李宗攀　楊曉　孫龍　管麗萍

青島海爾空調(diào)器有限總公司　山東青島　266000

1　引言

一般情況下，空調(diào)器噪音的來源主要有兩個方面，一是正常范圍內(nèi)的空調(diào)噪音，二是異常噪音。由于空調(diào)器內(nèi)在設(shè)計結(jié)構(gòu)的原因，正常噪音是無法消除和避免的，在一定的噪音范圍內(nèi)不會影響空調(diào)的舒適度[1]。但是空調(diào)設(shè)計者可以通過技術(shù)的改進(jìn)減小空調(diào)正常噪音，不斷提高空調(diào)的舒適度。異常噪音主要是由于空調(diào)設(shè)計不合理以及其他人為原因造成的，這種異常噪音是可以避免和消除的。空調(diào)運行過程中產(chǎn)生的異常噪音主要有：風(fēng)扇和風(fēng)道設(shè)計不合理產(chǎn)生的異常噪音；電機(jī)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的電磁噪音；管路設(shè)計不合理產(chǎn)生的壓縮機(jī)噪音；裝置控制不科學(xué)導(dǎo)致的異常噪音；外部機(jī)器共振形成的噪音，以及本文要研究的壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈動“嗡嗡”聲。上述異常噪音可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及技術(shù)改進(jìn)減小，而壓縮機(jī)的傳響一直沒有得到解決，直接影響到空調(diào)器的品質(zhì)。

空調(diào)器產(chǎn)生“嗡嗡”聲的原因主要有：空調(diào)器本身運轉(zhuǎn)時共振產(chǎn)生的“嗡嗡”聲；壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)時冷媒在管路系統(tǒng)內(nèi)的壓力以一定的頻率激勵管路系統(tǒng)而產(chǎn)生的脈動“嗡嗡”聲。對于共振產(chǎn)生的“嗡嗡”聲可以通過改變空調(diào)器本身結(jié)構(gòu)固有頻率（如改變管路配重）來改善，而壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈動“嗡嗡”聲則需要找出脈動頻率尖峰，再通過消除脈動頻率尖峰來消除。

針對上述問題，本文利用頻譜分析技術(shù)，分離出壓縮機(jī)傳響對應(yīng)的頻率，探明“嗡嗡”聲產(chǎn)生的根源，進(jìn)而根據(jù)分離出來的頻率頻段，提出在排氣管上設(shè)置適宜的消音器技術(shù)方案，優(yōu)化設(shè)計。實驗研究表明，該方法切實有效，極大地改善空調(diào)器的聲音品質(zhì)。

2　消音器的選型設(shè)計

消音器的種類很多，如圖1所示，主要分為三大類，阻性消音器、抗性消音器和復(fù)合式消音器等。阻性消音器是一種吸收型消音器，它是利用聲波在多孔性吸聲材料中傳播時，因摩擦將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而散發(fā)掉的原理，達(dá)到消音的目的?？剐韵羝髋c阻性消音器不同，它不使用吸聲材料，而是依靠管道截面的突變或連接共振腔等在聲音傳播過程中引起阻抗的改變而產(chǎn)生聲能的反射、干涉及共振吸聲來降低消音器向外輻射的聲能，達(dá)到消音的目的。從能量轉(zhuǎn)換角度看，阻性消音器采用的是能量轉(zhuǎn)換（即通過做功將聲能轉(zhuǎn)換成熱能）的方法以降低消音器出口處聲音的能量，而抗性消音器則是利用聲能轉(zhuǎn)移的方法以降低消音器出口處聲音的能量。由于吸聲材料的價格不低，阻性消音器的成本遠(yuǎn)高于抗性消音器，故目前空調(diào)器廣泛使用抗性消音器。

目前空調(diào)制冷系統(tǒng)中最常用的消音器是膨脹式消音器，即擴(kuò)張室式消音器，其主要參數(shù)是消音器的長度和擴(kuò)張比。

單節(jié)擴(kuò)張室式消音器的傳聲損失為[2]：

λ——脈動噪音的波長，單位m；

l——消音器長度，單位m；

m——消音器的擴(kuò)張比，m=s2/s1；

s1——連接管截面面積；

s2——擴(kuò)張室截面面積。

根據(jù)（1）式可知，管道截面收縮m倍或擴(kuò)張m倍，其消音作用是相同的，工程中為減小氣流阻力，常用的是擴(kuò)張管。當(dāng)kl=(2n+1)π/2時，sin(kl)=1，此時消音量達(dá)最大值，即最大消音量為：

此時，由kl=(2n+1)π/2可以得出消音器長度一般計算公式，將k=2π/λ代入可得消音器長度計算公式：

式中：c——脈動噪音在冷媒中的傳播速度，單位m/s；

在公式（3）中n=0時，消音器長度的常用計算公式為：

由公式（3）和公式（4）不難理解根據(jù)公式（4）計算消音器長度的1、3、5、7等奇數(shù)倍可以起到相同的消音效果。

根據(jù)公式（3）和公式（4）計算消音器長度，則需要確定脈動聲波的音速c和頻率f。頻率f可通過頻譜分析確定，即噪聲功率譜上噪聲異常點對應(yīng)的頻率值?？照{(diào)“傳響”現(xiàn)象往往發(fā)生在低溫制熱工況，壓機(jī)排出高溫高壓的氣體先進(jìn)入室內(nèi)換熱器進(jìn)行冷凝，冷媒在由室外進(jìn)入室內(nèi)的過程中完全是氣體。根據(jù)流體力學(xué)可知[3]，氣體音速c可按如下公式計算：

式中：K——制冷劑的比熱比；

CP——制冷劑的定壓比熱，單位kJ/(kg·℃)，根據(jù)表1選擇；

圖1　消音器的分類

圖2　單節(jié)擴(kuò)張式消音器

表1　R410A熱力計算物理性質(zhì)參數(shù)表（摘錄部分）

表2　消音器規(guī)格種類匯總分類表

圖3　空調(diào)器加消音器前的噪聲頻譜

圖4　空調(diào)器加消音器后的噪聲頻譜

CV——制冷劑的定容比熱，單位kJ/(kg·℃)，根據(jù)表1選擇；

P——制冷劑的絕對壓力，單位Pa，根據(jù)表1選擇；

ρ——制冷劑的密度，單位kg/m3，根據(jù)表1選擇。

3　消音器的應(yīng)用實例

由于管路激勵而產(chǎn)生的脈動噪音不能通過阻尼減振的辦法來降低，只有通過優(yōu)化的管路系統(tǒng)設(shè)計或者選擇合適的消音器來消除或減弱壓力脈動噪音。

某款分體式空調(diào)器低溫制熱運行時，當(dāng)室外機(jī)壓機(jī)頻率低于80Hz時，聲音品質(zhì)較好，當(dāng)室外機(jī)壓機(jī)頻率達(dá)到90Hz以上時，可明顯聽到“嗡嗡”聲，且此“嗡嗡”聲通過冷媒循環(huán)傳入室內(nèi)側(cè)，使室內(nèi)側(cè)噪音品質(zhì)也很差。通過在室外機(jī)管路上配減振膠泥塊，“嗡嗡”聲不能消除，基本可以判定壓機(jī)周期性排氣引起的壓力脈沖是“嗡嗡”聲的噪聲來源。在半消音室測試空調(diào)器室內(nèi)側(cè)噪聲功率頻譜如圖3所示，從圖3可知，壓力脈動頻率在888.7Hz處有最高噪聲峰值41.2dB(A)。在整體配管基本定型的前提下，通過選取合適的消音器來消除此異常音。

空調(diào)器在低溫制熱工況下運行，壓機(jī)排出的高溫高壓氣體進(jìn)入室內(nèi)機(jī)換熱器進(jìn)行冷凝，冷凝溫度為49℃，根據(jù)冷凝溫度查表1可知R410A相對應(yīng)的熱力學(xué)參數(shù)，由于進(jìn)入室內(nèi)側(cè)的是氣體冷媒，故選取氣體對應(yīng)的參數(shù)。由表1可知：ρ=136.643kg/m3，P=3.102×106Pa，注意制冷劑的絕對壓力等于大氣壓力加上相對壓力（表壓），即飽和壓力基礎(chǔ)加上大氣壓力1.01×105Pa，CV=1.040kJ/(kg·℃)，CP=2.326kJ/(kg·℃)。根據(jù)上述參數(shù)，由公式（5）和公式（6）可計算出脈動噪音的音速c為：

根據(jù)公式（4）可計算出消除888.7Hz脈動噪音對應(yīng)消聲器長度l為：

取消音器長度l=60mm，擴(kuò)張比m越大，消音器的消聲量也越大，但考慮到消音器安裝空間限制和成本因素，選取消音器擴(kuò)張室直徑為Φ30mm，排氣管徑為Φ7.92mm，則擴(kuò)張比m=14.35，所以最終選取消音器規(guī)格為長度l=60mm，擴(kuò)張比m=14.35。將該規(guī)格的消音器安裝在排氣管后，測試空調(diào)器室內(nèi)側(cè)噪聲功率頻譜如圖4所示，由圖4可知，壓力脈動頻率在888.7Hz處噪聲值降為19.6dB(A)，即安裝消音器后該頻率對應(yīng)的噪聲值降低了21.6dB(A)，“嗡嗡”聲消除，聲音品質(zhì)獲得很大改善，空調(diào)器整體噪聲也下降1.5dB(A)。將消音器擴(kuò)張比m=14.35代入公式（2）可得消音器的最大消聲量為：

顯然，實際消音量21.6dB(A)很接近最大消聲量LTLmax=23.12dB(A)，說明消音器規(guī)格選型設(shè)計比較合適。

空調(diào)器的使用環(huán)境是非常復(fù)雜的，不同的工況制冷系統(tǒng)的脈動壓力不一樣，即空調(diào)器在不同的環(huán)境下脈動噪聲頻率是不一樣的。此時空調(diào)器有許多脈動噪聲頻率需要消除，但因為空調(diào)器室外機(jī)空間限制和成本因素都不允許，不可能每個脈動噪聲頻率都設(shè)計一個消音器。以某款分體式空調(diào)器為例，依次找出不同工況下的脈動噪音頻率，并計算相對應(yīng)的消聲器長度，然后將消音器長度相接近歸為一組，這樣可以盡可能減少消音器規(guī)格的種類，消音器規(guī)格種類匯總分類如表2。

由表2可知，脈動噪聲頻率有8個，但是消音器規(guī)格進(jìn)行匯總分類后，發(fā)現(xiàn)只需要3個消音器規(guī)格l=55mm、l=50mm和l=40mm就可以對8個脈動噪聲頻率進(jìn)行消除或減弱。

4　小結(jié)

（1）空調(diào)器壓縮機(jī)運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的脈動“嗡嗡”聲，利用頻譜分析技術(shù)，可以探明其尖峰頻率，然后根據(jù)尖峰頻率通過設(shè)計計算，得出消音器的規(guī)格，并在排氣管上增加消音器來消除脈動“嗡嗡”聲。

（2）擴(kuò)張室式消音器在空調(diào)系統(tǒng)中已經(jīng)廣泛應(yīng)用，在減振降噪方面發(fā)揮著重要作用。在不改變制冷系統(tǒng)管路的前提下，降低空調(diào)器制冷系統(tǒng)壓力脈動噪聲的有效方法是設(shè)計合適的消聲器。

（3）當(dāng)有多個脈動噪聲頻率時，依次計算出各自對應(yīng)的消音器長度，然后進(jìn)行匯總分類，將長度相接近的消音器歸為一組，盡可能減少消音器規(guī)格種類。