基于有限元的空調(diào)消音器仿真分析與優(yōu)化

李 武 肖 劍 紀(jì) 瀚

（珠海市鹿鳴智慧科技有限公司 珠海 519000）

引言

隨著人們生活水平的提高，空調(diào)已經(jīng)成為越來越多家庭中必不可少的家用電器之一，人們對產(chǎn)品舒適度的要求也越來越高，噪音的高低也成為了用戶選擇空調(diào)產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)，因此如何研發(fā)出高性能、低噪音的空調(diào)產(chǎn)品是研發(fā)技術(shù)員需要重點解決的問題。

在空調(diào)產(chǎn)品中為解決壓縮機噪聲傳遞到室內(nèi)機的問題，通常會在壓縮機出口增加消音器。傳統(tǒng)的消音器通常為普通的擴管式消音器結(jié)構(gòu)，以往空調(diào)主要為定頻機，壓縮機的頻率范圍比較固定，所以空調(diào)噪聲頻率也相對固定，傳統(tǒng)的擴管式消音器基本可以滿足要求。但隨著技術(shù)的不斷提升和市場變化，現(xiàn)在市場上變頻空調(diào)日益普及，以往消除固定頻段噪聲的普通擴管式消音器已經(jīng)很難滿足變頻機的使用需求，消音器的消音頻率需要設(shè)計的盡量寬，以便能覆蓋壓縮機的運轉(zhuǎn)頻率范圍[1,2]。

本文基于有限元分析方法，對某項目開發(fā)的空調(diào)室外機消音器進行研究，通過仿真分析計算出消音器的傳遞損失曲線，并對原消音器進行優(yōu)化設(shè)計，仿真分析結(jié)果顯示，優(yōu)化后的消音器消音頻段更廣，在（200～1 000）Hz頻段的范圍內(nèi)，消聲量達到10 dB以上，經(jīng)過實驗測試對比，原空調(diào)的噪聲得到明顯的降低，產(chǎn)品競爭力得到顯著提升。

1 消音器設(shè)計和傳遞損失計算

消音器根據(jù)消音原理的不同一般分為阻性消音器和抗性消音器，在空調(diào)的冷媒系統(tǒng)中通常使用抗性消音器進行消音，空調(diào)通常采用銅管進行冷媒傳遞，在冷媒系統(tǒng)中通常使用擴張室消音器進行消音，擴張室消音器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其通常包括兩端的入口管和出口管以及中間的擴張腔。

圖1 擴管式消音器結(jié)構(gòu)圖

擴管式消音器的消聲量的消聲量可由式（1）計算[3]：

式中：

ΔL—消聲量（dB）；

m—擴張比，m=S2/S1；

k —波數(shù)，k=2π/λ，λ是聲波波長；

l—擴張室的長度（m）。

擴管式消音器最大消音量的計算公式為：

擴管式消音器最大消聲量的頻率fmax為：

式中：

c—聲速（m/s）。

式中：

K—比熱比；

R—氣體常數(shù)；

T—絕對溫度。

從上面的公式可以看出，消音器的消音量大小取決于擴張比m。

根據(jù)上面的式（1）～（3）可以繪制出擴管式消音器的傳遞損失圖如圖2所示。從圖中可以看出，擴管式消音器的傳遞損失呈周期性的波動狀態(tài)，會存在明顯的最大消聲和最低消聲位置。在實際工作應(yīng)用中，尤其是面對需要在一定頻率范圍內(nèi)消聲的變頻機組，這種存在明顯消聲截止頻率的擴管式消音器就不適合使用了。比如圖2中的消音器在450 Hz、900 Hz附近的消聲量就非常低，當(dāng)變頻機組剛好存在45 Hz、90 Hz附近運行的倍頻噪聲時，此消音器的消音效果便會很差。

圖2 擴管式消音器的傳遞損失圖

為了改善擴張室消音器存在通過頻率消聲量為零的問題，在產(chǎn)品設(shè)計中，通常會在消音器的入口端增加一段插入管[4]，如圖3所示，帶內(nèi)插管的消音器減小消音器的截止頻率，增加消音器可消聲頻段。

圖3 帶內(nèi)插管的消音器

內(nèi)插管消音器的消音頻率無法通過公式計算直接得到，但可以通過仿真分析計算得出。消聲器的傳遞損失仿真分析計算通常是基于消聲器的聲模態(tài)分析結(jié)果通過諧響應(yīng)分析計算得到，通過在消音器入口處添加單位振動速度來計算出口處的響應(yīng)從而得到消音器傳遞損失。

采用有限元方法對理論公式計算的消音器進行聲學(xué)仿真，包括空腔聲模態(tài)和傳遞損失計算，仿真軟件為ANSYS。有限元模型基于以下幾個基本假設(shè)：

1）消音器中的介質(zhì)為理想流體；

2）介質(zhì)中傳播的是小振幅聲波，符合線性傳遞關(guān)系；

3）聲傳播是絕熱過程；

4）介質(zhì)的靜態(tài)壓強和靜態(tài)密度都是常數(shù)；

5）消音器為剛性管壁組成，聲波在管壁位置全部反射。

2 原始方案模擬仿真分析

實驗測試發(fā)現(xiàn)，某機型空調(diào)室內(nèi)機存在中低頻噪音，通過室內(nèi)機和室外機的噪聲頻譜對比確認(rèn)，此噪聲為室外機傳遞到室內(nèi)機，因此需對其消音器進行分析，確認(rèn)其消音頻段是否設(shè)計合理。如圖4所示為原室外機的噪聲測試1/3倍頻程頻譜，從圖中可以看出，噪聲主要集中在中高頻區(qū)域，（200～1 000）Hz范圍最為集中，最大噪聲對應(yīng)頻率為500 Hz附近，噪聲值達到72.88 dB（A），說明消音器在此頻段的消音效果欠佳，需對其進行優(yōu)化。

圖4 原機型噪聲頻譜

圖5 原消音器三維模型和網(wǎng)格模型

原消音器三維模型和網(wǎng)格如圖4所示，網(wǎng)格單元采用三維聲學(xué)流體單元FLUID30計算，傳遞損失可以表示如公式（4）所示[5]。

式中：

S1—消音器入口銅管的截面積（mm2）；

S2—消音器出口銅管的截面積（mm2）；

P1—消音器入口位置的入射聲壓（Pa）；

P2—消音器出口位置的投射聲壓（Pa）；

P3—消音器入口位置的聲壓（Pa）；

P4—消音器出口位置的聲壓（Pa）；

ρ—當(dāng)前工況下，空調(diào)系統(tǒng)中的冷媒密度（kg/m3）；

c—當(dāng)前工況下的冷媒中聲音的傳播速度（m/s）；

vi—消音器入口單元的振動速度（m/s）。

仿真分析采用ANSYS的聲學(xué)諧響應(yīng)模塊進行計算，根據(jù)上面的計算原理公式，在消音器的入口管的單元上，施加了大小為1m/s，方向從入口指向出口的振動速度作為激勵，通過仿真分析計算可得到出口位置的響應(yīng)結(jié)果，進而可以計算出消音器從入口到出口的傳遞損失。

結(jié)合本文分析選用的案例，其冷媒采用的是R410a，在名義制冷工況下(室外側(cè)干球溫度35 ℃，室內(nèi)側(cè)干球溫度27 ℃)，通過查表在此工況下，R410a冷媒的聲速約為175.8 m/s，冷媒密度約62.8 kg/m3。通過ANSYS仿真得到本案例消音器的噪聲傳遞損失圖如圖6所示。

圖6 原消音器噪聲傳遞損失圖

從圖中可以看出，原消音器的傳遞損失呈類似正弦曲線的形式，在（200～1 000）Hz范圍內(nèi)，最大消聲量為12.5 dB，其在480 Hz、900 Hz附近消聲量接近于0，因此其對中高頻的噪聲并不能起到較好的消除效果，這點和噪聲測試頻譜的數(shù)據(jù)吻合，也驗證了仿真分析的準(zhǔn)確性。

3 優(yōu)化和實驗驗證

為增加消音器的消聲量和消聲頻段，對原消音器進行優(yōu)化，在實際的工程應(yīng)用中，通常可以通過在消音器入口端增加一段插入管，同時調(diào)整消音器的空腔直徑的方式來進行優(yōu)化。

插入管消音器的插入管長度對消音器的通過頻率會有很大的影響，當(dāng)插入管長度為1/2筒體長度的倍數(shù)，同時為1/4筒體長度的倍數(shù)時，理論上整個消音器沒有通過頻率[6]。

另外原消音器腔體直徑和長度均偏大，為了節(jié)約成本，在增加插入管的同時，減小了腔體直徑和長度，綜合考慮后，消音器調(diào)整前后的尺寸對比如表1所示。

表1 原始方案與優(yōu)先方案消音器尺寸對比

對優(yōu)化方案進行仿真分析得到其傳遞損失曲線如圖7所示，從圖中可以看出，優(yōu)化后的消音器其在（200～1 000）Hz范圍內(nèi)的消聲量基本在15 dB以上，優(yōu)化后的消音器消音頻段范圍明顯增加，并且在使用頻段范圍內(nèi)沒有消聲量很小的頻率點，更加符合變頻機的應(yīng)用場合。

圖7 優(yōu)化后的消音器噪聲傳遞損失圖

對優(yōu)化后的空調(diào)室外機進行噪聲測試，得到其頻譜如圖8所示，從圖中可以看出，（200～1 000）Hz范圍內(nèi)的噪聲得到明顯改善，最大噪聲值由72.88 dB（A）降低到56.8 dB（A），說明優(yōu)化后的消音器的對原機型存在的噪聲問題起到了改善作用。

圖8 優(yōu)化消音器后室外機噪聲頻譜

4 結(jié)論

本文利用有限元分析方法，對某空調(diào)室外機的噪音問題進行優(yōu)化，對消音器的設(shè)計和仿真分析方法進行研究，結(jié)合分析結(jié)果對原消音器進行優(yōu)化，通過仿真分析對比和實驗發(fā)現(xiàn)原方案空調(diào)室外機噪聲偏高是由于原消音器的存在消音量接近為0的頻段，使得消音器在這些頻段附近的消聲效果不佳，通過設(shè)計帶插入管的消音器可以增加消聲頻段范圍，使消音器在目標(biāo)頻率不出現(xiàn)消音量接近0的頻段。通過實驗測試優(yōu)化后的消音器降噪效果明顯，原最大噪聲頻段噪聲值降低了16 dB(A)，同時減小了消音器的體積，能有效降低成本提高產(chǎn)品競爭力。