基于工況傳遞路徑法的空調室外機噪聲貢獻量研究

劉艷濤 范強

（廣東美的制冷設備有限公司 佛山 528311）

基于工況傳遞路徑法的空調室外機噪聲貢獻量研究

劉艷濤 范強

（廣東美的制冷設備有限公司 佛山 528311）

為了研究空調室外機噪聲源信號傳遞到目標點的路徑及其傳遞特性，以某型號家用空調室外機作為研究對象，利用工況傳遞路徑分析方法，通過測量空調室外機不同工況下參考點和目標點處的振動和噪聲，對空調室外機的噪聲傳遞路徑進行了分析，計算出了空調室外機噪聲傳遞路徑的傳遞特性函數，得到了各噪聲源對空調室外機噪聲的貢獻率，為降低空調室外機的噪聲提供了科學依據。

空調室外機，噪聲貢獻量，工況傳遞路徑

1 引言

隨著人們對空調噪聲要求的逐漸提高，空調噪聲水平已經與制冷（熱）量、能效比一起成為消費者選擇空調的三大指標。因此，降低空調噪聲對于提高空調的競爭力具有重要意義?？照{噪聲分為室內機噪聲和室外機噪聲，室外機噪聲相比于室內機噪聲，具有聲壓級高、異音多的特點，而且噪聲貢獻源及傳遞路徑復雜，導致分析和控制困難。因此，降低空調室外機噪聲成為空調降噪的瓶頸問題。

降低空調室外機噪聲的首要任務是辨識出主要的噪聲源及其傳遞路徑，如果主要噪聲源得不到有效控制，對次要噪聲源及其傳遞路徑采取再多的措施都是無濟于事[1]。工況傳遞路徑分析（Operational Transfer Path Analysis, OTPA）[2][3][4]通過計算各傳遞路徑對目標點噪聲的貢獻量，可以判斷出各路徑輸入的激勵能量在目標點噪聲中所占的比例，辨識出傳遞路徑上對目標點噪聲起主導作用的環節，為降低目標點的噪聲提供科學依據，從而可以有的放矢地對噪聲的傳遞路徑進行改進，將結構的噪聲控制在預定的目標范圍內。

本文利用工況傳遞路徑分析方法，結合某型號空調室外機，對空調室外機的噪聲傳遞路徑進行分析。首先確定空調室外機的主要噪聲源，然后計算并分析噪聲激勵源到室外機噪聲目標點的傳遞特性，并辨識出傳遞路徑上對目標點噪聲起主導作用的環節，最后對各噪聲激勵源在目標點噪聲中的貢獻率進行計算和分析，為降低空調室外機噪聲、制定最優化的降噪方案提供科學依據。

2 OTPA方法介紹

工況傳遞路徑分析（OTPA）是對傳統路徑分析（TPA）的改進。該方法利用參考激勵替換原有激勵載荷的概念，只需獲得系統在工作狀態下目標點和參考點的響應，即可實現對激勵源和傳遞路徑的識別及量化。OTPA方法相對傳統TPA方法來說更加簡便快速，只需要采集運行工況數據，不需要進行傳遞函數的測量，因此極大地減少了測試和建模時間[5][6][7]。

將在不同工況下測得的空調室外機目標點處的響應信號Y和參考點處的響應信號X，代入傳遞路徑計算公式，可計算出信號由參考點代表的激勵源傳遞到目標點的傳遞特性矩陣，對應的傳遞路徑計算公式為[8]

其中，Xij、Yij中的i為測量工況序號，j為參考點或目標點序號，H為傳遞特性矩陣。

根據傳遞路徑計算公式，可計算出特定工況w下各激勵源對目標點g處噪聲的貢獻量

其中，Xwi為第w個工況下測得的第i個參考點處的響應信號，Hig為第i個參考點響應信號對目標點g噪聲的傳遞特性。因此，Yg為擬合出的目標點g處的總噪聲，Yg(i) = XwiHig為第i個參考點對目標點g處噪聲的貢獻量。

3 空調室外機噪聲激勵源分析

目標點噪聲根據傳播途徑可分為結構噪聲和空氣噪聲兩大類。空氣聲(空氣傳聲)指聲源產生的聲音通過空氣傳到壁板結構上，引起壁板振動而向目標點聲場輻射的聲能；結構聲(結構傳聲)指動力裝置或其它結構部件產生的振動，通過結構傳遞，作用于結構本身引起壁板振動而向目標點輻射的聲能。

空調室外機噪聲主要由壓縮機噪聲、風輪氣動噪聲、鈑金結構噪聲、配管系統噪聲以及電機噪聲組成。壓縮機噪聲為空氣聲，其噪聲源為壓縮機內部的流體脈動噪聲、機械噪聲和電磁噪聲等，以壓縮機殼體振動的形式向外輻射空氣聲，該噪聲透過隔音棉以及鈑金結構，傳遞到室外機噪聲目標點，如圖1中紅色曲線所示。

風輪氣動噪聲為空氣聲，其噪聲源為風輪旋轉噪聲、渦流噪聲和排氣噪聲等，通過空氣、鈑金結構以及風罩等，傳遞到室外機噪聲目標點，如圖1中藍色曲線所示。

鈑金結構噪聲為結構聲，其主要激勵源為壓縮機、風機以及配管的激勵。壓縮機激勵主要通過壓縮機腳墊和配管，將振動傳遞到底盤，進而傳遞到其他鈑金結構。風機激勵首先傳遞到電機支架，然后由電機支架傳遞到底盤、頂蓋和冷凝器，進而傳遞到其他鈑金結構；風機激勵還有一部分以風載荷的形式傳遞到出風罩及前面板。這兩種風機激勵主要集中在風機轉速對應的頻率附近，對鈑金結構噪聲影響較小，可以忽略。作為鈑金結構振動的主要激勵源之一，配管結構的振動激勵通過低壓閥傳遞到右圍板、通過閥冷傳遞到冷凝器，進而傳遞到其他鈑金結構。這些激勵源引起鈑金結構振動，進而向外輻射噪聲。這些噪聲直接傳遞到室外機噪聲目標點，如圖1中綠色曲線所示。

圖1 空調室外機主要噪聲傳遞路徑

配管系統以及電機主要通過將振動傳遞到鈑金結構，進而向室外機噪聲目標點輻射噪聲。配管系統以及電機本身輻射的空氣噪聲與壓縮機噪聲、風機噪聲及鈑金結構噪聲相比較小，如圖1中黑色及棕色曲線所示。因此，本文識別的空調室外機噪聲激勵源主要有壓縮機噪聲、風機噪聲、壓縮機腳墊處的振動激勵、低壓閥連接管處的振動激勵以及閥冷連接管處的振動激勵等6個激勵源。

4 空調室外機噪聲貢獻量計算

4.1 實驗布置

本文選擇空調室外機正前某典型位置作為空調室外機噪聲目標點。根據OTPA選擇噪聲激勵參考點的原則以及空調室外機6個主要噪聲激勵源特點，確定出噪聲傳遞路徑中激勵參考點的位置，具體的實驗布置如圖2所示。

利用朗德公司提供的24通道信號采集系統，對空調室外機制冷及制熱工況下壓縮機不同工作頻率時目標點和參考點處的信號進行采集。

圖2 空調室外機噪聲貢獻率分析實驗布置

4.2 結果分析

將測得目標點和參考點處的響應信號代入工況傳遞路徑計算公式(1)，計算出各參考點響應與空調室外機正前測點處噪聲間的傳遞特性曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，空調室外機6個噪聲激勵源參考點響應對室外機正前目標點處噪聲的傳遞率大體分布在50dBA/g ~ 80dBA/g間（g為重力加速度值）。傳遞率越大，相同振動信號貢獻的噪聲越大。可根據計算出的傳遞特性曲線優化各噪聲激勵源的激勵頻率，使其激勵頻率落在傳遞特性曲線的特定區間，從而使各參考點具有合適的噪聲貢獻率，降低室外機的總噪聲。

根據工況傳遞路徑分析方法，利用計算出的傳遞路徑傳遞函數和制冷工況（壓縮機工作頻率為92Hz）下測得的各參考點處的響應信號，擬合出壓縮機正前目標點處的總噪聲如圖4所示。由圖4可以看出，擬合到的目標點處的噪聲與實際測得的噪聲曲線吻合度非常高。

將特定工況下測得的各參考點處響應信號Xw代入式(2)，可計算出參考點代表的各噪聲激勵源對目標點g處噪聲的貢獻量。此處選擇典型工況“制冷工況壓縮機工作頻率為92 Hz”為例，介紹基于工況傳遞路徑法的空調室外機噪聲貢獻量計算。將典型工況下測得的各參考點處響應信號代入式(2)，計算出6個噪聲激勵源對空調室外機正前測點處噪聲的貢獻量，如圖5所示。

由圖5可以看出，制冷工況壓縮機工作頻率為92Hz時，空調室外機前面目標點處的主要噪聲在低于1000Hz的頻率范圍，主要與壓縮機儲液罐輻射噪聲、壓縮機本體輻射噪聲以及低壓閥連接管處的激勵有關。在1000Hz ～1500Hz頻率范圍，主要與壓縮機底腳傳遞的激勵以及壓縮機本體輻射噪聲有關。全頻段的底噪主要與風輪系統噪聲有關。

圖3 各參考點響應與室外機正前測點處噪聲間的傳遞特性曲線

圖4 空調室外機正前目標點處的噪聲，制冷工況，壓縮機工作頻率為92 Hz

圖5 典型工況下各噪聲激勵源對空調室外機正前目標點處噪聲的貢獻量

圖6 典型工況下各噪聲激勵源對空調室外機正前目標點處80 Hz附近噪聲的貢獻量

圖7 典型工況下各噪聲激勵源對空調室外機正前目標點處367 Hz附近噪聲的貢獻量

圖8 典型工況下各噪聲激勵源對空調室外機正前目標點處1192 Hz附近噪聲的貢獻量

由圖6可以看出，制冷工況壓縮機工作頻率為92Hz時，空調室外機前面目標點80Hz處的噪聲主要與風輪系統噪聲有關。這是由于風輪電機轉速為800rpm，具有3個葉片，對應的風輪旋轉噪聲的基頻為40Hz，2倍頻為80 Hz。因此，80Hz處的噪聲中風輪旋轉噪聲為主要貢獻源。只有通過降低風輪系統噪聲才能有效降低該頻率范圍的噪聲。

由圖7可以看出，制冷工況壓縮機工作頻率為92Hz時，空調室外機前面目標點367Hz附近的噪聲主要與壓縮機儲液罐輻射噪聲有關?？赏ㄟ^減小壓縮機儲液罐輻射噪聲的方式減小該頻率范圍的噪聲。

由圖8可以看出，制冷工況壓縮機工作頻率為92Hz時，空調室外機前面目標點1192 Hz附近的噪聲主要與壓縮機底腳傳遞的激勵有關。可通過降低傳遞到底盤上該頻率范圍的振動、增大底盤剛度的方式降低該頻率范圍的噪聲。

5 結論

本文利用工況傳遞路徑分析方法，計算出了空調噪聲激勵源與空調目標測點噪聲間的傳遞特性。并利用得到的傳遞特性，計算出了各噪聲激勵源對空調室外機目標點噪聲的具體貢獻量。最后以典型工況為例，分析了空調室外機正前目標點3個問題頻率附近的主噪聲源，并制定出了針對性的解決方案。

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Study of noise contribution to air-conditioning outdoor unit based on operational transfer path analysis method

Liu Yantao Fan Qiang
(Guangdong Midea refrigeration equipment Co.,Ltd, Foshan 528311, China)

Some air-conditioning outdoor unit is given as an example to identify the paths and transfer characteristics of the noise sources. Firstly, the path reference points and target points of the air-conditioning outdoor unit noise were determined based on the noise sources and the corresponding transfer paths. Then, the vibration or noise at these path reference points and target points was measured from operational data under different work conditions. Based on these measured data, the transfer matrix was calculated to describe the transfer characteristics of the paths between references and targets. Finally, the contribution of the noise sources were estimated, which is useful to give some reasonable suggestion for noise reduction.

Air-conditioning outdoor unit;noise contribution;operational transfer path analysis