噪聲異常壓縮機(jī)的聲診斷分析

張金圈，張榮婷，胡余生

(國家節(jié)能環(huán)保制冷設(shè)備工程技術(shù)研究中心，珠海519070)

前言

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，變頻壓縮機(jī)由于其高效節(jié)能、舒適性、結(jié)構(gòu)簡單，被廣泛應(yīng)用于家用空調(diào)中。與此同時，變頻壓縮機(jī)的噪聲和振動問題得到了國內(nèi)外學(xué)者越來越多的關(guān)注，其中如何分析評價壓縮機(jī)噪聲以及快速準(zhǔn)確地識別定位異常噪聲變得極為迫切。

壓縮機(jī)聲品質(zhì)是空調(diào)NVH研究的關(guān)鍵部分，因為壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的主要噪聲源。聲品質(zhì)評價不但是壓縮機(jī)噪聲質(zhì)量的檢測手段，同時也為壓縮機(jī)噪聲質(zhì)量的改善指明了方向［1］。通過聲品質(zhì)評價方法對噪聲異常的試驗樣機(jī)進(jìn)行了分析，選取了A聲級、響度、粗糙度、尖銳度作為客觀聲品質(zhì)評價參數(shù)，分析結(jié)果表明與類似排量的噪聲正常壓縮機(jī)相比，該試驗樣機(jī)噪聲質(zhì)量較差。

頻譜分析是常用的噪聲分析手段，能反映出壓縮機(jī)噪聲的幅值大小和頻帶信息，但是這種方法無法得到壓縮機(jī)輻射聲場的更多細(xì)節(jié)，也不能識別定位噪聲源［2］。聲陣列技術(shù)是一種先進(jìn)的噪聲源識別定位技術(shù)，能夠使空間聲場可視化，從而精確定位目標(biāo)聲源。本文通過采用聲陣列技術(shù)，對異常壓縮機(jī)進(jìn)行分析，在全頻段范圍內(nèi)得到了壓縮機(jī)表面的噪聲源分布，從而找出了壓縮機(jī)噪聲異常的原因。

1 異常壓縮機(jī)聲品質(zhì)分析

壓縮機(jī)聲品質(zhì)分析是壓縮機(jī)NVH研究中必不可少的部分，聲品質(zhì)分析不僅是判斷壓縮機(jī)噪聲好壞的有效工具，也為壓縮機(jī)噪聲品質(zhì)的改善提供了可靠的信息。聲品質(zhì)評價分為主觀評價和客觀評價兩部分，主觀評價是通過人的聽覺感受進(jìn)行聲音品質(zhì)的評價，而客觀評價則通過一組心理聲學(xué)參數(shù)來量化人對聲音品質(zhì)的聽覺感受。聲品質(zhì)的研究更加注重人類聽覺的心理特征和過程，要求設(shè)計更加人性化。聲品質(zhì)實際上是人們對產(chǎn)品的一種主觀感受，通過采用心理聲學(xué)參數(shù)分析，來客觀地、定量地反映聽覺感受的差別，從而可以評價產(chǎn)品的噪聲水平。常用的心理聲學(xué)參數(shù)為響度、尖銳度、粗糙度。

1.1 響度、粗糙度、尖銳度

響度是反映人耳對聲音強(qiáng)弱主觀感受程度的心理聲學(xué)參數(shù)，它考慮人耳對聲音頻譜的掩蔽特性，能夠比A聲級更準(zhǔn)確地反映聲音信號的響亮程度。響度的單位是sone，定義1kHz、40dB純音的響度為1sone。本文將采用Zwicker響度作為壓縮機(jī)客觀聲品質(zhì)分析的評價參數(shù)［3］。粗糙度是描述人對聲音信號瞬時變化的感覺，與聲音的調(diào)制頻率、調(diào)制比、中心頻率和聲壓級有關(guān)。其中，調(diào)制頻率和調(diào)制比對粗糙度的影響最為顯著，且隨著調(diào)制比的增大而增大。粗糙度的單位是asper，規(guī)定調(diào)制比為1，聲壓級為60dB的1kHz幅值調(diào)制純音，在調(diào)制頻率為70Hz時的粗糙度為1asper。尖銳度是描述高頻成分在聲音頻譜中所占比例的物理量，它反映了人們主觀上對高頻段聲音的一種感覺，反映了聲音信號的刺耳程度。尖銳度的單位是acum，規(guī)定中心頻率為1kHz、帶寬為160Hz的60分貝窄帶噪聲的尖銳度為1acum。

1.2 試驗測試分析

本文比較了兩臺類似排量壓縮機(jī)的聲品質(zhì)，其中正常壓縮機(jī)的排量為420ml/r，噪聲異常試驗樣機(jī)的排量為428ml/r。從主觀上來評價，試驗樣機(jī)的噪聲聽起來令人煩躁、難以接受，而正常壓縮機(jī)聽起來則舒服很多。如表1所示為運行頻率從40Hz到80Hz時，兩臺壓縮機(jī)的A聲級比較，可以看出兩臺壓縮機(jī)聲功率級的最大差別體現(xiàn)在高頻運行時。因此，如圖1所示比較了80Hz運行頻率下的響度、粗糙度和尖銳度，分析結(jié)果表明:

(1)噪聲正常壓縮機(jī)的響度曲線比噪聲異常試驗樣機(jī)響度小很多，這說明響度對壓縮機(jī)的客觀聲品質(zhì)影響很大，它能夠非常準(zhǔn)確地反映聲品質(zhì)的好壞;

(2)兩臺壓縮機(jī)的粗糙度處于同一水平，分析結(jié)果表明粗糙度對壓縮機(jī)客觀聲品質(zhì)評價影響比較小;

(3)正常壓縮機(jī)的尖銳度同樣也小于噪聲異常試驗樣機(jī)的尖銳度，這表明該試驗樣機(jī)有更多的高頻噪聲成分存在。

綜上所述，兩臺壓縮機(jī)客觀聲品質(zhì)評價參數(shù)的計算結(jié)果證明了客觀聲品質(zhì)評價與人的主觀感受是一致的，所采用的客觀聲品質(zhì)評價方法是正確和可行的，該方法可以用于壓縮機(jī)噪聲品質(zhì)的評價。此外，具體到三個參數(shù)對壓縮機(jī)客觀聲品質(zhì)評價的影響，響度的影響程度最大，尖銳度次之，粗糙度影響最小。

當(dāng)運行頻率范圍為40～80Hz時，如圖2和圖3所示為正常壓縮機(jī)和噪聲異常試驗樣機(jī)響度和尖銳度的對比。從圖2中可以看出，兩臺壓縮機(jī)的響度都隨著運行頻率的升高而增大，并且試驗樣機(jī)的響度水平始終大于正常機(jī)。然而從圖3中可知，兩臺壓縮機(jī)的尖銳度都隨著運行頻率的升高而降低，這與響度變化規(guī)律正好相反。

表1 兩臺壓縮機(jī)的A聲級比較

圖1 兩臺壓縮機(jī)客觀聲品質(zhì)評價參數(shù)比較

圖2 不同運行頻率下響度比較

圖3 不同運行頻率下尖銳度比較

2 聲陣列技術(shù)原理

聲陣列技術(shù)是一種先進(jìn)的噪聲源識別、定位以及空間聲場可視化的技術(shù)，它基于傳聲器陣列的指向性原理，對物體表面的聲源分布進(jìn)行測量，找到主要噪聲源的位置，并得到輻射聲場的主要特征。該技術(shù)適用于分析中高頻率的聲源，同時用較少數(shù)量的傳聲器就可以獲得較高的分辨率［4，5］。

聲陣列技術(shù)的原理可通過基本的延遲求和方法進(jìn)行介紹，根據(jù)幾何陣列中傳聲器接收聲波信號時間的差異與傳聲器本身位置的差異，確定各個傳聲器相對于參考傳聲器的延遲時間，然后通過對各個傳聲器的輸出進(jìn)行延遲、加權(quán)、求和運算，進(jìn)而確定聲信號的來源方向。對于近場聲學(xué)測試，陣列輸出形式為:

其中ωm是各個傳聲器所采用的一組加權(quán)系數(shù)，M是陣列中傳聲器的數(shù)量，Δm是各個傳聲器的延遲時間，其表達(dá)式為

其中r是從聲源位置到參考傳聲器的距離向量，rm(r)是從聲源位置到第m個傳聲器的距離，c為聲速。

3 試驗測試及結(jié)果分析

在第二節(jié)內(nèi)容中計算出了試驗樣機(jī)的客觀聲品質(zhì)評價參數(shù)，包括A聲級、響度、粗糙度以及尖銳度，結(jié)果證明了該樣機(jī)具有較差的噪聲品質(zhì)。接下來需要找出造成該樣機(jī)噪聲偏大的原因，因此將通過聲陣列技術(shù)來找出影響噪聲水平的關(guān)鍵頻率點，并識別定位對應(yīng)的聲源。

3.1 傳聲器陣列的布置形式

常規(guī)條件下，壓縮機(jī)噪聲的測量是通過10點布置法，得到A計權(quán)聲功率級，該方法只能粗略的測量壓縮機(jī)表面的聲學(xué)信息，無法得到更多更有價值的信息。本次試驗中采用了聲陣列法，沿著壓縮機(jī)殼體和分液器表面進(jìn)行掃描測量，通過傳聲器陣列可以獲取更多的空間聲學(xué)信息。采用的測試陣列形式如圖4所示，在噪聲異常樣機(jī)周圍布置300個測點，如左圖所示在垂直方向上布置10個傳聲器，如右圖所示在水平方向上環(huán)繞著壓縮機(jī)布置30個傳聲器。傳聲器陣列與壓縮機(jī)表面的測量距離為6 cm，垂直方向上相鄰兩個傳聲器之間的距離為3 cm。規(guī)定30°～330°對應(yīng)1～21列，相鄰兩列之間的角度為15°，該測試區(qū)域位于壓縮機(jī)殼體上;同樣規(guī)定360°～540°對應(yīng)22～30列，相鄰兩列之間的角度為22.5°，該測試區(qū)域在分液器上。實驗是在半消聲室中完成，本底噪聲低于16dB。

圖4 傳聲器陣列的布置形式

圖5 正常機(jī)與試驗樣機(jī)1/3倍頻程比較

圖6 壓縮機(jī)殼體周圍關(guān)鍵測點頻譜

圖7 試驗樣機(jī)關(guān)鍵頻率點對應(yīng)的聲源圖

如圖5所示為壓縮機(jī)運行頻率為60Hz時，正常壓縮機(jī)與噪聲異常試驗樣機(jī)1/3倍頻程的對比，其中綠色頻譜代表試驗樣機(jī)，藍(lán)色頻譜代表正常機(jī)，通過對比可以明顯看出，兩個壓縮機(jī)頻譜的最大差別主要表現(xiàn)在中心頻率2500～5000Hz范圍內(nèi)，因此需要重點關(guān)注該頻率段。

3.2 壓縮機(jī)殼體附近關(guān)鍵測點的頻譜分析

實際上壓縮機(jī)可以分為兩部分，一部分是殼體，另一部分是分液器，其中殼體有最大的噪聲輻射面，貢獻(xiàn)了整機(jī)噪聲的大部分，因此非常有必要對殼體周圍關(guān)鍵測量點的頻譜進(jìn)行分析，得到影響壓縮機(jī)噪聲最大的幾個頻率點。如圖6所示為殼體周圍關(guān)鍵測點的頻譜，該頻譜未經(jīng)過A計權(quán)修正，可看出異常試驗樣機(jī)整段頻譜圖中，峰值最為密集的頻段分布在2300～5000Hz頻段內(nèi)，構(gòu)成了能量的主要成分，其中三個最大的頻率點分別為2761Hz、3481Hz 和 3841Hz。

根據(jù)圖6所示測得的頻譜數(shù)據(jù)，可看出2761Hz、3481Hz、3841Hz對壓縮機(jī)整體噪聲影響最大。根據(jù)聲陣列測試方法，如圖7(a)－(c)分別為噪聲異常試驗樣機(jī)三個最大頻率點對應(yīng)的聲源圖，其中30°～330°對應(yīng)壓縮機(jī)殼體表面的聲源分布，360°～540°對應(yīng)分液器表面的聲源分布。從圖中可以看出，主要噪聲源全部位于殼體下方，其中2761Hz和3481Hz的最大噪聲源位于壓縮機(jī)的下氣缸位置，而3841Hz的最大噪聲源位于壓縮機(jī)的上氣缸位置。因此，設(shè)計者需要通過優(yōu)化壓縮機(jī)的氣缸設(shè)計來改善整機(jī)噪聲，從而達(dá)到事半功倍的效果。

3.3 整機(jī)噪聲優(yōu)化

通過對殼體周圍關(guān)鍵測點的頻譜分析以及聲陣列技術(shù)的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)主要的噪聲源都分布在殼體的上下氣缸位置上，因此造成試驗樣機(jī)噪聲偏大的原因被查找出來。考慮到壓縮機(jī)氣缸內(nèi)部影響整機(jī)噪聲的因素主要有壓縮噪聲、排氣噪聲、機(jī)械噪聲、摩擦噪聲等，在這些影響因素中比較容易實現(xiàn)的是降低壓縮噪聲和排氣噪聲等氣動噪聲。因此，在壓縮機(jī)的上下氣缸斜切口位置均設(shè)計了1200Hz亥姆赫茲共振腔，測試結(jié)果表明，整機(jī)噪聲有了明顯的降低，如表2所示。

表2 優(yōu)化后壓縮機(jī)與異常機(jī)A聲級比較

4 結(jié)論

本文分析了正常機(jī)與噪聲異常試驗樣機(jī)的響度、粗糙度和尖銳度等客觀聲品質(zhì)評價參數(shù)，其中試驗樣機(jī)的響度和尖銳度均比正常機(jī)大很多，說明了試驗樣機(jī)有更多的高頻噪聲成分，而兩者的粗糙度處于同一水平。總體而言，兩臺壓縮機(jī)的客觀聲品質(zhì)評價結(jié)果與人的主觀感受是一致的，證明了該方法的可行性和有效性。此外，當(dāng)壓縮機(jī)運行頻率從40Hz升高到80Hz時，正常機(jī)和試驗樣機(jī)的響度都隨著運行頻率的升高而增大，尖銳度都隨著運行頻率的升高而降低。

為了找出噪聲異常的原因，對試驗樣機(jī)進(jìn)行了聲陣列測試。首先根據(jù)殼體周圍關(guān)鍵測點的頻譜，找出了影響整機(jī)噪聲的主要頻段和三個最大頻率點;然后通過聲陣列技術(shù)對三個最大頻率點進(jìn)行了噪聲源識別定位分析，發(fā)現(xiàn)其對應(yīng)的聲源位置分別位于壓縮機(jī)的上下氣缸處;最后通過在樣機(jī)上下氣缸斜切口位置增加亥姆赫茲共振腔的方式，有效地降低了整機(jī)噪聲。

［1］尤晉閩，陳天寧，和麗梅.空調(diào)壓縮機(jī)噪聲聲品質(zhì)主客觀評價及其相關(guān)性研究 ［J］.流體機(jī)械，2007，35(11):1－5

［2］Zhigang Huang，Hong Guo，etc.The Diagnosis and Optimization of Scroll Compressor Noise Based on the Theory of Near－Field Acoustical Holography.2010 Purdue Compressor Technology Conference，1392－1397

［3］LMS Test.Lab Manuals.

［4］張金圈，畢傳興，陳心昭.Beamforming方法的陣列研究及其在噪聲源識別中的應(yīng)用 ［J］.噪聲與振動控制，2009，29(03):54－58

［5］張金圈.基于波束形成技術(shù)的噪聲源識別與聲場可視化研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010