空調(diào)室外機(jī)葉輪振動(dòng)與噪聲關(guān)聯(lián)特性試驗(yàn)研究

代元軍，何振雄，李保華，吳 柯

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，上海 201306；3.新疆工程學(xué)院 能源工程學(xué)院，烏魯木齊 830091）

0 引言

隨著人們生活品質(zhì)的不斷提升，在關(guān)注空調(diào)室內(nèi)機(jī)的振動(dòng)與噪聲的同時(shí)，也對(duì)室外機(jī)的振動(dòng)與噪聲關(guān)注日益增加。作為室外機(jī)主要部件之一的葉輪，其運(yùn)行過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動(dòng)經(jīng)傳導(dǎo)至室內(nèi)壁面，會(huì)造成異常的低頻噪聲、同時(shí)也會(huì)降低葉輪運(yùn)行的可靠性和高效性。且葉輪運(yùn)行過程中的氣動(dòng)噪聲也會(huì)造成嚴(yán)重的噪聲污染，進(jìn)而影響消費(fèi)者的體驗(yàn)感，因此，空調(diào)室外機(jī)葉輪的振動(dòng)、噪聲是一個(gè)亟待解決的熱點(diǎn)性研究問題［1-4］。

關(guān)于空調(diào)室外機(jī)葉輪的噪聲研究，王夢(mèng)豪等［5］采用數(shù)值模擬的方法研究了4種仿鵠翼型對(duì)葉輪降噪效果。馬列等［6］采用數(shù)值模擬研究了尾緣結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)葉輪噪聲特性的影響。周偉峰等［7］發(fā)現(xiàn)出風(fēng)格柵可以減小葉輪的氣流旋轉(zhuǎn)動(dòng)能損失并提高其靜壓效率，從而降低葉輪的氣動(dòng)噪聲。王夢(mèng)豪等［8］把計(jì)算流體力學(xué)和聲類比相結(jié)合對(duì)葉輪進(jìn)行了聲場(chǎng)研究。陳亞偉［9］研究了外緣翻邊葉輪的氣動(dòng)性能，發(fā)現(xiàn)外緣翻邊可以降低葉輪的噪聲。李明等［10］利用有限元分析進(jìn)行了高速葉輪的氣動(dòng)噪聲仿真模擬。馬麗華等［11］利用有限元分析模擬了葉輪遠(yuǎn)場(chǎng)接收點(diǎn)位置的噪聲特性和氣動(dòng)噪聲源的分布。馬海林等［12］利用湍動(dòng)能噪聲模型仿真了風(fēng)機(jī)葉輪噪聲。仲惟燕等［13］利用數(shù)值模擬仿真了葉輪在設(shè)計(jì)工況下的氣動(dòng)噪聲源和流場(chǎng)的分布。孫迎浩等［14］采用CFD數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合研究了不同前緣型狀對(duì)葉輪的噪聲影響。LIM等［15］對(duì)后緣具有小翼的葉輪進(jìn)行噪聲特性試驗(yàn)和數(shù)值分析。PARK等［16］采用CFD軟件對(duì)葉輪的流場(chǎng)進(jìn)行了模擬。IWASE等［17］采用大渦模擬計(jì)算了葉輪的氣動(dòng)噪聲。通過上述文獻(xiàn)分析可知：空調(diào)室外機(jī)葉輪噪聲研究主要集中在葉輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，如文獻(xiàn)中提到的仿鵠翼型、尾緣結(jié)構(gòu)缺陷等與葉輪噪聲形成的機(jī)理分析。

目前，研究人員對(duì)空調(diào)室外機(jī)葉輪噪聲的研究較重視，但都是單獨(dú)開展噪聲的研究，并未涉及葉輪振動(dòng)特性研究及振動(dòng)與噪聲耦合特性的關(guān)聯(lián)性研究。為了降低空調(diào)室外機(jī)葉輪的振動(dòng)和噪聲，本文提出了一種空調(diào)室外機(jī)葉輪尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并以此開展葉輪振動(dòng)特性研究及振動(dòng)與噪聲耦合特性的關(guān)聯(lián)性研究，為空調(diào)室外機(jī)葉輪的減振與降噪提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 葉輪的模態(tài)測(cè)試方案設(shè)計(jì)

1.1.1 被測(cè)對(duì)象

本次測(cè)試以某型號(hào)空調(diào)室外機(jī)葉輪為被測(cè)對(duì)象，葉輪直徑D為400 mm，輪轂直徑d為100 mm，額定轉(zhuǎn)速700 r/min，葉片數(shù)為3，如圖1所示。

圖1 空調(diào)室外機(jī)葉輪Fig.1 Outdoor unit impeller of the air conditioner

為了探究尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)對(duì)葉輪的振動(dòng)與噪聲特性的影響，設(shè)計(jì)了一種改型葉輪，如圖2所示。其鋸齒參數(shù)見表1。對(duì)尾緣進(jìn)行開槽，槽為三角形，其鋸齒齒角θ，鋸齒齒高h(yuǎn)，鋸齒齒距d。

表1 尾緣鋸齒參數(shù)Tab.1 Parameters of serrated impeller at the trailing edge

圖2 尾緣鋸齒葉輪Fig.2 Serrated impeller at the trailing edge

1.1.2 測(cè)試系統(tǒng)、試驗(yàn)原理與試驗(yàn)設(shè)備

測(cè)試系統(tǒng)為B&K振動(dòng)分析系統(tǒng)，試驗(yàn)原理為頻譜分析法。采用瞬態(tài)激勵(lì)方法，測(cè)試葉輪用固定件進(jìn)行安裝固定，葉輪在力錘激勵(lì)下，其振動(dòng)信息由傳感器采集，再輸送給數(shù)據(jù)采集前端，最后經(jīng)網(wǎng)線輸送給振動(dòng)分析單元。試驗(yàn)設(shè)備如下：8206-002型敲擊力錘，靈敏度為2.183 mV/N；4507-B-004型加速度傳感器，靈敏度為9.941 mV/（m·s-2）；LAN機(jī)箱；12通道數(shù)據(jù)采集前端。

1.1.3 測(cè)點(diǎn)布置

按等分的原則選擇了15個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，1～15號(hào)點(diǎn)為加速度傳感器布置點(diǎn)，16～21號(hào)點(diǎn)為激勵(lì)點(diǎn)，頻率范圍為0～300 Hz，激勵(lì)點(diǎn)的敲擊次數(shù)為5次。

圖3 激勵(lì)點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)分布Fig.3 Distribution of excitation points and measurement points

1.2 葉輪動(dòng)頻特性試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.2.1 被測(cè)對(duì)象、測(cè)試系統(tǒng)、試驗(yàn)原理及試驗(yàn)設(shè)備

被測(cè)對(duì)象同模態(tài)試驗(yàn)一致，測(cè)試系統(tǒng)采用B&K振動(dòng)分析系統(tǒng)，試驗(yàn)原理使用頻譜分析法。試驗(yàn)設(shè)備如下：4524-B型傳感器，靈敏度為9.853 mV/（m·s-2）；2981型激光轉(zhuǎn)速探頭，其轉(zhuǎn)速范圍為0～300 000轉(zhuǎn)；電容電機(jī)專用變頻器，其頻率調(diào)控范圍為0～50 Hz。

1.2.2 測(cè)點(diǎn)分布

在空調(diào)室外機(jī)的電動(dòng)機(jī)的前端和后端安裝三向振動(dòng)加速度傳感器，在葉輪的葉尖位置布置反光條，在距離葉尖一定距離處布置激光轉(zhuǎn)速探頭，葉輪動(dòng)頻特性測(cè)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 葉輪動(dòng)頻特性測(cè)點(diǎn)Fig.4 Schematic diagram of measurement points for dynamic frequency characteristics of impeller

1.3 葉輪振動(dòng)與噪聲耦合特性的測(cè)試方案設(shè)計(jì)

1.3.1 被測(cè)對(duì)象、測(cè)試系統(tǒng)、測(cè)試原理與測(cè)試設(shè)備

被測(cè)對(duì)象和模態(tài)試驗(yàn)一致，測(cè)試系統(tǒng)為B&K振動(dòng)噪聲測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試原理為頻譜分析法。振動(dòng)噪聲時(shí)頻數(shù)據(jù)使用2只振動(dòng)傳感器、4只噪聲傳感器采集，采用頻譜分析法處理分析數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)備如下：聲傳感器使用BSWA公司的MPA 201型傳感器，其靈敏度為48.4 mV/Pa，其他設(shè)備和動(dòng)頻特性試驗(yàn)設(shè)備一致。

1.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

振動(dòng)與噪聲耦合測(cè)試的三向振動(dòng)加速傳感器安裝和葉輪的動(dòng)頻試驗(yàn)安裝一致，噪聲測(cè)點(diǎn)如圖5所示，在葉輪葉尖處布置4個(gè)聲音傳感器。以葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線和旋轉(zhuǎn)平面的交點(diǎn)為原點(diǎn)O，軸向遠(yuǎn)離葉輪旋轉(zhuǎn)平面的方向?yàn)閄軸正方向，以垂直于X軸向右為Y軸正方向，測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)距葉輪旋轉(zhuǎn)平面10 cm，測(cè)點(diǎn)2對(duì)準(zhǔn)葉輪葉尖，相鄰2個(gè)測(cè)點(diǎn)的間距為3 cm。

圖5 振動(dòng)噪聲測(cè)點(diǎn)布置Fig.5 Layout diagram of vibration and noise measurement points

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 葉輪的模態(tài)數(shù)據(jù)分析

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到葉輪的固有頻率和阻尼比如圖6所示，物體的固有頻率、阻尼比越大，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性就越強(qiáng)［18-20］。由圖分析可知：隨著葉輪阻尼比的下降，葉輪的固有頻率呈現(xiàn)出上升態(tài)勢(shì)。隨著模態(tài)階數(shù)的上升，固有頻率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且尾緣鋸齒葉輪的固有頻率總是高于未改型葉輪，其中1～5階固有頻率分別提高3.45%，11.18%，8.32%，20.35%，17.16%；隨著模態(tài)階數(shù)的上升，阻尼比整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，從整體上來看，尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)葉輪阻尼比有所提高，其中2～5階阻尼比分別提高10.02%，13.31%，30.46%，2.97%。

圖6 葉輪各階固有頻率、阻尼比Fig.6 The natural frequency and damping ratio of each order of the impeller

尾緣鋸齒葉輪固有頻率和葉輪阻尼比提高原因是由于尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)所特有的三角鋸齒結(jié)構(gòu)決定其較強(qiáng)的穩(wěn)定性與剛度特性，且尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)與未改型葉輪相比，葉輪尾緣質(zhì)量減小，因此尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以增大葉輪的模態(tài)參數(shù)。葉輪的激振頻率與固有頻率相等或者接近時(shí)，葉輪則會(huì)產(chǎn)生共振，尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)能提高其固有頻率，降低葉輪共振概率，增加葉輪結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為空調(diào)室外機(jī)葉輪的減振提供一種新的方法。

2.2 葉輪動(dòng)頻特性數(shù)據(jù)分析

葉輪轉(zhuǎn)速n和動(dòng)態(tài)頻率f的曲線關(guān)系稱為動(dòng)頻曲線圖，判斷葉輪是否共振的工程圖解法。利用這種曲線關(guān)系圖可以找出葉輪共振時(shí)的自振頻率與激振頻率。主要根據(jù)共振點(diǎn)是否位于葉輪主要運(yùn)行區(qū)來判斷葉輪結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能好壞。對(duì)于三葉片空調(diào)室外機(jī)葉輪，基頻的3倍頻為主振頻率，并將主振頻率3P的±10%上下區(qū)間定義為共振區(qū)。動(dòng)態(tài)頻率曲線與共振區(qū)會(huì)相交，且相交兩點(diǎn)，這兩交點(diǎn)的頻率差值為頻寬，且動(dòng)態(tài)頻率曲線和3P主射線相交的點(diǎn)，即為共振轉(zhuǎn)速。頻寬越大，共振轉(zhuǎn)速越靠近額定轉(zhuǎn)速，則共振機(jī)率越大，反之越小。本文以共振裕度解釋這一現(xiàn)象，共振裕度越大，葉輪共振概率越低，且共振裕度可以表示為：

如圖7示出了葉輪的動(dòng)頻曲線，葉輪的振動(dòng)頻率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，從圖中可以看出尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以調(diào)整葉輪振動(dòng)頻率曲線的走勢(shì)，并由軟件計(jì)算得出葉輪的頻寬、共振點(diǎn)轉(zhuǎn)速、共振裕度。根據(jù)數(shù)據(jù)分析可知：未改型葉輪共振頻寬為1.64 Hz，共振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為609.47 r/min，共振裕度為12.93 %。尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)葉輪共振頻寬為0.90 Hz，共振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為585.71 r/min，共振裕度為16.33%。通過和未改型葉輪對(duì)比分析，可知尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)葉輪的動(dòng)頻曲線經(jīng)過共振區(qū)的頻寬較窄，共振裕度更高，因此尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)能使空調(diào)室外機(jī)葉輪更快的脫離共振區(qū)，降低共振概率。其原因?yàn)樵谌~輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，葉片的穩(wěn)定性關(guān)乎其能否正常運(yùn)行，載荷及其振動(dòng)變形量決定葉輪葉片的穩(wěn)定性。其中離心力載荷、葉片質(zhì)量引起的重力載荷、流體對(duì)葉片產(chǎn)生的氣動(dòng)力載荷是作用在葉輪葉片的三大載荷，尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)造成的尾緣質(zhì)量減少以及降低流體對(duì)葉片尾緣產(chǎn)生的氣動(dòng)力載荷，這在一定程度上減小了這三者數(shù)值的大小，進(jìn)而可以減小葉輪振動(dòng)頻率，提高葉輪穩(wěn)定性。

圖7 葉輪一階坎貝爾圖Fig.7 First-order Campbell diagram of the impeller

2.3 葉輪振動(dòng)與噪聲耦合特性分析

2.3.1 葉輪近尾跡噪聲變化規(guī)律

圖8示出了葉輪額定轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)，在距離葉尖10 cm處各測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)關(guān)系。分析發(fā)現(xiàn)：隨著測(cè)點(diǎn)位置從1號(hào)到4號(hào)推移，相應(yīng)位置的聲壓級(jí)先增大后減小，在1號(hào)測(cè)點(diǎn)處未改型葉輪的聲壓級(jí)為84.26 dB，改型葉輪的聲壓級(jí)為80.89 dB，聲壓級(jí)下降4.00 %。在2號(hào)測(cè)點(diǎn)處未改型葉輪的聲壓級(jí)為88.43 dB，改型葉輪的聲壓級(jí)為85.11 dB，聲壓級(jí)降低3.75 %。在3號(hào)測(cè)點(diǎn)處未改型葉輪的聲壓級(jí)為86.82 dB，改型葉輪的聲壓級(jí)為83.43 dB，聲壓級(jí)下降3.90 %。在4號(hào)測(cè)點(diǎn)處未改型葉輪的聲壓級(jí)為83.56 dB，改型葉輪的聲壓級(jí)為80.24 dB，聲壓級(jí)降低3.97 %。由數(shù)據(jù)分析可知，葉輪在葉尖處的噪聲值最大，且尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)葉輪具有良好的降噪效果。

圖8 轉(zhuǎn)速為700 r/min，X=10 cm處各測(cè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)Fig.8 The speed is 700 r/min，and the sound pressure level corresponding to each measurement point at X=10 cm

其原因是尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以造成葉輪尾緣位置產(chǎn)生旋渦流動(dòng)現(xiàn)象，減小相干性，且不同尾緣高度噪聲相位不一樣，從而使噪聲疊加起來的聲壓級(jí)有所下降，同時(shí)也可以使尾緣大渦分解為小渦，促使馬蹄渦的產(chǎn)生，造成尾跡混合，推遲邊界層分離，以上變化造成了尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)具有良好的降噪特性。

2.3.2 離心力載荷對(duì)空調(diào)室機(jī)葉輪振動(dòng)噪聲耦合特性分析

調(diào)節(jié)單項(xiàng)電容電機(jī)專用變頻器使空調(diào)室外機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)分別為300，420，540，660 r/min。單獨(dú)分析離心力載荷規(guī)律增大時(shí)，空調(diào)室外機(jī)未改型與改型葉輪的振動(dòng)和噪聲的耦合特性。

以2號(hào)測(cè)點(diǎn)（葉尖位置）為例，圖9示出葉輪振動(dòng)特性與旋轉(zhuǎn)基頻噪聲耦合關(guān)系，揭示了空調(diào)室外機(jī)未改型與改型葉輪在離心力載荷增大的情況下的1階振動(dòng)頻率、2階振動(dòng)頻率與葉輪的旋轉(zhuǎn)基頻、葉尖位置所對(duì)應(yīng)聲壓級(jí)耦合關(guān)系。由圖9可知，未改型葉輪的1階振動(dòng)頻率分別為28，29，29.75，31.5 Hz，改型葉輪的1階振動(dòng)頻率分別為26.75，28，28.75，29.75 Hz，與未改型葉輪相比，1階振動(dòng)頻率分別下降4.46%，3.45%，3.36%，5.56%。未改型葉輪的2階振動(dòng)頻率分別為43，43.5，45.75，46.75 Hz，改型葉輪的2階振動(dòng)頻率分別為42.25，42.75，45.25，46 Hz，與未改型葉輪相比，2階振動(dòng)頻率分別下降1.74%，1.72%，1.09%，1.60%。綜上分析可知：葉輪1階、2階振動(dòng)頻率隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加。因?yàn)槿~輪轉(zhuǎn)速越大，所產(chǎn)生的離心力也越大，從而導(dǎo)致葉輪的形變加大，最終致使振動(dòng)頻率的提高。由于改型后的葉輪尾緣質(zhì)量減少，其離心力和氣動(dòng)力相對(duì)于未改型葉輪是衰減狀態(tài)，從而導(dǎo)致振動(dòng)頻率降低。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)基頻為15，21，27，33 Hz，未改型葉輪旋轉(zhuǎn)基頻的聲壓級(jí)分別為58.25，62.36，66.37，70.77 dB，改型葉輪旋轉(zhuǎn)基頻的聲壓級(jí)分別為55.12，59.15，63.06，67.16 dB，與未改型葉輪相比，改型葉輪旋轉(zhuǎn)基頻的聲壓級(jí)分別下降5.37 %，5.15%，4.99%，5.10%；未改型葉輪葉尖位置的聲壓級(jí)分別為75.56，79.45，83.12，87.13 dB，改型葉輪葉尖位置的聲壓級(jí)分別為72.16，76.04，79.88，83.57 dB，與未改型葉輪相比，改型葉輪葉尖位置的聲壓級(jí)分別下降4.50 %，4.29%，3.90%，4.09%。由聲壓級(jí)分析可知：葉輪旋轉(zhuǎn)基頻的聲壓級(jí)、葉尖位置的聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增加，且尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)葉輪的聲壓級(jí)值總是低于未改型葉輪的聲壓級(jí)值，因此尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)葉輪具有良好的降噪性能。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下葉輪振動(dòng)頻率與旋轉(zhuǎn)基頻噪聲、測(cè)點(diǎn)2噪聲耦合關(guān)系Fig.9 Coupling relationship diagram between impeller vibration frequency and rotational fundamental frequency noise and noise of measurement point 2 at different speeds

隨著葉輪離心力載荷增大，分析葉輪前兩階振動(dòng)頻率與其旋轉(zhuǎn)基頻、葉尖位置的聲壓級(jí)耦合關(guān)系，研究結(jié)果表明：隨著離心力載荷的增大，葉輪的前2階振動(dòng)頻率，各旋轉(zhuǎn)基頻、葉尖位置的聲壓級(jí)也隨之增大，因此葉輪振動(dòng)頻率和聲壓級(jí)具有一定程度上的正相關(guān)性。

3 結(jié)論

（1）通過葉輪的固有頻率與阻尼比分析可知，尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以改良葉輪的模態(tài)參數(shù)，優(yōu)化了其靜態(tài)振動(dòng)特性。

（2）通過葉輪的坎貝爾圖分析可知，尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)可以調(diào)整葉輪振動(dòng)頻率曲線走勢(shì)，減小頻寬、共振轉(zhuǎn)速，增大共振裕度，改善了其動(dòng)頻振動(dòng)特性。

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為300，420，540，660 r/min時(shí)，未改型葉輪1階振動(dòng)頻率分別為28，29，29.75，31.5 Hz，2階振動(dòng)頻率分別為43，43.5，45.75，46.75 Hz；其葉尖位置聲壓級(jí)分別為75.56，79.45，83.12，87.13 dB，旋轉(zhuǎn)基頻聲壓級(jí)分別為58.25，62.36，66.37，70.77 dB。未改型葉輪前2階振動(dòng)頻率與其旋轉(zhuǎn)基頻、葉尖位置的聲壓級(jí)隨著離心力載荷的增大而增大，且其振動(dòng)頻率與聲壓級(jí)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。此外改型葉輪也具有上述相同規(guī)律。