內插管消聲器聲學性能的仿真分析與實驗驗證

陳國平 陳澎鈺 張進男 張 旭

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

引言

隨著產品功能多樣性的增加，人們開始轉而關注產品的振動噪聲性能。空調產品的噪聲問題已經成為消費者投訴的最主要問題。空調壓縮機產生的脈動噪聲通過管路傳遞到室內，嚴重影響了用戶體驗的舒適度。而消聲器是解決管道噪聲最常用的手段[1]。消聲器根據其消聲原理可以分為阻性消聲器、抗性消聲器、阻抗復合消聲器、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行消聲[2]。抗性消聲器根據其結構特點又可被分為擴張式消聲器、共振腔消聲器、干涉式消聲器等。擴張式消聲器因其結構簡單，價格低廉，中、低頻段消聲效果好，被廣泛應用于空調壓縮機系統的管道消聲領域[3]。

內插管消聲器屬于擴張消聲器的一種，它能夠有效地提升消聲器高頻處的傳遞損失曲線，被用來進行高頻消聲。國內外學者針對內插管消聲器進行了大量的研究，陳洪月[4]等針對消聲器內插管的結構參數進行數值模擬，以壓縮機工作頻段為條件，以噪聲值為優化目標，利用正弦函數法構建二者之間的擬合曲線，并對內插管長度進行優化。陸維濤[5]等計算雙腔內插管擴張式消聲器的傳遞損失和壓力損失，得出在640 Hz時降噪效果最好。戚美[6]等針對不同內插長度的消聲器的流場和聲場進行仿真分析，得到消聲器的聲壓分布特性、傳遞損失及壓力損失，并對內插長度對空氣動力學性能的影響進行研究。目前內插管消聲器主要應用于汽車行業，在家電行業應用的研究較少，且不成體系。

本文針對擴張式消聲器安裝內插管后的聲學特性進行研究，基于有限元法對內插管消聲器的傳遞損失進行數值計算。系統地研究擴張式消聲器內插管后的傳遞損失曲線，得到內插管消聲器的插入深度、插入方向、內插管厚度等因素對傳遞損失的影響規律。研究結果對內插管消聲器在抑制空調壓縮機脈動噪聲方面的應用具有指導性意義。

1 仿真流程設計

1.1 仿真流程

為了對內插管消聲器的聲學傳遞損失進行分析，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算域是消聲器內部空腔的流場域部分[8]，故針對聲場域進行建模；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；對于消聲器傳遞損失的計算，需要在出口定義一個全吸聲屬性來模擬無反射邊界；設置入口聲源作為邊界條件進行求解，根據壓縮機傳遞音的頻率特性，設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

為了將仿真數據與實驗相結合，以我司2127524型號消聲器為例，進行傳遞損失的仿真計算。其出、入口直徑為9.6 mm；擴張腔直徑為31.8 mm；有效長度為170 mm。內插管消聲器的結構如圖2所示，圖示參數依次代表為：①入口直徑、②出口直徑、③擴張腔直徑、④擴張腔長度、⑤內插管插入深度、⑥內插管厚度。本文內插管消聲器插入深度70 mm、內插管厚度0.8 mm為參考，即表1仿真分析設置中的A組為參考組。

圖2 內插管消聲器結構圖

表1 仿真分析設置(mm)

2 仿真分析結果

2.1 內插管對消聲性能的影響

為了得出擴張式消聲器內插管后對傳遞損失的影響，將相同規格的內插管消聲器與擴張式消聲器的傳遞損失進行對比，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：相同尺寸規格的消聲器，在進行內插管后，傳遞損失均比擴張式消聲器的傳遞損失大，且在某些頻率范圍內，傳遞損失會出現明顯的增加，形成波峰；消聲器進行內插管后，其對應的消聲曲線跨度沒有發生改變，與擴張式消聲器的消聲曲線跨度保持一致。擴張式消聲器內插管后，其消聲能力會得到加強，這一規律能夠指導我們針對內插管消聲器進行開發，并應用在產品上。

圖3 內插管消聲器與擴張式消聲器傳遞損失對比

2.2 內插管的插入方向對消聲性能的影響

對內插管消聲器的插入方向對傳遞損失曲線的影響進行分析，冷媒由內插管一側進入消聲器即為正向、冷媒由內插管一側流出消聲器即為反向。分別針對相同插入深度的正向和反向進行仿真分析，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，說明冷媒由何向進入消聲器完全不影響消聲器的性能，出入口互換對內插管消聲器傳遞損失沒有影響，故在設計內插管消聲器時，不必進行防呆設計，但考慮到壓縮機回油問題，建議將內插管安排在靠近四通閥位置。

圖4 插入方向對傳遞損失的影響

2.3 內插管厚度對傳遞損失的影響

對不同厚度內插管進行研究，設置內插管厚度分別為0.5 mm、0.8 mm、1.1 mm，內插深度為70 mm，即表1中的A、D、E組，對三種消聲器進行仿真分析，得到傳遞損失曲線如圖5所示，由圖可以看出：三種內插管厚度的消聲器傳遞損失變化不大，說明內插管的厚度對傳遞損失影響不大，故在滿足產品其他方面要求以及滿足加工要求的前提下，內插管厚度選擇較薄的即可。

圖5 內插管厚度對傳遞損失的影響

2.4 插入深度對傳遞損失的影響

針對相同尺寸規格擴張式消聲器進行不同深度的內插管處理，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：不同深度的內插管對應的消聲曲線各不相同，藍色實線為內插30 mm、紅色虛線為內插60 mm、黑色點線為內插90 mm，在（0～4 000）Hz范圍內，藍色存在一個波峰、紅色存在兩個波峰、黑色存在三個波峰，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 插入深度對傳遞損失的影響

為了進一步研究內插管的插入深度對區間內波峰的個數、第一波峰的位置、第二波峰的位置的影響，針對插入深度分別為30～150 mm（間隔10 mm）的消聲器進行仿真，即仿真F-R組，得到插入深度對區間內波峰個數的影響如圖7所示，由圖可以看出，隨著插入深度的增加，區間內波峰個數也在增加，基本能夠呈現一種線性關系，因此可以根據目標頻率進行內插管深度的設計。

圖7 插入深度對區間內波峰個數的影響

區間內第一波峰對應頻率如圖8所示。可以看出：隨著插入深度的增加，第一波峰對應的頻率逐漸前移，當插入深度達150 mm時，第一波峰對應的頻率僅為400 Hz左右。故可根據插入深度與波峰個數、波峰頻率的關系，對內插管消聲器的插入深度進行設計。

圖8 插入深度對第一波峰的影響

3 實驗驗證

為了驗證仿真分析得到結論的正確性，針對我司某款應用2127524型號消聲器的室外機進行分析，管路系統存在一長一短兩個消聲器，長消聲器為本文仿真涉及的消聲器，安裝在壓縮機排氣管，主要抑制壓縮機低頻傳遞音；短消聲器為我司2110544型消聲器，安裝在通向室內測的E管聯機管，主要抑制壓縮機高頻傳遞音。根據內插管可以提高消聲器某些頻率下傳遞損失的特點，安排實驗驗證如下：去除E管上的短消聲器，測試室內測噪聲頻譜，獲取高頻傳遞音的目標頻率點，根據插入深度與波峰位置的關系確定內插管插入深度，內插管消聲器安裝在室外機后，進行噪聲復測。得到的壓縮機傳遞音的特征頻譜如圖9所示，此時壓縮機運行頻率為80 Hz，從頻譜上看，壓縮機運行頻率的2倍、3倍、4倍頻幅值較高，主觀評價存在明顯壓縮機傳遞音。根據壓縮機傳遞音的頻域分布及內插管消聲器波峰與插入深度之間的關系，確定內插管的插入深度后，將內插管消聲器安裝在D管上代替擴張式消聲器進行復測，得到的噪聲頻譜如圖10所示，可以看出壓縮機傳遞音的特征峰值明顯降低，主觀評價也無壓縮機傳遞音。

圖9 壓縮機傳遞音特征頻譜

圖10 改善后的噪聲頻譜

4 結論

通過對內插管消聲器的插入深度、插入方向、內插管厚度等因素對傳遞損失的影響進行分析，得出以下結論：

1）內插管消聲器的傳遞損失均要優于擴張式消聲器，且在某些頻率范圍，內插管消聲器的傳遞損失會明顯增加。消聲器進行內插管后，其對應的消聲曲線跨度沒有發生改變，與擴張式消聲器的消聲曲線跨度保持一致。

2）內插管消聲器的插入方向不會影響其傳遞損失，故在設計過程中，無需對其進行防呆設計。

3）內插管的壁厚對傳遞損失影響很小，故對其可以忽略不計。

4）內插管的插入深度對傳遞損失的影響最大，可以通過合理的設計插入深度來提高某些頻率處的傳遞損失。