基于Helmholtz復合消聲器改善空調冷媒傳遞異音研究

張良 吳彥東

摘要：噪音大是很多家電消費者投訴的焦點，振動與噪聲成為靜音家電產品質量控制的重要指標。消聲器廣泛應用于空調壓縮機和管路系統(tǒng)，以此來降低噪聲和振動的傳遞。本文研究了一種復合式的消聲器，由膨脹腔消聲器和Helmholtz消聲器組合而成，兩者合理匹配組合可以實現(xiàn)寬頻消聲降噪。本文分別分析了膨脹腔消聲器和Helmholtz共振消聲器傳遞損失的理論計算模型，并對各自的影響參數(shù)進行了分析。然后通過仿真方法驗證了四種不同連接管直徑的復合式消聲器的降噪效果。最后將復合式消聲器安裝在空調管路中，開展整機實驗，對降噪效果進行了驗證。

關鍵詞：傳遞損失? 復合消聲器? 低頻消聲 冷媒傳遞異音

1 引言

近些年，隨著居民生活水平的提高，消費者消費升級的市場需求也很旺盛，各大家電企業(yè)產品更新?lián)Q代的速度越來越快，如何提高家電的性能與體驗是各大企業(yè)共同追求的目標。

奧維云網的大數(shù)據顯示，噪音大是很多家電消費者投訴的焦點。所以靜音家電成為各大企業(yè)研發(fā)的重要方向，也是產品最有競爭力的標簽。靜音技術成為家電行業(yè)重要的研究方向，靜音產品對工作模式下的噪音提出了更高的要求。家電產品的振動與噪聲成為靜音家電產品質量控制的重要指標。通過安裝一些消聲裝置，可以有效的控制噪音的傳遞[1-2]。消聲器廣泛應用于空調壓縮機和管路系統(tǒng)，以此來降低噪聲和振動的傳遞[3-6]。

壓縮機的冷媒脈動傳遞到室內機，引起室內機零件的共振，從而產生室內異音，稱之為冷媒傳遞異音。目前關于壓縮機冷媒傳遞異音主要通過在室外機配管上加消聲器來減弱或消除。傳統(tǒng)的膨脹腔消聲器在空調管路中被廣泛使用，這類消聲器的消聲機理可以參考現(xiàn)有文獻[7]。但是膨脹腔消聲器主要用來消除中高頻的冷媒脈動和噪聲，如果要消除低頻噪聲，這種消聲器的膨脹腔就會比較長，需要的空間比較大。另外傳統(tǒng)的膨脹腔消聲器，其傳遞損失曲線具有周期性，在通過頻率處沒有消聲效果[8]。

本文研究了一種復合式的消聲器，由膨脹腔消聲器和Helmholtz消聲器組合而成。膨脹腔消聲器具有成本低廉的優(yōu)點，對于中高頻噪聲具有較好的降噪效果。helmholtz共振消聲器結構簡單，主要適用于消除中低頻噪聲。兩者合理匹配組合可以實現(xiàn)寬頻消聲降噪。首先分別分析了膨脹腔消聲器和Helmholtz共振消聲器傳遞損失的理論計算模型，并對各自的影響參數(shù)進行了分析。然后通過仿真方法驗證了四種不同連接管直徑的復合式消聲器的降噪效果。最后將復合式消聲器安裝在空調管路中，開展整機實驗，對降噪效果進行了驗證。

2 復合消聲器的理論分析

2.1 基本假設

為建立聲波傳遞的波動方程，需要進行如下的假設和簡化：（1）介質為理想流體，無黏滯性，聲波在介質中傳播沒有能量損耗;（2）聲傳播是絕熱過程，與外界不存在熱交換;（3）介質中傳播的是小振幅聲波，介質中各種聲場參數(shù)都是一階微量，可以用線形波動方程來描述。

2.2? 膨脹腔消聲器傳遞損失的理論計算

膨脹腔消聲器通常由一個進氣管、一個出氣管和一個空腔組成，進氣管和出氣管位于空腔的兩側，位于同一軸線上，如圖1所示

膨脹腔消聲器的傳遞損失為

（1）

其中，為膨脹比，傳統(tǒng)膨脹腔的傳遞損失是頻率、膨脹腔長度和膨脹比的函數(shù)。傳統(tǒng)膨脹腔的傳遞損失存在周期性的通過頻率，在此頻率下傳遞損失為零。

2.3 Helmholtz消聲器傳遞損失的理論計算

Helmholtz消聲器實際上是共振吸聲結構的一種應用。該消聲器的形式是利用管道開孔與共振腔相連接，利用小孔處的空氣柱和空腔內的空氣構成了彈性共振系統(tǒng)，當外界噪聲頻率和此共振系統(tǒng)的固有頻率相同時，小孔中的空氣柱發(fā)生共振并與孔壁發(fā)生劇烈摩擦，摩擦可以消耗聲能，從而達到消聲的目的。

Helmholtz消聲器的傳遞損失計算公式為[9]

（2）

其中

（3）

由公式（2）和（3）可知，影響Helmholtz消聲器的消聲頻率和傳遞損失的參數(shù)有容器的容積、連接管道的長度、連接管道截面面積和主管的截面面積。傳遞損失還取決于消聲器的頻率，其峰值在共振頻率處，但是傳遞損失和消聲容積的形狀沒有關系。

3 復合消聲器的關鍵參數(shù)分析

由本文上節(jié)的分析可知，傳統(tǒng)膨脹腔的傳遞損失是頻率、膨脹腔長度和膨脹比的函數(shù)。Helmholtz消聲器的傳遞損失容器的容積、連接管道的長度、連接管道截面面積和主管的截面面積和頻率的函數(shù)。

3.1 傳統(tǒng)膨脹腔消聲器的傳遞損失

3.1.1 擴張比對傳遞損失的影響

固定膨脹腔的長度，觀察擴張比對傳遞損失的影響。假設，圖3為傳遞損失隨著值變化的曲線。

由公式（1）和圖3可知，當擴張比增大的時候，傳遞損失就增加。增加擴張比的途徑有兩條：1.增加擴張腔的截面面積;2.減小管道的截面面積。

3.1.2 膨脹腔長度對傳遞損失的影響

固定膨脹腔的擴張比，觀察膨脹腔長度對傳遞損失的影響。假設，圖4為 時的曲線。

由公式（1）和圖4可知，當膨脹腔長度變化時，傳遞損失的幅值不變，但其最大值和最小值對應的頻率卻改變了。所以傳遞損失的最大值只是擴張比的函數(shù)，當膨脹腔的擴張比固定時，傳遞損失的最大值也隨之固定了。

3.2 復合式消聲器的傳遞損失

3.2.1? 容積對復合消聲器傳遞損失的影響

連接管的長度，截面直徑為，主管道直徑為，改變容器的容積分別為。

由公式（2）和圖4可知，當容積增大時共振頻率降低，但其幅值變化卻沒有規(guī)律。

3.2.2? 連接管道截面對復合消聲器傳遞損失的影響

連接管的長度，截面直徑為，容器的容積，連接管的直徑分別為。

由公式（2）和圖5可知，傳遞損失最大值所對應的頻率是隨著截面積增加而增加的，但其幅值變化卻沒有規(guī)律。

3.2.3? 連接管道長度對復合消聲器傳遞損失的影響

截面直徑為，主管道直徑為，容器的容積，連接管的長度分別為。

由公式（2）和圖6可知，傳遞損失最大值所對應的頻率是隨著連接管的長度增加而減小的，但其幅值變化卻沒有規(guī)律。

3.2.4? 主管道直徑對復合消聲器傳遞損失的影響

假設截面直徑為，容器的容積，連接管的長度，主管道直徑分別為。

從公式（3）可知，共振頻率與主管道的截面面積沒有關系，而由公式（2）可知，當主管道截面面積增加時，傳遞損失減少。由圖7可知，當主管直徑增加時，其傳遞損失的幅值降低，頻帶也變窄，但對應的頻率不變。

4 復合消聲器的效果的驗證

針對某平臺空調壓縮機噪音的頻譜特性，依據本文的研究結果，設計了一款新型復合結構消聲器，由膨脹腔消聲器和Helmholtz消聲器組合而成，兩者合理匹配組合可以實現(xiàn)寬頻消聲降噪。本節(jié)對這款新型復合消聲器的效果進行驗證。

4.1 復合消聲器的效果仿真分析

脹腔消聲器與Helmholtz共振消聲器組成的復合消聲器具有多種結構形式。本文考慮到消聲器的安裝空間，本文設計的復合消聲器采用彎管連接膨脹腔與Helmholtz消聲器，結構形式如圖8所示。

本文針對不同連接管直徑：3.5mm、4.5mm、4.8mm和5.0mm，分別設計了共振頻率為140Hz的消聲器結構，從圖9的仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，在140Hz附近，消聲器具有良好的消聲效果。

4.2 復合消聲器的安裝位置

復合式消聲器安裝在空調外機四通閥的出氣端，在噪聲源的前段進行消聲處理，能夠最大限度的減少后端管路傳遞的噪音，也能避免后端管路由于噪聲過大和壓力脈動過大而引起的管路疲勞問題，可以有效提高管路的壽命和可靠性。

4.3復合消聲器的實驗驗證效果

空調器室外機與室內機是通過配管和冷媒連接而成的統(tǒng)一體，室外機一方面可以通過配管和冷媒將振動傳入室內側，通過鈑金、配管、蒸發(fā)器或者其它零部件振動后產生噪音，另一方面也可以以銅管或者冷媒為媒介直接將外機噪音傳入室內側。

某平臺空調在制熱模式下存在明顯的間歇周期性低頻冷媒傳遞異音。因為制熱模式下，經壓縮機間歇周期性壓縮后，高壓氣態(tài)冷媒首先進入室內機，因為配管振動并不大，振幅不到15um，因此這種傳遞噪音可能是室外機通過氣態(tài)冷媒傳入室內側，并經室內機放大的壓縮機低頻冷媒傳遞異音。

本文研究了低風制熱模式下室內機噪聲，實驗結果如下圖所示：

從圖11可以看出，復合消聲器可以有效的降低低風制熱模式下室內機的傳遞噪音，尤其是在低頻段，降噪效果很明顯。室內機側聽感良好，無明顯冷媒傳遞異音，能夠有效提升產品的用戶體驗。

5 結論

本文基于理論和仿真的分析方法，研究了一種復合消聲器的消聲機理。針對某一空調壓縮機傳遞噪音的特性，設計了一款消聲器安裝在空調管路中，通過開展整機實驗驗證了消聲器的有效性。

本文得到以下結論：

1、傳統(tǒng)膨脹腔的傳遞損失是頻率、膨脹腔長度和膨脹比的函數(shù)。Helmholtz消聲器的傳遞損失容器的容積、連接管道的長度、連接管道截面面積和主管的截面面積和頻率的函數(shù)。。

2、本文研究了一款新型復合結構消聲器，由膨脹腔消聲器和Helmholtz消聲器組合而成，兩者合理匹配組合可以實現(xiàn)寬頻消聲降噪。

3、復合消聲器可以有效的降低低風制熱模式下室內機的傳遞噪音，尤其是在低頻段，降噪效果很明顯，室內機側聽感良好，無明顯冷媒傳遞異音。

參考文獻

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通信作者簡介：張良，男，1988年3月生，畢業(yè)于中國科學院力學研究所工程力學專業(yè)，博士學位?，F(xiàn)任廣東美的暖通設備有限公司主任工程師，主要從事振動噪聲和結構動力學研究工作。