空調器排氣管消音器的選型設計與應用

李宗攀　楊曉　孫龍　管麗萍

青島海爾空調器有限總公司　山東青島　266000

1　引言

一般情況下，空調器噪音的來源主要有兩個方面，一是正常范圍內的空調噪音，二是異常噪音。由于空調器內在設計結構的原因，正常噪音是無法消除和避免的，在一定的噪音范圍內不會影響空調的舒適度[1]。但是空調設計者可以通過技術的改進減小空調正常噪音，不斷提高空調的舒適度。異常噪音主要是由于空調設計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。空調運行過程中產生的異常噪音主要有：風扇和風道設計不合理產生的異常噪音；電機運轉產生的電磁噪音；管路設計不合理產生的壓縮機噪音；裝置控制不科學導致的異常噪音；外部機器共振形成的噪音，以及本文要研究的壓縮機運轉產生的脈動“嗡嗡”聲。上述異常噪音可以通過合理的結構設計以及技術改進減小，而壓縮機的傳響一直沒有得到解決，直接影響到空調器的品質。

空調器產生“嗡嗡”聲的原因主要有：空調器本身運轉時共振產生的“嗡嗡”聲；壓縮機運轉時冷媒在管路系統內的壓力以一定的頻率激勵管路系統而產生的脈動“嗡嗡”聲。對于共振產生的“嗡嗡”聲可以通過改變空調器本身結構固有頻率（如改變管路配重）來改善，而壓縮機運轉產生的脈動“嗡嗡”聲則需要找出脈動頻率尖峰，再通過消除脈動頻率尖峰來消除。

針對上述問題，本文利用頻譜分析技術，分離出壓縮機傳響對應的頻率，探明“嗡嗡”聲產生的根源，進而根據分離出來的頻率頻段，提出在排氣管上設置適宜的消音器技術方案，優化設計。實驗研究表明，該方法切實有效，極大地改善空調器的聲音品質。

2　消音器的選型設計

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，因摩擦將聲能轉化為熱能而散發掉的原理，達到消音的目的。抗性消音器與阻性消音器不同，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程中引起阻抗的改變而產生聲能的反射、干涉及共振吸聲來降低消音器向外輻射的聲能，達到消音的目的。從能量轉換角度看，阻性消音器采用的是能量轉換（即通過做功將聲能轉換成熱能）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。由于吸聲材料的價格不低，阻性消音器的成本遠高于抗性消音器，故目前空調器廣泛使用抗性消音器。

目前空調制冷系統中最常用的消音器是膨脹式消音器，即擴張室式消音器，其主要參數是消音器的長度和擴張比。

單節擴張室式消音器的傳聲損失為[2]：

λ——脈動噪音的波長，單位m；

l——消音器長度，單位m；

m——消音器的擴張比，m=s2/s1；

s1——連接管截面面積；

s2——擴張室截面面積。

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

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

式中：c——脈動噪音在冷媒中的傳播速度，單位m/s；

在公式（3）中n=0時，消音器長度的常用計算公式為：

由公式（3）和公式（4）不難理解根據公式（4）計算消音器長度的1、3、5、7等奇數倍可以起到相同的消音效果。

根據公式（3）和公式（4）計算消音器長度，則需要確定脈動聲波的音速c和頻率f。頻率f可通過頻譜分析確定，即噪聲功率譜上噪聲異常點對應的頻率值。空調“傳響”現象往往發生在低溫制熱工況，壓機排出高溫高壓的氣體先進入室內換熱器進行冷凝，冷媒在由室外進入室內的過程中完全是氣體。根據流體力學可知[3]，氣體音速c可按如下公式計算：

式中：K——制冷劑的比熱比；

CP——制冷劑的定壓比熱，單位kJ/(kg·℃)，根據表1選擇；

圖1　消音器的分類

圖2　單節擴張式消音器

表1　R410A熱力計算物理性質參數表（摘錄部分）

表2　消音器規格種類匯總分類表

圖3　空調器加消音器前的噪聲頻譜

圖4　空調器加消音器后的噪聲頻譜

CV——制冷劑的定容比熱，單位kJ/(kg·℃)，根據表1選擇；

P——制冷劑的絕對壓力，單位Pa，根據表1選擇；

ρ——制冷劑的密度，單位kg/m3，根據表1選擇。

3　消音器的應用實例

由于管路激勵而產生的脈動噪音不能通過阻尼減振的辦法來降低，只有通過優化的管路系統設計或者選擇合適的消音器來消除或減弱壓力脈動噪音。

某款分體式空調器低溫制熱運行時，當室外機壓機頻率低于80Hz時，聲音品質較好，當室外機壓機頻率達到90Hz以上時，可明顯聽到“嗡嗡”聲，且此“嗡嗡”聲通過冷媒循環傳入室內側，使室內側噪音品質也很差。通過在室外機管路上配減振膠泥塊，“嗡嗡”聲不能消除，基本可以判定壓機周期性排氣引起的壓力脈沖是“嗡嗡”聲的噪聲來源。在半消音室測試空調器室內側噪聲功率頻譜如圖3所示，從圖3可知，壓力脈動頻率在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，通過選取合適的消音器來消除此異常音。

空調器在低溫制熱工況下運行，壓機排出的高溫高壓氣體進入室內機換熱器進行冷凝，冷凝溫度為49℃，根據冷凝溫度查表1可知R410A相對應的熱力學參數，由于進入室內側的是氣體冷媒，故選取氣體對應的參數。由表1可知：ρ=136.643kg/m3，P=3.102×106Pa，注意制冷劑的絕對壓力等于大氣壓力加上相對壓力（表壓），即飽和壓力基礎加上大氣壓力1.01×105Pa，CV=1.040kJ/(kg·℃)，CP=2.326kJ/(kg·℃)。根據上述參數，由公式（5）和公式（6）可計算出脈動噪音的音速c為：

根據公式（4）可計算出消除888.7Hz脈動噪音對應消聲器長度l為：

取消音器長度l=60mm，擴張比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，選取消音器擴張室直徑為Φ30mm，排氣管徑為Φ7.92mm，則擴張比m=14.35，所以最終選取消音器規格為長度l=60mm，擴張比m=14.35。將該規格的消音器安裝在排氣管后，測試空調器室內側噪聲功率頻譜如圖4所示，由圖4可知，壓力脈動頻率在888.7Hz處噪聲值降為19.6dB(A)，即安裝消音器后該頻率對應的噪聲值降低了21.6dB(A)，“嗡嗡”聲消除，聲音品質獲得很大改善，空調器整體噪聲也下降1.5dB(A)。將消音器擴張比m=14.35代入公式（2）可得消音器的最大消聲量為：

顯然，實際消音量21.6dB(A)很接近最大消聲量LTLmax=23.12dB(A)，說明消音器規格選型設計比較合適。

空調器的使用環境是非常復雜的，不同的工況制冷系統的脈動壓力不一樣，即空調器在不同的環境下脈動噪聲頻率是不一樣的。此時空調器有許多脈動噪聲頻率需要消除，但因為空調器室外機空間限制和成本因素都不允許，不可能每個脈動噪聲頻率都設計一個消音器。以某款分體式空調器為例，依次找出不同工況下的脈動噪音頻率，并計算相對應的消聲器長度，然后將消音器長度相接近歸為一組，這樣可以盡可能減少消音器規格的種類，消音器規格種類匯總分類如表2。

由表2可知，脈動噪聲頻率有8個，但是消音器規格進行匯總分類后，發現只需要3個消音器規格l=55mm、l=50mm和l=40mm就可以對8個脈動噪聲頻率進行消除或減弱。

4　小結

（1）空調器壓縮機運轉產生的脈動“嗡嗡”聲，利用頻譜分析技術，可以探明其尖峰頻率，然后根據尖峰頻率通過設計計算，得出消音器的規格，并在排氣管上增加消音器來消除脈動“嗡嗡”聲。

（2）擴張室式消音器在空調系統中已經廣泛應用，在減振降噪方面發揮著重要作用。在不改變制冷系統管路的前提下，降低空調器制冷系統壓力脈動噪聲的有效方法是設計合適的消聲器。

（3）當有多個脈動噪聲頻率時，依次計算出各自對應的消音器長度，然后進行匯總分類，將長度相接近的消音器歸為一組，盡可能減少消音器規格種類。