陈颖
广东TCL智能暖通设备有限公司
摘要：冷媒噪声是空调噪声重要来源之一，文章阐明了冷媒噪声的形成机理，介绍了减小冷媒噪声的措施，指出消声器降噪是常用的、有效的方法，从理论上分析了降噪消声器选型设计，指出消声器长度是由脉动声波的音速和频率来确定的，频率是通过噪声频谱分析来确定，音速通过冷媒热力学物理性质参数计算而求得，同时指出最大消声量通常随扩张比增大而增大，但扩张比也不能很大，消声性能也不是随着扩张比无限增大的。最后结合实际噪声案例，应用噪声频谱分析技术进行噪声诊断，设计了消声器技术方案，得出了消声器降噪设计方案的可行性。
关键词：空调；冷媒噪声；消声器；降噪；频谱分析
一、引言
通常情况下，空调噪声的来源基本上分为两个方面。一是空调在正常运行时所产生的噪声；二是空调在出现故障时所产生的异常噪声。正常运行时所产生的噪声是不可消除的，但可通过优化设计等措施将噪声降至最低，从而满足客户对舒适度的基本要求。而异常噪声完全能够消除，由于异常噪声的产生是因为系统设计不合理或出现故障而产生的。
冷媒噪声是空调噪声重要来源之一，本文就冷媒噪声形成机理和降低冷媒噪声的消声器设计进行理论分析，并结合案例进行实践验证，希望能为后续空调降噪研究提供参考。
二、冷媒噪声的理论分析
冷媒噪声是指冷媒在配管内高速流动时所产生的气流脉动噪声，通过配管弯头处、进口分流处与出口汇合处时，产生涡流噪声，以及通过节流装置时产生的喷射噪声。前两者统称为冷媒流动噪声，后者称为毛细管出口气流喷射噪声。
1.冷媒流动噪声
流体流过管道时，紊流和摩擦激励的脉动压强会生成噪声。实际工程中，管道中的流体绝大多数均处于紊流状态，管道中所含的大量不规则的微小紊流，其本身就发出噪声。当紊流经过管道中的不规则形状或粗糙的内表面部位时，紊流与这些部位互相作用而生成涡流噪声。其声功率级(dB)与流速之间的关系可表示为：
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2.毛细管出口气流喷射噪声
喷管射出的高速气流，其内部静压低于周围气体的压强，于是沿气流喷射方向的一段距离内周围大量气体被射流吸卷进去，射流体积会逐渐变大，而速度逐渐降低。在喷口附近，仍然存在着体积逐渐变小的一段高速气流，其速度仍然等于喷口处气流速度，被称为射流的势核。在势核四周，射流与被吸进的气体强烈混合，这是段湍化度很高的定向气流。这段区域内从势核到混合边缘的速度梯度很大，气流间存在多变的应力，紊流强度高，气流内各点的压强和流速急剧发生改变，会辐射较强的噪声。喷射噪声的声功率为：
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从冷凝器流出的过冷液态冷媒进入毛细管后，因流动摩擦而产生压降，从而引起相变，发生闪发现象。闪发刚开始时，会有较少气泡生成，仍处于亚稳态区，但这一过程十分短暂，因随着汽相比例的增加，冷媒平均比容上升，流动速度急剧加快。当过冷态的冷媒流过毛细管内部，速度达到音速，同时产生垂直冲击波及膨胀波。如图1所示。为便于分析噪声组成，本文将冷媒流动噪声与毛细管出口气流喷射噪声统一为冷媒噪声，作为冷媒噪声整体处理。
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图1 喷射噪声产生示意图
三、减小冷媒噪声的措施
目前减少冷媒噪声的主要技术方案有：优化制冷系统管路和加装消声器，常用的处理方法是消声器设计，消声器是一种能阻碍声音传播而又容许气流经过的零件。在系统管路上设置适宜的消声器，实验研究表明，该方法切实有效，极大地改善空调的声音品质。
四、消声器的选型设计理论分析
消声器的种类很多，主要分为三大类，阻性消声器、抗性消声器及复合式消声器等。其中抗性消声器则是利用声能转移的方法以降低消声器出口处声音的能量，抗性消声器成本较低，目前在空调器上广泛使用。
空调中最常用的抗性消声器是膨胀式消声器，即扩张室式消声器，其主要参数是消声器的长度和扩张比。
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根据(3)式可知，管道截面积缩小m倍或增大m倍，其消声作用是一样的，工程中为减小气流阻力，一般用的是扩张管。当，时，消声量达到最大值，最大消声量为：
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由公式(5)和公式(6)不难理解根据公式(6)计算消声器长度的1、3、5、7等奇数倍可以起到相同的消声效果。
根据(5)和公式(6)计算消声器长度，则需要确定脉动声波的音速c和频率f。频率f可通过频谱分析确定，即噪声功率谱上噪声异常点对应的频率值。空调“传响“现象往往发生在低温制热工况，压机排出高温高压的气体先进入室内换热器进行冷凝，冷媒在由室外进入室内的过程中完全是气态。根据流体力学可知，气体音速c可按如下公式计算：
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扩张室消声器的消声量随着m的增大而变大，但往往由于空间的限制，扩张比不能做的很大，并且消声性能也不是随着扩张比无限增大的，但对某些频率的声波，当m增大到一定数值时，声波从扩张室中央通过，存在高频失效，致使消声量明显下降。在实际应用中，往往取9<m<16，最大不大于20，最小不小于5。
消声器有效消声频率上限值为:
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检验所设计的消声器消声频率上、下限，确认所需要的消声频率是否在消声器消声频率上、下限频率范围内，若不在需进行修改。
扩张室消声器存在通过频率消声量为零的特性，为了改善这一不良特性，在设计时可在消声器进口插入内接管，通过在消声器两端分别插入1/2和1/4腔体长度内插管，并根据实际情况适当调整，可以消除扩张式的通过频率，增大消声量，达到良好的消声效果。
五、消声器的案例分析
1.异音诊断
在低温制热工况下某空调机室内机有尖锐噪声，测得噪声频谱如图3、4所示，观察管路无明显振动，根据频谱图异音频率在3300Hz左右，不太可能为机械噪声，耳朵贴近室内外连接管，可判断为冷媒气流噪声，该噪声是由压缩机产生的，通过室内外连接管路，然后传到室内侧。要想从压机本身上优化更改比较困难，故在管路上加装消声器来降噪。
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2.消声器设计与方案验证
空调在低温制热工况下运行时，压机排出的高温高压气体进入室内换热器进行冷凝，冷凝温度大约为49℃，根据冷凝温度，查R410A热力学计算物理性质参数表，由于进入室内侧的是气态冷媒，故选取气态对应的参数。由表可知：ρ=136.643 ，P=3.012X106Pa，制冷剂的绝对压力等于大气压力加相对压力(表压)，即饱和压力基础加上大气压力1.01×105Pa，=1.040 ，=2.326。根据上述参数，由公式(7)和公式(8)可计算出脉动噪音的音速c为：
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消声器长度（取奇数倍，3倍），取50mm。消声器的消声量随扩张比m增大而变大，但考虑到消声器安装空间限制和成本因素，选取消声器扩张室直径为φ30mm，排气管径为φ9.52mm，则扩张比，所以最终选取消声器规格为长度L=50mm，扩张比m=9.93。
根据公式(9)和(10)检验所设计的消声器消声频率上、下限：
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消声频率在消声器消声频率上、下限频率范围内。
该规格的消声器安装在截止阀到内机之间的管路上，测试空调室内侧噪声频谱如图5所示。由图可知，安装消声器后压力脉动频率3300处对应的噪声值降低了，消除了噪声。将消声器扩张比m=9.93代入公式(4)可得消声器的最大消声量为：
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六、结论
（1）室内机的冷媒噪声分为制冷剂流动噪声和毛细管出口气流喷射噪声，为方便分析，通常将二者合在一起，作为整体冷媒噪声处理。
在制冷系统管路不变的前提下，设计合适的消声器是降低空调冷媒噪声的有效措施。空调系统中已广泛应用扩张室式消声器，扩张室式消声器在减振降噪方面发挥着重要作用。通过消声噪声频率来确定扩张室式消声器长度，消声器最大消声量是由扩张比来决定，但扩张比不能很大，而且消声器消声性能也不是随扩张比无限增大，要根据具体情况设置合适的扩张比。
（2）扩张室式消声器结构参数对其消声性能有一定影响，值得后期进行进一步研究。
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