空氣能熱水器低頻噪聲分析與控制

喬晉紅，陳　劍，沈忠亮，李家柱，史韋意

（合肥工業大學　噪聲振動工程研究所，合肥230009）

空氣能熱水器低頻噪聲分析與控制

喬晉紅，陳劍，沈忠亮，李家柱，史韋意

（合肥工業大學噪聲振動工程研究所，合肥230009）

針對某型空氣能熱水器，借鑒汽車NVH特性研究技術，利用試驗方法采集樣機數據，分析數據中異常噪聲頻率分布，識別出主要噪聲頻率。在空氣能熱水器機箱下部結構有限元與聲學有限元以及聲—固耦合有限元建?；A上，分別對三者進行模態頻率計算，通過對比分析三者的模態頻率，確定空氣能熱水器低頻噪聲產生的主要原因。根據分析結果對機箱結構優化和改進，并對整改機型進行試驗測試。結果表明，與樣機相比整改機型的低頻噪聲得到很好地控制，為空氣能熱水器低頻噪聲的分析與控制提供一種有效的方法。

聲學；空氣能熱水器；低頻噪聲；聲—固耦合；模態頻率；結構優化

人類經濟社會飛速發展的同時，資源匱乏、全球變暖、環境惡化等一系列問題已然變得尤為嚴重。目前，世界各國對綠色能源以及節能產品的使用非常重視［1］。空氣能熱水器以空氣為熱源，利用少量電能實現制熱循環以及空氣調節功能，同時具有節能、環保、安全等顯著特點。空氣能熱水器室外機工作時往往會產生低頻噪聲，由于低頻噪聲的穿透力強，容易穿過窗戶和墻壁進入室內，長期處于這種低頻噪聲環境下，對人們的身心健康將造成嚴重影響，分析這類低頻噪聲產生機理，尋求有效治理手段，具有十分重要的意義。

目前，空氣能熱水器的噪聲控制研究處于起步階段，大多是以空調減振降噪的經驗來研究空氣能熱水器。徐忠良［2］介紹空氣能熱水器區別于空調的部分結構。周紅等［3］利用試驗方法對機殼結構做模態分析，并通過阻尼技術來減振降噪。楊煥第［4］提出壓縮機振動對空調低頻噪聲有著很顯著的影響。李保澤［5］研究不同剛度的減振墊對低頻噪聲和振動的影響因素。以上學者分別從不同角度入手解決低頻噪聲問題，但沒有把壓縮機和機箱結構、空腔以及聲—固耦合作為一個系統整體去考慮降噪問題，存在一定局限性。因此結合試驗與有限元方法系統整體的研究空氣能熱水器是很有必要的。

本文針對某型空氣能熱水器，借鑒NVH試驗技術對樣機進行整機測試，對比分析樣機在不同運行工況下的噪聲水平以及頻率分布特性。在此基礎上建立空氣能熱水器機箱結構、空腔聲學以及聲固耦合系統有限元模型，分別計算對比三者的模態頻率。根據分析結果對樣機機箱進行結構優化和改進，試驗測試整改機型噪聲水平，機箱的低頻噪聲得到了很好的控制。結果表明，通過試驗與有限元分析方法相結合，準確找出了低頻噪聲產生的主要原因，制定合理的整改方案，解決了該型空氣能熱水器的低頻噪聲問題，為低頻噪聲的產生機理研究和控制提供了一種有效的方法。

1　空氣能熱水器噪聲產生機理分析

1.1空氣能熱水器結構與工作原理

空氣能熱水器的工作原理與空調原理有一定相似，應用逆卡諾原理，通過吸收空氣中大量的低溫熱能，經壓縮機壓縮變為高溫熱能，傳遞給循環進水，對水進行加熱。內部結構主要由四個核心部件：壓縮機，冷凝器，膨脹閥，蒸發器組成。其工作流程如圖1所示，壓縮機將回流的低壓冷媒壓縮后，變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體流經冷凝器，在冷凝器中熱量經銅管傳導到循環進水中，將循環進水加熱到一定溫度，同時冷卻下來的冷媒在壓力的持續作用下變成液態，經膨脹閥后進入蒸發器，由于蒸發器的壓力驟然降低，因此液態的冷媒在此迅速蒸發變成氣態，并吸收大量的熱量［6］。同時，在風扇的作用下，大量的空氣流過蒸發器外表面，空氣中的熱量被蒸發器吸收，空氣溫度迅速降低，變成冷氣釋放。隨后吸收了一定空氣熱量的冷媒回流到壓縮機，進入下一個循環。

圖1　空氣能熱水器工作流程

1.2試驗測試與分析

以某型空氣能熱水器為例，展開試驗研究，利用頻譜分析初步判斷異常噪聲所在頻帶和產生機理。試驗在半消聲室內進行，傳聲器測點布置依據JB/T 4330-1999《空調機（器）噪聲聲壓級的測量》執行，加速度傳感器分別布置在空氣能熱水器機箱結構內壓縮機主動端和被動端、水泵主動端和被動端以及機箱各壁板上，測試所用傳聲器及部分加速度傳感器布局見下圖2所示。

圖2　傳聲器及部分加速度傳感器布置情況

試驗共分六個工況，具體工況如下表1所示：

表1　試驗測試工況

試驗結果分析：

空氣能熱水器主要有三大噪聲源，分別為機箱下部壓縮機噪聲，機箱上部風扇噪聲以及輸送冷熱水的循環泵噪聲。根據測試情況可得出以下三個結論：一、由工況1和4可知，水泵單獨運行并無嗡嗡低頻噪聲，排除水泵對低頻噪聲影響作用；二、對比工況2和3，風扇開啟與關閉時，低頻嗡嗡噪聲依然存在，排除風扇對低頻噪聲影響因素，如圖3所示；三、對比工況2和5可知，拆去后壁時，低頻嗡嗡噪聲明顯削弱，初步判斷低頻噪聲的產生是由于機箱結構改變所引起，且從圖3可知，二者在100 Hz處聲壓級大小相差高達9 dB，進一步確定100 Hz是引起這種低頻嗡嗡噪聲現象的關鍵頻率。

試驗結果表明，頻率100 Hz對低頻噪聲貢獻量較大，應將100 Hz附近的低頻作為空氣能熱水器主要的降噪頻率進行分析，同時有無后壁這種結構上的變化，對100 Hz處聲壓級峰值有很大影響。為進一步確定低頻噪聲產生的主要原因，對空氣能熱水器進行有限元分析。

圖3　測試頻譜圖

2　箱體聲—固耦合模型分析

2.1聲—固耦合的有限元理論

由于空氣能熱水器主要為薄板結構，下部箱體是一個封閉的聲腔，當空氣能熱水器受到壓縮機振動激勵時，就會引起壁板的振動，振動的壁板會推動與之接觸空氣的振動，從而產生聲壓；而空腔聲壓的變化又會引起壁板的振動，這樣熱水器壁板與下部機箱聲腔之間就形成了一個復雜的耦合聲學系統［7，8］。

箱體內部聲場與其壁板之間存在著耦合作用，為了能更加準確地分析空氣能熱水器的低頻特性，需考慮聲—固耦合作用。在不考慮聲壓對結構的影響時，結構振動有限元控制方程可表示為

式中ms、cs、ks分別為結構質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；Fs為結構激勵力向量；u為結構位移向量。

當考慮聲壓對結構振動的影響時，應加上界面壓力矢量Ff的作用，這時式（1）表示為

式中Ff=RTp；R為聲和結構的耦合矩陣；p為節點聲壓向量。

考慮聲學阻尼作用時，空腔聲學有限元控制方程為

式中mf為空氣等效質量矩陣；cf為空氣等效阻尼矩陣；kf為空氣等效剛度矩陣，mfs為聲—固耦合質量矩陣。

聯立式（2）、（3）可得聲—固耦合系統有限元控制方程為

圖4　系統聲—固耦合有限元模型

2.2聲—固耦合模型建立與分析

分析的空氣能熱水器主要由板殼結構通過螺栓、焊接而成，板件用四節點和三節點殼單元來模擬，用RBE 2模擬螺栓等連接，用ACM 2模擬點焊。模型的精度直接影響著求解的準確性，在建模過程中，忽略掉微小的工藝孔、凸臺以及過渡圓角等對結構板件影響很小的工藝結構，以簡化模型提高有限元網格的質量。建立機箱結構有限元模型如圖4（a）所示。整個模型網格單元平均尺寸10 mm，節點數為113 540，三角形單元所占比例為1.1%。同時在結構有限元模型的基礎上創建邊界條件，采用Block Lanczos方法提取機箱結構模態頻率如表2所示。

在機箱結構模型基礎上，刪除多余的零部件，補全孔洞和縫隙，對于封閉空腔，生成實體網格，進而得到機箱聲學有限元模型［9］。由于壓縮機、冷凝器以及水泵等結構的存在對機箱聲學特性的影響較大，所以在建模過程中，應去掉這些結構所占據的空間。根據每個聲波波長至少含有6個聲學單元的原則［10］，結合研究的計算頻率范圍（20 Hz～200 Hz），取聲學網格單元長度為50 mm～100 mm。圖4（b）為機箱聲學有限元模型。將機箱聲學有限元模型導入到LMS Virtual.lab軟件中，計算得到聲腔模態，其模態頻率結果如表2所示。

在機箱結構模型基礎上添加孔洞，建立相應連接，使機箱成為一個封閉的整體，再利用MSC. Nastran將聲腔模型與結構模型組合在一起，將聲腔模型表面的節點與結構模型節點連接起來，得到機箱聲-固耦合模型。在MSC.Nastran中對機箱耦合模型進行模態分析，結果如表2所示。

表2　結構、空腔以及耦合系統部分模態頻率對比

從表2可知，由于聲—固耦合作用，耦合模型的模態頻率與結構模態頻率和聲模態頻率比較，發生了一定的改變。機箱四周壁板的振動和內部聲腔空氣的聲振動相互耦合及其影響，可以改變整個系統模態振型頻率。耦合系統的模態同時受到結構模態和聲模態的影響，當與結構模態接近時受結構模態主導，與聲模態接近時受聲模態主導。

從表2還可以看出，聲—固耦合模型在第41階的耦合模態頻率為100.41 Hz。某型壓縮機運行參數如下表3所示，其中轉速為3000 r/min，經計算基頻為50 Hz，而該階模態頻率與壓縮機的諧頻100 Hz十分相近，因此可以判斷，機箱低頻尤其以100 Hz時為主的噪聲比較大的主要原因是壓縮機工作時產生的激勵，激起了機箱耦合模態，產生共振所導致的。出于成本考慮，改變壓縮機的工作頻率是不切實際的。因此根據工程實際經驗，重點采用降低振動能量傳遞、改變機箱壁板結構的方法來控制空氣能熱水器的低頻噪聲。

表3　某型壓縮機參數

3　結構改進及效果對比

通過前文試驗分析測試空氣能熱水器機箱噪聲頻譜，同時結合箱體結構、空腔以及聲—固耦合系統模態分析，確認該低頻噪聲是由于壓縮機工作產生的激勵，激起了機箱的耦合模態，形成耦合共振所致，為此提出針對性整改措施，同時對整改機型與樣機進行對比測試，驗證機箱改進前后低頻噪聲的控制效果。

3.1降低振動能量傳遞

通過“源—路徑—響應”的思路［11］，可知對于空氣能熱水器主要振源是壓縮機，壓縮機固定于機箱底板上，壓縮機振動會激起機箱底板振動，機箱底板與各個壁板是通過螺栓剛性連接，振動能量又會傳遞給各側壁板，振動能量并沒有經過中間環節有效衰減，因此機箱壁板得到的振動能量較大。利用控制傳遞路徑的思想，在壓縮機與機箱底板之間加一塊減振板，減振板既要具有金屬基材高強度的特性，又要具有高分子聚合物特有的高阻尼特性。實際改進試驗中，我們采用大理石花崗巖和減振橡膠組合使用，大理石花崗巖具有高強度特性，減振橡膠具有高阻尼特性。由此壓縮機傳遞到機箱各側壁板的振動能量將大大削弱，如圖5所示。

圖5　整改機型結構圖

3.2優化機箱壁板結構

由箱體聲—固耦合模態分析結果可知，機箱底部及四周均為薄板結構，內部形成一個封閉的空腔，當受到壓縮機工作激勵時，壁板結構與內部空腔同時振動，形成了復雜的耦合聲學系統。由于壓縮機的激勵頻率與部分耦合系統模態頻率非常接近，為避開整個系統的低頻共振，需對機箱結構進行針對性的整改?；诟淖兘Y構響應的思路，一方面機箱前后壁板采用百葉窗的開孔結構形式，破壞聲學封閉空腔，另一方面左右側壁板采用加強筋的結構形式，提高機箱結構剛度。采用兩種改進方式來避免機箱系統耦合模態與壓縮機激勵的共振，如圖5所示。

3.3改進效果對比

基于傳遞路徑控制思想，通過降低振動能量傳遞方法改進，有效的控制了壓縮機傳遞給機箱壁板的振動能量，整改機型的整體噪聲水平有所下降，如圖6（a）所示；同時基于改變結構響應的思路，對機箱壁板進行結構優化，避免壓縮機激勵與聲—固耦合模態的共振，有效降低100 Hz處聲壓級，解決了低頻嗡嗡噪聲現象，測試結果如圖6（b）所示。從解決問題和進一步提升產品質量角度考慮，建議兩種改進方法綜合采用，不僅有效解決產品低頻嗡嗡噪聲問題，同時降低產品整體噪聲水平。數據對比結果如表4所示。

圖6　整改前后頻譜對比圖

表4　降噪效果對比結果　單位/dB

4　結語

（1）空氣能熱水器工作時產生的噪聲是評價空氣能熱水器產品質量好壞的重要指標之一［12］。目前空氣能熱水器的低頻噪聲普遍較高，因此降低空氣能熱水器低頻噪聲，是當前迫切需要解決的重要技術問題，對企業提高市場競爭力具有重要的意義；

（2）采用試驗方法，發現空氣能熱水器低頻嗡嗡噪聲產生的主要頻率，結合聲—固耦合有限元的分析方法對低頻噪聲問題進行研究。結果發現，低頻噪聲是由于壓縮機工作時激勵頻率與部分耦合系統模態頻率十分接近，導致整個機箱系統共振，低頻噪聲加劇，其中尤其以頻率100 Hz的噪聲為主。根據分析結果對樣機進行針對性整改，低頻噪聲得到很好地抑制；

（3）通過試驗和有限元分析相結合，對某型空氣能熱水器進行低頻降噪，取得了較為明顯的整改效果。該方法對分析控制各種空氣能熱水器低頻噪聲問題都具有一定的實際意義和應用價值。

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Analysis and Control of Low Frequency Noise ofAir Source Water Heaters

QIAO Jin-hong，CHENJian，SHEN Zhong-liang，LI Jia-zhu，SHI Wei-yi

（Institute of Sound and Vibration Research，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

A type of air source water heaters was studied.Referring to the technology in automotive NVH characteristics research，the frequency distribution of abnormal noise in the measurement data of an air source water heater prototype was analyzed to identify the main noise frequencies.The finite element model，acoustic finite element model and acoustic-structure coupled finite element model for the infrastructure of the air source water heater were built respectively to compute the modal frequencies.Through the comparative analysis of the three kinds of modal frequencies，the main cause of low-frequency noise of the heater was determined.According to the results of analysis，the structure of the air source water heater was optimized，improved and tested.The results show that compared with the prototype，the low-frequency noise of the optimized heater can be well controlled.This paper provides an effective method for the analysis and control of lowfrequency noise of air source water heaters.

acoustics；air source water heater；low frequency noise；acoustic-structure coupling；modal frequency；structure optimization

TM172

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.044

1006-1355（2015）05-0207-05

2015－03－27

喬晉紅（1989－），男，山西省晉中市人，碩士研究生，主要研究方向：汽車NVH與CAE分析。

陳劍（1962－），男，博士生導師。

E-mail:hfgd8216@126.com