家用柜機(jī)空調(diào)平行流蒸發(fā)器翅片音改善研究

楊岳 趙若 王偉戈 李大森

海信（山東）空調(diào)有限公司 山東青島 266000

1 引言

隨著家用電器行業(yè)的不斷發(fā)展，用戶對于空調(diào)產(chǎn)品的品質(zhì)要求不斷提升，用戶購買時(shí)已經(jīng)不僅僅滿足于基本的制冷制熱需求，追求性價(jià)比、節(jié)能綠色、使用舒適性、音品質(zhì)等新的需求應(yīng)運(yùn)而生。一般家用柜機(jī)空調(diào)內(nèi)機(jī)換熱器采用管翅式蒸發(fā)器，但是隨著材料成本的上升與新能效標(biāo)準(zhǔn)入市門檻的提升，全鋁平行流蒸發(fā)器以質(zhì)輕、高效換熱以及低成本等特點(diǎn)逐步進(jìn)入空調(diào)行業(yè)，但是當(dāng)蒸發(fā)器與吹風(fēng)式風(fēng)機(jī)氣流呈現(xiàn)夾角排布時(shí)，高流速局部容易出現(xiàn)翅片異音，聽感表現(xiàn)為“嘶～溜～”聲，該翅片異音噪聲主觀評價(jià)不合格，亟需在整機(jī)研發(fā)初期解決。

很多學(xué)者與工程人員對于空調(diào)異常噪音的主觀評價(jià)進(jìn)行了研究，顧開榮、孫曉明、陳風(fēng)梅等學(xué)者強(qiáng)調(diào)了噪聲聲品質(zhì)評價(jià)多維性[1][2]，引入多個(gè)噪音聲學(xué)評價(jià)指標(biāo)并開發(fā)評價(jià)計(jì)算方法與系統(tǒng)[3]；陶建幸介紹了成對比較法與基于Zwicker理論的噪聲客觀評價(jià)方法，并以室外機(jī)主觀評價(jià)應(yīng)用總結(jié)了PC法簡單實(shí)用的特點(diǎn)[4]；孫康杰等提出銅管翅片式蒸發(fā)器翅片音主要是低速多腔體耦合共振產(chǎn)生，氣流流速、氣流流動(dòng)方向與換熱器夾角為影響翅片音聲壓級與尖端頻率主要因素[5]；馮錦平針對主觀評價(jià)效率低、評價(jià)群體樣本對結(jié)果影響較大等缺點(diǎn)，提出提取噪聲頻譜中單頻音不可接受的幅值并計(jì)算音噪比的方法評判音調(diào)的可接受程度，比主觀評價(jià)更加客觀、便捷[6]。本文主要針對某家用柜機(jī)平行流蒸發(fā)器翅片音探究一種主觀評價(jià)的方法與結(jié)合CFD翅片音改善措施。

2 翅片音原因分析與改善目標(biāo)要求

某家用柜機(jī)風(fēng)道縱剖圖如圖1所示，其中風(fēng)機(jī)采用下置離心風(fēng)機(jī)，平行流蒸發(fā)器采用傾斜布置，受整機(jī)空間限制，蒸發(fā)器與垂直面夾角大約為17°，出風(fēng)口采用上部出風(fēng)，進(jìn)風(fēng)口為正面進(jìn)風(fēng)。整機(jī)運(yùn)行時(shí)高風(fēng)檔位時(shí)出現(xiàn)翅片音，分析造成翅片音的主要原因?yàn)檎舭l(fā)器傾斜放置，風(fēng)機(jī)高速出風(fēng)流經(jīng)蒸發(fā)器表面，在蒸發(fā)器局部縫隙產(chǎn)生脈動(dòng)渦流，出現(xiàn)多腔體耦合共振，解決該異音的主要方法是控制氣流方向或者降低氣流流速，考慮在內(nèi)機(jī)局部加導(dǎo)風(fēng)裝置改善異音。

增加導(dǎo)風(fēng)裝置可以局部調(diào)整空氣氣流方向與風(fēng)速，但是不能對整機(jī)性能造成影響，故提出改善目標(biāo)為：

（1）優(yōu)化柜機(jī)內(nèi)部風(fēng)場，消除或者減小翅片音，滿足噪音主觀評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；

（2）通風(fēng)狀態(tài)下各檔位風(fēng)量衰減不能超過5%，同檔位噪音OA值增加不超過0.5dB(A)。

3 柜機(jī)風(fēng)道CFD分析

通過對內(nèi)機(jī)風(fēng)道的CFD分析，尋找風(fēng)速較高的部位與相對位置，為導(dǎo)風(fēng)板的尺寸與布置位置作指導(dǎo)。柜機(jī)流場分析簡化模型如圖2所示，主要包括進(jìn)出風(fēng)口延長流域、風(fēng)機(jī)流域、蒸發(fā)器流域，分析設(shè)置為采用k-e湍流模型，出風(fēng)口靜壓為0Pa，高風(fēng)檔風(fēng)扇轉(zhuǎn)速570rpm，蒸發(fā)器設(shè)定為多孔流域介質(zhì)。

提取蒸發(fā)器迎風(fēng)面與X=70mm截面速度云圖如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，在蝸殼出風(fēng)口的局部出現(xiàn)高流速區(qū)域，局部風(fēng)速高于9m/s，故分析該部位的高流速氣體沖擊翅片為造成翅片音的主要原因，根據(jù)仿真結(jié)果初步確定導(dǎo)風(fēng)板的尺寸為300×70mm，導(dǎo)風(fēng)板中心軸位置距離后壁板150mm，利用仿真手段對導(dǎo)風(fēng)板角度進(jìn)行初步探究，分別取導(dǎo)風(fēng)板0°，17°，30°，45°工況，仿真結(jié)果如圖4-蒸發(fā)器表面風(fēng)速分布云圖和圖5-X=70mm截面風(fēng)速分布云圖所示。

由不同工況蒸發(fā)器表面流場分布云圖可知，導(dǎo)風(fēng)板0°時(shí)，風(fēng)速較高的區(qū)域擴(kuò)大；導(dǎo)風(fēng)板45°時(shí)，風(fēng)速較高的區(qū)域更為集中；導(dǎo)風(fēng)板與蒸發(fā)器平行以及導(dǎo)風(fēng)板與垂直面夾角30°時(shí)，局部出風(fēng)風(fēng)速有所降低，其中導(dǎo)風(fēng)板與垂直面夾角30°時(shí)，局部風(fēng)速有明顯的降低；導(dǎo)風(fēng)板擺動(dòng)角度0°，17°和30°度時(shí)，X方向風(fēng)場速度云圖沒有明顯變化，擺動(dòng)角度45°時(shí)在導(dǎo)風(fēng)板上部形成低速流域，該角度導(dǎo)風(fēng)板擋風(fēng)較為嚴(yán)重。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 主觀評價(jià)方法

通常噪聲主觀評價(jià)為距離整機(jī)1米處各個(gè)位置不能出現(xiàn)異常噪音，由于該機(jī)型使用的環(huán)境要求，主觀評價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)放寬，針對該機(jī)型設(shè)計(jì)一種噪音主觀評價(jià)的方法，采用9個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行噪音主觀評價(jià)，點(diǎn)位距離分別為距離機(jī)器左右1米，距離機(jī)器前方1米和距離機(jī)器前方2米共9點(diǎn)進(jìn)行測試，如圖6所示。

圖1 家用柜機(jī)風(fēng)道風(fēng)道縱剖圖

圖2 柜機(jī)流場分析簡化模型

圖3 蒸發(fā)器迎風(fēng)面與X=70mm截面速度云圖

圖4 蒸發(fā)器表面風(fēng)速分布云圖

圖5 X=70mm截面風(fēng)速分布云圖

圖6 主觀評價(jià)9點(diǎn)位置

圖7 試驗(yàn)導(dǎo)風(fēng)板工裝

表1 各點(diǎn)位主觀評價(jià)打分表A

表2 各點(diǎn)位加權(quán)系數(shù)表B

主要評價(jià)風(fēng)吹翅片的嘶嘶聲，將點(diǎn)位按照行（i）-列（j）位置命名，比如C點(diǎn)位置對應(yīng)為點(diǎn)13（i=1，j=3）。按照翅片音的聽感大小分別給各個(gè)點(diǎn)位打分，各點(diǎn)位打分表使用表1-各點(diǎn)位主觀評價(jià)打分表A。

其中，打分原則為：

1分——聽不到；

3分——隱約可以聽見，聽感不連續(xù)；

5分——聽感較明顯，聽感連續(xù)。

參加主觀評價(jià)的人員按照9點(diǎn)站位與打分標(biāo)準(zhǔn)填寫不同工況的9點(diǎn)打分表格，每個(gè)位點(diǎn)平均得分與不同點(diǎn)位的加權(quán)系數(shù)乘積再求和作為該工況的主觀評價(jià)綜合得分，其中每個(gè)點(diǎn)位的加權(quán)系數(shù)表使用表2-各點(diǎn)位加權(quán)系數(shù)表B，各個(gè)點(diǎn)位的加權(quán)系數(shù)分別為對應(yīng)點(diǎn)位所在行列的加權(quán)系數(shù)乘積，根據(jù)柜機(jī)特點(diǎn)，整機(jī)前部方向（列向）距離越遠(yuǎn)、聽感越明顯，表示翅片音越嚴(yán)重；整機(jī)左右方向（行向），由于正對機(jī)器，高風(fēng)風(fēng)聲響度較高，對翅片音煩躁度不高，左右兩側(cè)對翅片音煩躁度更高，故綜合制定各點(diǎn)位該加權(quán)系數(shù)表。

最終的主觀評價(jià)分?jǐn)?shù)如下，分?jǐn)?shù)越高表示主觀評價(jià)越差，分?jǐn)?shù)越低表示主觀評價(jià)越好：

其中：

i,j——行，列，點(diǎn)位行列位置；

Aij——打分表各點(diǎn)位分?jǐn)?shù)平均值；

Bij——各點(diǎn)位該加權(quán)系數(shù)。

4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用離散分組設(shè)計(jì)，根據(jù)仿真初步結(jié)果，主要驗(yàn)證導(dǎo)風(fēng)板的尺寸（長度與寬度）以及導(dǎo)風(fēng)板的擺動(dòng)角度對翅片音、整機(jī)風(fēng)量、噪音、功率參數(shù)的影響，在滿足性能指標(biāo)條件下選擇消除翅片音最佳方案，實(shí)驗(yàn)方案為在整機(jī)背部開孔加裝導(dǎo)風(fēng)板封閉后測試，如圖7所示。

4.2.1 主觀評價(jià)實(shí)驗(yàn)

（1）第一組試驗(yàn)采用300mm×70mm導(dǎo)風(fēng)板，導(dǎo)風(fēng)板距離后壁板距離為150mm，采用高風(fēng)檔位測試，分別取導(dǎo)風(fēng)板0°，17°，30°，45°工況進(jìn)行噪音主觀評價(jià)，主觀評價(jià)人數(shù)為5人，主觀評價(jià)得分如表3所示。

分析發(fā)現(xiàn)，高風(fēng)檔位時(shí)當(dāng)導(dǎo)風(fēng)板角度與垂直平面夾角30°時(shí)，主觀噪音評價(jià)最好，其中多數(shù)人在機(jī)器正前方1米處可以隱約聽到翅片音，正前方1米左右1米處沒有聽到異常音，機(jī)器前方2米處左右位置聽不到異常音，故300×70mm導(dǎo)風(fēng)板，垂直面夾角30°時(shí)，噪音主觀評價(jià)最好。

（2）第二組試驗(yàn)采用不同尺寸導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行噪音主觀評價(jià)，采用尺寸為300×50mm、300×70mm、300×100mm、350×70mm以及400×70mm的導(dǎo)風(fēng)板進(jìn)行主觀評價(jià)，導(dǎo)風(fēng)板夾角與垂直面為30°，主觀評價(jià)結(jié)果如表4所示。

分析發(fā)現(xiàn)，300×70mm風(fēng)板、30°夾角工況下噪音主觀評價(jià)最好，其次為350×70mm風(fēng)板、30°夾角，再次為300×50mm風(fēng)板、30°夾角。

4.2.2 風(fēng)道性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)

（1）導(dǎo)風(fēng)板寬度影響

對比尺寸為300×50mm、300×70mm、300×100mm導(dǎo)風(fēng)板同樣擺動(dòng)30°與無風(fēng)板通風(fēng)狀態(tài)下風(fēng)道性能，風(fēng)量-噪音-功率曲線如圖8所示，風(fēng)量衰減曲線如圖9所示。

由風(fēng)量-噪音-功率曲線可知，導(dǎo)風(fēng)板寬度越寬，同風(fēng)量下噪音越高，功率越高，風(fēng)量衰減越嚴(yán)重。

（2）導(dǎo)風(fēng)板長度影響

對比尺寸為300×70mm、350×70mm、400×70mm導(dǎo)風(fēng)板同樣擺動(dòng)30°與無風(fēng)板通風(fēng)狀態(tài)下風(fēng)道性能，風(fēng)量-噪音-功率曲線如圖10所示，風(fēng)量衰減曲線如圖11所示。

由風(fēng)量-噪音曲線可知，同風(fēng)量下350×70mm導(dǎo)風(fēng)板噪音最高，300×70mm、400×70mm導(dǎo)風(fēng)板同風(fēng)量噪音值相當(dāng)；由風(fēng)量-功率曲線可知，導(dǎo)風(fēng)板長度對風(fēng)量功率曲線影響較小，同風(fēng)量下功率比無導(dǎo)風(fēng)板高5w～7w左右；導(dǎo)風(fēng)板長度對風(fēng)量衰減影響較小。

（3）導(dǎo)風(fēng)板擺動(dòng)角度影響

對比300×70mm導(dǎo)風(fēng)板0°，17°，30°，45°工況與無風(fēng)板通風(fēng)狀態(tài)下風(fēng)道性能，風(fēng)量-噪音-功率曲線如圖12所示，風(fēng)量衰減曲線如圖13所示。

由風(fēng)量-噪音-功率曲線可知，同風(fēng)量擺動(dòng)角度越大，噪音越高，功率越高，風(fēng)量衰減越嚴(yán)重，其中45°導(dǎo)風(fēng)板同風(fēng)量下比無導(dǎo)風(fēng)板噪音高2dB(A)左右，同風(fēng)量下比無導(dǎo)風(fēng)板功率高12w左右，高中低風(fēng)檔風(fēng)量衰減分別為4.3%、3.8%、4.1%。

表3 導(dǎo)風(fēng)板擺動(dòng)角度主觀評價(jià)分值

表4 導(dǎo)風(fēng)板尺寸主觀評價(jià)分值

圖8 導(dǎo)風(fēng)板寬度風(fēng)道性能曲線

圖9 導(dǎo)風(fēng)板寬度風(fēng)量衰減曲線

圖10 導(dǎo)風(fēng)板長度風(fēng)道性能曲線

圖11 導(dǎo)風(fēng)板長度風(fēng)量衰減曲線

圖12 導(dǎo)風(fēng)板擺動(dòng)角度風(fēng)道性能曲線

綜上，300×70mm尺寸、擺動(dòng)30°的導(dǎo)風(fēng)板同檔位噪音值比無導(dǎo)風(fēng)板高0.2dB(A)～0.6dB(A)，同檔位功率低5w～11.2w，高中低風(fēng)檔風(fēng)量衰減分別為2.8%、2.5%、2.7%均小于5%目標(biāo)值，該導(dǎo)風(fēng)板與擺動(dòng)角度從聽感主觀評價(jià)得分最優(yōu)，同檔位噪音達(dá)標(biāo)，風(fēng)量衰減在接受范圍內(nèi)，故300×70mm尺寸擺動(dòng)30°的導(dǎo)風(fēng)板在解決該款空調(diào)柜機(jī)平行流蒸發(fā)器翅片音為最優(yōu)方案。

5 結(jié)論

（1）當(dāng)平行流蒸發(fā)器與吹風(fēng)式風(fēng)機(jī)風(fēng)向非平行布置時(shí)，較容易局部出現(xiàn)翅片音，翅片音的主要原因?yàn)榱鹘?jīng)蒸發(fā)器的空氣沖擊角度與流動(dòng)速度，結(jié)合CFD仿真結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)，局部調(diào)整氣流方向與流速為改善平行流蒸發(fā)器翅片音的良好工程方法。

（2）導(dǎo)風(fēng)板寬度與擺動(dòng)角度對風(fēng)道性能參數(shù)影響比導(dǎo)風(fēng)板長度要嚴(yán)重，寬度過寬、擺動(dòng)角度過大擋風(fēng)嚴(yán)重，局部渦流渦量提高了整機(jī)噪音OA值；本文通過多組實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證300×70mm尺寸擺動(dòng)30°的導(dǎo)風(fēng)板在解決該款空調(diào)柜機(jī)平行流蒸發(fā)器翅片音為最優(yōu)方案，但是依然沒有完全消除翅片音，只是改善了該翅片音聽感。

（3）本文設(shè)計(jì)的主觀評價(jià)9點(diǎn)加權(quán)打分方法可以較為有效地將主觀評價(jià)指標(biāo)量化，但是該方法隨著調(diào)研樣本數(shù)量提升計(jì)算量因此增大，樣本數(shù)量較少又不足以完全反映主觀評價(jià)有效性，因此該方法還需要繼續(xù)改進(jìn)。

圖13 導(dǎo)風(fēng)板擺動(dòng)角度風(fēng)量衰減曲線