压缩机排气管消声器的声学特性研究

张永军，罗玉军，罗建滔，蒋邹

（1.柳州邦诚科技股份有限公司，柳州 545006； 2.广西科技大学 机械工程学院，柳州 545006；3.大连理工大学建筑工程学部，大连 116026）

引言

家用空调的振动噪声作为舒适性的重要指标，室外机的主要激励源为压缩机和风叶，而压缩机及其配管系统的振动噪声最为复杂，包含压缩机脚垫系统的振动、管路的振动、管内冷媒的冲击[1]、电磁声、液流声等。其中气流噪声因为压缩机缸内吸、排产生脉冲[2]，压缩机机体的振动时，制冷剂被激励产生噪声沿着管路传播。消声装置通常被用来降低压缩机的噪声，其允许流体通过而同时限制噪声的自由通过[3]。由于制冷剂特性与管路的设计，空调室外机管路中一般采用抗性消声器，通过消声器内部的气流阻抗，将声波能量反射会声源，从而达到降低噪声的目的[4]。

毕峥[5]采用理论计算、数值仿真和实验测试相结合的研究方法，对基本消声结构的声学特性及分析方法进行详尽的研究，在此基础上对复合式消声器进行研究，总结复合式消声器声学性能和设计步骤。乐建波[6]等针对电冰箱压缩机噪声频谱800 Hz的频段，构建消声器，采用数值模拟的方法，得出消声器内部的传递特性和声压分布。李家柱[7]研究了管道声学不同孔形状的声传递损失。仇颖[8]等对压缩机吸排气消声腔进行了理论及计算和实验，为结构设计提供依据。孔祥强[9]等对制冷压缩机的排气管消声器的孔板径对传递损失的影响。YunLi[10]等对不同制冷压缩机腔内消声器的声学模型进行对比，研究其传递损失。

本文针对某款家用空调式外机与滚动转子压缩机相连接的排气管上的消声器，建立其声学模型，通过仿真模拟计算，研究不同扩张比、扩张室长度、插入深度与穿孔孔径大小、数量对消声器传递损失的影响，并对结果进行分析。

1 消声器结构及声学理论

消除噪声是消声元件的最主要功能之一。消声元件和系统的消声效果一般有四个评价指标：传递损失、插入损失、声压级插值和声压级。在压缩机的管路系统中，一般只有一个消声器，故采用传递损失来评价消声元件。由于成本、空间限制，空调室外机的消声器一般为扩张式消声器，如图1所示。消声器为扩张腔结构，进入管有部分插入到扩张器中，并且进入管开有圆形小孔。

对于扩张消声器，其由一个主要腔室和两边与之相连的管道组成，如图2所示。进气管的截面积S1和出气管的截面积S2比扩张腔室的截面积S3要小。截面积的变化改变了声阻抗，入射波到达扩张室后，一部分能量被反射回进气管，消耗声能。声波达到与扩张室的交界处时，一部分被反射回来，形成反射波，一部分进入扩张室，到达扩张室与出气管交界处时，一部分入射波被反射回来，余下的投射到出气管中继续传播。

在x=0处，压力和体积速度满足[11]：

在x=L处，压力和体积速度满足：

式中：

Pi,—进气管进入扩张腔的入射波声压；

,Pr—进气管进入扩张腔的反射波声压；

P2i—扩张室内的入射声波的声压；

P2r—扩张室内的反射声波的声压；

S1—进气管的截面面积；

S2—扩张腔的截面面积；

S3—出气管的截面面积。

在管路的排气系统中，扩张管道两边的进气管和出气管的截面面积通常是相同的，即S1=S3。

将和整理，可将扩张消声器的功率传递系数简化为：

图1 消声器结构

图2 扩张消声器组成示意图

则扩张消声器的传递损失为：

式中：

m=S2/S1—扩张比；

k—波数；

λ—波长。

传递损失与扩张比与扩张室的长度有关。

一般有两种方法可提高扩张比，一是减小管路的尺寸，二是增加扩张室的截面积，但是限于空间限制与系统的性能需求，改动这两项的可能性较小。可通过增加进气管与出气管插入到扩张室中的长度来增加传递损失。

如图1所示，消声器只有进气管插入到扩张室中，其传递损失简化为：

式中：

La—进气管的插入扩张室的长度。

对于穿孔消声器，其传递损失和频率与穿孔的直径和面积有关。在声学模型中，一般通过传递阻抗来描述穿孔的孔径和面积。本文使用由Bento Coelho定义的阻抗[12]：

式中：

σ—开孔率；

f—频率；

ρ—流体的密度；

c—流体的声速；

dh—开孔的孔径。

2 消声器声学性能模拟及分析

消声器采用的材料为紫铜，管的壁厚为0.8 mm，进气管与出气管的外径为12 mm，扩张腔的外径为30 mm，扩张腔长度为58 mm，进气管的长度为69 mm，插入深度为40 mm，出气管的长度为11 mm，进气管上开有4列共计20个小孔，孔径为6 mm。

制冷剂为R32冷媒，排气温度为70 ℃，密度为1.1 kg/m3，气体常数为114 J/(kg·K)，绝热指数为1.22，根据党锡淇等的方法[13]计算其声速为229 m/s。

在模拟过程中，仅改变扩张比、插入深度与穿孔孔径大小、数量中的某一结构参数的值，其余参数不变。下面采用VA One对排气管消声器传递损失进行模拟仿真。在前处理软件中对消声器进行网格划分、赋予属性，导入VA Oone中建立边界元模型。在入口处施加1 m/s的单位振动速度速度，使用以下公式求解传递损失[14]：

式中：

p1—入口处声压；

p3—出口处声压；

Ain—入口处截面积；

Aout—出口处截面积。

2.1 扩张腔长度对传递损失的影响

仅改变扩张腔直径，设置其分别为20、25、30、35、40和45 mm，计算消声器的传递损失，模拟结果如图3所示。

在180～1 500 Hz，随着频率增加，传递损失增大，在1 500～4 000 Hz，随着频率的增加，传递损失减小。传递损失的波谷随着扩张腔直径的增大而往右移，传递损失的有效长度增大。但当扩张腔长度为30 mm时，在整个频段的传递损失的幅值都较大。

滚动转子压缩机噪声的主要频段为2 000 Hz以上[15]，因此建议在设计消声器扩张腔直径时，需对其进行优化，选取较好传递损失下的直径。

2.2 进气管插入深度对传递损失的影响

仅改变进气管插入扩张腔部分的长度，设置其分别为25、30、35、40、45和50 mm，计算消声器的传递损失，模拟结果如图4所示。

在1 700 Hz以前，各长度对传递损失的影响较小；在1 700 Hz以后，随着插入深度的增加，传递损失增大，传递损失的有效长度变短。其中当插入深度为40 mm时，传递损失在全频段都较大。

2.3 穿孔直径对传递损失的影响

仅改变穿孔的直径，设置其分别为1、2、3、4、5和6 mm，计算消声器的传递损失，模拟结果如图5所示。

在1 700 Hz以前，随着穿孔直径的增加，传递损失减小；在1 700 Hz以后，随着穿孔直径的增加。传递损失增大；在1 700～4 000 Hz频段，穿孔直径为5 mm时，传递损失有最大传递损失，为11 dB。

2.4 穿孔数对传递损失的影响

仅改变穿孔的数量，设置其分别为10、15、20、25、30和35个，计算消声器的传递损失，模拟结果如图6所示。

在1 700 Hz以前，随着穿孔数量的增加，传递损失减小；在1 700 Hz以后，随着穿孔数量的增加。传递损失增大；在1 700～4 000HZ频段，穿孔数量为35个孔时，传递损失有最大传递损失，为14 dB。

图3 扩张腔直径对传递损失的影响

图4 插入深度对传递损失的影响

图5 穿孔直径对传递损失的影响

图6 穿孔数对传递损失的影响

3 结论

在控制压缩机噪声通过配管系统内部冷媒的传播，在排气管设计消声器来进行降噪，分别对消声器的扩张腔直径、插入深度、开孔直径和开孔数进行数值模拟，分析各因素对消声器传递损失的影响，得到以下结论：

1）在压缩机噪声的主要频段，扩张腔对传递损失的影响较为复杂，在改变直径的同时会改变扩张腔的长度，在分析的数值中，30 mm的直径传递损失最大，因此在设计扩张腔直径时，需综合考虑改变扩张腔直径引起的扩张腔长度改变对传递损失的综合影响。

2）进气管插入扩张腔的插入深度增加时，在1 700 Hz后传递损失增大，在设计插入深度时可适当增大。

3）增加穿孔直径和穿孔数均可在压缩机噪声主要频段内增加传递损失，降低压缩机噪声。