基于Helmholtz復(fù)合消聲器改善空調(diào)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(fèi)者投訴的焦點(diǎn)，振動(dòng)與噪聲成為靜音家電產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。消聲器廣泛應(yīng)用于空調(diào)壓縮機(jī)和管路系統(tǒng)，以此來(lái)降低噪聲和振動(dòng)的傳遞。本文研究了一種復(fù)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(shí)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(jì)算模型，并對(duì)各自的影響參數(shù)進(jìn)行了分析。然后通過(guò)仿真方法驗(yàn)證了四種不同連接管直徑的復(fù)合式消聲器的降噪效果。最后將復(fù)合式消聲器安裝在空調(diào)管路中，開(kāi)展整機(jī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)降噪效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：傳遞損失? 復(fù)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(fèi)者消費(fèi)升級(jí)的市場(chǎng)需求也很旺盛，各大家電企業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度越來(lái)越快，如何提高家電的性能與體驗(yàn)是各大企業(yè)共同追求的目標(biāo)。

奧維云網(wǎng)的大數(shù)據(jù)顯示，噪音大是很多家電消費(fèi)者投訴的焦點(diǎn)。所以靜音家電成為各大企業(yè)研發(fā)的重要方向，也是產(chǎn)品最有競(jìng)爭(zhēng)力的標(biāo)簽。靜音技術(shù)成為家電行業(yè)重要的研究方向，靜音產(chǎn)品對(duì)工作模式下的噪音提出了更高的要求。家電產(chǎn)品的振動(dòng)與噪聲成為靜音家電產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要指標(biāo)。通過(guò)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(yīng)用于空調(diào)壓縮機(jī)和管路系統(tǒng)，以此來(lái)降低噪聲和振動(dòng)的傳遞[3-6]。

壓縮機(jī)的冷媒脈動(dòng)傳遞到室內(nèi)機(jī)，引起室內(nèi)機(jī)零件的共振，從而產(chǎn)生室內(nèi)異音，稱之為冷媒傳遞異音。目前關(guān)于壓縮機(jī)冷媒傳遞異音主要通過(guò)在室外機(jī)配管上加消聲器來(lái)減弱或消除。傳統(tǒng)的膨脹腔消聲器在空調(diào)管路中被廣泛使用，這類消聲器的消聲機(jī)理可以參考現(xiàn)有文獻(xiàn)[7]。但是膨脹腔消聲器主要用來(lái)消除中高頻的冷媒脈動(dòng)和噪聲，如果要消除低頻噪聲，這種消聲器的膨脹腔就會(huì)比較長(zhǎng)，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(guò)頻率處沒(méi)有消聲效果[8]。

本文研究了一種復(fù)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(diǎn)，對(duì)于中高頻噪聲具有較好的降噪效果。helmholtz共振消聲器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要適用于消除中低頻噪聲。兩者合理匹配組合可以實(shí)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(jì)算模型，并對(duì)各自的影響參數(shù)進(jìn)行了分析。然后通過(guò)仿真方法驗(yàn)證了四種不同連接管直徑的復(fù)合式消聲器的降噪效果。最后將復(fù)合式消聲器安裝在空調(diào)管路中，開(kāi)展整機(jī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)降噪效果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 復(fù)合消聲器的理論分析

2.1 基本假設(shè)

為建立聲波傳遞的波動(dòng)方程，需要進(jìn)行如下的假設(shè)和簡(jiǎn)化：（1）介質(zhì)為理想流體，無(wú)黏滯性，聲波在介質(zhì)中傳播沒(méi)有能量損耗;（2）聲傳播是絕熱過(guò)程，與外界不存在熱交換;（3）介質(zhì)中傳播的是小振幅聲波，介質(zhì)中各種聲場(chǎng)參數(shù)都是一階微量，可以用線形波動(dòng)方程來(lái)描述。

2.2? 膨脹腔消聲器傳遞損失的理論計(jì)算

膨脹腔消聲器通常由一個(gè)進(jìn)氣管、一個(gè)出氣管和一個(gè)空腔組成，進(jìn)氣管和出氣管位于空腔的兩側(cè)，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(zhǎng)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(guò)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(jì)算

Helmholtz消聲器實(shí)際上是共振吸聲結(jié)構(gòu)的一種應(yīng)用。該消聲器的形式是利用管道開(kāi)孔與共振腔相連接，利用小孔處的空氣柱和空腔內(nèi)的空氣構(gòu)成了彈性共振系統(tǒng)，當(dāng)外界噪聲頻率和此共振系統(tǒng)的固有頻率相同時(shí)，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(dá)到消聲的目的。

Helmholtz消聲器的傳遞損失計(jì)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(zhǎng)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(méi)有關(guān)系。

3 復(fù)合消聲器的關(guān)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(zhǎng)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(zhǎng)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(kuò)張比對(duì)傳遞損失的影響

固定膨脹腔的長(zhǎng)度，觀察擴(kuò)張比對(duì)傳遞損失的影響。假設(shè)，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(dāng)擴(kuò)張比增大的時(shí)候，傳遞損失就增加。增加擴(kuò)張比的途徑有兩條：1.增加擴(kuò)張腔的截面面積;2.減小管道的截面面積。

3.1.2 膨脹腔長(zhǎng)度對(duì)傳遞損失的影響

固定膨脹腔的擴(kuò)張比，觀察膨脹腔長(zhǎng)度對(duì)傳遞損失的影響。假設(shè)，圖4為 時(shí)的曲線。

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

3.2 復(fù)合式消聲器的傳遞損失

3.2.1? 容積對(duì)復(fù)合消聲器傳遞損失的影響

連接管的長(zhǎng)度，截面直徑為，主管道直徑為，改變?nèi)萜鞯娜莘e分別為。

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

3.2.2? 連接管道截面對(duì)復(fù)合消聲器傳遞損失的影響

連接管的長(zhǎng)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(duì)應(yīng)的頻率是隨著截面積增加而增加的，但其幅值變化卻沒(méi)有規(guī)律。

3.2.3? 連接管道長(zhǎng)度對(duì)復(fù)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(zhǎng)度分別為。

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

3.2.4? 主管道直徑對(duì)復(fù)合消聲器傳遞損失的影響

假設(shè)截面直徑為，容器的容積，連接管的長(zhǎng)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(méi)有關(guān)系，而由公式（2）可知，當(dāng)主管道截面面積增加時(shí)，傳遞損失減少。由圖7可知，當(dāng)主管直徑增加時(shí)，其傳遞損失的幅值降低，頻帶也變窄，但對(duì)應(yīng)的頻率不變。

4 復(fù)合消聲器的效果的驗(yàn)證

針對(duì)某平臺(tái)空調(diào)壓縮機(jī)噪音的頻譜特性，依據(jù)本文的研究結(jié)果，設(shè)計(jì)了一款新型復(fù)合結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)寬頻消聲降噪。本節(jié)對(duì)這款新型復(fù)合消聲器的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 復(fù)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(fù)合消聲器具有多種結(jié)構(gòu)形式。本文考慮到消聲器的安裝空間，本文設(shè)計(jì)的復(fù)合消聲器采用彎管連接膨脹腔與Helmholtz消聲器，結(jié)構(gòu)形式如圖8所示。

本文針對(duì)不同連接管直徑：3.5mm、4.5mm、4.8mm和5.0mm，分別設(shè)計(jì)了共振頻率為140Hz的消聲器結(jié)構(gòu)，從圖9的仿真結(jié)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(fù)合消聲器的安裝位置

復(fù)合式消聲器安裝在空調(diào)外機(jī)四通閥的出氣端，在噪聲源的前段進(jìn)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(guò)大和壓力脈動(dòng)過(guò)大而引起的管路疲勞問(wèn)題，可以有效提高管路的壽命和可靠性。

4.3復(fù)合消聲器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果

空調(diào)器室外機(jī)與室內(nèi)機(jī)是通過(guò)配管和冷媒連接而成的統(tǒng)一體，室外機(jī)一方面可以通過(guò)配管和冷媒將振動(dòng)傳入室內(nèi)側(cè)，通過(guò)鈑金、配管、蒸發(fā)器或者其它零部件振動(dòng)后產(chǎn)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(jī)噪音傳入室內(nèi)側(cè)。

某平臺(tái)空調(diào)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?yàn)橹茻崮Ｊ较拢?jīng)壓縮機(jī)間歇周期性壓縮后，高壓氣態(tài)冷媒首先進(jìn)入室內(nèi)機(jī)，因?yàn)榕涔苷駝?dòng)并不大，振幅不到15um，因此這種傳遞噪音可能是室外機(jī)通過(guò)氣態(tài)冷媒傳入室內(nèi)側(cè)，并經(jīng)室內(nèi)機(jī)放大的壓縮機(jī)低頻冷媒傳遞異音。

本文研究了低風(fēng)制熱模式下室內(nèi)機(jī)噪聲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示：

從圖11可以看出，復(fù)合消聲器可以有效的降低低風(fēng)制熱模式下室內(nèi)機(jī)的傳遞噪音，尤其是在低頻段，降噪效果很明顯。室內(nèi)機(jī)側(cè)聽(tīng)感良好，無(wú)明顯冷媒傳遞異音，能夠有效提升產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)。

5 結(jié)論

本文基于理論和仿真的分析方法，研究了一種復(fù)合消聲器的消聲機(jī)理。針對(duì)某一空調(diào)壓縮機(jī)傳遞噪音的特性，設(shè)計(jì)了一款消聲器安裝在空調(diào)管路中，通過(guò)開(kāi)展整機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了消聲器的有效性。

本文得到以下結(jié)論：

1、傳統(tǒng)膨脹腔的傳遞損失是頻率、膨脹腔長(zhǎng)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(zhǎng)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(fù)合結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)寬頻消聲降噪。

3、復(fù)合消聲器可以有效的降低低風(fēng)制熱模式下室內(nèi)機(jī)的傳遞噪音，尤其是在低頻段，降噪效果很明顯，室內(nèi)機(jī)側(cè)聽(tīng)感良好，無(wú)明顯冷媒傳遞異音。

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通信作者簡(jiǎn)介：張良，男，1988年3月生，畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所工程力學(xué)專業(yè)，博士學(xué)位。現(xiàn)任廣東美的暖通設(shè)備有限公司主任工程師，主要從事振動(dòng)噪聲和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究工作。