冰箱毛細(xì)管用串聯(lián)式抗性消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能研究

黃志剛，丁國忠，王 朋，姚 蘭

（華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

1 前言

現(xiàn)階段，空調(diào)冰箱等產(chǎn)品的降噪研究越來越受到關(guān)注，隨之產(chǎn)生了很多的降噪方法和思路，冰箱的噪聲水平已得到大幅度下降［1，2］。由于其他冰箱部件的噪聲水平下降使得冰箱內(nèi)的冷媒噪聲影響突顯出來，而毛細(xì)管內(nèi)的冷媒噪聲是冰箱冷媒噪聲的主要組成部分，因此，對毛細(xì)管內(nèi)冷媒噪聲的處理是降低冰箱整體噪聲主要任務(wù)之一。由于擴張室消聲器結(jié)構(gòu)簡單，能夠在毛細(xì)管的制作過程中由壓縮空氣吹制而成，這樣的結(jié)構(gòu)相比共振腔式、微穿孔板式、干涉式消聲器的加工和制作，減少了焊點和成本，且更為安全可靠。因此，在不影響毛細(xì)管正常節(jié)流功能的基礎(chǔ)上，本文提出在毛細(xì)管上增加兩擴張室串聯(lián)的抗性消聲器來降低冷媒流動噪聲。

2 串聯(lián)式抗性消聲器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)文獻［3］，制冷劑壓力在毛細(xì)管全長的90%處驟降，制冷劑的流速突增而導(dǎo)致冷媒噪聲隨之增大。根據(jù)冰箱毛細(xì)管流動壓力分布情況，設(shè)計的消聲器放置距離起始位置為90%長度處，長度符合壓力降的要求即可。

為擴大消聲頻率范圍，采用將兩節(jié)長度不等的擴張室消聲器串聯(lián)使用，使其能夠錯開相應(yīng)的通過頻率。設(shè)計過程和步驟如下：

（1）根據(jù)冰箱毛細(xì)管尺寸和噪聲頻率進行消聲器初始尺寸設(shè)計；

（2）計算該結(jié)構(gòu)通過頻率和截止頻率；

（3）根據(jù)目標(biāo)消除頻率對結(jié)構(gòu)尺寸進行修改；

（4）重復(fù)上述（2）、（3）過程，直到滿足要求為止。

經(jīng)計算得到毛細(xì)管串聯(lián)式抗性消聲器相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如表1所示）和結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示）。

表1 毛細(xì)管串聯(lián)式抗性消聲器相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù) mm

圖1 毛細(xì)管串聯(lián)式抗性消聲器結(jié)構(gòu)示意

3 毛細(xì)管消聲器的降噪性能研究與仿真對比

采用串聯(lián)2個擴張室式的毛細(xì)管消聲器，該消聲器的單節(jié)擴張室消聲量一般可用下式計算［4］：

式中 ΔL——消聲量，dB

m——擴張比

k——波數(shù)

L——擴張室消聲器的長度，m

S1——管道截面面積，m2

S2——擴張室截面面積，m2

f——頻率，Hz

c——當(dāng)?shù)芈曀?，m/s

從式（1）中可以看出，消聲量主要與擴張比和擴張室的長度有關(guān)，同時，單節(jié)擴張室式消聲器對某些特定頻率的聲音可以達(dá)到最大的消聲量，而對其他的頻率則效果較差。根據(jù)實測，毛細(xì)管出口噴射產(chǎn)生了450～1500 Hz，2300～3700 Hz和4500～5000 Hz 3個連續(xù)的譜頻率段成分，其中以500～1800 Hz段頻率為主要成分，2300～3700 Hz段漸弱，4500～5000 Hz段成分最為微弱。而在500～1800 Hz中，噪聲的脈動峰值主要在：500，800，1200，1250，1600 Hz這幾個頻率上，每一個峰值代表噪聲信號中該頻率的能量所占比重較大。又根據(jù)制冷劑在兩相區(qū)的聲速［5］，取c=65 m/s，將結(jié)構(gòu)中的擴張比m=S2/S1和消聲器擴張室長度L代入式（1）得到單節(jié)擴張式消聲器的消聲量（圖2）。

圖2 單節(jié)擴張室消聲量隨頻率變化曲線

從圖2中可以看出，第一擴張室對頻率為400，1200，2000 Hz處，消聲量達(dá)到最大，而在800，1600，2400 Hz處，消聲量為零；第二擴張室在頻率為800，1600 Hz處有較大消聲量。串聯(lián)的擴張室消聲器總的消聲量可以用將單節(jié)擴張室的消聲量相加來估算，由此得到擴張室 串聯(lián)后總的消聲量如圖3所示。從圖3可以看出：消聲器在頻率為500，800，1200，1250，1600 Hz處都能得到較大消聲量，且在400～2000 Hz、2300～3700 Hz、4500～5000 Hz這3個頻段都有較大的消聲量，很好的符合了設(shè)計預(yù)期。在500，1200 Hz處附近更是達(dá)到了相應(yīng)的峰值消聲量。與單節(jié)擴張室中（L=40 mm）在800，1600 Hz處的零消聲量（見圖2）相比，串聯(lián)一個L=15 mm的擴張室消聲器后2處的消聲量有了很大的提高。這從理論分析說明了多節(jié)串聯(lián)式擴張室消聲器能解決單節(jié)擴張室消聲器存在許多通過頻率的問題，能拓寬整體消聲器的消聲頻帶，能夠有針對性的消除冰箱毛細(xì)管中產(chǎn)生的特定頻率噪聲。

圖3 雙節(jié)擴張室串聯(lián)后總消聲量的變化

本文利用Virtual.Lab Acoustic軟件的聲學(xué)仿真Harmonic FEM模塊對提出的結(jié)構(gòu)進行了模擬仿真。根據(jù)毛細(xì)管內(nèi)部流動的情況，選定流體的密度ρ為13.8 kg/m3，流體的聲速v為65 m/s。設(shè)定入口邊界條件為速度邊界條件，值為-1 m/s出口邊界條件定義為完全吸聲的特性阻抗。計算頻率范圍為0～4500 Hz，載荷步值為10 Hz。其傳遞損失可由管道入口輻射聲壓p1和管道出口輻射聲壓 p2求出［6］：

式中 TL——傳遞損失，dB

W1，W2——進、出口聲功率，W

p1，p2——進、出口輻射聲壓，Pa

Ain，Aout——管道進、出口面積，m2

將仿真得到的串聯(lián)式抗性消聲器傳遞損失與理論公式計算結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真與理論公式計算結(jié)果對比

從圖可見，在0～5300 Hz區(qū)間，模擬仿真和理論公式計算結(jié)果無論是在整體趨勢和局部趨勢，二者幾乎保持一致，誤差都在可接受的范圍內(nèi)，其中傳遞損失平均誤差僅為6.0%。細(xì)致分析，在中低頻2400 Hz以下，模擬與理論計算非常一致，表明兩種計算方法都能比較精確得出串聯(lián)式抗性消聲器的消聲效果。在2400～5300 Hz模擬與理論計算開始有差距，但整體趨勢還是比較吻合的，只有在2800 Hz左右有較大的差距。

在串聯(lián)式抗性消聲器中存在上下限失效頻率，根據(jù)失效頻率計算公式［4］：

式中 f上——消聲器上限失效頻率，Hz

D——消聲器擴張室當(dāng)量直徑，m

所計算消聲器擴張室的當(dāng)量直徑D為0.015 m，氣液兩相區(qū)的聲速c為65m/s，計算得上限失效頻率為5287Hz。當(dāng)聲音頻率超過失效頻率后，消聲量會明顯下降，在超過5300Hz后，仿真計算消聲器的消聲效果呈現(xiàn)出大幅度衰減趨勢，而理論公式計算顯示還有較大消聲效果，仿真結(jié)果很好地驗證了這一點，而理論公式則不能。這表明串聯(lián)式抗性消聲器在中高頻的消聲更復(fù)雜，在超過其失效頻率后，理論公式計算將不再適用，而仿真計算更符合實際。在消聲器的有效消聲范圍內(nèi)，經(jīng)驗公式計算具有簡單易行的優(yōu)點，計算精度也可以滿足要求，因此，在設(shè)計毛細(xì)管消聲器時，可以先用理論計算公式進行設(shè)計，而后可利用仿真模擬進行驗證和進行更為細(xì)致的分析。

4 結(jié)語

本文提出的串聯(lián)式抗性消聲器可以在毛細(xì)管的制作過程中由壓縮空氣整體拉制而成，并未增加焊點，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠且成本較低。由經(jīng)驗公式計算和聲學(xué)仿真分析可得，抗性消聲器的串聯(lián)式組合能拓寬毛細(xì)管消聲器的消聲頻帶，能有針對性的消除毛細(xì)管內(nèi)的特定頻率，有利于降低冰箱整體噪聲。由理論公式和仿真模擬的結(jié)果對比得到經(jīng)驗公式在其有效消聲頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)良好，能夠作為初始設(shè)計的計算依據(jù)，而仿真模擬可以作為其驗證方法和進行更深入的分析。

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