基于工況傳遞路徑法的空調(diào)室外機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量研究

劉艷濤 范強(qiáng)

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

基于工況傳遞路徑法的空調(diào)室外機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量研究

劉艷濤 范強(qiáng)

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

為了研究空調(diào)室外機(jī)噪聲源信號(hào)傳遞到目標(biāo)點(diǎn)的路徑及其傳遞特性，以某型號(hào)家用空調(diào)室外機(jī)作為研究對(duì)象，利用工況傳遞路徑分析方法，通過(guò)測(cè)量空調(diào)室外機(jī)不同工況下參考點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)處的振動(dòng)和噪聲，對(duì)空調(diào)室外機(jī)的噪聲傳遞路徑進(jìn)行了分析，計(jì)算出了空調(diào)室外機(jī)噪聲傳遞路徑的傳遞特性函數(shù)，得到了各噪聲源對(duì)空調(diào)室外機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)率，為降低空調(diào)室外機(jī)的噪聲提供了科學(xué)依據(jù)。

空調(diào)室外機(jī)，噪聲貢獻(xiàn)量，工況傳遞路徑

1 引言

隨著人們對(duì)空調(diào)噪聲要求的逐漸提高，空調(diào)噪聲水平已經(jīng)與制冷（熱）量、能效比一起成為消費(fèi)者選擇空調(diào)的三大指標(biāo)。因此，降低空調(diào)噪聲對(duì)于提高空調(diào)的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義?？照{(diào)噪聲分為室內(nèi)機(jī)噪聲和室外機(jī)噪聲，室外機(jī)噪聲相比于室內(nèi)機(jī)噪聲，具有聲壓級(jí)高、異音多的特點(diǎn)，而且噪聲貢獻(xiàn)源及傳遞路徑復(fù)雜，導(dǎo)致分析和控制困難。因此，降低空調(diào)室外機(jī)噪聲成為空調(diào)降噪的瓶頸問(wèn)題。

降低空調(diào)室外機(jī)噪聲的首要任務(wù)是辨識(shí)出主要的噪聲源及其傳遞路徑，如果主要噪聲源得不到有效控制，對(duì)次要噪聲源及其傳遞路徑采取再多的措施都是無(wú)濟(jì)于事[1]。工況傳遞路徑分析（Operational Transfer Path Analysis, OTPA）[2][3][4]通過(guò)計(jì)算各傳遞路徑對(duì)目標(biāo)點(diǎn)噪聲的貢獻(xiàn)量，可以判斷出各路徑輸入的激勵(lì)能量在目標(biāo)點(diǎn)噪聲中所占的比例，辨識(shí)出傳遞路徑上對(duì)目標(biāo)點(diǎn)噪聲起主導(dǎo)作用的環(huán)節(jié)，為降低目標(biāo)點(diǎn)的噪聲提供科學(xué)依據(jù)，從而可以有的放矢地對(duì)噪聲的傳遞路徑進(jìn)行改進(jìn)，將結(jié)構(gòu)的噪聲控制在預(yù)定的目標(biāo)范圍內(nèi)。

本文利用工況傳遞路徑分析方法，結(jié)合某型號(hào)空調(diào)室外機(jī)，對(duì)空調(diào)室外機(jī)的噪聲傳遞路徑進(jìn)行分析。首先確定空調(diào)室外機(jī)的主要噪聲源，然后計(jì)算并分析噪聲激勵(lì)源到室外機(jī)噪聲目標(biāo)點(diǎn)的傳遞特性，并辨識(shí)出傳遞路徑上對(duì)目標(biāo)點(diǎn)噪聲起主導(dǎo)作用的環(huán)節(jié)，最后對(duì)各噪聲激勵(lì)源在目標(biāo)點(diǎn)噪聲中的貢獻(xiàn)率進(jìn)行計(jì)算和分析，為降低空調(diào)室外機(jī)噪聲、制定最優(yōu)化的降噪方案提供科學(xué)依據(jù)。

2 OTPA方法介紹

工況傳遞路徑分析（OTPA）是對(duì)傳統(tǒng)路徑分析（TPA）的改進(jìn)。該方法利用參考激勵(lì)替換原有激勵(lì)載荷的概念，只需獲得系統(tǒng)在工作狀態(tài)下目標(biāo)點(diǎn)和參考點(diǎn)的響應(yīng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)源和傳遞路徑的識(shí)別及量化。OTPA方法相對(duì)傳統(tǒng)TPA方法來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)便快速，只需要采集運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行傳遞函數(shù)的測(cè)量，因此極大地減少了測(cè)試和建模時(shí)間[5][6][7]。

將在不同工況下測(cè)得的空調(diào)室外機(jī)目標(biāo)點(diǎn)處的響應(yīng)信號(hào)Y和參考點(diǎn)處的響應(yīng)信號(hào)X，代入傳遞路徑計(jì)算公式，可計(jì)算出信號(hào)由參考點(diǎn)代表的激勵(lì)源傳遞到目標(biāo)點(diǎn)的傳遞特性矩陣，對(duì)應(yīng)的傳遞路徑計(jì)算公式為[8]

其中，Xij、Yij中的i為測(cè)量工況序號(hào)，j為參考點(diǎn)或目標(biāo)點(diǎn)序號(hào)，H為傳遞特性矩陣。

根據(jù)傳遞路徑計(jì)算公式，可計(jì)算出特定工況w下各激勵(lì)源對(duì)目標(biāo)點(diǎn)g處噪聲的貢獻(xiàn)量

其中，Xwi為第w個(gè)工況下測(cè)得的第i個(gè)參考點(diǎn)處的響應(yīng)信號(hào)，Hig為第i個(gè)參考點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)g噪聲的傳遞特性。因此，Yg為擬合出的目標(biāo)點(diǎn)g處的總噪聲，Yg(i) = XwiHig為第i個(gè)參考點(diǎn)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)g處噪聲的貢獻(xiàn)量。

3 空調(diào)室外機(jī)噪聲激勵(lì)源分析

目標(biāo)點(diǎn)噪聲根據(jù)傳播途徑可分為結(jié)構(gòu)噪聲和空氣噪聲兩大類?？諝饴?空氣傳聲)指聲源產(chǎn)生的聲音通過(guò)空氣傳到壁板結(jié)構(gòu)上，引起壁板振動(dòng)而向目標(biāo)點(diǎn)聲場(chǎng)輻射的聲能；結(jié)構(gòu)聲(結(jié)構(gòu)傳聲)指動(dòng)力裝置或其它結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生的振動(dòng)，通過(guò)結(jié)構(gòu)傳遞，作用于結(jié)構(gòu)本身引起壁板振動(dòng)而向目標(biāo)點(diǎn)輻射的聲能。

空調(diào)室外機(jī)噪聲主要由壓縮機(jī)噪聲、風(fēng)輪氣動(dòng)噪聲、鈑金結(jié)構(gòu)噪聲、配管系統(tǒng)噪聲以及電機(jī)噪聲組成。壓縮機(jī)噪聲為空氣聲，其噪聲源為壓縮機(jī)內(nèi)部的流體脈動(dòng)噪聲、機(jī)械噪聲和電磁噪聲等，以壓縮機(jī)殼體振動(dòng)的形式向外輻射空氣聲，該噪聲透過(guò)隔音棉以及鈑金結(jié)構(gòu)，傳遞到室外機(jī)噪聲目標(biāo)點(diǎn)，如圖1中紅色曲線所示。

風(fēng)輪氣動(dòng)噪聲為空氣聲，其噪聲源為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲和排氣噪聲等，通過(guò)空氣、鈑金結(jié)構(gòu)以及風(fēng)罩等，傳遞到室外機(jī)噪聲目標(biāo)點(diǎn)，如圖1中藍(lán)色曲線所示。

鈑金結(jié)構(gòu)噪聲為結(jié)構(gòu)聲，其主要激勵(lì)源為壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)以及配管的激勵(lì)。壓縮機(jī)激勵(lì)主要通過(guò)壓縮機(jī)腳墊和配管，將振動(dòng)傳遞到底盤，進(jìn)而傳遞到其他鈑金結(jié)構(gòu)。風(fēng)機(jī)激勵(lì)首先傳遞到電機(jī)支架，然后由電機(jī)支架傳遞到底盤、頂蓋和冷凝器，進(jìn)而傳遞到其他鈑金結(jié)構(gòu)；風(fēng)機(jī)激勵(lì)還有一部分以風(fēng)載荷的形式傳遞到出風(fēng)罩及前面板。這兩種風(fēng)機(jī)激勵(lì)主要集中在風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率附近，對(duì)鈑金結(jié)構(gòu)噪聲影響較小，可以忽略。作為鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要激勵(lì)源之一，配管結(jié)構(gòu)的振動(dòng)激勵(lì)通過(guò)低壓閥傳遞到右圍板、通過(guò)閥冷傳遞到冷凝器，進(jìn)而傳遞到其他鈑金結(jié)構(gòu)。這些激勵(lì)源引起鈑金結(jié)構(gòu)振動(dòng)，進(jìn)而向外輻射噪聲。這些噪聲直接傳遞到室外機(jī)噪聲目標(biāo)點(diǎn)，如圖1中綠色曲線所示。

圖1 空調(diào)室外機(jī)主要噪聲傳遞路徑

配管系統(tǒng)以及電機(jī)主要通過(guò)將振動(dòng)傳遞到鈑金結(jié)構(gòu)，進(jìn)而向室外機(jī)噪聲目標(biāo)點(diǎn)輻射噪聲。配管系統(tǒng)以及電機(jī)本身輻射的空氣噪聲與壓縮機(jī)噪聲、風(fēng)機(jī)噪聲及鈑金結(jié)構(gòu)噪聲相比較小，如圖1中黑色及棕色曲線所示。因此，本文識(shí)別的空調(diào)室外機(jī)噪聲激勵(lì)源主要有壓縮機(jī)噪聲、風(fēng)機(jī)噪聲、壓縮機(jī)腳墊處的振動(dòng)激勵(lì)、低壓閥連接管處的振動(dòng)激勵(lì)以及閥冷連接管處的振動(dòng)激勵(lì)等6個(gè)激勵(lì)源。

4 空調(diào)室外機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量計(jì)算

4.1 實(shí)驗(yàn)布置

本文選擇空調(diào)室外機(jī)正前某典型位置作為空調(diào)室外機(jī)噪聲目標(biāo)點(diǎn)。根據(jù)OTPA選擇噪聲激勵(lì)參考點(diǎn)的原則以及空調(diào)室外機(jī)6個(gè)主要噪聲激勵(lì)源特點(diǎn)，確定出噪聲傳遞路徑中激勵(lì)參考點(diǎn)的位置，具體的實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。

利用朗德公司提供的24通道信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)空調(diào)室外機(jī)制冷及制熱工況下壓縮機(jī)不同工作頻率時(shí)目標(biāo)點(diǎn)和參考點(diǎn)處的信號(hào)進(jìn)行采集。

圖2 空調(diào)室外機(jī)噪聲貢獻(xiàn)率分析實(shí)驗(yàn)布置

4.2 結(jié)果分析

將測(cè)得目標(biāo)點(diǎn)和參考點(diǎn)處的響應(yīng)信號(hào)代入工況傳遞路徑計(jì)算公式(1)，計(jì)算出各參考點(diǎn)響應(yīng)與空調(diào)室外機(jī)正前測(cè)點(diǎn)處噪聲間的傳遞特性曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，空調(diào)室外機(jī)6個(gè)噪聲激勵(lì)源參考點(diǎn)響應(yīng)對(duì)室外機(jī)正前目標(biāo)點(diǎn)處噪聲的傳遞率大體分布在50dBA/g ~ 80dBA/g間（g為重力加速度值）。傳遞率越大，相同振動(dòng)信號(hào)貢獻(xiàn)的噪聲越大?？筛鶕?jù)計(jì)算出的傳遞特性曲線優(yōu)化各噪聲激勵(lì)源的激勵(lì)頻率，使其激勵(lì)頻率落在傳遞特性曲線的特定區(qū)間，從而使各參考點(diǎn)具有合適的噪聲貢獻(xiàn)率，降低室外機(jī)的總噪聲。

根據(jù)工況傳遞路徑分析方法，利用計(jì)算出的傳遞路徑傳遞函數(shù)和制冷工況（壓縮機(jī)工作頻率為92Hz）下測(cè)得的各參考點(diǎn)處的響應(yīng)信號(hào)，擬合出壓縮機(jī)正前目標(biāo)點(diǎn)處的總噪聲如圖4所示。由圖4可以看出，擬合到的目標(biāo)點(diǎn)處的噪聲與實(shí)際測(cè)得的噪聲曲線吻合度非常高。

將特定工況下測(cè)得的各參考點(diǎn)處響應(yīng)信號(hào)Xw代入式(2)，可計(jì)算出參考點(diǎn)代表的各噪聲激勵(lì)源對(duì)目標(biāo)點(diǎn)g處噪聲的貢獻(xiàn)量。此處選擇典型工況“制冷工況壓縮機(jī)工作頻率為92 Hz”為例，介紹基于工況傳遞路徑法的空調(diào)室外機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量計(jì)算。將典型工況下測(cè)得的各參考點(diǎn)處響應(yīng)信號(hào)代入式(2)，計(jì)算出6個(gè)噪聲激勵(lì)源對(duì)空調(diào)室外機(jī)正前測(cè)點(diǎn)處噪聲的貢獻(xiàn)量，如圖5所示。

由圖5可以看出，制冷工況壓縮機(jī)工作頻率為92Hz時(shí)，空調(diào)室外機(jī)前面目標(biāo)點(diǎn)處的主要噪聲在低于1000Hz的頻率范圍，主要與壓縮機(jī)儲(chǔ)液罐輻射噪聲、壓縮機(jī)本體輻射噪聲以及低壓閥連接管處的激勵(lì)有關(guān)。在1000Hz ～1500Hz頻率范圍，主要與壓縮機(jī)底腳傳遞的激勵(lì)以及壓縮機(jī)本體輻射噪聲有關(guān)。全頻段的底噪主要與風(fēng)輪系統(tǒng)噪聲有關(guān)。

圖3 各參考點(diǎn)響應(yīng)與室外機(jī)正前測(cè)點(diǎn)處噪聲間的傳遞特性曲線

圖4 空調(diào)室外機(jī)正前目標(biāo)點(diǎn)處的噪聲，制冷工況，壓縮機(jī)工作頻率為92 Hz

圖5 典型工況下各噪聲激勵(lì)源對(duì)空調(diào)室外機(jī)正前目標(biāo)點(diǎn)處噪聲的貢獻(xiàn)量

圖6 典型工況下各噪聲激勵(lì)源對(duì)空調(diào)室外機(jī)正前目標(biāo)點(diǎn)處80 Hz附近噪聲的貢獻(xiàn)量

圖7 典型工況下各噪聲激勵(lì)源對(duì)空調(diào)室外機(jī)正前目標(biāo)點(diǎn)處367 Hz附近噪聲的貢獻(xiàn)量

圖8 典型工況下各噪聲激勵(lì)源對(duì)空調(diào)室外機(jī)正前目標(biāo)點(diǎn)處1192 Hz附近噪聲的貢獻(xiàn)量

由圖6可以看出，制冷工況壓縮機(jī)工作頻率為92Hz時(shí)，空調(diào)室外機(jī)前面目標(biāo)點(diǎn)80Hz處的噪聲主要與風(fēng)輪系統(tǒng)噪聲有關(guān)。這是由于風(fēng)輪電機(jī)轉(zhuǎn)速為800rpm，具有3個(gè)葉片，對(duì)應(yīng)的風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻為40Hz，2倍頻為80 Hz。因此，80Hz處的噪聲中風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)噪聲為主要貢獻(xiàn)源。只有通過(guò)降低風(fēng)輪系統(tǒng)噪聲才能有效降低該頻率范圍的噪聲。

由圖7可以看出，制冷工況壓縮機(jī)工作頻率為92Hz時(shí)，空調(diào)室外機(jī)前面目標(biāo)點(diǎn)367Hz附近的噪聲主要與壓縮機(jī)儲(chǔ)液罐輻射噪聲有關(guān)。可通過(guò)減小壓縮機(jī)儲(chǔ)液罐輻射噪聲的方式減小該頻率范圍的噪聲。

由圖8可以看出，制冷工況壓縮機(jī)工作頻率為92Hz時(shí)，空調(diào)室外機(jī)前面目標(biāo)點(diǎn)1192 Hz附近的噪聲主要與壓縮機(jī)底腳傳遞的激勵(lì)有關(guān)?？赏ㄟ^(guò)降低傳遞到底盤上該頻率范圍的振動(dòng)、增大底盤剛度的方式降低該頻率范圍的噪聲。

5 結(jié)論

本文利用工況傳遞路徑分析方法，計(jì)算出了空調(diào)噪聲激勵(lì)源與空調(diào)目標(biāo)測(cè)點(diǎn)噪聲間的傳遞特性。并利用得到的傳遞特性，計(jì)算出了各噪聲激勵(lì)源對(duì)空調(diào)室外機(jī)目標(biāo)點(diǎn)噪聲的具體貢獻(xiàn)量。最后以典型工況為例，分析了空調(diào)室外機(jī)正前目標(biāo)點(diǎn)3個(gè)問(wèn)題頻率附近的主噪聲源，并制定出了針對(duì)性的解決方案。

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Study of noise contribution to air-conditioning outdoor unit based on operational transfer path analysis method

Liu Yantao Fan Qiang
(Guangdong Midea refrigeration equipment Co.,Ltd, Foshan 528311, China)

Some air-conditioning outdoor unit is given as an example to identify the paths and transfer characteristics of the noise sources. Firstly, the path reference points and target points of the air-conditioning outdoor unit noise were determined based on the noise sources and the corresponding transfer paths. Then, the vibration or noise at these path reference points and target points was measured from operational data under different work conditions. Based on these measured data, the transfer matrix was calculated to describe the transfer characteristics of the paths between references and targets. Finally, the contribution of the noise sources were estimated, which is useful to give some reasonable suggestion for noise reduction.

Air-conditioning outdoor unit;noise contribution;operational transfer path analysis