高頻消聲器的研究與應(yīng)用

何超

海信（廣東）空調(diào)有限公司　廣東佛山　528303

1　引言

對(duì)于氣流噪聲問題，常見的解決手段之一就是選用消聲器，根據(jù)消聲原理及結(jié)構(gòu)形式，消聲器一般可以分為抗性消聲器、阻性消聲器、阻抗復(fù)合式消聲器及排氣放空式消聲器幾種，其中，抗性消聲器是利用管道截面突變，使傳入的聲波產(chǎn)生反射和干涉，以此來降低向外輻射的聲能量，常用來解決中低頻的噪聲問題；而阻性消聲器則是通過在氣流通道內(nèi)壁上布置吸聲材料，或是設(shè)置吸聲結(jié)構(gòu)來吸收噪聲，通常對(duì)高頻噪聲的消聲效果較好。

分體式空調(diào)室外機(jī)噪聲較大，室內(nèi)機(jī)噪聲相對(duì)較小，由于內(nèi)外機(jī)通過管道相連，常常會(huì)有室外側(cè)噪聲通過連接管道傳遞到室內(nèi)側(cè)的情況，對(duì)于傳遞的氣流噪聲，主要的解決措施就是在管路上加裝消聲器?？照{(diào)管路傳遞冷媒，溫度變化范圍廣，氣流速度較大，且潔凈度要求高，一般選用的是擴(kuò)張式消聲器，即一類典型的抗性消聲器。

如前所述，擴(kuò)張式消聲器的有效消聲頻段較低，本文探討通過一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升其消聲頻率點(diǎn)，從而解決更高頻率的氣流傳遞音問題。

2　擴(kuò)張式消聲器的消聲機(jī)理

擴(kuò)張式消聲器是一種典型的抗性消聲器，其結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用廣泛。由于擴(kuò)張腔的設(shè)計(jì)，使管道界面突然擴(kuò)展、收縮，其空腔聲學(xué)性能突變，產(chǎn)生聲反射及聲阻抗失配，使某些頻率點(diǎn)的聲波在聲阻抗突變的界面處發(fā)生反射、干涉作用，從而實(shí)現(xiàn)消聲?？照{(diào)上的消聲器通常安裝在冷媒流動(dòng)的管道上，既允許氣流順利通過，又能實(shí)現(xiàn)減弱或阻止聲能傳播。圖1為擴(kuò)張式消聲器示意圖。

傳遞損失TL，定義為消聲器入射聲功率級(jí)與出口的聲功率級(jí)之差，它反映的是消聲器的固有特性，其數(shù)值大小一般用來表征消聲量的大小。在平面波的假設(shè)下進(jìn)行公式推導(dǎo)，可以得到如下計(jì)算公式：

上述公式為理想消聲器傳遞損失計(jì)算方法，其中，L為擴(kuò)張腔的長度；S1、S2分別為擴(kuò)張腔截面和出入口截面的面積；m為兩截面面積之比；k為波數(shù)，它由聲波頻率所決定，k=2πf/c，c為聲速。

由公式（1）、（3）可以發(fā)現(xiàn)，由于sinkL是周期函數(shù)，消聲量和kL（或頻率f）的關(guān)系也是周期性的，描繪TL與kL的關(guān)系，如圖2曲線所示。

進(jìn)一步分析可以得到，擴(kuò)張腔的長度影響消聲器的頻率特性，擴(kuò)張腔的截面大小則影響它有效消聲性能的發(fā)揮。具有最大消聲量的頻率fmax為：

圖1　擴(kuò)張式消聲器

圖2　TL與kL的關(guān)系曲線

圖3　普通消聲器截面示意

圖4　實(shí)際消聲器傳遞損失曲線

圖5　普通消聲器聲壓分布

圖6　偏心消聲器

圖7　偏心消聲器聲壓分布

空調(diào)上常用的消聲器如圖3所示，考慮加工性，擴(kuò)張腔與進(jìn)排氣口之間有一段縮口段。其傳遞損失曲線顯示了其在高頻段消聲量的衰減。由公式（4）可知，如果要提升高頻消聲量，就需要減小擴(kuò)張腔長度L，以使傳遞損失曲線的第一個(gè)峰值盡量接近目標(biāo)高頻（見圖4）。

過短的擴(kuò)張腔長度會(huì)帶來加工工藝方面的問題，太短的擴(kuò)張腔無法加工，例如4000Hz的異音，其擴(kuò)張腔長度小于30mm，實(shí)際開發(fā)中難以實(shí)現(xiàn)，這限制了傳統(tǒng)擴(kuò)張式消聲器的應(yīng)用范圍。

圖8　傳遞損失對(duì)比

圖9　原始噪聲頻譜

圖10　使用普通消聲器后噪聲頻譜

圖11　用偏心消聲器后噪聲頻譜

3　基于聲學(xué)有限元分析的消聲器優(yōu)化

首先對(duì)空調(diào)上廣泛使用的普通擴(kuò)張式消聲器進(jìn)行傳遞損失仿真計(jì)算，這里選取擴(kuò)張腔體及進(jìn)出口管延長段所構(gòu)成的空腔，按照聲學(xué)網(wǎng)格要求設(shè)定網(wǎng)格尺寸，進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，根據(jù)試驗(yàn)測得的冷媒物性參數(shù)，設(shè)定聲腔流體密度ρ為107kg/m3，聲速c為153.6m/s，聲阻抗ρc為16435.2kg/(m2·s)，邊界條件的定義為：入口設(shè)置為v=1m/s的單位振動(dòng)速度，出口則定義一個(gè)全吸聲屬性來模擬無反射邊界，經(jīng)過計(jì)算，提取前三個(gè)消聲峰值頻率點(diǎn)的聲壓分布，如圖5。

同等截面積情況下，入口處聲壓與出口處聲壓差值越大，消聲量就越大，從仿真云圖上看（圖5），聲壓相對(duì)大小用云圖進(jìn)行表示，入口處顏色最深，表示入口聲壓最大，出口顏色越淺，表示出口聲壓越低，這樣的入口與出口顏色深淺差異越大，消聲量越大。

從圖5中可見，隨著階次升高（即頻率升高），出口聲壓逐漸加大，傳遞損失逐漸減小，為了提升高頻消聲量，經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)的反復(fù)優(yōu)化，對(duì)擴(kuò)張腔偏心設(shè)計(jì)，可以顯著提升消聲頻率。

圖6為偏心消聲器的結(jié)構(gòu)示意圖。經(jīng)過仿真分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過偏心設(shè)計(jì)，消聲器內(nèi)聲場出現(xiàn)了明顯改變，通過選定特定的偏心尺寸，能顯著提升特定高頻段的消聲量。圖7為偏心的消聲器的聲壓分布云圖，可以看到，在高頻部分，由于偏心聲壓等值線呈現(xiàn)出傾斜狀態(tài)，排氣口位置聲壓可以出現(xiàn)在低壓等值線區(qū)間，這就表明相比入口位置，出口位置聲壓極低，消聲量變大。

以擴(kuò)張腔為40mm的消聲器為例，進(jìn)行仿真計(jì)算，圖8清晰表明，相比常用的消聲器，優(yōu)化后的消聲器在高頻段消聲量有明顯增加，個(gè)別頻率段的消聲量甚至超過低頻消聲量。

4　偏心消聲器應(yīng)用

4.1　異音診斷

出口阿聯(lián)酋的某機(jī)型，在開發(fā)階段出現(xiàn)傳遞音問題。在制熱模式室內(nèi)低風(fēng)運(yùn)行時(shí)，室內(nèi)機(jī)出現(xiàn)一高頻噪聲，而單開室內(nèi)機(jī)異音消失，由此判定此噪聲與壓縮機(jī)激勵(lì)有關(guān)。

使用B&K測試設(shè)備進(jìn)行噪聲頻譜測試，發(fā)現(xiàn)在3600Hz附近出現(xiàn)異常峰值，經(jīng)現(xiàn)場濾波回放分析，確定此頻段噪聲即為聽感上的異音，頻譜圖如圖9。

此頻段機(jī)械噪聲的可能性小，且管路無明顯振動(dòng)，通過增加結(jié)構(gòu)阻尼的措施效果不明顯，排查其他干擾因素后，結(jié)合聽覺感受，判斷為氣流噪聲，因?yàn)閺膲嚎s機(jī)源頭做出相應(yīng)調(diào)整的難度較大，需要考慮在管路上使用消聲器。

4.2　消聲器應(yīng)用

根據(jù)前述分析，若想獲得較好的消聲效果，應(yīng)盡量使目標(biāo)處在消聲器傳遞損失曲線的前幾個(gè)波峰位置，根據(jù)理論公式計(jì)算，在同時(shí)滿足加工條件下，最合適的擴(kuò)張腔長度L選擇為40mm，擴(kuò)張腔直徑D為30mm，吸排氣口外徑d為8mm，此時(shí)目標(biāo)頻率處在消聲器傳遞損失曲線的第三個(gè)波峰位置。經(jīng)測試，異音改善不明顯，即普通的擴(kuò)張式消聲器對(duì)高頻異音處理效果有限，測試頻譜如圖10所示。

在上述消聲器的基礎(chǔ)上，運(yùn)用仿真手段，以3600Hz為目標(biāo)頻率點(diǎn)，進(jìn)行偏心優(yōu)化，在擴(kuò)張腔軸線偏離吸排氣口軸線4.5mm時(shí)，獲得最佳的消聲效果，使用偏心消聲器后異音完全消除，頻譜結(jié)果如圖11。

5　結(jié)論

（1）本文通過對(duì)消聲器內(nèi)聲場的仿真解析，得到了消聲器內(nèi)聲場分布，并根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行偏心設(shè)計(jì)，使內(nèi)聲場重新分布，從而獲得較好的高頻消聲特點(diǎn)；

（2）抗性消聲器的高頻消聲性能一直是其應(yīng)用短板，本文通過巧妙的優(yōu)化，使其范圍得以拓展，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證效果明顯，這為解決變頻空調(diào)器常出現(xiàn)的高頻傳遞音問題，提供了一套新的思路。