影響分體掛壁空調(diào)貫流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪音的因素

徐勇

摘 要 隨著人們低碳環(huán)保理念的不斷提升，噪音污染已經(jīng)成為生活中一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。而空調(diào)噪音的好壞，也因此成為影響空調(diào)質(zhì)量的決定性因素之一。文章通過(guò)對(duì)家用空調(diào)分體內(nèi)機(jī)的風(fēng)道模擬及實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，尋找到影響空調(diào)內(nèi)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪音的主要因素，并通過(guò)對(duì)這些因素的優(yōu)化以達(dá)到減弱旋轉(zhuǎn)噪音，優(yōu)化內(nèi)機(jī)音質(zhì)的設(shè)計(jì)目的，并指出分體空調(diào)內(nèi)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪音問(wèn)題解決的基本思路。

關(guān)鍵詞 旋轉(zhuǎn)噪音；蝸舌；偏心渦

中圖分類(lèi)號(hào)：TH43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）02-0061-03

隨著家用空調(diào)的應(yīng)用普及，業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)日益白熱化，空調(diào)品質(zhì)的好壞已經(jīng)不僅僅取決于簡(jiǎn)單的制冷、制熱能力。噪音的大小、音質(zhì)的好壞已經(jīng)成為用戶(hù)選擇空調(diào)時(shí)必須考慮的問(wèn)題。據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究表明，空調(diào)噪聲的投訴率是其他性能的2倍以上。國(guó)內(nèi)各大空調(diào)企業(yè)近些年分別推出多款主打低噪音的產(chǎn)品并贏(yíng)得了很好的市場(chǎng)反響。而旋轉(zhuǎn)噪音一直是困擾分體空調(diào)內(nèi)機(jī)噪音的一大問(wèn)題，本文從旋轉(zhuǎn)噪音產(chǎn)生的機(jī)理著手，分析了影響旋轉(zhuǎn)噪音的主要因素，并針對(duì)其優(yōu)化解決方案進(jìn)行初步的分析探討，以形成指導(dǎo)性設(shè)計(jì)思路。

1 旋轉(zhuǎn)噪音產(chǎn)生的機(jī)理

貫流風(fēng)葉由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、噪音小的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在家用分體空調(diào)中。

分體空調(diào)噪聲來(lái)源主要是貫流風(fēng)葉的氣動(dòng)噪聲。氣動(dòng)噪聲又可以分為湍流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲。湍流噪聲主要是物體表面的湍流附面層和尾跡中的脫落渦等壓力脈動(dòng)發(fā)出的聲音，在噪音頻譜上表現(xiàn)為平緩的寬頻連續(xù)譜噪聲；旋轉(zhuǎn)噪聲主要是物體表面的高速氣流脫離物體表面時(shí)的速度邊界層以外，高速的氣流速度銳減造成不穩(wěn)定的氣流，同時(shí)又與蝸舌風(fēng)葉間隙中被帶回的氣流周期性的相互作用被增強(qiáng)而形成的。同湍流噪聲相比，旋轉(zhuǎn)噪聲強(qiáng)度更大，在頻譜上會(huì)形成尖峰，人耳的聽(tīng)覺(jué)對(duì)于這類(lèi)聲音也更敏感，是空調(diào)噪聲的主要來(lái)源之一。

進(jìn)一步剖析旋轉(zhuǎn)噪音，它是風(fēng)場(chǎng)內(nèi)部氣流運(yùn)動(dòng)形成的，貫流風(fēng)葉氣體運(yùn)動(dòng)的最大特點(diǎn)就是偏心渦的形成。前文所述：在出風(fēng)口氣體脫離風(fēng)葉的表面速度邊界層區(qū)域內(nèi)，由于氣流速度的階梯性變化，形成一個(gè)不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的區(qū)域；另一方面，風(fēng)葉與蝸舌的間隙中有一部分氣體被風(fēng)葉帶回風(fēng)道內(nèi)部，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)模擬研究，偏心渦其實(shí)質(zhì)就是由于氣流的不穩(wěn)定，在蝸舌附近形成的低壓區(qū)，此區(qū)域形成在蝸舌附近，并與風(fēng)葉葉輪沿著同一方向旋轉(zhuǎn)，偏心渦帶動(dòng)周?chē)臍怏w與結(jié)構(gòu)件相互作用發(fā)聲，就形成了旋轉(zhuǎn)噪音。

旋轉(zhuǎn)噪聲頻率和轉(zhuǎn)速有關(guān)：

f=i*n*z/60

式中，z為葉片數(shù)，i為自然數(shù)，n表示旋轉(zhuǎn)頻率的倍頻。

2 影響旋轉(zhuǎn)噪音的因素

根據(jù)對(duì)旋轉(zhuǎn)噪音形成機(jī)理的分析，結(jié)合我司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，影響旋轉(zhuǎn)噪音的因素可歸納如下。

2.1 風(fēng)葉的葉片數(shù)、轉(zhuǎn)速

根據(jù)旋轉(zhuǎn)噪音的頻率點(diǎn)公式可知，葉片數(shù)z和轉(zhuǎn)速n是影響旋轉(zhuǎn)噪音峰值頻率點(diǎn)的決定性因素，在我們測(cè)試時(shí)，可以根據(jù)此公式計(jì)算出旋轉(zhuǎn)噪音的頻率點(diǎn)并以此為依據(jù)判斷旋轉(zhuǎn)噪音的噪音值。改變?nèi)~片數(shù)或者調(diào)整轉(zhuǎn)速可以降低噪音值，但是不能根除旋轉(zhuǎn)噪音的產(chǎn)生（見(jiàn)3下文內(nèi)容）。

2.2 偏心渦對(duì)于旋轉(zhuǎn)噪音的影響

旋轉(zhuǎn)噪音其本質(zhì)就是由于偏心渦的不穩(wěn)定擾動(dòng)產(chǎn)生的，因此對(duì)于偏心渦的影響因素的研究從未停止過(guò)。

從文獻(xiàn)[2]的研究來(lái)看，偏心渦的渦心位置隨葉片傾角α（葉片圓弧兩端連線(xiàn)與葉片外端和回轉(zhuǎn)軸中心連線(xiàn)的夾角）的增大，沿著葉片旋轉(zhuǎn)方向，向遠(yuǎn)離蝸舌的方向移動(dòng)。

從文獻(xiàn)[3]、[4]的研究來(lái)看，蝸舌間隙越大，偏心蝸的中心越靠近風(fēng)葉中心；蝸舌間隙越小，偏心渦越遠(yuǎn)離風(fēng)葉中心向蝸舌和出風(fēng)口處靠近。同時(shí)，隨著風(fēng)葉與蝸舌間隙的減小，出口風(fēng)速逐漸增大。

2.3 風(fēng)葉參數(shù)設(shè)計(jì)的影響

風(fēng)葉葉形設(shè)計(jì)、風(fēng)葉相位角設(shè)計(jì)等，如不等距風(fēng)葉的設(shè)計(jì)也對(duì)于旋轉(zhuǎn)噪音有明顯的影響。

2.4 來(lái)流氣體狀態(tài)的影響

當(dāng)空調(diào)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，室內(nèi)機(jī)蒸發(fā)器與外界空氣存在換熱，制冷、制熱模式下進(jìn)風(fēng)側(cè)和出風(fēng)側(cè)氣體狀態(tài)都是不同的，也會(huì)影響內(nèi)機(jī)的噪音效果，具體原因在下一章節(jié)實(shí)驗(yàn)3進(jìn)行詳解。

3 實(shí)驗(yàn)室解決旋轉(zhuǎn)噪音的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)1：在我司一款產(chǎn)品上，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比得出了轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)噪音的關(guān)系。具體實(shí)施方案如下：

測(cè)試用為一款分體掛壁空調(diào)，采用風(fēng)葉直徑92 mm，總長(zhǎng)度616 mm，葉片數(shù)35。

分別測(cè)試轉(zhuǎn)速為1320 r/min、1300 r/min、1280 r/min、1250 r/min時(shí)的噪音值見(jiàn)表1。

表1

電機(jī)轉(zhuǎn)速 噪音值 峰值/頻率

1320 44.4 37.1/776.8

1300 44 37.4/764.3

1280 43.3 36.5/751.8

1250 42.5 34.8/733

從表1中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的降低，噪音總值呈下降的趨勢(shì)；按照旋轉(zhuǎn)噪音頻率計(jì)算的公式，各風(fēng)擋噪音的峰值頻率點(diǎn)正好吻合，說(shuō)明在這四個(gè)轉(zhuǎn)速下的噪音峰值均為旋轉(zhuǎn)噪音，而旋轉(zhuǎn)噪音的峰值也隨著轉(zhuǎn)速的降低而降低。但是由于峰值依然存在，整機(jī)音質(zhì)并沒(méi)有隨著轉(zhuǎn)速的降低而改善。

實(shí)驗(yàn)2：利用增加錯(cuò)位角的方式對(duì)于噪音進(jìn)行優(yōu)化，在實(shí)驗(yàn)1同一臺(tái)內(nèi)機(jī)上，分別使用2種不同的風(fēng)葉。

風(fēng)葉A，每個(gè)中節(jié)之間無(wú)錯(cuò)位角；風(fēng)葉B，每個(gè)中節(jié)之間增加錯(cuò)位角3°。

分別在制熱模式下測(cè)試超強(qiáng)檔、高風(fēng)檔、中高風(fēng)檔的噪音，具體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2

風(fēng)葉類(lèi)型 風(fēng)檔 噪音值 峰值/頻率 轉(zhuǎn)速

無(wú)錯(cuò)位角風(fēng)葉 超強(qiáng)檔 47 42.7/776.8 1320

高風(fēng)檔 41.2 32.4/689.3 1180endprint

中高風(fēng)檔 37.8 25/351.8 1100

3°錯(cuò)位角風(fēng)葉 超強(qiáng)檔 43.3 29.9/1196 1320

高風(fēng)檔 39 23.3/1239 1180

中高風(fēng)檔 37.7 27.1/1221 1100

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出圖1、圖2。

圖1 不同錯(cuò)位角風(fēng)葉噪音總值對(duì)比

圖2 不同錯(cuò)位角風(fēng)葉噪音總值對(duì)比

從以上數(shù)據(jù)來(lái)看得出以下結(jié)論：風(fēng)葉增加錯(cuò)位角后，旋轉(zhuǎn)噪音值明顯下降，整機(jī)噪音的峰值頻率點(diǎn)也避開(kāi)旋轉(zhuǎn)噪音峰值，噪音總值也明顯降低。分體機(jī)用貫流風(fēng)葉在設(shè)計(jì)階段必須考慮加入錯(cuò)位角的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

我們進(jìn)一步分析，具體到每種機(jī)型，不同的錯(cuò)位角其噪音效果也是不同的。實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們選取了6種不同錯(cuò)位角設(shè)計(jì)的風(fēng)葉進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，得到數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3。

根據(jù)數(shù)據(jù)繪制出噪音總值及峰值的對(duì)比曲線(xiàn)圖3、圖4。

圖3 6種不同錯(cuò)位角風(fēng)葉噪音總值對(duì)比

圖4 6種不同錯(cuò)位角風(fēng)葉噪音峰值對(duì)比

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，只有+3、-3兩種錯(cuò)位角的風(fēng)葉噪音效果較好，最終我們根據(jù)音質(zhì)效果選擇+3°錯(cuò)位角的風(fēng)葉為最優(yōu)。

實(shí)驗(yàn)3：關(guān)于來(lái)流氣體狀態(tài)（包括氣體密度、溫度）變化對(duì)于偏心渦及噪音的影響變化目前還未見(jiàn)有專(zhuān)門(mén)的相關(guān)研究。

根據(jù)本司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)器室內(nèi)機(jī)不聯(lián)機(jī)狀態(tài)下測(cè)試的噪音效果同聯(lián)機(jī)后的噪音測(cè)試效果是不同的。例如，空調(diào)器制熱運(yùn)行時(shí)，來(lái)流的低溫氣體被蒸發(fā)器加熱導(dǎo)致氣體體積膨脹，壓力減小，偏心渦強(qiáng)度減弱，伴隨著在蝸舌附近的氣體擾動(dòng)也減弱，由于風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)引起的噪音被削弱。

室內(nèi)機(jī)不聯(lián)機(jī)（測(cè)試樣機(jī)程序已特殊處理，導(dǎo)風(fēng)板位置、轉(zhuǎn)速同制熱模式）和室內(nèi)機(jī)聯(lián)機(jī)制熱兩種運(yùn)行模式下的噪音值對(duì)比如表4。

表4

空調(diào)器運(yùn)行模式 風(fēng)檔 噪音值 峰值/頻率 轉(zhuǎn)速

不聯(lián)機(jī) 超強(qiáng)檔 44 30.6/1398 1320

高風(fēng)檔 40.3 24.3/982 1180

中高風(fēng)檔 38.8 29.8/1166 1100

聯(lián)機(jī)制熱 超強(qiáng)檔 43.3 29.9/1196 1320

高風(fēng)檔 39 23.3/1239 1180

中高風(fēng)檔 37.7 27.1/1221 1100

從以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析得出：在聯(lián)機(jī)運(yùn)行情況下，超強(qiáng)檔，噪音總值降低0.7 dB，峰值降低0.7dB；高風(fēng)檔，噪音總值降低1.3 dB，峰值降低1 dB；中高風(fēng)檔，噪音總值降低1.1 dB，峰值降低2.7dB。制熱時(shí)空調(diào)器風(fēng)道內(nèi)部的偏心渦擾動(dòng)由于氣體被加熱而減弱，表現(xiàn)在數(shù)據(jù)上就是旋轉(zhuǎn)噪音值明顯降低，噪音音質(zhì)有明顯優(yōu)化。

其指導(dǎo)意義在于：室內(nèi)機(jī)換熱器設(shè)計(jì)的好壞也會(huì)影響噪音的效果。換熱器表面溫度的冷熱不均也會(huì)引起其表面氣體狀態(tài)的不穩(wěn)定從而影響氣流的穩(wěn)定。

4 總結(jié)優(yōu)化解決思路

總結(jié)以上，在空調(diào)室內(nèi)機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中，為了避免整機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)噪音問(wèn)題，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）制定合理的轉(zhuǎn)速。風(fēng)葉轉(zhuǎn)速與噪音值的大小有必然的聯(lián)系，轉(zhuǎn)速越低旋轉(zhuǎn)噪音頻率點(diǎn)越小，噪音值越低，但是降低轉(zhuǎn)速并不能從根本上消除旋轉(zhuǎn)噪音。

2）風(fēng)葉錯(cuò)位角設(shè)計(jì)。風(fēng)葉增加錯(cuò)位角設(shè)計(jì)可以有效的避免偏心渦的擾動(dòng)在同一點(diǎn)的疊加加強(qiáng)，對(duì)于不同的風(fēng)道，錯(cuò)位角的選取也是不同的。除錯(cuò)位角之外，現(xiàn)在風(fēng)葉廠(chǎng)家普遍在設(shè)計(jì)風(fēng)葉時(shí)采用不等距分布葉片，其原理基本同錯(cuò)位角設(shè)計(jì)。

隨機(jī)相位角

式中，：均勻分布時(shí)第i個(gè)葉片的周向布置角；：不等距葉片分布時(shí)第i個(gè)葉片的周向布置角；：相位角的最大調(diào)制量。

3）內(nèi)機(jī)分流均勻。風(fēng)道內(nèi)氣體的溫度變化會(huì)引起氣體狀態(tài)的不穩(wěn)定，進(jìn)而影響氣動(dòng)噪音效果。因此，在噪音效果較差時(shí)，還可以考慮在內(nèi)機(jī)換熱器流路上面進(jìn)行優(yōu)化。

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