陈国平 陈澎钰 张进男 张 旭

（1.海信家电集团有限公司 青岛 266100； 2.海信(山东)空调有限公司 青岛 266100）

引言

随着产品功能多样性的增加，人们开始转而关注产品的振动噪声性能。空调产品的噪声问题已经成为消费者投诉的最主要问题。空调压缩机产生的脉动噪声通过管路传递到室内，严重影响了用户体验的舒适度。而消声器是解决管道噪声最常用的手段[1]。消声器根据其消声原理可以分为阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合消声器、微穿孔板消声器、小孔消声器以及有源消声器，其中抗性消声器又称为反射式消声器，是利用声波的反射叠加原理进行消声[2]。抗性消声器根据其结构特点又可被分为扩张式消声器、共振腔消声器、干涉式消声器等。扩张式消声器因其结构简单，价格低廉，中、低频段消声效果好，被广泛应用于空调压缩机系统的管道消声领域[3]。

内插管消声器属于扩张消声器的一种，它能够有效地提升消声器高频处的传递损失曲线，被用来进行高频消声。国内外学者针对内插管消声器进行了大量的研究，陈洪月[4]等针对消声器内插管的结构参数进行数值模拟，以压缩机工作频段为条件，以噪声值为优化目标，利用正弦函数法构建二者之间的拟合曲线，并对内插管长度进行优化。陆维涛[5]等计算双腔内插管扩张式消声器的传递损失和压力损失，得出在640 Hz时降噪效果最好。戚美[6]等针对不同内插长度的消声器的流场和声场进行仿真分析，得到消声器的声压分布特性、传递损失及压力损失，并对内插长度对空气动力学性能的影响进行研究。目前内插管消声器主要应用于汽车行业，在家电行业应用的研究较少，且不成体系。

本文针对扩张式消声器安装内插管后的声学特性进行研究，基于有限元法对内插管消声器的传递损失进行数值计算。系统地研究扩张式消声器内插管后的传递损失曲线，得到内插管消声器的插入深度、插入方向、内插管厚度等因素对传递损失的影响规律。研究结果对内插管消声器在抑制空调压缩机脉动噪声方面的应用具有指导性意义。

1 仿真流程设计

1.1 仿真流程

为了对内插管消声器的声学传递损失进行分析，建立了消声器传递损失仿真流程如图1所示。首先建立消声器的几何模型，消声器传递损失的计算域是消声器内部空腔的流场域部分[8]，故针对声场域进行建模；由制冷剂物性查询软件REFPROP可得，R32冷媒的流速为210 m/s，密度为0.652 4 kg/m3；对于消声器传递损失的计算，需要在出口定义一个全吸声属性来模拟无反射边界；设置入口声源作为边界条件进行求解，根据压缩机传递音的频率特性，设置传递损失的求解范围在（0～4 000）Hz，生成传递损失曲线。

图1 消声器传递损失仿真流程图

1.2 仿真安排

为了将仿真数据与实验相结合，以我司2127524型号消声器为例，进行传递损失的仿真计算。其出、入口直径为9.6 mm；扩张腔直径为31.8 mm；有效长度为170 mm。内插管消声器的结构如图2所示，图示参数依次代表为：①入口直径、②出口直径、③扩张腔直径、④扩张腔长度、⑤内插管插入深度、⑥内插管厚度。本文内插管消声器插入深度70 mm、内插管厚度0.8 mm为参考，即表1仿真分析设置中的A组为参考组。

图2 内插管消声器结构图

表1 仿真分析设置(mm)

2 仿真分析结果

2.1 内插管对消声性能的影响

为了得出扩张式消声器内插管后对传递损失的影响，将相同规格的内插管消声器与扩张式消声器的传递损失进行对比，即表1中的仿真A组和仿真B组，得到的传递损失曲线如图3所示。由图可以看出：相同尺寸规格的消声器，在进行内插管后，传递损失均比扩张式消声器的传递损失大，且在某些频率范围内，传递损失会出现明显的增加，形成波峰；消声器进行内插管后，其对应的消声曲线跨度没有发生改变，与扩张式消声器的消声曲线跨度保持一致。扩张式消声器内插管后，其消声能力会得到加强，这一规律能够指导我们针对内插管消声器进行开发，并应用在产品上。

图3 内插管消声器与扩张式消声器传递损失对比

2.2 内插管的插入方向对消声性能的影响

对内插管消声器的插入方向对传递损失曲线的影响进行分析，冷媒由内插管一侧进入消声器即为正向、冷媒由内插管一侧流出消声器即为反向。分别针对相同插入深度的正向和反向进行仿真分析，得到的传递损失曲线如图4所示。可以看出：正向和反向的传递损失曲线完全一致，说明冷媒由何向进入消声器完全不影响消声器的性能，出入口互换对内插管消声器传递损失没有影响，故在设计内插管消声器时，不必进行防呆设计，但考虑到压缩机回油问题，建议将内插管安排在靠近四通阀位置。

图4 插入方向对传递损失的影响

2.3 内插管厚度对传递损失的影响

对不同厚度内插管进行研究，设置内插管厚度分别为0.5 mm、0.8 mm、1.1 mm，内插深度为70 mm，即表1中的A、D、E组，对三种消声器进行仿真分析，得到传递损失曲线如图5所示，由图可以看出：三种内插管厚度的消声器传递损失变化不大，说明内插管的厚度对传递损失影响不大，故在满足产品其他方面要求以及满足加工要求的前提下，内插管厚度选择较薄的即可。

图5 内插管厚度对传递损失的影响

2.4 插入深度对传递损失的影响

针对相同尺寸规格扩张式消声器进行不同深度的内插管处理，插入深度分别为30 mm、60 mm、90 mm，即表1中的仿真F、I、L组，得到的传递损失曲线如图6所示，图中可以看出：不同深度的内插管对应的消声曲线各不相同，蓝色实线为内插30 mm、红色虚线为内插60 mm、黑色点线为内插90 mm，在（0～4 000）Hz范围内，蓝色存在一个波峰、红色存在两个波峰、黑色存在三个波峰，故插入深度越深，消声曲线的波峰越多，且插入深度越深，第一波峰的位置越靠前。

图6 插入深度对传递损失的影响

为了进一步研究内插管的插入深度对区间内波峰的个数、第一波峰的位置、第二波峰的位置的影响，针对插入深度分别为30～150 mm（间隔10 mm）的消声器进行仿真，即仿真F-R组，得到插入深度对区间内波峰个数的影响如图7所示，由图可以看出，随着插入深度的增加，区间内波峰个数也在增加，基本能够呈现一种线性关系，因此可以根据目标频率进行内插管深度的设计。

图7 插入深度对区间内波峰个数的影响

区间内第一波峰对应频率如图8所示。可以看出：随着插入深度的增加，第一波峰对应的频率逐渐前移，当插入深度达150 mm时，第一波峰对应的频率仅为400 Hz左右。故可根据插入深度与波峰个数、波峰频率的关系，对内插管消声器的插入深度进行设计。

图8 插入深度对第一波峰的影响

3 实验验证

为了验证仿真分析得到结论的正确性，针对我司某款应用2127524型号消声器的室外机进行分析，管路系统存在一长一短两个消声器，长消声器为本文仿真涉及的消声器，安装在压缩机排气管，主要抑制压缩机低频传递音；短消声器为我司2110544型消声器，安装在通向室内测的E管联机管，主要抑制压缩机高频传递音。根据内插管可以提高消声器某些频率下传递损失的特点，安排实验验证如下：去除E管上的短消声器，测试室内测噪声频谱，获取高频传递音的目标频率点，根据插入深度与波峰位置的关系确定内插管插入深度，内插管消声器安装在室外机后，进行噪声复测。得到的压缩机传递音的特征频谱如图9所示，此时压缩机运行频率为80 Hz，从频谱上看，压缩机运行频率的2倍、3倍、4倍频幅值较高，主观评价存在明显压缩机传递音。根据压缩机传递音的频域分布及内插管消声器波峰与插入深度之间的关系，确定内插管的插入深度后，将内插管消声器安装在D管上代替扩张式消声器进行复测，得到的噪声频谱如图10所示，可以看出压缩机传递音的特征峰值明显降低，主观评价也无压缩机传递音。

图9 压缩机传递音特征频谱

图10 改善后的噪声频谱

4 结论

通过对内插管消声器的插入深度、插入方向、内插管厚度等因素对传递损失的影响进行分析，得出以下结论：

1）内插管消声器的传递损失均要优于扩张式消声器，且在某些频率范围，内插管消声器的传递损失会明显增加。消声器进行内插管后，其对应的消声曲线跨度没有发生改变，与扩张式消声器的消声曲线跨度保持一致。

2）内插管消声器的插入方向不会影响其传递损失，故在设计过程中，无需对其进行防呆设计。

3）内插管的壁厚对传递损失影响很小，故对其可以忽略不计。

4）内插管的插入深度对传递损失的影响最大，可以通过合理的设计插入深度来提高某些频率处的传递损失。