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摘要：噪音大是很多家电消费者投诉的焦点，振动与噪声成为静音家电产品质量控制的重要指标。消声器广泛应用于空调压缩机和管路系统，以此来降低噪声和振动的传递。本文研究了一种复合式的消声器，由膨胀腔消声器和Helmholtz消声器组合而成，两者合理匹配组合可以实现宽频消声降噪。本文分别分析了膨胀腔消声器和Helmholtz共振消声器传递损失的理论计算模型，并对各自的影响参数进行了分析。然后通过仿真方法验证了四种不同连接管直径的复合式消声器的降噪效果。最后将复合式消声器安装在空调管路中，开展整机实验，对降噪效果进行了验证。
关键词：传递损失 复合消声器 低频消声 冷媒传递异音
1 引言
近些年，随着居民生活水平的提高，消费者消费升级的市场需求也很旺盛，各大家电企业产品更新换代的速度越来越快，如何提高家电的性能与体验是各大企业共同追求的目标。
奥维云网的大数据显示，噪音大是很多家电消费者投诉的焦点。所以静音家电成为各大企业研发的重要方向，也是产品最有竞争力的标签。静音技术成为家电行业重要的研究方向，静音产品对工作模式下的噪音提出了更高的要求。家电产品的振动与噪声成为静音家电产品质量控制的重要指标。通过安装一些消声装置，可以有效的控制噪音的传递[1-2]。消声器广泛应用于空调压缩机和管路系统，以此来降低噪声和振动的传递[3-6]。
压缩机的冷媒脉动传递到室内机，引起室内机零件的共振，从而产生室内异音，称之为冷媒传递异音。目前关于压缩机冷媒传递异音主要通过在室外机配管上加消声器来减弱或消除。传统的膨胀腔消声器在空调管路中被广泛使用，这类消声器的消声机理可以參考现有文献[7]。但是膨胀腔消声器主要用来消除中高频的冷媒脉动和噪声，如果要消除低频噪声，这种消声器的膨胀腔就会比较长，需要的空间比较大。另外传统的膨胀腔消声器，其传递损失曲线具有周期性，在通过频率处没有消声效果[8]。
本文研究了一种复合式的消声器，由膨胀腔消声器和Helmholtz消声器组合而成。膨胀腔消声器具有成本低廉的优点，对于中高频噪声具有较好的降噪效果。helmholtz共振消声器结构简单，主要适用于消除中低频噪声。两者合理匹配组合可以实现宽频消声降噪。首先分别分析了膨胀腔消声器和Helmholtz共振消声器传递损失的理论计算模型，并对各自的影响参数进行了分析。然后通过仿真方法验证了四种不同连接管直径的复合式消声器的降噪效果。最后将复合式消声器安装在空调管路中，开展整机实验，对降噪效果进行了验证。
2 复合消声器的理论分析
2.1 基本假设
为建立声波传递的波动方程，需要进行如下的假设和简化：（1）介质为理想流体，无黏滞性，声波在介质中传播没有能量损耗;（2）声传播是绝热过程，与外界不存在热交换;（3）介质中传播的是小振幅声波，介质中各种声场参数都是一阶微量，可以用线形波动方程来描述。
2.2 膨胀腔消声器传递损失的理论计算
膨胀腔消声器通常由一个进气管、一个出气管和一个空腔组成，进气管和出气管位于空腔的两侧，位于同一轴线上，如图1所示
膨胀腔消声器的传递损失为
（1）
其中，为膨胀比，传统膨胀腔的传递损失是频率、膨胀腔长度和膨胀比的函数。传统膨胀腔的传递损失存在周期性的通过频率，在此频率下传递损失为零。
2.3 Helmholtz消声器传递损失的理论计算
Helmholtz消声器实际上是共振吸声结构的一种应用。该消声器的形式是利用管道开孔与共振腔相连接，利用小孔处的空气柱和空腔内的空气构成了弹性共振系统，当外界噪声频率和此共振系统的固有频率相同时，小孔中的空气柱发生共振并与孔壁发生剧烈摩擦，摩擦可以消耗声能，从而达到消声的目的。
Helmholtz消声器的传递损失计算公式为[9]
（2）
其中
（3）
由公式（2）和（3）可知，影响Helmholtz消声器的消声频率和传递损失的参数有容器的容积、连接管道的长度、连接管道截面面积和主管的截面面积。传递损失还取决于消声器的频率，其峰值在共振频率处，但是传递损失和消声容积的形状没有关系。
3 复合消声器的关键参数分析
由本文上节的分析可知，传统膨胀腔的传递损失是频率、膨胀腔长度和膨胀比的函数。Helmholtz消声器的传递损失容器的容积、连接管道的长度、连接管道截面面积和主管的截面面积和频率的函数。
3.1 传统膨胀腔消声器的传递损失
3.1.1 扩张比对传递损失的影响
固定膨胀腔的长度，观察扩张比对传递损失的影响。假设，图3为传递损失随着值变化的曲线。
由公式（1）和图3可知，当扩张比增大的时候，传递损失就增加。增加扩张比的途径有两条：1.增加扩张腔的截面面积;2.减小管道的截面面积。
3.1.2 膨胀腔长度对传递损失的影响
固定膨胀腔的扩张比，观察膨胀腔长度对传递损失的影响。假设，图4为 时的曲线。
由公式（1）和图4可知，当膨胀腔长度变化时，传递损失的幅值不变，但其最大值和最小值对应的频率却改变了。所以传递损失的最大值只是扩张比的函数，当膨胀腔的扩张比固定时，传递损失的最大值也随之固定了。
3.2 复合式消声器的传递损失
3.2.1 容积对复合消声器传递损失的影响
连接管的长度，截面直径为，主管道直径为，改变容器的容积分别为。
由公式（2）和图4可知，当容积增大时共振频率降低，但其幅值变化却没有规律。
3.2.2 连接管道截面对复合消声器传递损失的影响 连接管的长度，截面直径为，容器的容积，连接管的直径分别为。
由公式（2）和图5可知，传递损失最大值所对应的频率是随着截面积增加而增加的，但其幅值变化却没有规律。
3.2.3 连接管道长度对复合消声器传递损失的影响
截面直径为，主管道直径为，容器的容积，连接管的长度分别为。
由公式（2）和图6可知，传递损失最大值所对应的频率是随着连接管的长度增加而减小的，但其幅值变化却没有规律。
3.2.4 主管道直径对复合消声器传递损失的影响
假设截面直径为，容器的容积，连接管的长度，主管道直径分别为。
从公式（3）可知，共振频率与主管道的截面面积没有关系，而由公式（2）可知，当主管道截面面积增加时，传递损失减少。由图7可知，当主管直径增加时，其传递损失的幅值降低，频带也变窄，但对应的频率不变。
4 复合消声器的效果的验证
针对某平台空调压缩机噪音的频谱特性，依据本文的研究结果，设计了一款新型复合结构消声器，由膨胀腔消声器和Helmholtz消声器组合而成，两者合理匹配组合可以实现宽频消声降噪。本节对这款新型复合消声器的效果进行验证。
4.1 复合消声器的效果仿真分析
胀腔消声器与Helmholtz共振消声器组成的复合消声器具有多种结构形式。本文考虑到消声器的安装空间，本文设计的复合消声器采用弯管连接膨胀腔与Helmholtz消声器，结构形式如图8所示。
本文針对不同连接管直径：3.5mm、4.5mm、4.8mm和5.0mm，分别设计了共振频率为140Hz的消声器结构，从图9的仿真结果可以发现，在140Hz附近，消声器具有良好的消声效果。
4.2 复合消声器的安装位置
复合式消声器安装在空调外机四通阀的出气端，在噪声源的前段进行消声处理，能够最大限度的减少后端管路传递的噪音，也能避免后端管路由于噪声过大和压力脉动过大而引起的管路疲劳问题，可以有效提高管路的寿命和可靠性。
4.3复合消声器的实验验证效果
空调器室外机与室内机是通过配管和冷媒连接而成的统一体，室外机一方面可以通过配管和冷媒将振动传入室内侧，通过钣金、配管、蒸发器或者其它零部件振动后产生噪音，另一方面也可以以铜管或者冷媒为媒介直接将外机噪音传入室内侧。
某平台空调在制热模式下存在明显的间歇周期性低频冷媒传递异音。因为制热模式下，经压缩机间歇周期性压缩后，高压气态冷媒首先进入室内机，因为配管振动并不大，振幅不到15um，因此这种传递噪音可能是室外机通过气态冷媒传入室内侧，并经室内机放大的压缩机低频冷媒传递异音。
本文研究了低风制热模式下室内机噪声，实验结果如下图所示：
从图11可以看出，复合消声器可以有效的降低低风制热模式下室内机的传递噪音，尤其是在低频段，降噪效果很明显。室内机侧听感良好，无明显冷媒传递异音，能够有效提升产品的用户体验。
5 结论
本文基于理论和仿真的分析方法，研究了一种复合消声器的消声机理。针对某一空调压缩机传递噪音的特性，设计了一款消声器安装在空调管路中，通过开展整机实验验证了消声器的有效性。
本文得到以下结论：
1、传统膨胀腔的传递损失是频率、膨胀腔长度和膨胀比的函数。Helmholtz消声器的传递损失容器的容积、连接管道的长度、连接管道截面面积和主管的截面面积和频率的函数。。
2、本文研究了一款新型复合结构消声器，由膨胀腔消声器和Helmholtz消声器组合而成，两者合理匹配组合可以实现宽频消声降噪。
3、复合消声器可以有效的降低低风制热模式下室内机的传递噪音，尤其是在低频段，降噪效果很明显，室内机侧听感良好，无明显冷媒传递异音。
参考文献
1.季振林. 消声器声学理论与设计[M]. 科学出版社， 2015.
2.Munjal M L. Acoustics of Ducts and Mufflers[J]. John Wiley & Sons， 2014.
3.赵帅， 薛玮飞， 梁健巧. 空调室内机的冷媒传递异音改善研究[J]. 家电科技， 2017 （11）： 52-54.
4.张筱璐. 壁挂式空调器异常噪声源的诊断与控制[D]. 华中科技大学， 2008.
5.曾向杰， 杜文超. 家用空调器冷媒噪声问题改善方法浅析[J]. 家电科技， 2017（8）：68-69.
6.蒋贤国， 王永琳， 王树涛. 空调室内机冷媒流动噪声产生的原因和消除办法[J]. 家电科技， 2016（S1）：34-36.
7.邓兆祥， 向飞， 李沛然，等. 扩张比对扩张式消声器压力损失影响的分析[J]. 汽车工程， 2011， 33（3）：231-235.
8.孟晓宏， 金涛. 复杂结构消声器消声特性的数值分析及结构优化[J]. 振动工程学报， 2007， 20（1）：97-100.
9.庞剑， 谌刚， 何华. 汽车噪声与振动[M]. 北京理工大学出版社， 2006.
通信作者简介：张良，男，1988年3月生，毕业于中国科学院力学研究所工程力学专业，博士学位。现任广东美的暖通设备有限公司主任工程师，主要从事振动噪声和结构动力学研究工作。
关键词：传递损失 复合消声器 低频消声 冷媒传递异音
1 引言
近些年，随着居民生活水平的提高，消费者消费升级的市场需求也很旺盛，各大家电企业产品更新换代的速度越来越快，如何提高家电的性能与体验是各大企业共同追求的目标。
奥维云网的大数据显示，噪音大是很多家电消费者投诉的焦点。所以静音家电成为各大企业研发的重要方向，也是产品最有竞争力的标签。静音技术成为家电行业重要的研究方向，静音产品对工作模式下的噪音提出了更高的要求。家电产品的振动与噪声成为静音家电产品质量控制的重要指标。通过安装一些消声装置，可以有效的控制噪音的传递[1-2]。消声器广泛应用于空调压缩机和管路系统，以此来降低噪声和振动的传递[3-6]。
压缩机的冷媒脉动传递到室内机，引起室内机零件的共振，从而产生室内异音，称之为冷媒传递异音。目前关于压缩机冷媒传递异音主要通过在室外机配管上加消声器来减弱或消除。传统的膨胀腔消声器在空调管路中被广泛使用，这类消声器的消声机理可以參考现有文献[7]。但是膨胀腔消声器主要用来消除中高频的冷媒脉动和噪声，如果要消除低频噪声，这种消声器的膨胀腔就会比较长，需要的空间比较大。另外传统的膨胀腔消声器，其传递损失曲线具有周期性，在通过频率处没有消声效果[8]。
本文研究了一种复合式的消声器，由膨胀腔消声器和Helmholtz消声器组合而成。膨胀腔消声器具有成本低廉的优点，对于中高频噪声具有较好的降噪效果。helmholtz共振消声器结构简单，主要适用于消除中低频噪声。两者合理匹配组合可以实现宽频消声降噪。首先分别分析了膨胀腔消声器和Helmholtz共振消声器传递损失的理论计算模型，并对各自的影响参数进行了分析。然后通过仿真方法验证了四种不同连接管直径的复合式消声器的降噪效果。最后将复合式消声器安装在空调管路中，开展整机实验，对降噪效果进行了验证。
2 复合消声器的理论分析
2.1 基本假设
为建立声波传递的波动方程，需要进行如下的假设和简化：（1）介质为理想流体，无黏滞性，声波在介质中传播没有能量损耗;（2）声传播是绝热过程，与外界不存在热交换;（3）介质中传播的是小振幅声波，介质中各种声场参数都是一阶微量，可以用线形波动方程来描述。
2.2 膨胀腔消声器传递损失的理论计算
膨胀腔消声器通常由一个进气管、一个出气管和一个空腔组成，进气管和出气管位于空腔的两侧，位于同一轴线上，如图1所示
膨胀腔消声器的传递损失为
（1）
其中，为膨胀比，传统膨胀腔的传递损失是频率、膨胀腔长度和膨胀比的函数。传统膨胀腔的传递损失存在周期性的通过频率，在此频率下传递损失为零。
2.3 Helmholtz消声器传递损失的理论计算
Helmholtz消声器实际上是共振吸声结构的一种应用。该消声器的形式是利用管道开孔与共振腔相连接，利用小孔处的空气柱和空腔内的空气构成了弹性共振系统，当外界噪声频率和此共振系统的固有频率相同时，小孔中的空气柱发生共振并与孔壁发生剧烈摩擦，摩擦可以消耗声能，从而达到消声的目的。
Helmholtz消声器的传递损失计算公式为[9]
（2）
其中
（3）
由公式（2）和（3）可知，影响Helmholtz消声器的消声频率和传递损失的参数有容器的容积、连接管道的长度、连接管道截面面积和主管的截面面积。传递损失还取决于消声器的频率，其峰值在共振频率处，但是传递损失和消声容积的形状没有关系。
3 复合消声器的关键参数分析
由本文上节的分析可知，传统膨胀腔的传递损失是频率、膨胀腔长度和膨胀比的函数。Helmholtz消声器的传递损失容器的容积、连接管道的长度、连接管道截面面积和主管的截面面积和频率的函数。
3.1 传统膨胀腔消声器的传递损失
3.1.1 扩张比对传递损失的影响
固定膨胀腔的长度，观察扩张比对传递损失的影响。假设，图3为传递损失随着值变化的曲线。
由公式（1）和图3可知，当扩张比增大的时候，传递损失就增加。增加扩张比的途径有两条：1.增加扩张腔的截面面积;2.减小管道的截面面积。
3.1.2 膨胀腔长度对传递损失的影响
固定膨胀腔的扩张比，观察膨胀腔长度对传递损失的影响。假设，图4为 时的曲线。
由公式（1）和图4可知，当膨胀腔长度变化时，传递损失的幅值不变，但其最大值和最小值对应的频率却改变了。所以传递损失的最大值只是扩张比的函数，当膨胀腔的扩张比固定时，传递损失的最大值也随之固定了。
3.2 复合式消声器的传递损失
3.2.1 容积对复合消声器传递损失的影响
连接管的长度，截面直径为，主管道直径为，改变容器的容积分别为。
由公式（2）和图4可知，当容积增大时共振频率降低，但其幅值变化却没有规律。
3.2.2 连接管道截面对复合消声器传递损失的影响 连接管的长度，截面直径为，容器的容积，连接管的直径分别为。
由公式（2）和图5可知，传递损失最大值所对应的频率是随着截面积增加而增加的，但其幅值变化却没有规律。
3.2.3 连接管道长度对复合消声器传递损失的影响
截面直径为，主管道直径为，容器的容积，连接管的长度分别为。
由公式（2）和图6可知，传递损失最大值所对应的频率是随着连接管的长度增加而减小的，但其幅值变化却没有规律。
3.2.4 主管道直径对复合消声器传递损失的影响
假设截面直径为，容器的容积，连接管的长度，主管道直径分别为。
从公式（3）可知，共振频率与主管道的截面面积没有关系，而由公式（2）可知，当主管道截面面积增加时，传递损失减少。由图7可知，当主管直径增加时，其传递损失的幅值降低，频带也变窄，但对应的频率不变。
4 复合消声器的效果的验证
针对某平台空调压缩机噪音的频谱特性，依据本文的研究结果，设计了一款新型复合结构消声器，由膨胀腔消声器和Helmholtz消声器组合而成，两者合理匹配组合可以实现宽频消声降噪。本节对这款新型复合消声器的效果进行验证。
4.1 复合消声器的效果仿真分析
胀腔消声器与Helmholtz共振消声器组成的复合消声器具有多种结构形式。本文考虑到消声器的安装空间，本文设计的复合消声器采用弯管连接膨胀腔与Helmholtz消声器，结构形式如图8所示。
本文針对不同连接管直径：3.5mm、4.5mm、4.8mm和5.0mm，分别设计了共振频率为140Hz的消声器结构，从图9的仿真结果可以发现，在140Hz附近，消声器具有良好的消声效果。
4.2 复合消声器的安装位置
复合式消声器安装在空调外机四通阀的出气端，在噪声源的前段进行消声处理，能够最大限度的减少后端管路传递的噪音，也能避免后端管路由于噪声过大和压力脉动过大而引起的管路疲劳问题，可以有效提高管路的寿命和可靠性。
4.3复合消声器的实验验证效果
空调器室外机与室内机是通过配管和冷媒连接而成的统一体，室外机一方面可以通过配管和冷媒将振动传入室内侧，通过钣金、配管、蒸发器或者其它零部件振动后产生噪音，另一方面也可以以铜管或者冷媒为媒介直接将外机噪音传入室内侧。
某平台空调在制热模式下存在明显的间歇周期性低频冷媒传递异音。因为制热模式下，经压缩机间歇周期性压缩后，高压气态冷媒首先进入室内机，因为配管振动并不大，振幅不到15um，因此这种传递噪音可能是室外机通过气态冷媒传入室内侧，并经室内机放大的压缩机低频冷媒传递异音。
本文研究了低风制热模式下室内机噪声，实验结果如下图所示：
从图11可以看出，复合消声器可以有效的降低低风制热模式下室内机的传递噪音，尤其是在低频段，降噪效果很明显。室内机侧听感良好，无明显冷媒传递异音，能够有效提升产品的用户体验。
5 结论
本文基于理论和仿真的分析方法，研究了一种复合消声器的消声机理。针对某一空调压缩机传递噪音的特性，设计了一款消声器安装在空调管路中，通过开展整机实验验证了消声器的有效性。
本文得到以下结论：
1、传统膨胀腔的传递损失是频率、膨胀腔长度和膨胀比的函数。Helmholtz消声器的传递损失容器的容积、连接管道的长度、连接管道截面面积和主管的截面面积和频率的函数。。
2、本文研究了一款新型复合结构消声器，由膨胀腔消声器和Helmholtz消声器组合而成，两者合理匹配组合可以实现宽频消声降噪。
3、复合消声器可以有效的降低低风制热模式下室内机的传递噪音，尤其是在低频段，降噪效果很明显，室内机侧听感良好，无明显冷媒传递异音。
参考文献
1.季振林. 消声器声学理论与设计[M]. 科学出版社， 2015.
2.Munjal M L. Acoustics of Ducts and Mufflers[J]. John Wiley & Sons， 2014.
3.赵帅， 薛玮飞， 梁健巧. 空调室内机的冷媒传递异音改善研究[J]. 家电科技， 2017 （11）： 52-54.
4.张筱璐. 壁挂式空调器异常噪声源的诊断与控制[D]. 华中科技大学， 2008.
5.曾向杰， 杜文超. 家用空调器冷媒噪声问题改善方法浅析[J]. 家电科技， 2017（8）：68-69.
6.蒋贤国， 王永琳， 王树涛. 空调室内机冷媒流动噪声产生的原因和消除办法[J]. 家电科技， 2016（S1）：34-36.
7.邓兆祥， 向飞， 李沛然，等. 扩张比对扩张式消声器压力损失影响的分析[J]. 汽车工程， 2011， 33（3）：231-235.
8.孟晓宏， 金涛. 复杂结构消声器消声特性的数值分析及结构优化[J]. 振动工程学报， 2007， 20（1）：97-100.
9.庞剑， 谌刚， 何华. 汽车噪声与振动[M]. 北京理工大学出版社， 2006.
通信作者简介：张良，男，1988年3月生，毕业于中国科学院力学研究所工程力学专业，博士学位。现任广东美的暖通设备有限公司主任工程师，主要从事振动噪声和结构动力学研究工作。