風(fēng)管機(jī)100 Hz異常噪聲機(jī)理研究

夏 凱

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

風(fēng)管機(jī)作為一拖一式空調(diào)器，多采用暗藏式安裝，具有美觀大氣、節(jié)約空間的特點，廣泛應(yīng)用于家庭、酒店和辦公室等場所。風(fēng)管機(jī)的噪聲水平直接關(guān)系到用戶體驗，在設(shè)計階段應(yīng)嚴(yán)加控制。一方面，應(yīng)做好風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中風(fēng)葉、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器等旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的動平衡設(shè)計，以避免殼體振動過大導(dǎo)致的螺釘松動及碰響問題[1]；另一方面，對于直流風(fēng)管的高頻噪聲問題，應(yīng)從電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度加以分析解決[2]，對于交流風(fēng)管機(jī)，應(yīng)特別注意100 Hz峰值異常噪聲問題，從電機(jī)、風(fēng)管機(jī)殼體[3]、風(fēng)葉[4]等結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化解決。本文針對某型交流風(fēng)管式室內(nèi)機(jī)評審測試時出現(xiàn)的顯著100 Hz異常噪聲問題，從動力源和傳遞路徑兩個層面分析，確定問題產(chǎn)生原因及解決方案。

1 風(fēng)管機(jī)電機(jī)振動和噪聲研究

1.1 問題描述

某型交流風(fēng)管機(jī)搭配的電機(jī)為FG**H單相電容運轉(zhuǎn)異步電機(jī)，電源頻率為50 Hz，該電機(jī)搭配的電容值為3 μF，包含SL、L、M、H四個檔位，分別為超低檔、低檔、中檔和高檔，記該電機(jī)為FG**H-3μF。嗡嗡聲噪聲問題在超低檔時表現(xiàn)尤為明顯，同時電機(jī)振感強(qiáng)烈，通過噪聲頻譜分析可知該問題主要由100 Hz峰值噪聲過大引起，噪聲總值與100 Hz峰值噪聲之差僅有10.3 dB。

1.2 電機(jī)振動特性分析

將機(jī)組水平放置（與實際安裝一致），打緊卡箍，選擇電機(jī)殼體中部、端部共3個測點（記為右、中、左），如圖1所示，測試3個測點處的三向（切向、徑向和軸向）振動加速度，積分提取振動速度，最終振動速度取三個測點的平均值。

圖1 振動測點示意圖

初步測試分析可知，電機(jī)帶載時切向振動遠(yuǎn)大于軸向、徑向振動，因此這里僅對切線振動速度進(jìn)行分析。電機(jī)切向振動速度數(shù)據(jù)見表1，可以看出100 Hz峰值占主導(dǎo)，與噪聲頻率異常點一致，可以初步判定100 Hz峰值噪聲是由100 Hz峰值振動直接相關(guān)。

表1 電機(jī)切向振動速度（mm/s）

基于“從源頭控制”的思想，嘗試先著手從電機(jī)這一動力源來分析問題的成因，為解決噪聲問題提供思路和有效方案。從電機(jī)噪聲振動理論可知，單相異步電機(jī)2倍電源頻率（100 Hz）切向振動是由電機(jī)正序磁場、逆序磁場相關(guān)作用引起的。對于單相電容運轉(zhuǎn)異步電機(jī)，副繞組支路串聯(lián)電容，一直接入電源工作，副繞組電流相位超前主繞組電流，選擇合適的電容可以使旋轉(zhuǎn)磁場接近于圓形，有利于改善振動噪聲[5]。為此，改變FG**H的搭配電容，考查整機(jī)噪聲變化情況。

1.3 電機(jī)電容對風(fēng)管機(jī)噪聲和電機(jī)振動的影響分析

表2給出了搭配幾種電容下風(fēng)管機(jī)噪聲總值和100Hz峰值噪聲，可以看出隨著電容的增大，噪聲總值成增大趨勢，而100 Hz峰值噪聲先減小后增大，存在極小值，噪聲總值與100 Hz峰值差也呈先增大后減小的趨勢。電容取4.5 μF或5.0 μF時，風(fēng)管機(jī)聲品質(zhì)有明顯改善，但仍能聽到輕微嗡嗡聲，未能徹底解決問題，這說明FG**H電機(jī)本體或傳遞路徑上存在優(yōu)化空間。從成本方面考慮，優(yōu)化電機(jī)本體可行性低。采用類似于FG**H電機(jī)的電容設(shè)置方法，發(fā)現(xiàn)選用FG**F電機(jī)搭配3.5 μF電容時，風(fēng)管機(jī)所有風(fēng)檔下異常噪聲消失，可有效解決問題。

表2 電機(jī)電容對風(fēng)管機(jī)噪聲的影響

2 傳遞路徑研究

2.1 風(fēng)機(jī)隔振系統(tǒng)分析

電機(jī)載荷通過隔振膠圈和電機(jī)支架向殼體傳遞，力傳遞率可表示為[6]：

式中：

Ft—電機(jī)載荷；

F0—電機(jī)支架響應(yīng)載荷；

ζ—隔振膠圈阻尼比；

λ—激勵頻率與隔振系統(tǒng)固有頻率之比。

由公式（1）我們知道，為了達(dá)到理想的隔振效果，隔振系統(tǒng)的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)離激勵頻率，以避免共振帶來的噪聲振動問題。工程實際應(yīng)用中，一般設(shè)計隔振系統(tǒng)的固有頻率小于激勵頻率的0.8倍或大于激勵頻率的1.2倍。對于本例而言，有必要分析電機(jī)-減振膠圈隔振系統(tǒng)的固有頻率，排除共振的影響。

應(yīng)用LMS Test.Lab噪聲振動測試儀，采用錘擊法開展模態(tài)試驗，振動加速度測點布置在電機(jī)殼體中部，敲擊點選擇在電機(jī)殼體切向，獲取不同狀態(tài)下模態(tài)頻率，見表3?？梢?，F(xiàn)G**F和FG**H電機(jī)隔振系統(tǒng)固有頻率均遠(yuǎn)離100 Hz切向激勵頻率，排除了共振的可能。而FG**F電機(jī)隔振系統(tǒng)明顯低于FG**H，說明前者隔振效果優(yōu)于后者。此外，從表3還可以看出，風(fēng)葉對電機(jī)隔振系統(tǒng)固有頻率影響很小，電機(jī)卡箍會明顯增大電機(jī)隔振系統(tǒng)的固有頻率。綜合來看，電機(jī)隔振系統(tǒng)設(shè)計良好，不是本案中風(fēng)管機(jī)100 Hz異常噪聲的誘因。

表3 電機(jī)隔振系統(tǒng)固有頻率（Hz）

2.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)管機(jī)殼體分析

采用同樣的方法，對電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和風(fēng)管機(jī)殼體開展模態(tài)試驗。其中，F(xiàn)G**H電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)測試結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)前兩階模態(tài)頻率為82 Hz和122 Hz，均遠(yuǎn)離100 Hz激勵頻率，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不會發(fā)生共振，因而可排除轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對風(fēng)管機(jī)異常噪聲的貢獻(xiàn)。

風(fēng)管機(jī)上蓋板、下蓋板、蝸殼均存在100 Hz附近的固有頻率，其中上蓋板96 Hz，下蓋板101 Hz，蝸殼97 Hz和107 Hz，均有可能在電機(jī)振動激勵下發(fā)生共振。但是，殼體面積大、壁薄，低頻段的固有頻率密集，很容易落入（100±10）Hz范圍內(nèi)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計上難以控制，因此仍建議采用更換電機(jī)優(yōu)選搭配電容的方案從源頭上加以解決。

3 結(jié)論

針對某型風(fēng)管機(jī)100 Hz嗡嗡聲問題，開展噪聲試驗、振動試驗和模態(tài)試驗研究，分析了風(fēng)管機(jī)音質(zhì)與電機(jī)振動的關(guān)系，研究了異常噪聲形成機(jī)理。主要結(jié)論如下：

1）100 Hz峰值噪聲主要為電機(jī)的切向振動激勵引起的殼體共振輻射噪聲，且在低風(fēng)檔時由于氣動噪聲較小，異常噪音尤其突出。

2）隨著電機(jī)電容的增加，各檔的轉(zhuǎn)速提高，相應(yīng)的噪聲總值也隨之增加，100 Hz峰值噪聲先減小后增大。電容不變時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，噪聲總值和100 Hz峰值噪聲也越大，而轉(zhuǎn)速增加帶來的氣動噪聲增加量大于峰值噪聲增加量。

3）風(fēng)機(jī)電機(jī)隔振系統(tǒng)設(shè)計避開了100 Hz激勵頻率，不是風(fēng)管機(jī)異常噪聲的誘因。