家用柜機空調平行流蒸發器翅片音改善研究

楊岳 趙若 王偉戈 李大森

海信（山東）空調有限公司 山東青島 266000

1 引言

隨著家用電器行業的不斷發展，用戶對于空調產品的品質要求不斷提升，用戶購買時已經不僅僅滿足于基本的制冷制熱需求，追求性價比、節能綠色、使用舒適性、音品質等新的需求應運而生。一般家用柜機空調內機換熱器采用管翅式蒸發器，但是隨著材料成本的上升與新能效標準入市門檻的提升，全鋁平行流蒸發器以質輕、高效換熱以及低成本等特點逐步進入空調行業，但是當蒸發器與吹風式風機氣流呈現夾角排布時，高流速局部容易出現翅片異音，聽感表現為“嘶～溜～”聲，該翅片異音噪聲主觀評價不合格，亟需在整機研發初期解決。

很多學者與工程人員對于空調異常噪音的主觀評價進行了研究，顧開榮、孫曉明、陳風梅等學者強調了噪聲聲品質評價多維性[1][2]，引入多個噪音聲學評價指標并開發評價計算方法與系統[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方法，并以室外機主觀評價應用總結了PC法簡單實用的特點[4]；孫康杰等提出銅管翅片式蒸發器翅片音主要是低速多腔體耦合共振產生，氣流流速、氣流流動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效率低、評價群體樣本對結果影響較大等缺點，提出提取噪聲頻譜中單頻音不可接受的幅值并計算音噪比的方法評判音調的可接受程度，比主觀評價更加客觀、便捷[6]。本文主要針對某家用柜機平行流蒸發器翅片音探究一種主觀評價的方法與結合CFD翅片音改善措施。

2 翅片音原因分析與改善目標要求

某家用柜機風道縱剖圖如圖1所示，其中風機采用下置離心風機，平行流蒸發器采用傾斜布置，受整機空間限制，蒸發器與垂直面夾角大約為17°，出風口采用上部出風，進風口為正面進風。整機運行時高風檔位時出現翅片音，分析造成翅片音的主要原因為蒸發器傾斜放置，風機高速出風流經蒸發器表面，在蒸發器局部縫隙產生脈動渦流，出現多腔體耦合共振，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，考慮在內機局部加導風裝置改善異音。

增加導風裝置可以局部調整空氣氣流方向與風速，但是不能對整機性能造成影響，故提出改善目標為：

（1）優化柜機內部風場，消除或者減小翅片音，滿足噪音主觀評價標準；

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

3 柜機風道CFD分析

通過對內機風道的CFD分析，尋找風速較高的部位與相對位置，為導風板的尺寸與布置位置作指導。柜機流場分析簡化模型如圖2所示，主要包括進出風口延長流域、風機流域、蒸發器流域，分析設置為采用k-e湍流模型，出風口靜壓為0Pa，高風檔風扇轉速570rpm，蒸發器設定為多孔流域介質。

提取蒸發器迎風面與X=70mm截面速度云圖如圖3所示，可以發現，在蝸殼出風口的局部出現高流速區域，局部風速高于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，根據仿真結果初步確定導風板的尺寸為300×70mm，導風板中心軸位置距離后壁板150mm，利用仿真手段對導風板角度進行初步探究，分別取導風板0°，17°，30°，45°工況，仿真結果如圖4-蒸發器表面風速分布云圖和圖5-X=70mm截面風速分布云圖所示。

由不同工況蒸發器表面流場分布云圖可知，導風板0°時，風速較高的區域擴大；導風板45°時，風速較高的區域更為集中；導風板與蒸發器平行以及導風板與垂直面夾角30°時，局部出風風速有所降低，其中導風板與垂直面夾角30°時，局部風速有明顯的降低；導風板擺動角度0°，17°和30°度時，X方向風場速度云圖沒有明顯變化，擺動角度45°時在導風板上部形成低速流域，該角度導風板擋風較為嚴重。

4 實驗驗證

4.1 主觀評價方法

通常噪聲主觀評價為距離整機1米處各個位置不能出現異常噪音，由于該機型使用的環境要求，主觀評價的標準適當放寬，針對該機型設計一種噪音主觀評價的方法，采用9個點位進行噪音主觀評價，點位距離分別為距離機器左右1米，距離機器前方1米和距離機器前方2米共9點進行測試，如圖6所示。

圖1 家用柜機風道風道縱剖圖

圖2 柜機流場分析簡化模型

圖3 蒸發器迎風面與X=70mm截面速度云圖

圖4 蒸發器表面風速分布云圖

圖5 X=70mm截面風速分布云圖

圖6 主觀評價9點位置

圖7 試驗導風板工裝

表1 各點位主觀評價打分表A

表2 各點位加權系數表B

主要評價風吹翅片的嘶嘶聲，將點位按照行（i）-列（j）位置命名，比如C點位置對應為點13（i=1，j=3）。按照翅片音的聽感大小分別給各個點位打分，各點位打分表使用表1-各點位主觀評價打分表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；

5分——聽感較明顯，聽感連續。

參加主觀評價的人員按照9點站位與打分標準填寫不同工況的9點打分表格，每個位點平均得分與不同點位的加權系數乘積再求和作為該工況的主觀評價綜合得分，其中每個點位的加權系數表使用表2-各點位加權系數表B，各個點位的加權系數分別為對應點位所在行列的加權系數乘積，根據柜機特點，整機前部方向（列向）距離越遠、聽感越明顯，表示翅片音越嚴重；整機左右方向（行向），由于正對機器，高風風聲響度較高，對翅片音煩躁度不高，左右兩側對翅片音煩躁度更高，故綜合制定各點位該加權系數表。

最終的主觀評價分數如下，分數越高表示主觀評價越差，分數越低表示主觀評價越好：

其中：

i,j——行，列，點位行列位置；

Aij——打分表各點位分數平均值；

Bij——各點位該加權系數。

4.2 實驗設計

實驗采用離散分組設計，根據仿真初步結果，主要驗證導風板的尺寸（長度與寬度）以及導風板的擺動角度對翅片音、整機風量、噪音、功率參數的影響，在滿足性能指標條件下選擇消除翅片音最佳方案，實驗方案為在整機背部開孔加裝導風板封閉后測試，如圖7所示。

4.2.1 主觀評價實驗

（1）第一組試驗采用300mm×70mm導風板，導風板距離后壁板距離為150mm，采用高風檔位測試，分別取導風板0°，17°，30°，45°工況進行噪音主觀評價，主觀評價人數為5人，主觀評價得分如表3所示。

分析發現，高風檔位時當導風板角度與垂直平面夾角30°時，主觀噪音評價最好，其中多數人在機器正前方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，機器前方2米處左右位置聽不到異常音，故300×70mm導風板，垂直面夾角30°時，噪音主觀評價最好。

（2）第二組試驗采用不同尺寸導風板進行噪音主觀評價，采用尺寸為300×50mm、300×70mm、300×100mm、350×70mm以及400×70mm的導風板進行主觀評價，導風板夾角與垂直面為30°，主觀評價結果如表4所示。

分析發現，300×70mm風板、30°夾角工況下噪音主觀評價最好，其次為350×70mm風板、30°夾角，再次為300×50mm風板、30°夾角。

4.2.2 風道性能參數實驗

（1）導風板寬度影響

對比尺寸為300×50mm、300×70mm、300×100mm導風板同樣擺動30°與無風板通風狀態下風道性能，風量-噪音-功率曲線如圖8所示，風量衰減曲線如圖9所示。

由風量-噪音-功率曲線可知，導風板寬度越寬，同風量下噪音越高，功率越高，風量衰減越嚴重。

（2）導風板長度影響

對比尺寸為300×70mm、350×70mm、400×70mm導風板同樣擺動30°與無風板通風狀態下風道性能，風量-噪音-功率曲線如圖10所示，風量衰減曲線如圖11所示。

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

（3）導風板擺動角度影響

對比300×70mm導風板0°，17°，30°，45°工況與無風板通風狀態下風道性能，風量-噪音-功率曲線如圖12所示，風量衰減曲線如圖13所示。

由風量-噪音-功率曲線可知，同風量擺動角度越大，噪音越高，功率越高，風量衰減越嚴重，其中45°導風板同風量下比無導風板噪音高2dB(A)左右，同風量下比無導風板功率高12w左右，高中低風檔風量衰減分別為4.3%、3.8%、4.1%。

表3 導風板擺動角度主觀評價分值

表4 導風板尺寸主觀評價分值

圖8 導風板寬度風道性能曲線

圖9 導風板寬度風量衰減曲線

圖10 導風板長度風道性能曲線

圖11 導風板長度風量衰減曲線

圖12 導風板擺動角度風道性能曲線

綜上，300×70mm尺寸、擺動30°的導風板同檔位噪音值比無導風板高0.2dB(A)～0.6dB(A)，同檔位功率低5w～11.2w，高中低風檔風量衰減分別為2.8%、2.5%、2.7%均小于5%目標值，該導風板與擺動角度從聽感主觀評價得分最優，同檔位噪音達標，風量衰減在接受范圍內，故300×70mm尺寸擺動30°的導風板在解決該款空調柜機平行流蒸發器翅片音為最優方案。

5 結論

（1）當平行流蒸發器與吹風式風機風向非平行布置時，較容易局部出現翅片音，翅片音的主要原因為流經蒸發器的空氣沖擊角度與流動速度，結合CFD仿真結果與實際實驗，局部調整氣流方向與流速為改善平行流蒸發器翅片音的良好工程方法。

（2）導風板寬度與擺動角度對風道性能參數影響比導風板長度要嚴重，寬度過寬、擺動角度過大擋風嚴重，局部渦流渦量提高了整機噪音OA值；本文通過多組實驗驗證300×70mm尺寸擺動30°的導風板在解決該款空調柜機平行流蒸發器翅片音為最優方案，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）本文設計的主觀評價9點加權打分方法可以較為有效地將主觀評價指標量化，但是該方法隨著調研樣本數量提升計算量因此增大，樣本數量較少又不足以完全反映主觀評價有效性，因此該方法還需要繼續改進。

圖13 導風板擺動角度風量衰減曲線