聲學(xué)刷噪聲源識別技術(shù)在空調(diào)器上的應(yīng)用研究

朱標(biāo) 郝玉密 趙希楓

海信（山東）空調(diào)有限公司 山東青島 266000

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和空調(diào)器產(chǎn)品的普及，用戶對空調(diào)產(chǎn)品噪聲方面的要求越來越高，不但要求產(chǎn)品的噪聲總值要小，而且聲音聽起來不能使人煩擾，這就要求在開發(fā)過程中不僅要降低產(chǎn)品的噪聲值，而且還要提升產(chǎn)品的聲品質(zhì)。異常噪聲會極大地降低產(chǎn)品的聲品質(zhì)和用戶體驗，為解決異常噪聲，噪聲源和傳遞路徑的識別變得尤為重要。

目前噪聲源識別與定位的方法有很多，常用的方法有：傳統(tǒng)識別方法、時域分析法、頻域分析法、時頻分析與小波分析法、聲強(qiáng)測量法、聲全息法和波束形成法等[1-2]，每一種方法都有其優(yōu)點和局限性。為準(zhǔn)確識別和定位噪聲源，工程實踐中經(jīng)常是多種方法綜合應(yīng)用。蘭江華等[3]采用覆蓋法和近場測試法等傳統(tǒng)識別方法對空調(diào)室外機(jī)異常嘯叫聲進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該嘯叫聲來自于管路焊接時在接頭內(nèi)部產(chǎn)生焊瘤導(dǎo)致的冷媒?jīng)_擊聲。郝玉密[4]等采用倒頻譜分析、調(diào)制譜分析等手段對空調(diào)室外機(jī)異常嘯叫聲進(jìn)行研究，識別出該嘯叫聲來源于冷凝器與前面板的間隙造成的氣流嘯叫聲，并提出改善方案。林澤安等[5]通過比較聲強(qiáng)法與普通方法的測量結(jié)果，證明聲強(qiáng)測量法在空調(diào)噪聲測試中具有足夠高的精度，有很高的實用價值。本文主要研究噪聲濾波診斷技術(shù)和聲學(xué)刷噪聲源定位技術(shù)在空調(diào)異常噪聲源定位識別中的應(yīng)用。

2 噪聲濾波診斷技術(shù)及聲學(xué)刷聲源定位技術(shù)

2.1 噪聲濾波診斷技術(shù)

噪聲濾波診斷技術(shù)是將噪聲測試采集到的聲壓信號進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到噪聲頻譜圖，即可以得到噪聲的頻率成分。通過商業(yè)軟件的數(shù)字濾波器（低通、高通、帶通和帶阻等）對測試信號進(jìn)行濾波處理，然后通過回放對比即可以識別出異常噪聲的頻率帶分布。如圖1為某品牌商業(yè)噪聲濾波診斷設(shè)備及軟件分析界面。

2.2 聲學(xué)刷聲源定位技術(shù)

目前行業(yè)上可實現(xiàn)聲場可視化的聲源定位技術(shù)主要有基于聲強(qiáng)法聲學(xué)刷和基于聲全息的相控陣列聲學(xué)照相機(jī)等產(chǎn)品。聲學(xué)刷的優(yōu)勢是其結(jié)果是三維的，可以識別出聲音傳播的空間方向，對噪聲源的定位更直觀；另外對于一兩百赫茲的低頻噪聲，聲學(xué)照相機(jī)的空間分辨率不夠，由于空調(diào)產(chǎn)品尺寸較小，不同聲源之間距離很近，聲學(xué)照相機(jī)無法區(qū)分，而聲學(xué)刷的空間分辨率不受頻率限制，主要取決于探頭移動速度，若探頭移動足夠慢，在局部可以獲得非常精細(xì)的結(jié)果?；谝陨咸匦裕疚倪x用基于聲強(qiáng)法的聲學(xué)刷對空調(diào)噪聲進(jìn)行聲源定位技術(shù)研究。

聲學(xué)刷主要由測試手柄、聲強(qiáng)探頭、追蹤攝像機(jī)、測試處理軟件和坐標(biāo)參考板等部分組成，如圖2所示。其技術(shù)核心是三維聲強(qiáng)測試技術(shù)與光學(xué)跟蹤技術(shù)的結(jié)合，三維坐標(biāo)跟蹤攝像機(jī)通過捕捉坐標(biāo)參考板將物理空間坐標(biāo)與軟件模型坐標(biāo)結(jié)合對應(yīng)起來，通過捕捉測試手柄上的有色彩球來追蹤測試手柄的當(dāng)前坐標(biāo)位置，測試手柄內(nèi)置陀螺儀可以實時反饋三維聲強(qiáng)探頭的空間位置。從而實現(xiàn)當(dāng)在測試對象周圍以任何方向和位置自由移動探頭時，經(jīng)過后處理分析會在屏幕上以三維可視化的方式顯示聲場。

聲學(xué)刷使用的聲強(qiáng)探頭是一個4個相位和幅值匹配的傳聲器組成的P-P探頭（聲壓-聲壓探頭，Pressure -Pressure Probe），如圖3所示。聲強(qiáng)I是矢量（有大小和方向），可以表示為該點的瞬時聲壓p(t)與質(zhì)點瞬時速度v(t)的矢量乘積，如下式：

聲壓可直接由傳感器得到，測量兩點的聲壓后用積分方法從聲壓梯度中導(dǎo)出質(zhì)點速度vi：

式中：ρ為空氣密度，r為兩傳聲器之間的距離。由于聲學(xué)刷設(shè)備可同時測得聲場的聲壓P、質(zhì)點速度v和聲強(qiáng)I，在后處理中可以顯示聲壓P、質(zhì)點速度v和聲強(qiáng)I的空間分布。

圖1 某品牌商業(yè)噪聲濾波診斷設(shè)備及軟件分析界面

圖2 西門子LMS聲學(xué)刷噪聲源定位設(shè)備組成

圖3 P-P聲強(qiáng)探頭

3 空調(diào)器噪聲源識別案例——某型號掛機(jī)嘯叫噪聲源定位

3.1 問題點

某型號掛機(jī)開發(fā)過程中，貫流風(fēng)道通風(fēng)運行時出現(xiàn)“偶～偶～”嘯叫聲，主觀評價不合格，噪聲頻譜如圖4所示，通過噪聲濾波回放診斷，確定此嘯叫聲為766 Hz的噪聲峰值導(dǎo)致，如圖5所示。

3.2 測試分析

3.2.1 聲學(xué)刷三維聲場聲強(qiáng)掃描測試

待被測樣機(jī)穩(wěn)定運行后，使用西門子LMS Sound brush聲學(xué)刷設(shè)備在半消聲室中對問題樣機(jī)進(jìn)行聲源定位測試，設(shè)備現(xiàn)場布置如圖6所示。

圖8 振動測試位置

圖9 振動頻譜

圖10 不同位置的振動對比

通過以上測試分析，我們可以判斷出該嘯叫聲是由于直流無刷電機(jī)電磁激勵造成的，但是還不能具體確定異常噪聲是由電機(jī)本體振動輻射引起的，還是由于電機(jī)隔震設(shè)計不合理，導(dǎo)致電磁振動激勵傳遞到電機(jī)護(hù)罩等塑料件引起振動輻射發(fā)出。

3.2.2 核心部件聲振耦合對比分析

使用西門子LMS SCADAS Mobile數(shù)采前端連接PCB壓電式三軸加速傳感器對電機(jī)本體和電機(jī)罩振動進(jìn)行振動測試，測試電機(jī)本體和電機(jī)罩在軸向、周向和徑向三個方向的振動加速度，測試位置如圖8所示。

將測得的加速度信號進(jìn)行1次積分得到振動速度信號，再通過FFT分析得到振動速度頻譜，如圖9所示，嘯叫噪聲對應(yīng)頻率（766 Hz）的振動幅值遠(yuǎn)大于其他頻率的幅值。將三個位置的振動速度峰值對比如圖10所示，可看出電機(jī)本體的振動遠(yuǎn)大于電機(jī)罩的振動。又因為結(jié)構(gòu)件的振動噪聲輻射功率正比于結(jié)構(gòu)表面振動速度，因此可以確定嘯叫異常噪聲主要是由電機(jī)本體振動輻射出，與電機(jī)的隔震設(shè)計和電機(jī)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計無關(guān)。

4 結(jié)論

本文采用濾波診斷、聲學(xué)刷掃描測試和聲振耦合對比分析等方法，對空調(diào)室內(nèi)機(jī)嘯叫噪聲源進(jìn)行研究分析，得出如下結(jié)論：

（1）本文中空調(diào)樣機(jī)的嘯叫聲是無刷直流電機(jī)的電磁噪聲，主要原因是由電機(jī)本體振動輻射引起的，與電機(jī)的隔震設(shè)計和電機(jī)護(hù)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計無關(guān)。

（2）本文采用的聲學(xué)刷噪聲源定位識別技術(shù)對后續(xù)異常噪音分析具有很大的借鑒意義。