空調(diào)器電動(dòng)機(jī)低頻噪聲分析及治理

奧克斯空調(diào)股份有限公司 魏華鋒 秦 憲 吳 君

0 引言

隨著人民生活水平的提高，對(duì)空調(diào)器的要求已不局限于冷熱調(diào)節(jié)，舒適性要求也越來(lái)越高，如靜音等。空調(diào)器噪聲主要由室外側(cè)噪聲和室內(nèi)側(cè)噪聲構(gòu)成。室外側(cè)噪聲主要指壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中與殼體結(jié)構(gòu)和管路共振產(chǎn)生的噪聲。室內(nèi)側(cè)噪聲主要指風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)和高速流動(dòng)的制冷劑與殼體結(jié)構(gòu)和管路共振產(chǎn)生的噪聲。

噪聲按頻率分為低頻噪聲、中高頻噪聲。目前對(duì)于空調(diào)器800 Hz以上的中高頻噪聲研究較多，其降噪措施主要為消聲和吸聲，而對(duì)800 Hz以下的低頻噪聲的機(jī)理和降噪手段研究較少。研究表明，消費(fèi)者對(duì)低頻噪聲的敏感度要高于中高頻噪聲，即低頻噪聲引起的煩惱度要大于高頻噪聲[1]，因此，降低低頻噪聲對(duì)提高空調(diào)器靜音效果具有很大的意義。

筆者在產(chǎn)品開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)功率2 600 W的定頻空調(diào)器存在低頻噪聲：114 Hz時(shí)發(fā)出“咚咚”聲，360 Hz時(shí)發(fā)出“嗚嗚”聲，且噪聲連續(xù)，噪聲較大，類似壓縮機(jī)傳遞聲，體驗(yàn)者不適度高。針對(duì)此問(wèn)題，開展了低頻噪聲源識(shí)別、低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理及其傳播路徑和輻射的研究，并對(duì)噪聲源、傳播路徑和噪聲輻射面進(jìn)行了改善方案論證，以促進(jìn)低頻噪聲的治理。

1 噪聲分析

測(cè)試樣機(jī)：功率2 600 W的定頻空調(diào)器。試驗(yàn)室：混響噪聲室。

測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示：在混響噪聲室內(nèi)布置5個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1～4布置在試驗(yàn)室4個(gè)角落，測(cè)點(diǎn)高度為各角落異音聽(tīng)感最大處，測(cè)點(diǎn)5自由調(diào)整，布置在整個(gè)試驗(yàn)室異音聽(tīng)感最大處。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

1.1 噪聲源識(shí)別方法

空調(diào)器噪聲組成比較復(fù)雜，包括壓縮機(jī)噪聲、管路噪聲、液流噪聲、電動(dòng)機(jī)噪聲等，進(jìn)行噪聲處理前需要對(duì)噪聲源進(jìn)行鑒別，并對(duì)主噪聲源開展降噪分析。

噪聲鑒別方法主要有分步運(yùn)轉(zhuǎn)法、選擇隔離法、聲強(qiáng)測(cè)量法、頻譜分析法、倒頻譜分析法、相關(guān)分析法等。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇最適宜的鑒別方法。本案例中采用了分步運(yùn)轉(zhuǎn)法、選擇隔離法和頻譜分析法[3]。

分步運(yùn)轉(zhuǎn)識(shí)別噪聲源：在不同的時(shí)間，分別測(cè)試不同噪聲源的輻射聲功率，并進(jìn)行比較，輻射聲功率最大的噪聲源即為主要噪聲源。初步判斷產(chǎn)生114 Hz和360 Hz低頻噪聲的源為室外機(jī)電動(dòng)機(jī)，其測(cè)試噪聲值及最大頻率如表1所示。

表1 電動(dòng)機(jī)和壓縮機(jī)分步運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲

選擇隔離識(shí)別噪聲：對(duì)同一型號(hào)電動(dòng)機(jī)，分別單獨(dú)運(yùn)行檢測(cè)噪聲，確認(rèn)是否為電動(dòng)機(jī)的共性問(wèn)題。測(cè)試噪聲值及其最大頻率如表2所示。測(cè)試結(jié)果表明，114 Hz和360 Hz低頻噪聲為電動(dòng)機(jī)共性噪聲。

表2 電動(dòng)機(jī)噪聲一致性分析測(cè)試結(jié)果

1.2 噪聲源分析

通過(guò)噪聲頻譜分析，確認(rèn)114 Hz和360 Hz的低頻噪聲為電動(dòng)機(jī)共性噪聲,采用噪聲矩陣分析法分析各噪聲頻率段的主要噪聲源，然后對(duì)主要噪聲源進(jìn)行分析，如圖2所示。

注：B為噪聲類型；f為噪聲頻率。圖2 電動(dòng)機(jī)低頻噪聲頻率矩陣分析圖

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，主要噪聲源為電動(dòng)機(jī)的電磁噪聲和機(jī)械振動(dòng)噪聲，低頻噪聲主要分布在100、114、125、360 Hz和500～2 000 Hz頻率段，為電動(dòng)機(jī)裝配精度或旋轉(zhuǎn)不平衡引起的振動(dòng)噪聲、軸承噪聲等及與空調(diào)殼體、墻體產(chǎn)生的共振噪聲[4]。

2 噪聲產(chǎn)生機(jī)制與傳播路徑

2.1 電動(dòng)機(jī)噪聲源

電動(dòng)機(jī)噪聲主要有電磁噪聲、機(jī)械噪聲和氣流噪聲。電動(dòng)機(jī)低頻噪聲故障分析方法(FTA)分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 電動(dòng)機(jī)低頻噪聲故障分析方法(FTA)分析結(jié)果

電磁噪聲來(lái)源于電磁振動(dòng)，電磁振動(dòng)由電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)作用于電動(dòng)機(jī)鐵芯產(chǎn)生的電磁力激發(fā)，而電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)又決定于轉(zhuǎn)子繞組磁動(dòng)勢(shì)和氣隙磁導(dǎo)。氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力是一種旋轉(zhuǎn)力波，分為徑向和切向2個(gè)分量。徑向分量使定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動(dòng)，是電磁噪聲的主要來(lái)源；切向分量是與電磁旋轉(zhuǎn)相對(duì)應(yīng)的作用力矩，它使轉(zhuǎn)子根部彎曲，并產(chǎn)生局部振動(dòng)變形，是電磁噪聲的次要來(lái)源[2]。

電磁噪聲是一種單一頻率噪聲，在某轉(zhuǎn)速下固定不變，頻譜不連續(xù)，包含一個(gè)或多個(gè)單峰。當(dāng)電磁頻率與固有頻率接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧振，鐵芯振動(dòng)及輻射噪聲將大幅增大。

機(jī)械噪聲是電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中摩擦、撞擊、不平衡及結(jié)構(gòu)共振引起的噪聲，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)主要分徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)，徑向振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)子的不平衡旋轉(zhuǎn)力引起，而軸向振動(dòng)與軸承摩擦有關(guān)[5]。

氣流噪聲是通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力局部迅速變化和隨時(shí)間急劇脈動(dòng)時(shí)與障礙物發(fā)生摩擦產(chǎn)生的單頻噪聲，如薄壁零件諧振造成的“笛聲”。

2.2 噪聲的傳播路徑

電動(dòng)機(jī)噪聲源于振動(dòng)，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)在固體中的傳播路徑為：轉(zhuǎn)子不平衡、軸承不平衡等不平衡力產(chǎn)生的振動(dòng)傳遞到電動(dòng)機(jī)殼體，通過(guò)電動(dòng)機(jī)支架傳遞到室外機(jī)底盤、冷凝器，然后傳遞到箱體和安裝支架，進(jìn)而傳遞到室內(nèi)[6]。

從傳播路徑來(lái)看，通過(guò)阻尼削弱傳播過(guò)程中的振動(dòng)是有效控制電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的方式[7]。

3 降噪措施和試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 降噪措施

對(duì)于電動(dòng)機(jī)的低頻共振噪聲，主要降噪措施為削弱激勵(lì)源的振動(dòng)和減弱傳播過(guò)程中的振動(dòng)。具體降噪措施如表4所示。

表4 電動(dòng)機(jī)低頻噪聲降噪措施

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

1) 方案1。

如圖3所示，114 Hz和360 Hz低頻噪聲基本消失，體驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)低頻“嗡嗡”聲等異音。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，減小風(fēng)機(jī)葉片質(zhì)量，降低軸承負(fù)載，減弱軸承的摩擦和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心，提升動(dòng)平衡，有利于降低電動(dòng)機(jī)的低頻振動(dòng)。在風(fēng)機(jī)葉片設(shè)計(jì)階段需驗(yàn)證與之匹配的電動(dòng)機(jī)噪聲，確保無(wú)噪聲異常。

圖3 電動(dòng)機(jī)低頻噪聲整改方案FTA頻譜

2) 方案2。

如圖3所示，114 Hz噪聲降低6.1 dB,360 Hz噪聲降低3.5 dB，體驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低頻“嗡嗡”聲明顯降低，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，避開共振頻率可以減少電動(dòng)機(jī)的低頻振動(dòng)。因此，電動(dòng)機(jī)降噪過(guò)程中，應(yīng)多關(guān)注電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及風(fēng)機(jī)葉片轉(zhuǎn)向等，以減少軸承振動(dòng)為切入點(diǎn)，開展降噪工作。

3) 方案3。

如圖3所示，改變外觀結(jié)構(gòu)可以改變殼體剛度，從而改變電動(dòng)機(jī)固有模態(tài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，噪聲頻譜中114 Hz和360 Hz噪聲消失。試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化電動(dòng)機(jī)殼體結(jié)構(gòu)，提高殼體剛度，改變電動(dòng)機(jī)共有頻率和共振，改善了噪聲輻射，可完全消除電動(dòng)機(jī)114 Hz和360 Hz噪聲。

4) 方案4。

如圖3所示，114 Hz噪聲不變,360 Hz噪聲降低0.8 dB，改善效果不明顯，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化電動(dòng)機(jī)支架雖能改善傳播路徑，但對(duì)低頻噪聲的改善有限。因此在傳播路徑方向上消除噪聲，應(yīng)關(guān)注噪聲吸收和輻射，單純改變安裝支架的固有模態(tài)，降噪效果不明顯。

通過(guò)以上試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，解決空調(diào)電動(dòng)機(jī)低頻噪聲的主要手段為優(yōu)化電動(dòng)機(jī)固有模態(tài)和優(yōu)化電動(dòng)機(jī)與風(fēng)機(jī)葉片的匹配度，減少軸承的不平衡，通過(guò)減弱電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，有效消除低頻噪聲[8]。

4 結(jié)論

1) 空調(diào)器的噪聲為多源噪聲耦合效應(yīng)，要精準(zhǔn)鑒別其主要噪聲，需采用分步運(yùn)轉(zhuǎn)法、頻譜分析法等精準(zhǔn)識(shí)別并篩選主要噪聲源，然后實(shí)施降噪手段，如削弱噪聲源和改善噪聲傳播路徑等。

2) 空調(diào)電動(dòng)機(jī)低頻噪聲較為復(fù)雜，多為電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)葉片不匹配造成，因此應(yīng)針對(duì)不平衡的機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)引起的噪聲開展研究，如轉(zhuǎn)子不平衡噪聲、軸承噪聲等，其改善措施主要有降低軸承負(fù)載、調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)及質(zhì)量和提高軸承質(zhì)量、精度及其配合，減小質(zhì)量偏心。

3) 空調(diào)電動(dòng)機(jī)的低頻噪聲主要由振動(dòng)引起，提高電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)剛度，改變模態(tài)，降低固有頻率，有利于減少其與空調(diào)器室外機(jī)殼體的共振，削弱低頻噪聲。