內(nèi)插管消聲器聲學(xué)性能的仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

陳國(guó)平 陳澎鈺 張進(jìn)男 張 旭

（1.海信家電集團(tuán)有限公司 青島 266100； 2.海信(山東)空調(diào)有限公司 青島 266100）

引言

隨著產(chǎn)品功能多樣性的增加，人們開(kāi)始轉(zhuǎn)而關(guān)注產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲性能?？照{(diào)產(chǎn)品的噪聲問(wèn)題已經(jīng)成為消費(fèi)者投訴的最主要問(wèn)題?？照{(diào)壓縮機(jī)產(chǎn)生的脈動(dòng)噪聲通過(guò)管路傳遞到室內(nèi)，嚴(yán)重影響了用戶體驗(yàn)的舒適度。而消聲器是解決管道噪聲最常用的手段[1]。消聲器根據(jù)其消聲原理可以分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復(fù)合消聲器、微穿孔板消聲器、小孔消聲器以及有源消聲器，其中抗性消聲器又稱為反射式消聲器，是利用聲波的反射疊加原理進(jìn)行消聲[2]?？剐韵暺鞲鶕?jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)又可被分為擴(kuò)張式消聲器、共振腔消聲器、干涉式消聲器等。擴(kuò)張式消聲器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，中、低頻段消聲效果好，被廣泛應(yīng)用于空調(diào)壓縮機(jī)系統(tǒng)的管道消聲領(lǐng)域[3]。

內(nèi)插管消聲器屬于擴(kuò)張消聲器的一種，它能夠有效地提升消聲器高頻處的傳遞損失曲線，被用來(lái)進(jìn)行高頻消聲。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)內(nèi)插管消聲器進(jìn)行了大量的研究，陳洪月[4]等針對(duì)消聲器內(nèi)插管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，以壓縮機(jī)工作頻段為條件，以噪聲值為優(yōu)化目標(biāo)，利用正弦函數(shù)法構(gòu)建二者之間的擬合曲線，并對(duì)內(nèi)插管長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。陸維濤[5]等計(jì)算雙腔內(nèi)插管擴(kuò)張式消聲器的傳遞損失和壓力損失，得出在640 Hz時(shí)降噪效果最好。戚美[6]等針對(duì)不同內(nèi)插長(zhǎng)度的消聲器的流場(chǎng)和聲場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得到消聲器的聲壓分布特性、傳遞損失及壓力損失，并對(duì)內(nèi)插長(zhǎng)度對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)性能的影響進(jìn)行研究。目前內(nèi)插管消聲器主要應(yīng)用于汽車行業(yè)，在家電行業(yè)應(yīng)用的研究較少，且不成體系。

本文針對(duì)擴(kuò)張式消聲器安裝內(nèi)插管后的聲學(xué)特性進(jìn)行研究，基于有限元法對(duì)內(nèi)插管消聲器的傳遞損失進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。系統(tǒng)地研究擴(kuò)張式消聲器內(nèi)插管后的傳遞損失曲線，得到內(nèi)插管消聲器的插入深度、插入方向、內(nèi)插管厚度等因素對(duì)傳遞損失的影響規(guī)律。研究結(jié)果對(duì)內(nèi)插管消聲器在抑制空調(diào)壓縮機(jī)脈動(dòng)噪聲方面的應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。

1 仿真流程設(shè)計(jì)

1.1 仿真流程

為了對(duì)內(nèi)插管消聲器的聲學(xué)傳遞損失進(jìn)行分析，建立了消聲器傳遞損失仿真流程如圖1所示。首先建立消聲器的幾何模型，消聲器傳遞損失的計(jì)算域是消聲器內(nèi)部空腔的流場(chǎng)域部分[8]，故針對(duì)聲場(chǎng)域進(jìn)行建模；由制冷劑物性查詢軟件REFPROP可得，R32冷媒的流速為210 m/s，密度為0.652 4 kg/m3；對(duì)于消聲器傳遞損失的計(jì)算，需要在出口定義一個(gè)全吸聲屬性來(lái)模擬無(wú)反射邊界；設(shè)置入口聲源作為邊界條件進(jìn)行求解，根據(jù)壓縮機(jī)傳遞音的頻率特性，設(shè)置傳遞損失的求解范圍在（0～4 000）Hz，生成傳遞損失曲線。

圖1 消聲器傳遞損失仿真流程圖

1.2 仿真安排

為了將仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以我司2127524型號(hào)消聲器為例，進(jìn)行傳遞損失的仿真計(jì)算。其出、入口直徑為9.6 mm；擴(kuò)張腔直徑為31.8 mm；有效長(zhǎng)度為170 mm。內(nèi)插管消聲器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖示參數(shù)依次代表為：①入口直徑、②出口直徑、③擴(kuò)張腔直徑、④擴(kuò)張腔長(zhǎng)度、⑤內(nèi)插管插入深度、⑥內(nèi)插管厚度。本文內(nèi)插管消聲器插入深度70 mm、內(nèi)插管厚度0.8 mm為參考，即表1仿真分析設(shè)置中的A組為參考組。

圖2 內(nèi)插管消聲器結(jié)構(gòu)圖

表1 仿真分析設(shè)置(mm)

2 仿真分析結(jié)果

2.1 內(nèi)插管對(duì)消聲性能的影響

為了得出擴(kuò)張式消聲器內(nèi)插管后對(duì)傳遞損失的影響，將相同規(guī)格的內(nèi)插管消聲器與擴(kuò)張式消聲器的傳遞損失進(jìn)行對(duì)比，即表1中的仿真A組和仿真B組，得到的傳遞損失曲線如圖3所示。由圖可以看出：相同尺寸規(guī)格的消聲器，在進(jìn)行內(nèi)插管后，傳遞損失均比擴(kuò)張式消聲器的傳遞損失大，且在某些頻率范圍內(nèi)，傳遞損失會(huì)出現(xiàn)明顯的增加，形成波峰；消聲器進(jìn)行內(nèi)插管后，其對(duì)應(yīng)的消聲曲線跨度沒(méi)有發(fā)生改變，與擴(kuò)張式消聲器的消聲曲線跨度保持一致。擴(kuò)張式消聲器內(nèi)插管后，其消聲能力會(huì)得到加強(qiáng)，這一規(guī)律能夠指導(dǎo)我們針對(duì)內(nèi)插管消聲器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并應(yīng)用在產(chǎn)品上。

圖3 內(nèi)插管消聲器與擴(kuò)張式消聲器傳遞損失對(duì)比

2.2 內(nèi)插管的插入方向?qū)ο曅阅艿挠绊?/h3>

對(duì)內(nèi)插管消聲器的插入方向?qū)鬟f損失曲線的影響進(jìn)行分析，冷媒由內(nèi)插管一側(cè)進(jìn)入消聲器即為正向、冷媒由內(nèi)插管一側(cè)流出消聲器即為反向。分別針對(duì)相同插入深度的正向和反向進(jìn)行仿真分析，得到的傳遞損失曲線如圖4所示。可以看出：正向和反向的傳遞損失曲線完全一致，說(shuō)明冷媒由何向進(jìn)入消聲器完全不影響消聲器的性能，出入口互換對(duì)內(nèi)插管消聲器傳遞損失沒(méi)有影響，故在設(shè)計(jì)內(nèi)插管消聲器時(shí)，不必進(jìn)行防呆設(shè)計(jì)，但考慮到壓縮機(jī)回油問(wèn)題，建議將內(nèi)插管安排在靠近四通閥位置。

圖4 插入方向?qū)鬟f損失的影響

2.3 內(nèi)插管厚度對(duì)傳遞損失的影響

對(duì)不同厚度內(nèi)插管進(jìn)行研究，設(shè)置內(nèi)插管厚度分別為0.5 mm、0.8 mm、1.1 mm，內(nèi)插深度為70 mm，即表1中的A、D、E組，對(duì)三種消聲器進(jìn)行仿真分析，得到傳遞損失曲線如圖5所示，由圖可以看出：三種內(nèi)插管厚度的消聲器傳遞損失變化不大，說(shuō)明內(nèi)插管的厚度對(duì)傳遞損失影響不大，故在滿足產(chǎn)品其他方面要求以及滿足加工要求的前提下，內(nèi)插管厚度選擇較薄的即可。

圖5 內(nèi)插管厚度對(duì)傳遞損失的影響

2.4 插入深度對(duì)傳遞損失的影響

針對(duì)相同尺寸規(guī)格擴(kuò)張式消聲器進(jìn)行不同深度的內(nèi)插管處理，插入深度分別為30 mm、60 mm、90 mm，即表1中的仿真F、I、L組，得到的傳遞損失曲線如圖6所示，圖中可以看出：不同深度的內(nèi)插管對(duì)應(yīng)的消聲曲線各不相同，藍(lán)色實(shí)線為內(nèi)插30 mm、紅色虛線為內(nèi)插60 mm、黑色點(diǎn)線為內(nèi)插90 mm，在（0～4 000）Hz范圍內(nèi)，藍(lán)色存在一個(gè)波峰、紅色存在兩個(gè)波峰、黑色存在三個(gè)波峰，故插入深度越深，消聲曲線的波峰越多，且插入深度越深，第一波峰的位置越靠前。

圖6 插入深度對(duì)傳遞損失的影響

為了進(jìn)一步研究?jī)?nèi)插管的插入深度對(duì)區(qū)間內(nèi)波峰的個(gè)數(shù)、第一波峰的位置、第二波峰的位置的影響，針對(duì)插入深度分別為30～150 mm（間隔10 mm）的消聲器進(jìn)行仿真，即仿真F-R組，得到插入深度對(duì)區(qū)間內(nèi)波峰個(gè)數(shù)的影響如圖7所示，由圖可以看出，隨著插入深度的增加，區(qū)間內(nèi)波峰個(gè)數(shù)也在增加，基本能夠呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，因此可以根據(jù)目標(biāo)頻率進(jìn)行內(nèi)插管深度的設(shè)計(jì)。

圖7 插入深度對(duì)區(qū)間內(nèi)波峰個(gè)數(shù)的影響

區(qū)間內(nèi)第一波峰對(duì)應(yīng)頻率如圖8所示。可以看出：隨著插入深度的增加，第一波峰對(duì)應(yīng)的頻率逐漸前移，當(dāng)插入深度達(dá)150 mm時(shí)，第一波峰對(duì)應(yīng)的頻率僅為400 Hz左右。故可根據(jù)插入深度與波峰個(gè)數(shù)、波峰頻率的關(guān)系，對(duì)內(nèi)插管消聲器的插入深度進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖8 插入深度對(duì)第一波峰的影響

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真分析得到結(jié)論的正確性，針對(duì)我司某款應(yīng)用2127524型號(hào)消聲器的室外機(jī)進(jìn)行分析，管路系統(tǒng)存在一長(zhǎng)一短兩個(gè)消聲器，長(zhǎng)消聲器為本文仿真涉及的消聲器，安裝在壓縮機(jī)排氣管，主要抑制壓縮機(jī)低頻傳遞音；短消聲器為我司2110544型消聲器，安裝在通向室內(nèi)測(cè)的E管聯(lián)機(jī)管，主要抑制壓縮機(jī)高頻傳遞音。根據(jù)內(nèi)插管可以提高消聲器某些頻率下傳遞損失的特點(diǎn)，安排實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如下：去除E管上的短消聲器，測(cè)試室內(nèi)測(cè)噪聲頻譜，獲取高頻傳遞音的目標(biāo)頻率點(diǎn)，根據(jù)插入深度與波峰位置的關(guān)系確定內(nèi)插管插入深度，內(nèi)插管消聲器安裝在室外機(jī)后，進(jìn)行噪聲復(fù)測(cè)。得到的壓縮機(jī)傳遞音的特征頻譜如圖9所示，此時(shí)壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為80 Hz，從頻譜上看，壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的2倍、3倍、4倍頻幅值較高，主觀評(píng)價(jià)存在明顯壓縮機(jī)傳遞音。根據(jù)壓縮機(jī)傳遞音的頻域分布及內(nèi)插管消聲器波峰與插入深度之間的關(guān)系，確定內(nèi)插管的插入深度后，將內(nèi)插管消聲器安裝在D管上代替擴(kuò)張式消聲器進(jìn)行復(fù)測(cè)，得到的噪聲頻譜如圖10所示，可以看出壓縮機(jī)傳遞音的特征峰值明顯降低，主觀評(píng)價(jià)也無(wú)壓縮機(jī)傳遞音。

圖9 壓縮機(jī)傳遞音特征頻譜

圖10 改善后的噪聲頻譜

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)內(nèi)插管消聲器的插入深度、插入方向、內(nèi)插管厚度等因素對(duì)傳遞損失的影響進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）內(nèi)插管消聲器的傳遞損失均要優(yōu)于擴(kuò)張式消聲器，且在某些頻率范圍，內(nèi)插管消聲器的傳遞損失會(huì)明顯增加。消聲器進(jìn)行內(nèi)插管后，其對(duì)應(yīng)的消聲曲線跨度沒(méi)有發(fā)生改變，與擴(kuò)張式消聲器的消聲曲線跨度保持一致。

2）內(nèi)插管消聲器的插入方向不會(huì)影響其傳遞損失，故在設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)需對(duì)其進(jìn)行防呆設(shè)計(jì)。

3）內(nèi)插管的壁厚對(duì)傳遞損失影響很小，故對(duì)其可以忽略不計(jì)。

4）內(nèi)插管的插入深度對(duì)傳遞損失的影響最大，可以通過(guò)合理的設(shè)計(jì)插入深度來(lái)提高某些頻率處的傳遞損失。