劉凱 廣東美的暖通設(shè)備有限公司

空調(diào)消聲器消聲特性仿真分析

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將數(shù)值分析方法引入了空調(diào)消聲器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過綜合運(yùn)用數(shù)值分析技術(shù)對消聲器進(jìn)行性能分析；把影響消聲器性能的主要因素在數(shù)值模擬分析中，對消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到了減少數(shù)值分析次數(shù)的目的；再通過觀察消聲器內(nèi)部的聲壓分布情況彩圖和傳遞損失隨頻率的變化關(guān)系，深入了解消聲器的消聲性能，找出影響消聲器性能的主要因素及變化范圍，從而提高消聲器的各項(xiàng)指標(biāo)。該方法較之以往的傳統(tǒng)方法，有著諸多優(yōu)勢，為最終確定排氣消聲器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)

消聲器 暖通空調(diào) 優(yōu)化控制

一、空調(diào)消聲器的分類與消聲評價(jià)

（一）消聲器分類

目前空調(diào)上運(yùn)用較多的消聲器為無源消聲器，而其中采用全金屬結(jié)構(gòu)的抗性消聲器，由于構(gòu)造簡單、成本低、壽命長、耐高溫、耐腐蝕、耐氣流沖擊，不會(huì)被廢氣中的微粒堵塞的特點(diǎn)成為空調(diào)消聲器的首選，應(yīng)用最為廣泛。抗性消聲器對中、低頻范圍的噪聲具有較好的消聲效果。

（二）消聲器消聲評價(jià)

消聲器聲學(xué)性能包括消聲量的大小和消聲頻帶范圍的寬窄兩個(gè)方面。設(shè)計(jì)消聲器的目的就是要根據(jù)噪聲源的特點(diǎn)和頻率范圍，使消聲器的消聲頻率范圍滿足需要，并盡可能地在要求的頻率范圍內(nèi)獲得較大的消聲量，即在目標(biāo)頻帶上有較好的消聲效果。一般以倍頻程和1/3頻程來表示消聲器的頻率特性。消聲頻率范圍就是指消聲量顯著的頻率或頻帶，這方面沒有統(tǒng)一的定量評價(jià)指標(biāo)，一般要求有效頻帶范圍越寬越好，對人敏感的頻率范圍應(yīng)有足夠的消聲量，對聲源輻射噪聲大的頻段應(yīng)有較大的消聲量，這樣應(yīng)用消聲器降噪的效果就比較好。消聲器的消聲量的大小通常用四種度量來表征，分別為:傳遞損失、插入損失、降噪量、聲衰減。

二、消聲器結(jié)構(gòu)參數(shù)對消聲特性的影響分析

（一）擴(kuò)張比對消聲特性的影響

圖1 不同擴(kuò)張比的單節(jié)擴(kuò)張式消聲器的消聲曲線

圖2 單節(jié)擴(kuò)張直徑為25mm消聲器的消聲曲線

圖3 單節(jié)擴(kuò)張直徑為25mm消聲分別在300Hz聲壓圖

圖4 不同內(nèi)插深度消聲器的消聲曲線

通過對具有不同擴(kuò)張比的消聲器有限元模型分析，得如下結(jié)論：

1.消聲器設(shè)計(jì)需要考慮安裝和消聲特性。通過設(shè)計(jì)過大的消聲器擴(kuò)張室截面，從而獲得較大的擴(kuò)張比m，當(dāng)擴(kuò)張室截面面積較大時(shí)，較高頻率的聲波在擴(kuò)張室內(nèi)不再保持近似為平面波，也就是說，從入口管進(jìn)入擴(kuò)張室的聲波將集中在擴(kuò)張室中部以窄聲束通過，經(jīng)出口管直接傳播出去，使擴(kuò)張室不能充分發(fā)揮其消聲作用，從而使得消聲效果明顯下降，這就是在消聲器中存在的高頻失效現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)消聲器時(shí)必須要考慮擴(kuò)張室截面尺寸對消聲上、下限頻率的影響，使上、下限頻率在實(shí)際需要的能有效消聲的頻率范圍之外。

2.由于模型均是簡單擴(kuò)張式消聲器，因此存在通過頻率，從圖3中也可以發(fā)現(xiàn)，曲線與x軸接近相交，相交點(diǎn)處則表示通過頻率點(diǎn)，而曲線的波峰為最大消聲頻率點(diǎn)。為此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，通常在擴(kuò)張室里伸出一段插入管，選擇長度合適的插入管的作用是彌補(bǔ)簡單擴(kuò)張室所具有某些通過頻率的缺點(diǎn)。

3.從噪聲與控制手冊可知擴(kuò)張比m和消聲量TL的關(guān)系如表1，從該表中可知，最大消聲量與擴(kuò)張比同在一個(gè)數(shù)量級，擴(kuò)張比越大，消聲量越大，與上面分析完全吻合。雖然擴(kuò)張比較小的消聲器消聲量較低，但是消聲有效頻帶相對較寬。如果把消聲量與擴(kuò)張比的比值作為簡單擴(kuò)張腔消聲效率的一個(gè)指標(biāo)，易知在擴(kuò)張比約為11時(shí)，簡單擴(kuò)張腔的消聲效率最高，在實(shí)際工程應(yīng)用中，擴(kuò)張比一般取9＜m＜16，最大不超過20，最小不小于5。

表1 簡單擴(kuò)張式消聲器的擴(kuò)展比m與最大消聲量TL之間的關(guān)系

（二）插入管深度對消聲特性的影響

在研究插入管深度對消聲器影響時(shí)，設(shè)定消聲器插入管無偏置，其尺寸如下所示。圖4為不同插入深度的消聲特性曲線圖。

通過對具有不同插入管長度的消聲器有限元模型分析，得如下結(jié)論：

1.通過調(diào)整內(nèi)插管插入腔內(nèi)的深度，可以改變消聲器的消聲性能。理論上，當(dāng)內(nèi)插管長度等于擴(kuò)張室長度的1/2時(shí)，可消除通過頻率中n為奇數(shù)的部分，而當(dāng)內(nèi)插管長度等于擴(kuò)張室長度的1/4時(shí)，則可消除通過頻率中n為偶數(shù)的部分。這樣，如果在擴(kuò)張式消聲器內(nèi)從一端插入長度為的內(nèi)插管，另一端插入長度為的內(nèi)插管，在理論上可以獲得沒有通過頻率的消聲特性。通過觀察圖形同樣可以發(fā)現(xiàn)，在采用和插入管的消聲器表現(xiàn)最好，不但消聲效果良好，而且消聲頻段放大 ,與理論相吻合。

2.為了達(dá)到消除通過頻率，同樣可以采用多節(jié)不同長度的擴(kuò)張室進(jìn)行串聯(lián)的方法，把各節(jié)擴(kuò)張室的長度設(shè)計(jì)得互不相等，使它們的通過頻率互相錯(cuò)開。當(dāng)兩節(jié)擴(kuò)張室長度比選擇合適時(shí)，也可以使第二節(jié)的最大消聲頻率等于第一節(jié)的通過頻率，這樣不但能提高總的消聲量，而且能改善消聲器的頻率特性，使有效頻帶增寬，提高消聲效果。

3.在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到氣流的影響，中心對稱插入管的消聲性能并不理想，插入深度越大，其性能下降越多，主要是由于高速的脈動(dòng)氣流不能夠在消聲器擴(kuò)張室內(nèi)得到充分的膨脹。工程中多采用錯(cuò)開式內(nèi)插管消聲器，該消聲器能夠避免上述缺點(diǎn)，又能夠使氣流在消聲器內(nèi)得到充分膨脹，模擬有限元分析和實(shí)驗(yàn)均表明隨著插入深度的增加，消聲量也隨之增加。在時(shí)消聲性能達(dá)到最佳，但在這時(shí)候阻力損失也相對較大。因此，在選擇插入管長度時(shí)，應(yīng)該慎重考慮其對消聲器空氣動(dòng)力性能的負(fù)面影響。

（三）偏置距離對消聲特性的影響

考慮到偏置對消聲器性能的影響在存在插入管的情況下更加明顯，分析輸入、輸出管偏置情況，其它條件固定不變，圖5為擴(kuò)張直徑為￠50mm的入、出口無偏心和有偏心的消聲器圖，圖6為消聲特性曲線圖。

圖5 無偏心和有偏心消聲器

圖6 無偏心和有偏心消聲特性曲線圖

通過對輸入輸出中心軸偏置的消聲器有限元模型分析，得如下結(jié)論：

1.在不考慮氣流的情況下，當(dāng)中心軸偏置的消聲器的消聲效果比沒有偏置的消聲器表現(xiàn)要好。

2.當(dāng)偏置輸入管、輸出管內(nèi)插時(shí)且偏置距離選擇合適話，則在可以增加在高頻段的消聲量。

3.隨著偏置距離的增加，消聲曲線圖差異比較，其主要因?yàn)槠迷酱螅l(fā)生通過的頻段越窄，但偏置的選用在一定程度上影響消聲器的空氣動(dòng)力性能。

（四）擴(kuò)張室截面形狀對消聲特性的影響

以下考慮為截面積相等的情況，其截面形狀分別為：①圓形(半徑為R)；②橢圓形(令b=2a，b、a分別為橢圓形的長、短軸)；③方形(邊長為H)。其有限元模型如圖7所示。圖8為三種截面在不同頻率下的消聲特性曲線圖

圖7 不同截面形狀的消聲器圖

圖8 不同截面形狀的消聲器消聲曲線圖

通過對具有不同截面形狀的消聲器有限元模型分析，得如下結(jié)構(gòu)：

1.在中低頻率段時(shí)，不同截面形狀消聲器的消聲效果基本一致。在截面積相等的情況下，截面的變化對消聲器性能的影響不大。

2.針對上述四種等截面積的消聲器而言，其制造用料多少順序?yàn)椋赫叫危緳E圓＞圓。因此，在空間范圍允許的條件下，優(yōu)先選用圓形截面消聲器，其次選用橢圓型截面消聲器。

3.消聲器的截面也已不再局限于標(biāo)準(zhǔn)形狀，除了常見的圓形、橢圓形截面情況外，還有圓形橢圓組合截面形狀，該截面形狀消聲器一方面保證了足夠大的擴(kuò)張比，另一方面在軸方向尺寸又不會(huì)過大，空間易于分布。

三、總結(jié)與建議

應(yīng)用數(shù)值分析技術(shù)，使我們有可能在早期設(shè)計(jì)階段預(yù)知產(chǎn)品的特性，及早發(fā)現(xiàn)問題和錯(cuò)誤。本文對復(fù)雜結(jié)構(gòu)消聲器結(jié)構(gòu)，運(yùn)用ANSYS和SYSNOISE實(shí)現(xiàn)了消聲器的有限元數(shù)值分析，對具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的抗性消聲器進(jìn)行性能分析，分析擴(kuò)張比、內(nèi)插管偏置距離、插入管深度以及擴(kuò)張室截面形狀對消聲器性能進(jìn)行仿真分析與研究，得到以下結(jié)論：

1.擴(kuò)張比對簡單消聲器的最大消聲量起著決定性影響，擴(kuò)張比越大，消聲量越大。同時(shí)，消聲器的上限失效頻率隨著擴(kuò)張比的增加而下移。在實(shí)際工程應(yīng)用中，擴(kuò)張比一般取9＜m＜16，最大不超過20，最小不小于5。

2.擴(kuò)張腔長度改變了消聲器的消聲頻率特性，隨著擴(kuò)張腔長度的增加，拱形衰減個(gè)數(shù)增加。即增加擴(kuò)張室長度提高了低頻消聲特性。

內(nèi)插管能同時(shí)改善消聲器的消聲性能及阻力損失特性，出現(xiàn)了某些頻率段的共振峰值，抑制了高頻段的通過頻率，且有效地降低了壓力損失。在選擇插入管長度時(shí)，應(yīng)該慎重考慮其對消聲器空氣動(dòng)力性能的負(fù)面影響。

3.在不考慮氣流的情況下，當(dāng)中心軸偏置的消聲器的消聲效果比沒有偏置的消聲器表現(xiàn)要好，但對較小管徑的擴(kuò)張室則在制造上有點(diǎn)困難。

4.不同截面形狀消聲器的消聲效果基本一致。在截面積相等的情況下，截面的變化對消聲器性能的影響不大。但從材料成本上考慮，圓形截面的消聲器成本最低。

5.在頻率很低的低頻區(qū)，端部形狀對傳遞損失影響很小，但隨著頻率的升高，擴(kuò)張室端部為錐形消聲器的傳遞損失逐步變小，消聲性能不斷降低。

6.流速使得消聲器的低頻消聲性能變好，而溫度的提高有利于增強(qiáng)消聲器的高頻消聲效果而不利于低頻消聲效果。

[1]陸森林，劉紅光.內(nèi)燃機(jī)排氣消聲器性能的三維有限元計(jì)算及分析.內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)調(diào)，2003，21(5):346-350.

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劉凱（1985-），男，漢族，湖北棗陽，畢業(yè)于武漢理工大學(xué)機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)供職廣東美的暖通設(shè)備有限公司，結(jié)構(gòu)工程師，碩士學(xué)歷，研究方向：空調(diào)制冷。