摘 要：将数值分析方法引入了空调消声器的设计当中，通过综合运用数值分析技术对消声器进行性能分析；把影响消声器性能的主要因素在数值模拟分析中，对消声器结构参数进行优化设计，达到了减少数值分析次数的目的；再通过观察消声器内部的声压分布情况彩图和传递损失随频率的变化关系，深入了解消声器的消声性能，找出影响消声器性能的主要因素及变化范围，从而提高消声器的各项指标。该方法较之以往的传统方法，有着诸多优势，为最终确定排气消声器结构的优化提供理论依据
关键词：消声器 暖通空调 优化控制
一、空调消声器的分类与消声评价
（一）消声器分类
目前空调上运用较多的消声器为无源消声器，而其中采用全金属结构的抗性消声器，由于构造简单、成本低、寿命长、耐高温、耐腐蚀、耐气流冲击，不会被废气中的微粒堵塞的特点成为空调消声器的首选，应用最为广泛。抗性消声器对中、低频范围的噪声具有较好的消声效果。
（二）消声器消声评价
消声器声学性能包括消声量的大小和消声频带范围的宽窄两个方面。设计消声器的目的就是要根据噪声源的特点和频率范围，使消声器的消声频率范围满足需要，并尽可能地在要求的频率范围内获得较大的消声量，即在目标频带上有较好的消声效果。一般以倍频程和1/3频程来表示消声器的频率特性。消声频率范围就是指消声量显著的频率或频带，这方面没有统一的定量评价指标，一般要求有效频带范围越宽越好，对人敏感的频率范围应有足够的消声量，对声源辐射噪声大的频段应有较大的消声量，这样应用消声器降噪的效果就比较好。消声器的消声量的大小通常用四种度量来表征，分别为:传递损失、插入损失、降噪量、声衰减。
二、消声器结构参数对消声特性的影响分析
（一）扩张比对消声特性的影响
消声器入口半径 ，扩张室半径尺
以常见的消声器：入口直径r=9.52mm ，扩张室分别直径r2=22mm、 25mm 32mm 50mm ，模型如图2所示。图1、2、3为不同扩展比的消声量和消声声压图。
图1 不同扩张比的单节扩张式消声器的消声曲线
图2 单节扩张直径为25mm消声器的消声曲线
图3 单节扩张直径为25mm消声分别在300Hz声压图
图4 不同内插深度消声器的消声曲线
通过对具有不同扩张比的消声器有限元模型分析，得如下结论：
1.消声器设计需要考虑安装和消声特性。通过设计过大的消声器扩张室截面，从而获得较大的扩张比m，当扩张室截面面积较大时，较高频率的声波在扩张室内不再保持近似为平面波，也就是说，从入口管进入扩张室的声波将集中在扩张室中部以窄声束通过，经出口管直接传播出去，使扩张室不能充分发挥其消声作用，从而使得消声效果明显下降，这就是在消声器中存在的高频失效现象。因此，在设计消声器时必须要考虑扩张室截面尺寸对消声上、下限频率的影响，使上、下限频率在实际需要的能有效消声的频率范围之外。
2.由于模型均是简单扩张式消声器，因此存在通过频率，从图3中也可以发现，曲线与x轴接近相交，相交点处则表示通过频率点，而曲线的波峰为最大消声频率点。为此，在工程实际应用中，通常在扩张室里伸出一段插入管，选择长度合适的插入管的作用是弥补简单扩张室所具有某些通过频率的缺点。
3.从噪声与控制手册可知扩张比m和消声量TL的关系如表1，从该表中可知，最大消声量与扩张比同在一个数量级，扩张比越大，消声量越大，与上面分析完全吻合。虽然扩张比较小的消声器消声量较低，但是消声有效频带相对较宽。如果把消声量与扩张比的比值作为简单扩张腔消声效率的一个指标，易知在扩张比约为11时，简单扩张腔的消声效率最高，在实际工程应用中，扩张比一般取9＜m＜16，最大不超过20，最小不小于5。
表1 简单扩张式消声器的扩展比m与最大消声量TL之间的关系
（二）插入管深度对消声特性的影响
在研究插入管深度对消声器影响时，设定消声器插入管无偏置，其尺寸如下所示。图4为不同插入深度的消声特性曲线图。
通过对具有不同插入管长度的消声器有限元模型分析，得如下结论：
1.通过调整内插管插入腔内的深度，可以改变消声器的消声性能。理论上，当内插管长度等于扩张室长度的1/2时，可消除通过频率中n为奇数的部分，而当内插管长度等于扩张室长度的1/4时，则可消除通过频率中n为偶数的部分。这样，如果在扩张式消声器内从一端插入长度为
的内插管，另一端插入长度为
的内插管，在理论上可以获得没有通过频率的消声特性。通过观察图形同样可以发现，在采用
和插入管的消声器表现最好，不但消声效果良好，而且消声频段放大 ,与理论相吻合。
2.为了达到消除通过频率，同样可以采用多节不同长度的扩张室进行串联的方法，把各节扩张室的长度设计得互不相等，使它们的通过频率互相错开。当两节扩张室长度比选择合适时，也可以使第二节的最大消声频率等于第一节的通过频率，这样不但能提高总的消声量，而且能改善消声器的频率特性，使有效频带增宽，提高消声效果。
3.在实际应用中，考虑到气流的影响，中心对称插入管的消声性能并不理想，插入深度越大，其性能下降越多，主要是由于高速的脉动气流不能够在消声器扩张室内得到充分的膨胀。工程中多采用错开式内插管消声器，该消声器能够避免上述缺点，又能够使气流在消声器内得到充分膨胀，模拟有限元分析和实验均表明随着插入深度的增加，消声量也随之增加。在
时消声性能达到最佳，但在这时候阻力损失也相对较大。因此，在选择插入管长度时，应该慎重考虑其对消声器空气动力性能的负面影响。
（三）偏置距离对消声特性的影响
考虑到偏置对消声器性能的影响在存在插入管的情况下更加明显，分析输入、输出管偏置情况，其它条件固定不变，图5为扩张直径为￠50mm的入、出口无偏心和有偏心的消声器图，图6为消声特性曲线图。
图5 无偏心和有偏心消声器
图6 无偏心和有偏心消声特性曲线图
通过对输入输出中心轴偏置的消声器有限元模型分析，得如下结论：
1.在不考虑气流的情况下，当中心轴偏置的消声器的消声效果比没有偏置的消声器表现要好。
2.当偏置输入管、输出管内插时且偏置距离选择合适话，则在可以增加在高频段的消声量。
3.随着偏置距离的增加，消声曲线图差异比较，其主要因为偏置越大，发生通过的频段越窄，但偏置的选用在一定程度上影响消声器的空气动力性能。
（四）扩张室截面形状对消声特性的影响
以下考虑为截面积相等的情况，其截面形状分别为：①圆形(半径为R)；②椭圆形(令b=2a，b、a分别为椭圆形的长、短轴)；③方形(边长为H)。其有限元模型如图7所示。图8为三种截面在不同频率下的消声特性曲线图
图7 不同截面形状的消声器图
图8 不同截面形状的消声器消声曲线图
通过对具有不同截面形状的消声器有限元模型分析，得如下结构：
1.在中低频率段时，不同截面形状消声器的消声效果基本一致。在截面积相等的情况下，截面的变化对消声器性能的影响不大。
2.针对上述四种等截面积的消声器而言，其制造用料多少顺序为：正方形＞椭圆＞圆。因此，在空间范围允许的条件下，优先选用圆形截面消声器，其次选用椭圆型截面消声器。
3.消声器的截面也已不再局限于标准形状，除了常见的圆形、椭圆形截面情况外，还有圆形椭圆组合截面形状，该截面形状消声器一方面保证了足够大的扩张比，另一方面在轴方向尺寸又不会过大，空间易于分布。
三、总结与建议
应用数值分析技术，使我们有可能在早期设计阶段预知产品的特性，及早发现问题和错误。本文对复杂结构消声器结构，运用ANSYS和SYSNOISE实现了消声器的有限元数值分析，对具有不同结构参数的抗性消声器进行性能分析，分析扩张比、内插管偏置距离、插入管深度以及扩张室截面形状对消声器性能进行仿真分析与研究，得到以下结论：
1.扩张比对简单消声器的最大消声量起着决定性影响，扩张比越大，消声量越大。同时，消声器的上限失效频率随着扩张比的增加而下移。在实际工程应用中，扩张比一般取9＜m＜16，最大不超过20，最小不小于5。
2.扩张腔长度改变了消声器的消声频率特性，随着扩张腔长度的增加，拱形衰减个数增加。即增加扩张室长度提高了低频消声特性。
内插管能同时改善消声器的消声性能及阻力损失特性，出现了某些频率段的共振峰值，抑制了高频段的通过频率，且有效地降低了压力损失。在选择插入管长度时，应该慎重考虑其对消声器空气动力性能的负面影响。
3.在不考虑气流的情况下，当中心轴偏置的消声器的消声效果比没有偏置的消声器表现要好，但对较小管径的扩张室则在制造上有点困难。
4.不同截面形状消声器的消声效果基本一致。在截面积相等的情况下，截面的变化对消声器性能的影响不大。但从材料成本上考虑，圆形截面的消声器成本最低。
5.在频率很低的低频区，端部形状对传递损失影响很小，但随着频率的升高，扩张室端部为锥形消声器的传递损失逐步变小，消声性能不断降低。
6.流速使得消声器的低频消声性能变好，而温度的提高有利于增强消声器的高频消声效果而不利于低频消声效果。
