高頻消聲器的研究與應用

何超

海信（廣東）空調有限公司　廣東佛山　528303

1　引言

對于氣流噪聲問題，常見的解決手段之一就是選用消聲器，根據消聲原理及結構形式，消聲器一般可以分為抗性消聲器、阻性消聲器、阻抗復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壁上布置吸聲材料，或是設置吸聲結構來吸收噪聲，通常對高頻噪聲的消聲效果較好。

分體式空調室外機噪聲較大，室內機噪聲相對較小，由于內外機通過管道相連，常常會有室外側噪聲通過連接管道傳遞到室內側的情況，對于傳遞的氣流噪聲，主要的解決措施就是在管路上加裝消聲器。空調管路傳遞冷媒，溫度變化范圍廣，氣流速度較大，且潔凈度要求高，一般選用的是擴張式消聲器，即一類典型的抗性消聲器。

如前所述，擴張式消聲器的有效消聲頻段較低，本文探討通過一定的結構優化，提升其消聲頻率點，從而解決更高頻率的氣流傳遞音問題。

2　擴張式消聲器的消聲機理

擴張式消聲器是一種典型的抗性消聲器，其結構簡單，應用廣泛。由于擴張腔的設計，使管道界面突然擴展、收縮，其空腔聲學性能突變，產生聲反射及聲阻抗失配，使某些頻率點的聲波在聲阻抗突變的界面處發生反射、干涉作用，從而實現消聲。空調上的消聲器通常安裝在冷媒流動的管道上，既允許氣流順利通過，又能實現減弱或阻止聲能傳播。圖1為擴張式消聲器示意圖。

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

上述公式為理想消聲器傳遞損失計算方法，其中，L為擴張腔的長度；S1、S2分別為擴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，它由聲波頻率所決定，k=2πf/c，c為聲速。

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

進一步分析可以得到，擴張腔的長度影響消聲器的頻率特性，擴張腔的截面大小則影響它有效消聲性能的發揮。具有最大消聲量的頻率fmax為：

圖1　擴張式消聲器

圖2　TL與kL的關系曲線

圖3　普通消聲器截面示意

圖4　實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

空調上常用的消聲器如圖3所示，考慮加工性，擴張腔與進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，就需要減小擴張腔長度L，以使傳遞損失曲線的第一個峰值盡量接近目標高頻（見圖4）。

過短的擴張腔長度會帶來加工工藝方面的問題，太短的擴張腔無法加工，例如4000Hz的異音，其擴張腔長度小于30mm，實際開發中難以實現，這限制了傳統擴張式消聲器的應用范圍。

圖8　傳遞損失對比

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　基于聲學有限元分析的消聲器優化

首先對空調上廣泛使用的普通擴張式消聲器進行傳遞損失仿真計算，這里選取擴張腔體及進出口管延長段所構成的空腔，按照聲學網格要求設定網格尺寸，進行有限元網格劃分，根據試驗測得的冷媒物性參數，設定聲腔流體密度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：入口設置為v=1m/s的單位振動速度，出口則定義一個全吸聲屬性來模擬無反射邊界，經過計算，提取前三個消聲峰值頻率點的聲壓分布，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），聲壓相對大小用云圖進行表示，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，經過對結構的反復優化，對擴張腔偏心設計，可以顯著提升消聲頻率。

圖6為偏心消聲器的結構示意圖。經過仿真分析，發現經過偏心設計，消聲器內聲場出現了明顯改變，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出傾斜狀態，排氣口位置聲壓可以出現在低壓等值線區間，這就表明相比入口位置，出口位置聲壓極低，消聲量變大。

以擴張腔為40mm的消聲器為例，進行仿真計算，圖8清晰表明，相比常用的消聲器，優化后的消聲器在高頻段消聲量有明顯增加，個別頻率段的消聲量甚至超過低頻消聲量。

4　偏心消聲器應用

4.1　異音診斷

出口阿聯酋的某機型，在開發階段出現傳遞音問題。在制熱模式室內低風運行時，室內機出現一高頻噪聲，而單開室內機異音消失，由此判定此噪聲與壓縮機激勵有關。

使用B&K測試設備進行噪聲頻譜測試，發現在3600Hz附近出現異常峰值，經現場濾波回放分析，確定此頻段噪聲即為聽感上的異音，頻譜圖如圖9。

此頻段機械噪聲的可能性小，且管路無明顯振動，通過增加結構阻尼的措施效果不明顯，排查其他干擾因素后，結合聽覺感受，判斷為氣流噪聲，因為從壓縮機源頭做出相應調整的難度較大，需要考慮在管路上使用消聲器。

4.2　消聲器應用

根據前述分析，若想獲得較好的消聲效果，應盡量使目標處在消聲器傳遞損失曲線的前幾個波峰位置，根據理論公式計算，在同時滿足加工條件下，最合適的擴張腔長度L選擇為40mm，擴張腔直徑D為30mm，吸排氣口外徑d為8mm，此時目標頻率處在消聲器傳遞損失曲線的第三個波峰位置。經測試，異音改善不明顯，即普通的擴張式消聲器對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上，運用仿真手段，以3600Hz為目標頻率點，進行偏心優化，在擴張腔軸線偏離吸排氣口軸線4.5mm時，獲得最佳的消聲效果，使用偏心消聲器后異音完全消除，頻譜結果如圖11。

5　結論

（1）本文通過對消聲器內聲場的仿真解析，得到了消聲器內聲場分布，并根據其特點進行偏心設計，使內聲場重新分布，從而獲得較好的高頻消聲特點；

（2）抗性消聲器的高頻消聲性能一直是其應用短板，本文通過巧妙的優化，使其范圍得以拓展，經實際驗證效果明顯，這為解決變頻空調器常出現的高頻傳遞音問題，提供了一套新的思路。