噪聲較大，幅值高達57 dB(A)，噪聲主要集中在0～4000 Hz頻率段。若不對其進行降噪處理，其噪聲幅值及聲品質將會成為制約真空泵家用的重要因素。
（2）消聲器是消除脈動噪聲最為優選的手段，為了消除傳遞損失通過頻率對排氣口聲品質的影響，通過采用串聯消聲器，并合理設計前后擴張腔的有效長度，給出的消聲方案其消聲量高達28 dB(A)，將排氣口處的噪聲幅值降至29 dB(A)的低值，且聲品質良好。
（3）對加裝消聲裝置的真空泵進行流量測試，流量由初始的19.4 L/min變為17.5 L/min，加裝消聲裝置后，流量減小9.8%，仍可滿足使用需求。
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（責任編輯：馬冀圓）
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