空調(diào)室外機拍頻噪聲分析與改善

孫義祥 張丹偉 王偉戈 郝玉密

海信家電集團股份有限公司 廣東佛山 528305

1 引言

拍頻聲屬于空調(diào)聲品質(zhì)的研究范疇，在空調(diào)室外機中，拍頻聲的來源主要有兩個方面，一是風機振動和壓縮機振動存在頻率差，當這兩個頻率比較接近的振動傳遞到箱體上輻射噪聲時，產(chǎn)生拍頻聲。還有另外一種產(chǎn)生方式，目前的定速壓縮機一般采用異步電機，存在轉差率，電磁激勵與轉子轉動激勵形成了兩個頻率接近的激勵源，這兩個激勵源將振動傳遞到箱體上輻射噪聲時，也容易產(chǎn)生拍頻聲。近年來，許多學者對空調(diào)室外機的拍頻聲和聲品質(zhì)進行了研究，并取得一定成果。薛瑋飛[1]等對變頻空調(diào)室外機的聲品質(zhì)進行研究，得出低頻“哄哄”聲主要是壓縮機轉子系統(tǒng)動不平衡產(chǎn)生，低頻周期性波動的“嗡嗡”聲是軸流風扇與壓縮機拍振產(chǎn)生的結論。胡佳偉[2]等對空調(diào)室外機拍頻噪聲的聲品質(zhì)進行線性回歸分析，得出拍頻噪聲的聲品質(zhì)與突出比、響度、抖動強度相關性較大，與語言清晰度、尖銳度、粗糙度相關性較小的結論。徐超[3]等基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對空調(diào)聲品質(zhì)進行研究，得到了非線性聲品質(zhì)問題的評價模型。本文基于模態(tài)測試和共振分析對室外機拍頻聲進行研究，通過更改儲液器安裝方式，達到降低拍頻聲的目的，對改善空調(diào)室外機拍頻聲具有一定的參考意義。

2 拍頻噪聲機理及研究路線

頻率很接近的兩個簡諧振動的合成會出現(xiàn)“拍”的現(xiàn)象[4]。假設頻率很接近的兩個簡諧振動為：

拍頻的振幅隨時間緩慢變化，其振幅變化周期為：

式中，f1和f2分別是兩個簡諧振動的頻率。

根據(jù)哈斯效應，人耳對延遲50毫秒以上的兩個聲音才有可能分辨出先導聲和延遲聲[5]，因此頻率相差超過20 Hz的兩個聲音不用考慮拍頻。

在空調(diào)室外機中，噪聲來源主要是軸流風扇和壓縮機，其中，軸流風扇產(chǎn)生的BPF激勵頻率為：

式中，N是風扇轉速，轉/分；n是風扇葉片數(shù)量。

壓縮機產(chǎn)生的電磁激勵頻率為：

式中，f是電源頻率的基頻。

壓縮機產(chǎn)生的轉子轉動激勵頻率為：

式中，s是異步電機轉差率。

以上三種激勵產(chǎn)生的振動通過風扇支架、配管、壓縮機腳墊傳遞到箱體上時，都有可能產(chǎn)生拍頻噪聲，需要通過頻譜分析識別出拍頻噪聲的具體頻率，然后進行針對性改善。本文采用如下具體流程來識別和改善拍頻噪聲，如圖1所示。

3 拍頻噪聲分析和改善的研究過程

3.1 噪聲頻譜測試

按照GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》中規(guī)定的測點位置[6]，對產(chǎn)生拍頻噪聲的空調(diào)室外機進行噪聲頻譜測試，拍頻噪聲聽感上表現(xiàn)為聲音不連續(xù)，周期性忽大忽小，測試得到的頻譜如圖2所示。

從頻譜中可以看出，產(chǎn)生拍頻噪聲的頻率是234 Hz和240 Hz。測試風扇轉速約810 rpm，根據(jù)公式（5）計算的風扇BPF基頻為40.5 Hz（3×810/60=40.5），其5倍頻和6倍頻分別是202.5 Hz和243 Hz，與噪聲頻譜中的拍頻聲的頻率不相同，因此可以排除風扇與壓縮機拍振的可能。產(chǎn)生拍頻聲的激勵源只剩下壓縮機本身了，根據(jù)公式（6）和公式（7），經(jīng)計算，234 Hz和240 Hz分別是壓縮機轉子轉動激勵的4倍頻和壓縮機電磁激勵的4倍頻。因此拍頻聲產(chǎn)生的原因是，壓縮機產(chǎn)生的234 Hz和240 Hz振動通過配管、橡膠墊等傳遞至箱體上，產(chǎn)生相應頻率的振動，并輻射出拍頻噪聲，需要從傳遞路徑和響應部位進行優(yōu)化。

圖1 拍頻噪聲分析和改善流程

圖2 室外機原始噪聲頻譜

圖3 簡化的箱體模態(tài)測試模型

3.2 室外機箱體模態(tài)分析

箱體模態(tài)分析的目的是防止箱體固有頻率與拍頻頻率產(chǎn)生共振，從響應部位對拍頻聲進行優(yōu)化。

采用B&K軟件的MTC Hammer模塊對箱體進行模態(tài)分析，整個箱體模型可以簡化為頂板、前面板和側面板，簡化后的箱體模型如圖3所示。

圖4 面板傳遞函數(shù)曲線

圖5 橡膠塊安裝位置

圖6 配管加橡膠塊噪聲測試結果

圖7 儲液器回轉方向固有頻率

圖8 更改儲液器固定方式

圖9 焊接儲液器固有頻率

本次測試采用的是移動力錘法，即固定響應點的位置，按順序依次敲擊激勵點。由于只使用了一個單向加速度計，因此頂板、前面板、側面板的模態(tài)測試是分開進行的。頂板、前面板、側面板的傳遞函數(shù)曲線如圖4所示。

從箱體模態(tài)測試結果可以看出，頂板、前面板、側面板沒有234 Hz或240 Hz的固有頻率，說明箱體與拍頻激勵沒有產(chǎn)生共振，其對拍頻噪聲的影響較小。

3.3 分析配管對拍頻聲影響

在配管上增加橡膠塊，改變配管固有頻率，可以在一定程度上降低拍頻噪聲。經(jīng)過實驗，橡膠塊按圖5位置安裝，可取得一定的改善效果，主要表現(xiàn)在240 Hz噪聲有下降，但是234 Hz噪聲增大了7 dB（噪聲頻譜如圖6所示），距離改善目標有差距，需要繼續(xù)改善。

3.4 分析儲液器對拍頻聲影響

儲液器通過連接管和支架固定在壓縮機殼體上，其入口與回氣配管連接，這導致壓縮機殼體的振動通過儲液器傳遞至回氣配管，進而傳遞至箱體輻射噪聲，因此控制儲液器的固有頻率對降低拍頻噪聲具有重要意義。該儲液器在回轉方向的固有頻率測試結果如圖7所示。

儲液器固有頻率244 Hz，而且在244 Hz附近的頻率區(qū)間內(nèi)具有較高的響應，由此可知，儲液器放大了壓縮機的4倍頻振動，導致240 Hz拍頻噪聲明顯放大。因此，必須調(diào)整儲液器固有頻率，使其避開壓縮機4倍頻激勵。

將儲液器與主殼體的固定方式由箍帶連接改為焊接（如圖8所示），儲液器回轉方向固有頻率從244 Hz增大至328 Hz（如圖9所示），避開了壓縮機4倍頻激勵。

更改儲液器連接方式后，額定工況下，噪聲測試結果如圖10所示（該更改方案不需要在配管上安裝橡膠塊）。

從測試結果可以看出，240 Hz噪聲降低約15 dB，234 Hz噪聲降低約3 dB，拍頻噪聲有了明顯改善。這進一步說明了儲液器固有頻率與壓縮機電磁激勵的4倍頻接近，明顯放大了電磁激勵的4倍頻振動，并通過配管將振動傳遞至箱體，這是產(chǎn)生明顯拍頻噪聲的主要原因。

4 結論

本文對空調(diào)室外機拍頻噪聲的產(chǎn)生原因，傳遞路徑以及各種影響因素進行了深入的實驗研究和分析，得出如下結論。

（1）空調(diào)室外機的定速壓縮機由于采用異步電機的原因，存在轉差率，這是產(chǎn)生拍頻噪聲的先決條件。

（2）壓縮機拍頻振動通過配管傳遞至箱體，從而輻射出拍頻噪聲，借助模態(tài)分析技術，可以獲得箱體及配管的固有頻率，判斷是否與拍頻頻率產(chǎn)生共振。經(jīng)測試分析，本案例中箱體和配管對拍頻噪聲的影響較小，不是主要影響因素。

（3）儲液器的固有頻率會直接影響傳遞至配管的振動，通過更改儲液器的固定方式，明顯改善了拍頻噪聲。

圖10 焊接儲液器噪聲測試結果

（4）本案例采用的分析流程對改善空調(diào)室外機的拍頻噪聲具有一定參考意義。