高频消声器的研究与应用

何超

海信（广东）空调有限公司　广东佛山　528303

1　引言

对于气流噪声问题，常见的解决手段之一就是选用消声器，根据消声原理及结构形式，消声器一般可以分为抗性消声器、阻性消声器、阻抗复合式消声器及排气放空式消声器几种，其中，抗性消声器是利用管道截面突变，使传入的声波产生反射和干涉，以此来降低向外辐射的声能量，常用来解决中低频的噪声问题；而阻性消声器则是通过在气流通道内壁上布置吸声材料，或是设置吸声结构来吸收噪声，通常对高频噪声的消声效果较好。

分体式空调室外机噪声较大，室内机噪声相对较小，由于内外机通过管道相连，常常会有室外侧噪声通过连接管道传递到室内侧的情况，对于传递的气流噪声，主要的解决措施就是在管路上加装消声器。空调管路传递冷媒，温度变化范围广，气流速度较大，且洁净度要求高，一般选用的是扩张式消声器，即一类典型的抗性消声器。

如前所述，扩张式消声器的有效消声频段较低，本文探讨通过一定的结构优化，提升其消声频率点，从而解决更高频率的气流传递音问题。

2　扩张式消声器的消声机理

扩张式消声器是一种典型的抗性消声器，其结构简单，应用广泛。由于扩张腔的设计，使管道界面突然扩展、收缩，其空腔声学性能突变，产生声反射及声阻抗失配，使某些频率点的声波在声阻抗突变的界面处发生反射、干涉作用，从而实现消声。空调上的消声器通常安装在冷媒流动的管道上，既允许气流顺利通过，又能实现减弱或阻止声能传播。图1为扩张式消声器示意图。

传递损失TL，定义为消声器入射声功率级与出口的声功率级之差，它反映的是消声器的固有特性，其数值大小一般用来表征消声量的大小。在平面波的假设下进行公式推导，可以得到如下计算公式：

上述公式为理想消声器传递损失计算方法，其中，L为扩张腔的长度；S1、S2分别为扩张腔截面和出入口截面的面积；m为两截面面积之比；k为波数，它由声波频率所决定，k=2πf/c，c为声速。

由公式（1）、（3）可以发现，由于sinkL是周期函数，消声量和kL（或频率f）的关系也是周期性的，描绘TL与kL的关系，如图2曲线所示。

进一步分析可以得到，扩张腔的长度影响消声器的频率特性，扩张腔的截面大小则影响它有效消声性能的发挥。具有最大消声量的频率fmax为：

图1　扩张式消声器

图2　TL与kL的关系曲线

图3　普通消声器截面示意

图4　实际消声器传递损失曲线

图5　普通消声器声压分布

图6　偏心消声器

图7　偏心消声器声压分布

空调上常用的消声器如图3所示，考虑加工性，扩张腔与进排气口之间有一段缩口段。其传递损失曲线显示了其在高频段消声量的衰减。由公式（4）可知，如果要提升高频消声量，就需要减小扩张腔长度L，以使传递损失曲线的第一个峰值尽量接近目标高频（见图4）。

过短的扩张腔长度会带来加工工艺方面的问题，太短的扩张腔无法加工，例如4000Hz的异音，其扩张腔长度小于30mm，实际开发中难以实现，这限制了传统扩张式消声器的应用范围。

图8　传递损失对比

图9　原始噪声频谱

图10　使用普通消声器后噪声频谱

图11　用偏心消声器后噪声频谱

3　基于声学有限元分析的消声器优化

首先对空调上广泛使用的普通扩张式消声器进行传递损失仿真计算，这里选取扩张腔体及进出口管延长段所构成的空腔，按照声学网格要求设定网格尺寸，进行有限元网格划分，根据试验测得的冷媒物性参数，设定声腔流体密度ρ为107kg/m3，声速c为153.6m/s，声阻抗ρc为16435.2kg/(m2·s)，边界条件的定义为：入口设置为v=1m/s的单位振动速度，出口则定义一个全吸声属性来模拟无反射边界，经过计算，提取前三个消声峰值频率点的声压分布，如图5。

同等截面积情况下，入口处声压与出口处声压差值越大，消声量就越大，从仿真云图上看（图5），声压相对大小用云图进行表示，入口处颜色最深，表示入口声压最大，出口颜色越浅，表示出口声压越低，这样的入口与出口颜色深浅差异越大，消声量越大。

从图5中可见，随着阶次升高（即频率升高），出口声压逐渐加大，传递损失逐渐减小，为了提升高频消声量，经过对结构的反复优化，对扩张腔偏心设计，可以显著提升消声频率。

图6为偏心消声器的结构示意图。经过仿真分析，发现经过偏心设计，消声器内声场出现了明显改变，通过选定特定的偏心尺寸，能显著提升特定高频段的消声量。图7为偏心的消声器的声压分布云图，可以看到，在高频部分，由于偏心声压等值线呈现出倾斜状态，排气口位置声压可以出现在低压等值线区间，这就表明相比入口位置，出口位置声压极低，消声量变大。

以扩张腔为40mm的消声器为例，进行仿真计算，图8清晰表明，相比常用的消声器，优化后的消声器在高频段消声量有明显增加，个别频率段的消声量甚至超过低频消声量。

4　偏心消声器应用

4.1　异音诊断

出口阿联酋的某机型，在开发阶段出现传递音问题。在制热模式室内低风运行时，室内机出现一高频噪声，而单开室内机异音消失，由此判定此噪声与压缩机激励有关。

使用B&K测试设备进行噪声频谱测试，发现在3600Hz附近出现异常峰值，经现场滤波回放分析，确定此频段噪声即为听感上的异音，频谱图如图9。

此频段机械噪声的可能性小，且管路无明显振动，通过增加结构阻尼的措施效果不明显，排查其他干扰因素后，结合听觉感受，判断为气流噪声，因为从压缩机源头做出相应调整的难度较大，需要考虑在管路上使用消声器。

4.2　消声器应用

根据前述分析，若想获得较好的消声效果，应尽量使目标处在消声器传递损失曲线的前几个波峰位置，根据理论公式计算，在同时满足加工条件下，最合适的扩张腔长度L选择为40mm，扩张腔直径D为30mm，吸排气口外径d为8mm，此时目标频率处在消声器传递损失曲线的第三个波峰位置。经测试，异音改善不明显，即普通的扩张式消声器对高频异音处理效果有限，测试频谱如图10所示。

在上述消声器的基础上，运用仿真手段，以3600Hz为目标频率点，进行偏心优化，在扩张腔轴线偏离吸排气口轴线4.5mm时，获得最佳的消声效果，使用偏心消声器后异音完全消除，频谱结果如图11。

5　结论

（1）本文通过对消声器内声场的仿真解析，得到了消声器内声场分布，并根据其特点进行偏心设计，使内声场重新分布，从而获得较好的高频消声特点；

（2）抗性消声器的高频消声性能一直是其应用短板，本文通过巧妙的优化，使其范围得以拓展，经实际验证效果明显，这为解决变频空调器常出现的高频传递音问题，提供了一套新的思路。