空調(diào)器排氣管消音器的選型設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李宗攀　楊曉　孫龍　管麗萍

青島海爾空調(diào)器有限總公司　山東青島　266000

1　引言

一般情況下，空調(diào)器噪音的來(lái)源主要有兩個(gè)方面，一是正常范圍內(nèi)的空調(diào)噪音，二是異常噪音。由于空調(diào)器內(nèi)在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的原因，正常噪音是無(wú)法消除和避免的，在一定的噪音范圍內(nèi)不會(huì)影響空調(diào)的舒適度[1]。但是空調(diào)設(shè)計(jì)者可以通過(guò)技術(shù)的改進(jìn)減小空調(diào)正常噪音，不斷提高空調(diào)的舒適度。異常噪音主要是由于空調(diào)設(shè)計(jì)不合理以及其他人為原因造成的，這種異常噪音是可以避免和消除的?？照{(diào)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的異常噪音主要有：風(fēng)扇和風(fēng)道設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的異常噪音；電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁噪音；管路設(shè)計(jì)不合理產(chǎn)生的壓縮機(jī)噪音；裝置控制不科學(xué)導(dǎo)致的異常噪音；外部機(jī)器共振形成的噪音，以及本文要研究的壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈動(dòng)“嗡嗡”聲。上述異常噪音可以通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及技術(shù)改進(jìn)減小，而壓縮機(jī)的傳響一直沒(méi)有得到解決，直接影響到空調(diào)器的品質(zhì)。

空調(diào)器產(chǎn)生“嗡嗡”聲的原因主要有：空調(diào)器本身運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)共振產(chǎn)生的“嗡嗡”聲；壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷媒在管路系統(tǒng)內(nèi)的壓力以一定的頻率激勵(lì)管路系統(tǒng)而產(chǎn)生的脈動(dòng)“嗡嗡”聲。對(duì)于共振產(chǎn)生的“嗡嗡”聲可以通過(guò)改變空調(diào)器本身結(jié)構(gòu)固有頻率（如改變管路配重）來(lái)改善，而壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈動(dòng)“嗡嗡”聲則需要找出脈動(dòng)頻率尖峰，再通過(guò)消除脈動(dòng)頻率尖峰來(lái)消除。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用頻譜分析技術(shù)，分離出壓縮機(jī)傳響對(duì)應(yīng)的頻率，探明“嗡嗡”聲產(chǎn)生的根源，進(jìn)而根據(jù)分離出來(lái)的頻率頻段，提出在排氣管上設(shè)置適宜的消音器技術(shù)方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)研究表明，該方法切實(shí)有效，極大地改善空調(diào)器的聲音品質(zhì)。

2　消音器的選型設(shè)計(jì)

消音器的種類很多，如圖1所示，主要分為三大類，阻性消音器、抗性消音器和復(fù)合式消音器等。阻性消音器是一種吸收型消音器，它是利用聲波在多孔性吸聲材料中傳播時(shí)，因摩擦將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而散發(fā)掉的原理，達(dá)到消音的目的?？剐韵羝髋c阻性消音器不同，它不使用吸聲材料，而是依靠管道截面的突變或連接共振腔等在聲音傳播過(guò)程中引起阻抗的改變而產(chǎn)生聲能的反射、干涉及共振吸聲來(lái)降低消音器向外輻射的聲能，達(dá)到消音的目的。從能量轉(zhuǎn)換角度看，阻性消音器采用的是能量轉(zhuǎn)換（即通過(guò)做功將聲能轉(zhuǎn)換成熱能）的方法以降低消音器出口處聲音的能量，而抗性消音器則是利用聲能轉(zhuǎn)移的方法以降低消音器出口處聲音的能量。由于吸聲材料的價(jià)格不低，阻性消音器的成本遠(yuǎn)高于抗性消音器，故目前空調(diào)器廣泛使用抗性消音器。

目前空調(diào)制冷系統(tǒng)中最常用的消音器是膨脹式消音器，即擴(kuò)張室式消音器，其主要參數(shù)是消音器的長(zhǎng)度和擴(kuò)張比。

單節(jié)擴(kuò)張室式消音器的傳聲損失為[2]：

λ——脈動(dòng)噪音的波長(zhǎng)，單位m；

l——消音器長(zhǎng)度，單位m；

m——消音器的擴(kuò)張比，m=s2/s1；

s1——連接管截面面積；

s2——擴(kuò)張室截面面積。

根據(jù)（1）式可知，管道截面收縮m倍或擴(kuò)張m倍，其消音作用是相同的，工程中為減小氣流阻力，常用的是擴(kuò)張管。當(dāng)kl=(2n+1)π/2時(shí)，sin(kl)=1，此時(shí)消音量達(dá)最大值，即最大消音量為：

此時(shí)，由kl=(2n+1)π/2可以得出消音器長(zhǎng)度一般計(jì)算公式，將k=2π/λ代入可得消音器長(zhǎng)度計(jì)算公式：

式中：c——脈動(dòng)噪音在冷媒中的傳播速度，單位m/s；

在公式（3）中n=0時(shí)，消音器長(zhǎng)度的常用計(jì)算公式為：

由公式（3）和公式（4）不難理解根據(jù)公式（4）計(jì)算消音器長(zhǎng)度的1、3、5、7等奇數(shù)倍可以起到相同的消音效果。

根據(jù)公式（3）和公式（4）計(jì)算消音器長(zhǎng)度，則需要確定脈動(dòng)聲波的音速c和頻率f。頻率f可通過(guò)頻譜分析確定，即噪聲功率譜上噪聲異常點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值?？照{(diào)“傳響”現(xiàn)象往往發(fā)生在低溫制熱工況，壓機(jī)排出高溫高壓的氣體先進(jìn)入室內(nèi)換熱器進(jìn)行冷凝，冷媒在由室外進(jìn)入室內(nèi)的過(guò)程中完全是氣體。根據(jù)流體力學(xué)可知[3]，氣體音速c可按如下公式計(jì)算：

式中：K——制冷劑的比熱比；

CP——制冷劑的定壓比熱，單位kJ/(kg·℃)，根據(jù)表1選擇；

圖1　消音器的分類

圖2　單節(jié)擴(kuò)張式消音器

表1　R410A熱力計(jì)算物理性質(zhì)參數(shù)表（摘錄部分）

表2　消音器規(guī)格種類匯總分類表

圖3　空調(diào)器加消音器前的噪聲頻譜

圖4　空調(diào)器加消音器后的噪聲頻譜

CV——制冷劑的定容比熱，單位kJ/(kg·℃)，根據(jù)表1選擇；

P——制冷劑的絕對(duì)壓力，單位Pa，根據(jù)表1選擇；

ρ——制冷劑的密度，單位kg/m3，根據(jù)表1選擇。

3　消音器的應(yīng)用實(shí)例

由于管路激勵(lì)而產(chǎn)生的脈動(dòng)噪音不能通過(guò)阻尼減振的辦法來(lái)降低，只有通過(guò)優(yōu)化的管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者選擇合適的消音器來(lái)消除或減弱壓力脈動(dòng)噪音。

某款分體式空調(diào)器低溫制熱運(yùn)行時(shí)，當(dāng)室外機(jī)壓機(jī)頻率低于80Hz時(shí)，聲音品質(zhì)較好，當(dāng)室外機(jī)壓機(jī)頻率達(dá)到90Hz以上時(shí)，可明顯聽到“嗡嗡”聲，且此“嗡嗡”聲通過(guò)冷媒循環(huán)傳入室內(nèi)側(cè)，使室內(nèi)側(cè)噪音品質(zhì)也很差。通過(guò)在室外機(jī)管路上配減振膠泥塊，“嗡嗡”聲不能消除，基本可以判定壓機(jī)周期性排氣引起的壓力脈沖是“嗡嗡”聲的噪聲來(lái)源。在半消音室測(cè)試空調(diào)器室內(nèi)側(cè)噪聲功率頻譜如圖3所示，從圖3可知，壓力脈動(dòng)頻率在888.7Hz處有最高噪聲峰值41.2dB(A)。在整體配管基本定型的前提下，通過(guò)選取合適的消音器來(lái)消除此異常音。

空調(diào)器在低溫制熱工況下運(yùn)行，壓機(jī)排出的高溫高壓氣體進(jìn)入室內(nèi)機(jī)換熱器進(jìn)行冷凝，冷凝溫度為49℃，根據(jù)冷凝溫度查表1可知R410A相對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)，由于進(jìn)入室內(nèi)側(cè)的是氣體冷媒，故選取氣體對(duì)應(yīng)的參數(shù)。由表1可知：ρ=136.643kg/m3，P=3.102×106Pa，注意制冷劑的絕對(duì)壓力等于大氣壓力加上相對(duì)壓力（表壓），即飽和壓力基礎(chǔ)加上大氣壓力1.01×105Pa，CV=1.040kJ/(kg·℃)，CP=2.326kJ/(kg·℃)。根據(jù)上述參數(shù)，由公式（5）和公式（6）可計(jì)算出脈動(dòng)噪音的音速c為：

根據(jù)公式（4）可計(jì)算出消除888.7Hz脈動(dòng)噪音對(duì)應(yīng)消聲器長(zhǎng)度l為：

取消音器長(zhǎng)度l=60mm，擴(kuò)張比m越大，消音器的消聲量也越大，但考慮到消音器安裝空間限制和成本因素，選取消音器擴(kuò)張室直徑為Φ30mm，排氣管徑為Φ7.92mm，則擴(kuò)張比m=14.35，所以最終選取消音器規(guī)格為長(zhǎng)度l=60mm，擴(kuò)張比m=14.35。將該規(guī)格的消音器安裝在排氣管后，測(cè)試空調(diào)器室內(nèi)側(cè)噪聲功率頻譜如圖4所示，由圖4可知，壓力脈動(dòng)頻率在888.7Hz處噪聲值降為19.6dB(A)，即安裝消音器后該頻率對(duì)應(yīng)的噪聲值降低了21.6dB(A)，“嗡嗡”聲消除，聲音品質(zhì)獲得很大改善，空調(diào)器整體噪聲也下降1.5dB(A)。將消音器擴(kuò)張比m=14.35代入公式（2）可得消音器的最大消聲量為：

顯然，實(shí)際消音量21.6dB(A)很接近最大消聲量LTLmax=23.12dB(A)，說(shuō)明消音器規(guī)格選型設(shè)計(jì)比較合適。

空調(diào)器的使用環(huán)境是非常復(fù)雜的，不同的工況制冷系統(tǒng)的脈動(dòng)壓力不一樣，即空調(diào)器在不同的環(huán)境下脈動(dòng)噪聲頻率是不一樣的。此時(shí)空調(diào)器有許多脈動(dòng)噪聲頻率需要消除，但因?yàn)榭照{(diào)器室外機(jī)空間限制和成本因素都不允許，不可能每個(gè)脈動(dòng)噪聲頻率都設(shè)計(jì)一個(gè)消音器。以某款分體式空調(diào)器為例，依次找出不同工況下的脈動(dòng)噪音頻率，并計(jì)算相對(duì)應(yīng)的消聲器長(zhǎng)度，然后將消音器長(zhǎng)度相接近歸為一組，這樣可以盡可能減少消音器規(guī)格的種類，消音器規(guī)格種類匯總分類如表2。

由表2可知，脈動(dòng)噪聲頻率有8個(gè)，但是消音器規(guī)格進(jìn)行匯總分類后，發(fā)現(xiàn)只需要3個(gè)消音器規(guī)格l=55mm、l=50mm和l=40mm就可以對(duì)8個(gè)脈動(dòng)噪聲頻率進(jìn)行消除或減弱。

4　小結(jié)

（1）空調(diào)器壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈動(dòng)“嗡嗡”聲，利用頻譜分析技術(shù)，可以探明其尖峰頻率，然后根據(jù)尖峰頻率通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，得出消音器的規(guī)格，并在排氣管上增加消音器來(lái)消除脈動(dòng)“嗡嗡”聲。

（2）擴(kuò)張室式消音器在空調(diào)系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在減振降噪方面發(fā)揮著重要作用。在不改變制冷系統(tǒng)管路的前提下，降低空調(diào)器制冷系統(tǒng)壓力脈動(dòng)噪聲的有效方法是設(shè)計(jì)合適的消聲器。

（3）當(dāng)有多個(gè)脈動(dòng)噪聲頻率時(shí)，依次計(jì)算出各自對(duì)應(yīng)的消音器長(zhǎng)度，然后進(jìn)行匯總分類，將長(zhǎng)度相接近的消音器歸為一組，盡可能減少消音器規(guī)格種類。