空氣能熱水器低頻噪聲分析與控制

喬晉紅，陳　劍，沈忠亮，李家柱，史韋意

（合肥工業(yè)大學(xué)　噪聲振動(dòng)工程研究所，合肥230009）

空氣能熱水器低頻噪聲分析與控制

喬晉紅，陳劍，沈忠亮，李家柱，史韋意

（合肥工業(yè)大學(xué)噪聲振動(dòng)工程研究所，合肥230009）

針對(duì)某型空氣能熱水器，借鑒汽車(chē)NVH特性研究技術(shù)，利用試驗(yàn)方法采集樣機(jī)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)中異常噪聲頻率分布，識(shí)別出主要噪聲頻率。在空氣能熱水器機(jī)箱下部結(jié)構(gòu)有限元與聲學(xué)有限元以及聲—固耦合有限元建?；A(chǔ)上，分別對(duì)三者進(jìn)行模態(tài)頻率計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析三者的模態(tài)頻率，確定空氣能熱水器低頻噪聲產(chǎn)生的主要原因。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)，并對(duì)整改機(jī)型進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明，與樣機(jī)相比整改機(jī)型的低頻噪聲得到很好地控制，為空氣能熱水器低頻噪聲的分析與控制提供一種有效的方法。

聲學(xué)；空氣能熱水器；低頻噪聲；聲—固耦合；模態(tài)頻率；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

人類(lèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)飛速發(fā)展的同時(shí)，資源匱乏、全球變暖、環(huán)境惡化等一系列問(wèn)題已然變得尤為嚴(yán)重。目前，世界各國(guó)對(duì)綠色能源以及節(jié)能產(chǎn)品的使用非常重視［1］?？諝饽軣崴饕钥諝鉃闊嵩?，利用少量電能實(shí)現(xiàn)制熱循環(huán)以及空氣調(diào)節(jié)功能，同時(shí)具有節(jié)能、環(huán)保、安全等顯著特點(diǎn)?？諝饽軣崴魇彝鈾C(jī)工作時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生低頻噪聲，由于低頻噪聲的穿透力強(qiáng)，容易穿過(guò)窗戶和墻壁進(jìn)入室內(nèi)，長(zhǎng)期處于這種低頻噪聲環(huán)境下，對(duì)人們的身心健康將造成嚴(yán)重影響，分析這類(lèi)低頻噪聲產(chǎn)生機(jī)理，尋求有效治理手段，具有十分重要的意義。

目前，空氣能熱水器的噪聲控制研究處于起步階段，大多是以空調(diào)減振降噪的經(jīng)驗(yàn)來(lái)研究空氣能熱水器。徐忠良［2］介紹空氣能熱水器區(qū)別于空調(diào)的部分結(jié)構(gòu)。周紅等［3］利用試驗(yàn)方法對(duì)機(jī)殼結(jié)構(gòu)做模態(tài)分析，并通過(guò)阻尼技術(shù)來(lái)減振降噪。楊煥第［4］提出壓縮機(jī)振動(dòng)對(duì)空調(diào)低頻噪聲有著很顯著的影響。李保澤［5］研究不同剛度的減振墊對(duì)低頻噪聲和振動(dòng)的影響因素。以上學(xué)者分別從不同角度入手解決低頻噪聲問(wèn)題，但沒(méi)有把壓縮機(jī)和機(jī)箱結(jié)構(gòu)、空腔以及聲—固耦合作為一個(gè)系統(tǒng)整體去考慮降噪問(wèn)題，存在一定局限性。因此結(jié)合試驗(yàn)與有限元方法系統(tǒng)整體的研究空氣能熱水器是很有必要的。

本文針對(duì)某型空氣能熱水器，借鑒NVH試驗(yàn)技術(shù)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，對(duì)比分析樣機(jī)在不同運(yùn)行工況下的噪聲水平以及頻率分布特性。在此基礎(chǔ)上建立空氣能熱水器機(jī)箱結(jié)構(gòu)、空腔聲學(xué)以及聲固耦合系統(tǒng)有限元模型，分別計(jì)算對(duì)比三者的模態(tài)頻率。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)樣機(jī)機(jī)箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)，試驗(yàn)測(cè)試整改機(jī)型噪聲水平，機(jī)箱的低頻噪聲得到了很好的控制。結(jié)果表明，通過(guò)試驗(yàn)與有限元分析方法相結(jié)合，準(zhǔn)確找出了低頻噪聲產(chǎn)生的主要原因，制定合理的整改方案，解決了該型空氣能熱水器的低頻噪聲問(wèn)題，為低頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)理研究和控制提供了一種有效的方法。

1　空氣能熱水器噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析

1.1空氣能熱水器結(jié)構(gòu)與工作原理

空氣能熱水器的工作原理與空調(diào)原理有一定相似，應(yīng)用逆卡諾原理，通過(guò)吸收空氣中大量的低溫?zé)崮埽?jīng)壓縮機(jī)壓縮變?yōu)楦邷責(zé)崮埽瑐鬟f給循環(huán)進(jìn)水，對(duì)水進(jìn)行加熱。內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四個(gè)核心部件：壓縮機(jī)，冷凝器，膨脹閥，蒸發(fā)器組成。其工作流程如圖1所示，壓縮機(jī)將回流的低壓冷媒壓縮后，變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體流經(jīng)冷凝器，在冷凝器中熱量經(jīng)銅管傳導(dǎo)到循環(huán)進(jìn)水中，將循環(huán)進(jìn)水加熱到一定溫度，同時(shí)冷卻下來(lái)的冷媒在壓力的持續(xù)作用下變成液態(tài)，經(jīng)膨脹閥后進(jìn)入蒸發(fā)器，由于蒸發(fā)器的壓力驟然降低，因此液態(tài)的冷媒在此迅速蒸發(fā)變成氣態(tài)，并吸收大量的熱量［6］。同時(shí)，在風(fēng)扇的作用下，大量的空氣流過(guò)蒸發(fā)器外表面，空氣中的熱量被蒸發(fā)器吸收，空氣溫度迅速降低，變成冷氣釋放。隨后吸收了一定空氣熱量的冷媒回流到壓縮機(jī)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖1　空氣能熱水器工作流程

1.2試驗(yàn)測(cè)試與分析

以某型空氣能熱水器為例，展開(kāi)試驗(yàn)研究，利用頻譜分析初步判斷異常噪聲所在頻帶和產(chǎn)生機(jī)理。試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，傳聲器測(cè)點(diǎn)布置依據(jù)JB/T 4330-1999《空調(diào)機(jī)（器）噪聲聲壓級(jí)的測(cè)量》執(zhí)行，加速度傳感器分別布置在空氣能熱水器機(jī)箱結(jié)構(gòu)內(nèi)壓縮機(jī)主動(dòng)端和被動(dòng)端、水泵主動(dòng)端和被動(dòng)端以及機(jī)箱各壁板上，測(cè)試所用傳聲器及部分加速度傳感器布局見(jiàn)下圖2所示。

圖2　傳聲器及部分加速度傳感器布置情況

試驗(yàn)共分六個(gè)工況，具體工況如下表1所示：

表1　試驗(yàn)測(cè)試工況

試驗(yàn)結(jié)果分析：

空氣能熱水器主要有三大噪聲源，分別為機(jī)箱下部壓縮機(jī)噪聲，機(jī)箱上部風(fēng)扇噪聲以及輸送冷熱水的循環(huán)泵噪聲。根據(jù)測(cè)試情況可得出以下三個(gè)結(jié)論：一、由工況1和4可知，水泵單獨(dú)運(yùn)行并無(wú)嗡嗡低頻噪聲，排除水泵對(duì)低頻噪聲影響作用；二、對(duì)比工況2和3，風(fēng)扇開(kāi)啟與關(guān)閉時(shí)，低頻嗡嗡噪聲依然存在，排除風(fēng)扇對(duì)低頻噪聲影響因素，如圖3所示；三、對(duì)比工況2和5可知，拆去后壁時(shí)，低頻嗡嗡噪聲明顯削弱，初步判斷低頻噪聲的產(chǎn)生是由于機(jī)箱結(jié)構(gòu)改變所引起，且從圖3可知，二者在100 Hz處聲壓級(jí)大小相差高達(dá)9 dB，進(jìn)一步確定100 Hz是引起這種低頻嗡嗡噪聲現(xiàn)象的關(guān)鍵頻率。

試驗(yàn)結(jié)果表明，頻率100 Hz對(duì)低頻噪聲貢獻(xiàn)量較大，應(yīng)將100 Hz附近的低頻作為空氣能熱水器主要的降噪頻率進(jìn)行分析，同時(shí)有無(wú)后壁這種結(jié)構(gòu)上的變化，對(duì)100 Hz處聲壓級(jí)峰值有很大影響。為進(jìn)一步確定低頻噪聲產(chǎn)生的主要原因，對(duì)空氣能熱水器進(jìn)行有限元分析。

圖3　測(cè)試頻譜圖

2　箱體聲—固耦合模型分析

2.1聲—固耦合的有限元理論

由于空氣能熱水器主要為薄板結(jié)構(gòu)，下部箱體是一個(gè)封閉的聲腔，當(dāng)空氣能熱水器受到壓縮機(jī)振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，就會(huì)引起壁板的振動(dòng)，振動(dòng)的壁板會(huì)推動(dòng)與之接觸空氣的振動(dòng)，從而產(chǎn)生聲壓；而空腔聲壓的變化又會(huì)引起壁板的振動(dòng)，這樣熱水器壁板與下部機(jī)箱聲腔之間就形成了一個(gè)復(fù)雜的耦合聲學(xué)系統(tǒng)［7，8］。

箱體內(nèi)部聲場(chǎng)與其壁板之間存在著耦合作用，為了能更加準(zhǔn)確地分析空氣能熱水器的低頻特性，需考慮聲—固耦合作用。在不考慮聲壓對(duì)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)有限元控制方程可表示為

式中ms、cs、ks分別為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；Fs為結(jié)構(gòu)激勵(lì)力向量；u為結(jié)構(gòu)位移向量。

當(dāng)考慮聲壓對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響時(shí)，應(yīng)加上界面壓力矢量Ff的作用，這時(shí)式（1）表示為

式中Ff=RTp；R為聲和結(jié)構(gòu)的耦合矩陣；p為節(jié)點(diǎn)聲壓向量。

考慮聲學(xué)阻尼作用時(shí)，空腔聲學(xué)有限元控制方程為

式中mf為空氣等效質(zhì)量矩陣；cf為空氣等效阻尼矩陣；kf為空氣等效剛度矩陣，mfs為聲—固耦合質(zhì)量矩陣。

聯(lián)立式（2）、（3）可得聲—固耦合系統(tǒng)有限元控制方程為

圖4　系統(tǒng)聲—固耦合有限元模型

2.2聲—固耦合模型建立與分析

分析的空氣能熱水器主要由板殼結(jié)構(gòu)通過(guò)螺栓、焊接而成，板件用四節(jié)點(diǎn)和三節(jié)點(diǎn)殼單元來(lái)模擬，用RBE 2模擬螺栓等連接，用ACM 2模擬點(diǎn)焊。模型的精度直接影響著求解的準(zhǔn)確性，在建模過(guò)程中，忽略掉微小的工藝孔、凸臺(tái)以及過(guò)渡圓角等對(duì)結(jié)構(gòu)板件影響很小的工藝結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)化模型提高有限元網(wǎng)格的質(zhì)量。建立機(jī)箱結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4（a）所示。整個(gè)模型網(wǎng)格單元平均尺寸10 mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為113 540，三角形單元所占比例為1.1%。同時(shí)在結(jié)構(gòu)有限元模型的基礎(chǔ)上創(chuàng)建邊界條件，采用Block Lanczos方法提取機(jī)箱結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率如表2所示。

在機(jī)箱結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上，刪除多余的零部件，補(bǔ)全孔洞和縫隙，對(duì)于封閉空腔，生成實(shí)體網(wǎng)格，進(jìn)而得到機(jī)箱聲學(xué)有限元模型［9］。由于壓縮機(jī)、冷凝器以及水泵等結(jié)構(gòu)的存在對(duì)機(jī)箱聲學(xué)特性的影響較大，所以在建模過(guò)程中，應(yīng)去掉這些結(jié)構(gòu)所占據(jù)的空間。根據(jù)每個(gè)聲波波長(zhǎng)至少含有6個(gè)聲學(xué)單元的原則［10］，結(jié)合研究的計(jì)算頻率范圍（20 Hz～200 Hz），取聲學(xué)網(wǎng)格單元長(zhǎng)度為50 mm～100 mm。圖4（b）為機(jī)箱聲學(xué)有限元模型。將機(jī)箱聲學(xué)有限元模型導(dǎo)入到LMS Virtual.lab軟件中，計(jì)算得到聲腔模態(tài)，其模態(tài)頻率結(jié)果如表2所示。

在機(jī)箱結(jié)構(gòu)模型基礎(chǔ)上添加孔洞，建立相應(yīng)連接，使機(jī)箱成為一個(gè)封閉的整體，再利用MSC. Nastran將聲腔模型與結(jié)構(gòu)模型組合在一起，將聲腔模型表面的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，得到機(jī)箱聲-固耦合模型。在MSC.Nastran中對(duì)機(jī)箱耦合模型進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果如表2所示。

表2　結(jié)構(gòu)、空腔以及耦合系統(tǒng)部分模態(tài)頻率對(duì)比

從表2可知，由于聲—固耦合作用，耦合模型的模態(tài)頻率與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率和聲模態(tài)頻率比較，發(fā)生了一定的改變。機(jī)箱四周壁板的振動(dòng)和內(nèi)部聲腔空氣的聲振動(dòng)相互耦合及其影響，可以改變整個(gè)系統(tǒng)模態(tài)振型頻率。耦合系統(tǒng)的模態(tài)同時(shí)受到結(jié)構(gòu)模態(tài)和聲模態(tài)的影響，當(dāng)與結(jié)構(gòu)模態(tài)接近時(shí)受結(jié)構(gòu)模態(tài)主導(dǎo)，與聲模態(tài)接近時(shí)受聲模態(tài)主導(dǎo)。

從表2還可以看出，聲—固耦合模型在第41階的耦合模態(tài)頻率為100.41 Hz。某型壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)如下表3所示，其中轉(zhuǎn)速為3000 r/min，經(jīng)計(jì)算基頻為50 Hz，而該階模態(tài)頻率與壓縮機(jī)的諧頻100 Hz十分相近，因此可以判斷，機(jī)箱低頻尤其以100 Hz時(shí)為主的噪聲比較大的主要原因是壓縮機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)，激起了機(jī)箱耦合模態(tài)，產(chǎn)生共振所導(dǎo)致的。出于成本考慮，改變壓縮機(jī)的工作頻率是不切實(shí)際的。因此根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)采用降低振動(dòng)能量傳遞、改變機(jī)箱壁板結(jié)構(gòu)的方法來(lái)控制空氣能熱水器的低頻噪聲。

表3　某型壓縮機(jī)參數(shù)

3　結(jié)構(gòu)改進(jìn)及效果對(duì)比

通過(guò)前文試驗(yàn)分析測(cè)試空氣能熱水器機(jī)箱噪聲頻譜，同時(shí)結(jié)合箱體結(jié)構(gòu)、空腔以及聲—固耦合系統(tǒng)模態(tài)分析，確認(rèn)該低頻噪聲是由于壓縮機(jī)工作產(chǎn)生的激勵(lì)，激起了機(jī)箱的耦合模態(tài)，形成耦合共振所致，為此提出針對(duì)性整改措施，同時(shí)對(duì)整改機(jī)型與樣機(jī)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證機(jī)箱改進(jìn)前后低頻噪聲的控制效果。

3.1降低振動(dòng)能量傳遞

通過(guò)“源—路徑—響應(yīng)”的思路［11］，可知對(duì)于空氣能熱水器主要振源是壓縮機(jī)，壓縮機(jī)固定于機(jī)箱底板上，壓縮機(jī)振動(dòng)會(huì)激起機(jī)箱底板振動(dòng)，機(jī)箱底板與各個(gè)壁板是通過(guò)螺栓剛性連接，振動(dòng)能量又會(huì)傳遞給各側(cè)壁板，振動(dòng)能量并沒(méi)有經(jīng)過(guò)中間環(huán)節(jié)有效衰減，因此機(jī)箱壁板得到的振動(dòng)能量較大。利用控制傳遞路徑的思想，在壓縮機(jī)與機(jī)箱底板之間加一塊減振板，減振板既要具有金屬基材高強(qiáng)度的特性，又要具有高分子聚合物特有的高阻尼特性。實(shí)際改進(jìn)試驗(yàn)中，我們采用大理石花崗巖和減振橡膠組合使用，大理石花崗巖具有高強(qiáng)度特性，減振橡膠具有高阻尼特性。由此壓縮機(jī)傳遞到機(jī)箱各側(cè)壁板的振動(dòng)能量將大大削弱，如圖5所示。

圖5　整改機(jī)型結(jié)構(gòu)圖

3.2優(yōu)化機(jī)箱壁板結(jié)構(gòu)

由箱體聲—固耦合模態(tài)分析結(jié)果可知，機(jī)箱底部及四周均為薄板結(jié)構(gòu)，內(nèi)部形成一個(gè)封閉的空腔，當(dāng)受到壓縮機(jī)工作激勵(lì)時(shí)，壁板結(jié)構(gòu)與內(nèi)部空腔同時(shí)振動(dòng)，形成了復(fù)雜的耦合聲學(xué)系統(tǒng)。由于壓縮機(jī)的激勵(lì)頻率與部分耦合系統(tǒng)模態(tài)頻率非常接近，為避開(kāi)整個(gè)系統(tǒng)的低頻共振，需對(duì)機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的整改?；诟淖兘Y(jié)構(gòu)響應(yīng)的思路，一方面機(jī)箱前后壁板采用百葉窗的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)形式，破壞聲學(xué)封閉空腔，另一方面左右側(cè)壁板采用加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)形式，提高機(jī)箱結(jié)構(gòu)剛度。采用兩種改進(jìn)方式來(lái)避免機(jī)箱系統(tǒng)耦合模態(tài)與壓縮機(jī)激勵(lì)的共振，如圖5所示。

3.3改進(jìn)效果對(duì)比

基于傳遞路徑控制思想，通過(guò)降低振動(dòng)能量傳遞方法改進(jìn)，有效的控制了壓縮機(jī)傳遞給機(jī)箱壁板的振動(dòng)能量，整改機(jī)型的整體噪聲水平有所下降，如圖6（a）所示；同時(shí)基于改變結(jié)構(gòu)響應(yīng)的思路，對(duì)機(jī)箱壁板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免壓縮機(jī)激勵(lì)與聲—固耦合模態(tài)的共振，有效降低100 Hz處聲壓級(jí)，解決了低頻嗡嗡噪聲現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果如圖6（b）所示。從解決問(wèn)題和進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量角度考慮，建議兩種改進(jìn)方法綜合采用，不僅有效解決產(chǎn)品低頻嗡嗡噪聲問(wèn)題，同時(shí)降低產(chǎn)品整體噪聲水平。數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表4所示。

圖6　整改前后頻譜對(duì)比圖

表4　降噪效果對(duì)比結(jié)果　單位/dB

4　結(jié)語(yǔ)

（1）空氣能熱水器工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲是評(píng)價(jià)空氣能熱水器產(chǎn)品質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)之一［12］。目前空氣能熱水器的低頻噪聲普遍較高，因此降低空氣能熱水器低頻噪聲，是當(dāng)前迫切需要解決的重要技術(shù)問(wèn)題，對(duì)企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的意義；

（2）采用試驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)空氣能熱水器低頻嗡嗡噪聲產(chǎn)生的主要頻率，結(jié)合聲—固耦合有限元的分析方法對(duì)低頻噪聲問(wèn)題進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，低頻噪聲是由于壓縮機(jī)工作時(shí)激勵(lì)頻率與部分耦合系統(tǒng)模態(tài)頻率十分接近，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)箱系統(tǒng)共振，低頻噪聲加劇，其中尤其以頻率100 Hz的噪聲為主。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)樣機(jī)進(jìn)行針對(duì)性整改，低頻噪聲得到很好地抑制；

（3）通過(guò)試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合，對(duì)某型空氣能熱水器進(jìn)行低頻降噪，取得了較為明顯的整改效果。該方法對(duì)分析控制各種空氣能熱水器低頻噪聲問(wèn)題都具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

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Analysis and Control of Low Frequency Noise ofAir Source Water Heaters

QIAO Jin-hong，CHENJian，SHEN Zhong-liang，LI Jia-zhu，SHI Wei-yi

（Institute of Sound and Vibration Research，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

A type of air source water heaters was studied.Referring to the technology in automotive NVH characteristics research，the frequency distribution of abnormal noise in the measurement data of an air source water heater prototype was analyzed to identify the main noise frequencies.The finite element model，acoustic finite element model and acoustic-structure coupled finite element model for the infrastructure of the air source water heater were built respectively to compute the modal frequencies.Through the comparative analysis of the three kinds of modal frequencies，the main cause of low-frequency noise of the heater was determined.According to the results of analysis，the structure of the air source water heater was optimized，improved and tested.The results show that compared with the prototype，the low-frequency noise of the optimized heater can be well controlled.This paper provides an effective method for the analysis and control of lowfrequency noise of air source water heaters.

acoustics；air source water heater；low frequency noise；acoustic-structure coupling；modal frequency；structure optimization

TM172

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.044

1006-1355（2015）05-0207-05

2015－03－27

喬晉紅（1989－），男，山西省晉中市人，碩士研究生，主要研究方向：汽車(chē)NVH與CAE分析。

陳劍（1962－），男，博士生導(dǎo)師。

E-mail:hfgd8216@126.com