空調(diào)消聲器消聲特性仿真分析

劉凱 廣東美的暖通設(shè)備有限公司

空調(diào)消聲器消聲特性仿真分析

劉凱 廣東美的暖通設(shè)備有限公司

將數(shù)值分析方法引入了空調(diào)消聲器的設(shè)計當中，通過綜合運用數(shù)值分析技術(shù)對消聲器進行性能分析；把影響消聲器性能的主要因素在數(shù)值模擬分析中，對消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，達到了減少數(shù)值分析次數(shù)的目的；再通過觀察消聲器內(nèi)部的聲壓分布情況彩圖和傳遞損失隨頻率的變化關(guān)系，深入了解消聲器的消聲性能，找出影響消聲器性能的主要因素及變化范圍，從而提高消聲器的各項指標。該方法較之以往的傳統(tǒng)方法，有著諸多優(yōu)勢，為最終確定排氣消聲器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)

消聲器 暖通空調(diào) 優(yōu)化控制

一、空調(diào)消聲器的分類與消聲評價

（一）消聲器分類

目前空調(diào)上運用較多的消聲器為無源消聲器，而其中采用全金屬結(jié)構(gòu)的抗性消聲器，由于構(gòu)造簡單、成本低、壽命長、耐高溫、耐腐蝕、耐氣流沖擊，不會被廢氣中的微粒堵塞的特點成為空調(diào)消聲器的首選，應(yīng)用最為廣泛?？剐韵暺鲗χ小⒌皖l范圍的噪聲具有較好的消聲效果。

（二）消聲器消聲評價

消聲器聲學性能包括消聲量的大小和消聲頻帶范圍的寬窄兩個方面。設(shè)計消聲器的目的就是要根據(jù)噪聲源的特點和頻率范圍，使消聲器的消聲頻率范圍滿足需要，并盡可能地在要求的頻率范圍內(nèi)獲得較大的消聲量，即在目標頻帶上有較好的消聲效果。一般以倍頻程和1/3頻程來表示消聲器的頻率特性。消聲頻率范圍就是指消聲量顯著的頻率或頻帶，這方面沒有統(tǒng)一的定量評價指標，一般要求有效頻帶范圍越寬越好，對人敏感的頻率范圍應(yīng)有足夠的消聲量，對聲源輻射噪聲大的頻段應(yīng)有較大的消聲量，這樣應(yīng)用消聲器降噪的效果就比較好。消聲器的消聲量的大小通常用四種度量來表征，分別為:傳遞損失、插入損失、降噪量、聲衰減。

二、消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲特性的影響分析

（一）擴張比對消聲特性的影響

圖1 不同擴張比的單節(jié)擴張式消聲器的消聲曲線

圖2 單節(jié)擴張直徑為25mm消聲器的消聲曲線

圖3 單節(jié)擴張直徑為25mm消聲分別在300Hz聲壓圖

圖4 不同內(nèi)插深度消聲器的消聲曲線

通過對具有不同擴張比的消聲器有限元模型分析，得如下結(jié)論：

1.消聲器設(shè)計需要考慮安裝和消聲特性。通過設(shè)計過大的消聲器擴張室截面，從而獲得較大的擴張比m，當擴張室截面面積較大時，較高頻率的聲波在擴張室內(nèi)不再保持近似為平面波，也就是說，從入口管進入擴張室的聲波將集中在擴張室中部以窄聲束通過，經(jīng)出口管直接傳播出去，使擴張室不能充分發(fā)揮其消聲作用，從而使得消聲效果明顯下降，這就是在消聲器中存在的高頻失效現(xiàn)象。因此，在設(shè)計消聲器時必須要考慮擴張室截面尺寸對消聲上、下限頻率的影響，使上、下限頻率在實際需要的能有效消聲的頻率范圍之外。

2.由于模型均是簡單擴張式消聲器，因此存在通過頻率，從圖3中也可以發(fā)現(xiàn)，曲線與x軸接近相交，相交點處則表示通過頻率點，而曲線的波峰為最大消聲頻率點。為此，在工程實際應(yīng)用中，通常在擴張室里伸出一段插入管，選擇長度合適的插入管的作用是彌補簡單擴張室所具有某些通過頻率的缺點。

3.從噪聲與控制手冊可知擴張比m和消聲量TL的關(guān)系如表1，從該表中可知，最大消聲量與擴張比同在一個數(shù)量級，擴張比越大，消聲量越大，與上面分析完全吻合。雖然擴張比較小的消聲器消聲量較低，但是消聲有效頻帶相對較寬。如果把消聲量與擴張比的比值作為簡單擴張腔消聲效率的一個指標，易知在擴張比約為11時，簡單擴張腔的消聲效率最高，在實際工程應(yīng)用中，擴張比一般取9＜m＜16，最大不超過20，最小不小于5。

表1 簡單擴張式消聲器的擴展比m與最大消聲量TL之間的關(guān)系

（二）插入管深度對消聲特性的影響

在研究插入管深度對消聲器影響時，設(shè)定消聲器插入管無偏置，其尺寸如下所示。圖4為不同插入深度的消聲特性曲線圖。

通過對具有不同插入管長度的消聲器有限元模型分析，得如下結(jié)論：

1.通過調(diào)整內(nèi)插管插入腔內(nèi)的深度，可以改變消聲器的消聲性能。理論上，當內(nèi)插管長度等于擴張室長度的1/2時，可消除通過頻率中n為奇數(shù)的部分，而當內(nèi)插管長度等于擴張室長度的1/4時，則可消除通過頻率中n為偶數(shù)的部分。這樣，如果在擴張式消聲器內(nèi)從一端插入長度為的內(nèi)插管，另一端插入長度為的內(nèi)插管，在理論上可以獲得沒有通過頻率的消聲特性。通過觀察圖形同樣可以發(fā)現(xiàn)，在采用和插入管的消聲器表現(xiàn)最好，不但消聲效果良好，而且消聲頻段放大 ,與理論相吻合。

2.為了達到消除通過頻率，同樣可以采用多節(jié)不同長度的擴張室進行串聯(lián)的方法，把各節(jié)擴張室的長度設(shè)計得互不相等，使它們的通過頻率互相錯開。當兩節(jié)擴張室長度比選擇合適時，也可以使第二節(jié)的最大消聲頻率等于第一節(jié)的通過頻率，這樣不但能提高總的消聲量，而且能改善消聲器的頻率特性，使有效頻帶增寬，提高消聲效果。

3.在實際應(yīng)用中，考慮到氣流的影響，中心對稱插入管的消聲性能并不理想，插入深度越大，其性能下降越多，主要是由于高速的脈動氣流不能夠在消聲器擴張室內(nèi)得到充分的膨脹。工程中多采用錯開式內(nèi)插管消聲器，該消聲器能夠避免上述缺點，又能夠使氣流在消聲器內(nèi)得到充分膨脹，模擬有限元分析和實驗均表明隨著插入深度的增加，消聲量也隨之增加。在時消聲性能達到最佳，但在這時候阻力損失也相對較大。因此，在選擇插入管長度時，應(yīng)該慎重考慮其對消聲器空氣動力性能的負面影響。

（三）偏置距離對消聲特性的影響

考慮到偏置對消聲器性能的影響在存在插入管的情況下更加明顯，分析輸入、輸出管偏置情況，其它條件固定不變，圖5為擴張直徑為￠50mm的入、出口無偏心和有偏心的消聲器圖，圖6為消聲特性曲線圖。

圖5 無偏心和有偏心消聲器

圖6 無偏心和有偏心消聲特性曲線圖

通過對輸入輸出中心軸偏置的消聲器有限元模型分析，得如下結(jié)論：

1.在不考慮氣流的情況下，當中心軸偏置的消聲器的消聲效果比沒有偏置的消聲器表現(xiàn)要好。

2.當偏置輸入管、輸出管內(nèi)插時且偏置距離選擇合適話，則在可以增加在高頻段的消聲量。

3.隨著偏置距離的增加，消聲曲線圖差異比較，其主要因為偏置越大，發(fā)生通過的頻段越窄，但偏置的選用在一定程度上影響消聲器的空氣動力性能。

（四）擴張室截面形狀對消聲特性的影響

以下考慮為截面積相等的情況，其截面形狀分別為：①圓形(半徑為R)；②橢圓形(令b=2a，b、a分別為橢圓形的長、短軸)；③方形(邊長為H)。其有限元模型如圖7所示。圖8為三種截面在不同頻率下的消聲特性曲線圖

圖7 不同截面形狀的消聲器圖

圖8 不同截面形狀的消聲器消聲曲線圖

通過對具有不同截面形狀的消聲器有限元模型分析，得如下結(jié)構(gòu)：

1.在中低頻率段時，不同截面形狀消聲器的消聲效果基本一致。在截面積相等的情況下，截面的變化對消聲器性能的影響不大。

2.針對上述四種等截面積的消聲器而言，其制造用料多少順序為：正方形＞橢圓＞圓。因此，在空間范圍允許的條件下，優(yōu)先選用圓形截面消聲器，其次選用橢圓型截面消聲器。

3.消聲器的截面也已不再局限于標準形狀，除了常見的圓形、橢圓形截面情況外，還有圓形橢圓組合截面形狀，該截面形狀消聲器一方面保證了足夠大的擴張比，另一方面在軸方向尺寸又不會過大，空間易于分布。

三、總結(jié)與建議

應(yīng)用數(shù)值分析技術(shù)，使我們有可能在早期設(shè)計階段預(yù)知產(chǎn)品的特性，及早發(fā)現(xiàn)問題和錯誤。本文對復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器結(jié)構(gòu)，運用ANSYS和SYSNOISE實現(xiàn)了消聲器的有限元數(shù)值分析，對具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的抗性消聲器進行性能分析，分析擴張比、內(nèi)插管偏置距離、插入管深度以及擴張室截面形狀對消聲器性能進行仿真分析與研究，得到以下結(jié)論：

1.擴張比對簡單消聲器的最大消聲量起著決定性影響，擴張比越大，消聲量越大。同時，消聲器的上限失效頻率隨著擴張比的增加而下移。在實際工程應(yīng)用中，擴張比一般取9＜m＜16，最大不超過20，最小不小于5。

2.擴張腔長度改變了消聲器的消聲頻率特性，隨著擴張腔長度的增加，拱形衰減個數(shù)增加。即增加擴張室長度提高了低頻消聲特性。

內(nèi)插管能同時改善消聲器的消聲性能及阻力損失特性，出現(xiàn)了某些頻率段的共振峰值，抑制了高頻段的通過頻率，且有效地降低了壓力損失。在選擇插入管長度時，應(yīng)該慎重考慮其對消聲器空氣動力性能的負面影響。

3.在不考慮氣流的情況下，當中心軸偏置的消聲器的消聲效果比沒有偏置的消聲器表現(xiàn)要好，但對較小管徑的擴張室則在制造上有點困難。

4.不同截面形狀消聲器的消聲效果基本一致。在截面積相等的情況下，截面的變化對消聲器性能的影響不大。但從材料成本上考慮，圓形截面的消聲器成本最低。

5.在頻率很低的低頻區(qū)，端部形狀對傳遞損失影響很小，但隨著頻率的升高，擴張室端部為錐形消聲器的傳遞損失逐步變小，消聲性能不斷降低。

6.流速使得消聲器的低頻消聲性能變好，而溫度的提高有利于增強消聲器的高頻消聲效果而不利于低頻消聲效果。

[1]陸森林，劉紅光.內(nèi)燃機排氣消聲器性能的三維有限元計算及分析.內(nèi)燃機學報調(diào)，2003，21(5):346-350.

[2]康鐘緒，季振林.穿孔管消聲器消聲性能的有限元計算及分析.噪聲與振動控制2005，25(5):18-20.

[3]孔詳強，陳麗娟，李瑛.制冷壓縮機排氣管消聲器聲學及阻力特性仿真分析.農(nóng)業(yè)工程學報2015，35(5):59-64.

劉凱（1985-），男，漢族，湖北棗陽，畢業(yè)于武漢理工大學機械制造及自動化專業(yè)，現(xiàn)供職廣東美的暖通設(shè)備有限公司，結(jié)構(gòu)工程師，碩士學歷，研究方向：空調(diào)制冷。