空調(diào)室外機(jī)拍頻噪聲分析與改善

孫義祥 張丹偉 王偉戈 郝玉密

海信家電集團(tuán)股份有限公司 廣東佛山 528305

1 引言

拍頻聲屬于空調(diào)聲品質(zhì)的研究范疇，在空調(diào)室外機(jī)中，拍頻聲的來(lái)源主要有兩個(gè)方面，一是風(fēng)機(jī)振動(dòng)和壓縮機(jī)振動(dòng)存在頻率差，當(dāng)這兩個(gè)頻率比較接近的振動(dòng)傳遞到箱體上輻射噪聲時(shí)，產(chǎn)生拍頻聲。還有另外一種產(chǎn)生方式，目前的定速壓縮機(jī)一般采用異步電機(jī)，存在轉(zhuǎn)差率，電磁激勵(lì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)形成了兩個(gè)頻率接近的激勵(lì)源，這兩個(gè)激勵(lì)源將振動(dòng)傳遞到箱體上輻射噪聲時(shí)，也容易產(chǎn)生拍頻聲。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)空調(diào)室外機(jī)的拍頻聲和聲品質(zhì)進(jìn)行了研究，并取得一定成果。薛瑋飛[1]等對(duì)變頻空調(diào)室外機(jī)的聲品質(zhì)進(jìn)行研究，得出低頻“哄哄”聲主要是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)動(dòng)不平衡產(chǎn)生，低頻周期性波動(dòng)的“嗡嗡”聲是軸流風(fēng)扇與壓縮機(jī)拍振產(chǎn)生的結(jié)論。胡佳偉[2]等對(duì)空調(diào)室外機(jī)拍頻噪聲的聲品質(zhì)進(jìn)行線性回歸分析，得出拍頻噪聲的聲品質(zhì)與突出比、響度、抖動(dòng)強(qiáng)度相關(guān)性較大，與語(yǔ)言清晰度、尖銳度、粗糙度相關(guān)性較小的結(jié)論。徐超[3]等基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)空調(diào)聲品質(zhì)進(jìn)行研究，得到了非線性聲品質(zhì)問(wèn)題的評(píng)價(jià)模型。本文基于模態(tài)測(cè)試和共振分析對(duì)室外機(jī)拍頻聲進(jìn)行研究，通過(guò)更改儲(chǔ)液器安裝方式，達(dá)到降低拍頻聲的目的，對(duì)改善空調(diào)室外機(jī)拍頻聲具有一定的參考意義。

2 拍頻噪聲機(jī)理及研究路線

頻率很接近的兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的合成會(huì)出現(xiàn)“拍”的現(xiàn)象[4]。假設(shè)頻率很接近的兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)為：

拍頻的振幅隨時(shí)間緩慢變化，其振幅變化周期為：

式中，f1和f2分別是兩個(gè)簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率。

根據(jù)哈斯效應(yīng)，人耳對(duì)延遲50毫秒以上的兩個(gè)聲音才有可能分辨出先導(dǎo)聲和延遲聲[5]，因此頻率相差超過(guò)20 Hz的兩個(gè)聲音不用考慮拍頻。

在空調(diào)室外機(jī)中，噪聲來(lái)源主要是軸流風(fēng)扇和壓縮機(jī)，其中，軸流風(fēng)扇產(chǎn)生的BPF激勵(lì)頻率為：

式中，N是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/分；n是風(fēng)扇葉片數(shù)量。

壓縮機(jī)產(chǎn)生的電磁激勵(lì)頻率為：

式中，f是電源頻率的基頻。

壓縮機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)頻率為：

式中，s是異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率。

以上三種激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)風(fēng)扇支架、配管、壓縮機(jī)腳墊傳遞到箱體上時(shí)，都有可能產(chǎn)生拍頻噪聲，需要通過(guò)頻譜分析識(shí)別出拍頻噪聲的具體頻率，然后進(jìn)行針對(duì)性改善。本文采用如下具體流程來(lái)識(shí)別和改善拍頻噪聲，如圖1所示。

3 拍頻噪聲分析和改善的研究過(guò)程

3.1 噪聲頻譜測(cè)試

按照GB/T 7725-2004《房間空氣調(diào)節(jié)器》中規(guī)定的測(cè)點(diǎn)位置[6]，對(duì)產(chǎn)生拍頻噪聲的空調(diào)室外機(jī)進(jìn)行噪聲頻譜測(cè)試，拍頻噪聲聽感上表現(xiàn)為聲音不連續(xù)，周期性忽大忽小，測(cè)試得到的頻譜如圖2所示。

從頻譜中可以看出，產(chǎn)生拍頻噪聲的頻率是234 Hz和240 Hz。測(cè)試風(fēng)扇轉(zhuǎn)速約810 rpm，根據(jù)公式（5）計(jì)算的風(fēng)扇BPF基頻為40.5 Hz（3×810/60=40.5），其5倍頻和6倍頻分別是202.5 Hz和243 Hz，與噪聲頻譜中的拍頻聲的頻率不相同，因此可以排除風(fēng)扇與壓縮機(jī)拍振的可能。產(chǎn)生拍頻聲的激勵(lì)源只剩下壓縮機(jī)本身了，根據(jù)公式（6）和公式（7），經(jīng)計(jì)算，234 Hz和240 Hz分別是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)激勵(lì)的4倍頻和壓縮機(jī)電磁激勵(lì)的4倍頻。因此拍頻聲產(chǎn)生的原因是，壓縮機(jī)產(chǎn)生的234 Hz和240 Hz振動(dòng)通過(guò)配管、橡膠墊等傳遞至箱體上，產(chǎn)生相應(yīng)頻率的振動(dòng)，并輻射出拍頻噪聲，需要從傳遞路徑和響應(yīng)部位進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 拍頻噪聲分析和改善流程

圖2 室外機(jī)原始噪聲頻譜

圖3 簡(jiǎn)化的箱體模態(tài)測(cè)試模型

3.2 室外機(jī)箱體模態(tài)分析

箱體模態(tài)分析的目的是防止箱體固有頻率與拍頻頻率產(chǎn)生共振，從響應(yīng)部位對(duì)拍頻聲進(jìn)行優(yōu)化。

采用B&K軟件的MTC Hammer模塊對(duì)箱體進(jìn)行模態(tài)分析，整個(gè)箱體模型可以簡(jiǎn)化為頂板、前面板和側(cè)面板，簡(jiǎn)化后的箱體模型如圖3所示。

圖4 面板傳遞函數(shù)曲線

圖5 橡膠塊安裝位置

圖6 配管加橡膠塊噪聲測(cè)試結(jié)果

圖7 儲(chǔ)液器回轉(zhuǎn)方向固有頻率

圖8 更改儲(chǔ)液器固定方式

圖9 焊接儲(chǔ)液器固有頻率

本次測(cè)試采用的是移動(dòng)力錘法，即固定響應(yīng)點(diǎn)的位置，按順序依次敲擊激勵(lì)點(diǎn)。由于只使用了一個(gè)單向加速度計(jì)，因此頂板、前面板、側(cè)面板的模態(tài)測(cè)試是分開進(jìn)行的。頂板、前面板、側(cè)面板的傳遞函數(shù)曲線如圖4所示。

從箱體模態(tài)測(cè)試結(jié)果可以看出，頂板、前面板、側(cè)面板沒(méi)有234 Hz或240 Hz的固有頻率，說(shuō)明箱體與拍頻激勵(lì)沒(méi)有產(chǎn)生共振，其對(duì)拍頻噪聲的影響較小。

3.3 分析配管對(duì)拍頻聲影響

在配管上增加橡膠塊，改變配管固有頻率，可以在一定程度上降低拍頻噪聲。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，橡膠塊按圖5位置安裝，可取得一定的改善效果，主要表現(xiàn)在240 Hz噪聲有下降，但是234 Hz噪聲增大了7 dB（噪聲頻譜如圖6所示），距離改善目標(biāo)有差距，需要繼續(xù)改善。

3.4 分析儲(chǔ)液器對(duì)拍頻聲影響

儲(chǔ)液器通過(guò)連接管和支架固定在壓縮機(jī)殼體上，其入口與回氣配管連接，這導(dǎo)致壓縮機(jī)殼體的振動(dòng)通過(guò)儲(chǔ)液器傳遞至回氣配管，進(jìn)而傳遞至箱體輻射噪聲，因此控制儲(chǔ)液器的固有頻率對(duì)降低拍頻噪聲具有重要意義。該儲(chǔ)液器在回轉(zhuǎn)方向的固有頻率測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

儲(chǔ)液器固有頻率244 Hz，而且在244 Hz附近的頻率區(qū)間內(nèi)具有較高的響應(yīng)，由此可知，儲(chǔ)液器放大了壓縮機(jī)的4倍頻振動(dòng)，導(dǎo)致240 Hz拍頻噪聲明顯放大。因此，必須調(diào)整儲(chǔ)液器固有頻率，使其避開壓縮機(jī)4倍頻激勵(lì)。

將儲(chǔ)液器與主殼體的固定方式由箍帶連接改為焊接（如圖8所示），儲(chǔ)液器回轉(zhuǎn)方向固有頻率從244 Hz增大至328 Hz（如圖9所示），避開了壓縮機(jī)4倍頻激勵(lì)。

更改儲(chǔ)液器連接方式后，額定工況下，噪聲測(cè)試結(jié)果如圖10所示（該更改方案不需要在配管上安裝橡膠塊）。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，240 Hz噪聲降低約15 dB，234 Hz噪聲降低約3 dB，拍頻噪聲有了明顯改善。這進(jìn)一步說(shuō)明了儲(chǔ)液器固有頻率與壓縮機(jī)電磁激勵(lì)的4倍頻接近，明顯放大了電磁激勵(lì)的4倍頻振動(dòng)，并通過(guò)配管將振動(dòng)傳遞至箱體，這是產(chǎn)生明顯拍頻噪聲的主要原因。

4 結(jié)論

本文對(duì)空調(diào)室外機(jī)拍頻噪聲的產(chǎn)生原因，傳遞路徑以及各種影響因素進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究和分析，得出如下結(jié)論。

（1）空調(diào)室外機(jī)的定速壓縮機(jī)由于采用異步電機(jī)的原因，存在轉(zhuǎn)差率，這是產(chǎn)生拍頻噪聲的先決條件。

（2）壓縮機(jī)拍頻振動(dòng)通過(guò)配管傳遞至箱體，從而輻射出拍頻噪聲，借助模態(tài)分析技術(shù)，可以獲得箱體及配管的固有頻率，判斷是否與拍頻頻率產(chǎn)生共振。經(jīng)測(cè)試分析，本案例中箱體和配管對(duì)拍頻噪聲的影響較小，不是主要影響因素。

（3）儲(chǔ)液器的固有頻率會(huì)直接影響傳遞至配管的振動(dòng)，通過(guò)更改儲(chǔ)液器的固定方式，明顯改善了拍頻噪聲。

圖10 焊接儲(chǔ)液器噪聲測(cè)試結(jié)果

（4）本案例采用的分析流程對(duì)改善空調(diào)室外機(jī)的拍頻噪聲具有一定參考意義。