空调串联消音器的优化设计选型

引言

扩张室消音器是一种利用管道中的界面积突变，改变结构声阻抗，从而产生声波的反射、干涉，达到消声的目的[1]。由于其结构简单、加工方便，而且可以在高温、潮湿等环境中工作，因此在空调、汽车等行业广泛应用。

近年来，随着空调技术的不断进步，变频空调在空调市场的消费比重越来越高。除了本身的节能效果之外，更容易适应多变工况、大温差调节、精细控温，从而给用户带来更舒适的享受。但是由于系统工作原理和转子压缩机间歇排气的特性，往往会带来更复杂的冷媒脉动，从而导致管道系统中激发出频率成分复杂的噪音，影响用户的体验效果。采用扩张室消音器是解决管道冷媒脉动异常噪音的有效方法。

毕嵘[2]通过改变抗性消音器的扩张比、扩张室长度、进出管的插入方式、扩张腔的级数等结构参数，对比研究了消音器的消声量和消声频带特性变化。孙路伟[3]等通过Vitual.Lab对内插管的抗性消音器内部声场进行分析，并通过实验结果验证仿真分析的准确性。白儒[4]利用数值仿真分析的方法，研究局部结构参数因素对简单抗性消声器的传递损失、压力损失和速度场分布的综合影响。张新玉[5]等利用频谱分析技术，通过在压缩机吸气管增加抗性消音器，验证出加装单节扩张室消音器后，室外侧的噪声峰值可降低约9 dB(A)。朱晓涵[6]等运用声学有限元法与一维解析法，得出两者趋势基本一致，并通过设计带有外插入进出口的消声器，显著降低整机噪音。张文锋[7]通过对有限元与理性计算的对比，校准了消声器仿真计算模型，建立计算一般空调管路消声器的手段。李宗攀[8]等通过理论计算与实验研究对消音器进行选型，并结合实验手段在排气管增加消音器来改善空调噪音的方法。张敏[9]等阐述了消声器降低空调器压力脉动噪音的机理，给出了空调膨胀式消声器的最佳设计方法。

实际工程问题中，由于空调运行的复杂性，往往表现出多个异常噪音峰值，如果还是按每个消音器针对特定噪声频率，忽略串联消音器直接的耦合关系，就会带来更高的整机开发成本。因此，针对空调系统中多个因冷媒脉动导致的传递音，需要按串联消音器的特性进行综合设计。

1 声学特性理论计算

1.1 单级扩张室消音器计算

单级扩张室消音器结构是一种最简单的抗性消音器，其主要结构参数如图1所示。

1）通过对比分析计算，采用串联扩张室消音器要比单级消音器的可以获得更高的传递损失，而且有效拓展单级消音器的消声低谷。

经过欧拉变化可得：

得出单级消音器传递损失计算公式：

式中：

—为入口声压；

—为扩张室声压；

—为出口声压；

l —为消音器扩张室长度；

m —为截面扩张比，计算公式为S2/S1；

k —为波数，计算公式为k=2πf /c ；

f—为消声频率；

c—为介质传播声速。

由式（3）可知消音器的消声量是由扩张比m、消声频率f、消音器内介质传播声速c和消音器筒体长度l共同影响。

1.2 串联扩张室消音器计算

串联扩张室消音器结构也是扩张室的一种，采用两个扩张室结构串联组成，如图2所示。为了简化计算，串联扩张室结构的横截面保持一致(S2)、入口、中间和出口的横截面保持一致(S1)。

假设声波从左向右传播，根据平面声波在管道中突变界面处，声压连续原理和体积速度原理连续，构建起在各界面突变位置A-A、B-B、C-C、D-D的平衡方程，并经过运算、整理，得出该简化模型的串联消音器传递损失计算公式如下：

图1 单级扩张室消音器结构模型原理图

图2 串联扩张室消音器结构模型原理图

式中：

p1—为入口声压；

p2—为扩张室1声压；

p3—为中间位置声压；

p4—为扩张室2声压；

p5—为出口声压；

—为消音器扩张室1长度；—为扩张室间距；

—扩张室2长度；

m—为截面扩张比，计算公式为S2/S1；

k—为波数，计算原理同上。

假设声波从左向右传播，根据平面声波在管道中突变界面处，声压连续原理和体积速度原理连续[1]，构建起在各界面突变位置A-A、B-B的平衡方程，并经过运算、整理可得：

2 串联扩张室消声特性分析

从上面串联扩张室消音器的声学特性计算公式，可以看出其公式相对复杂，不便于工程实际应用与分析，特别是与单级扩张室消音器的差异性，缺少深入的对比研究。为了深入研究单级与串联扩张室消音器的差异性，现设计如下案例，进行分析。两种消音器规格参数一致，一种是单独使用，一种是串联使用。结构参数如表1所示，结构如图3所示，理论计算不同消音器类型传递损失对比如图4所示。

通过软件编程计算并绘制曲线，两种工作方式的消音器的传递损失曲线如图4所示。从图中可以得出，采用串联结构，会显著增加消音器的传递损失效果，最好的频率点可以增大20 dB以上。

从上面分析，采用串联扩张室消音器可以提升单级消音器传递损失偏低、拓展消声带宽的效果。

3 工程案例分析应用

在某款产品开发中，室外机管路无消音器状态下，内机频谱有明显的两段噪音峰值：400 Hz和1 200 Hz左右，峰值较高，体验效果差。按常规单级抗性消音器设计思路，消声频率取决于扩张室的长度和介质传播声速，也就是针对每个频率段需要设计对应的消音器，具体规格参数详见表2原始方案。实验结果也表明，采用原始设计思路，也是没有问题，可以解决实际工程问题。效果如图6所示。

显然原有设计思路是单纯的认为串联消音器之间没有相互影响，设计出来的消音器方案，不论体积和质量都比较大，成本相对比较高。

为降低消音器方案的总成本，采用仿真优化分析，针对400 Hz和1 200 Hz左右的目标消声频率，优化改进消音器组合方案，方案对比如图7和表2所示。

表1 不同消音器规格信息表

图3 单级与串联扩张室消音器结构对比图

图4 理论计算不同消音器类型传递损失对比图

通过计算结果表明，优化后的串联消音器方案在目标频率段可以达到原始方案的效果，但总质量可以降低约30 %，达到降低成本的目标。

4 结论

由式（4）可知影响串联结构消音器消声量的参数有：扩张比m、消声频率f、消音器内介质传播声速c、消音器1长度l1、消音器2长度l 3和两消音器间距l 2。

图5 有无消音器内机频谱对比曲线图

表2 不同方案消音器质量对比

图6 不同方案串联消音器结构示意图

图7 优化前后消音器传递损失曲线对比图

2）串联消音器的实际应用中，要充分依据原理特性，考虑串联消音器各参数的耦合关系，不是单独两个消音器的传递损失的线性叠加。

3）实际工程问题中，针对因冷媒脉动导致的多个异常频率噪音，不建议按照针每个异常峰值、设计多个不同的单级扩张室消音器，而应采用基于多级(串联)消音器分析的方法，在满足消音目标的前提下，可以降低总体消音器设计方案的总质量。以本案例为例，可以降低30 %的材料成本，取得了显著降低成本效果。