空調室外機拍頻噪聲分析與改善

孫義祥 張丹偉 王偉戈 郝玉密

海信家電集團股份有限公司 廣東佛山 528305

1 引言

拍頻聲屬于空調聲品質的研究范疇，在空調室外機中，拍頻聲的來源主要有兩個方面，一是風機振動和壓縮機振動存在頻率差，當這兩個頻率比較接近的振動傳遞到箱體上輻射噪聲時，產生拍頻聲。還有另外一種產生方式，目前的定速壓縮機一般采用異步電機，存在轉差率，電磁激勵與轉子轉動激勵形成了兩個頻率接近的激勵源，這兩個激勵源將振動傳遞到箱體上輻射噪聲時，也容易產生拍頻聲。近年來，許多學者對空調室外機的拍頻聲和聲品質進行了研究，并取得一定成果。薛瑋飛[1]等對變頻空調室外機的聲品質進行研究，得出低頻“哄哄”聲主要是壓縮機轉子系統動不平衡產生，低頻周期性波動的“嗡嗡”聲是軸流風扇與壓縮機拍振產生的結論。胡佳偉[2]等對空調室外機拍頻噪聲的聲品質進行線性回歸分析，得出拍頻噪聲的聲品質與突出比、響度、抖動強度相關性較大，與語言清晰度、尖銳度、粗糙度相關性較小的結論。徐超[3]等基于RBF神經網絡對空調聲品質進行研究，得到了非線性聲品質問題的評價模型。本文基于模態測試和共振分析對室外機拍頻聲進行研究，通過更改儲液器安裝方式，達到降低拍頻聲的目的，對改善空調室外機拍頻聲具有一定的參考意義。

2 拍頻噪聲機理及研究路線

頻率很接近的兩個簡諧振動的合成會出現“拍”的現象[4]。假設頻率很接近的兩個簡諧振動為：

拍頻的振幅隨時間緩慢變化，其振幅變化周期為：

式中，f1和f2分別是兩個簡諧振動的頻率。

根據哈斯效應，人耳對延遲50毫秒以上的兩個聲音才有可能分辨出先導聲和延遲聲[5]，因此頻率相差超過20 Hz的兩個聲音不用考慮拍頻。

在空調室外機中，噪聲來源主要是軸流風扇和壓縮機，其中，軸流風扇產生的BPF激勵頻率為：

式中，N是風扇轉速，轉/分；n是風扇葉片數量。

壓縮機產生的電磁激勵頻率為：

式中，f是電源頻率的基頻。

壓縮機產生的轉子轉動激勵頻率為：

式中，s是異步電機轉差率。

以上三種激勵產生的振動通過風扇支架、配管、壓縮機腳墊傳遞到箱體上時，都有可能產生拍頻噪聲，需要通過頻譜分析識別出拍頻噪聲的具體頻率，然后進行針對性改善。本文采用如下具體流程來識別和改善拍頻噪聲，如圖1所示。

3 拍頻噪聲分析和改善的研究過程

3.1 噪聲頻譜測試

按照GB/T 7725-2004《房間空氣調節器》中規定的測點位置[6]，對產生拍頻噪聲的空調室外機進行噪聲頻譜測試，拍頻噪聲聽感上表現為聲音不連續，周期性忽大忽小，測試得到的頻譜如圖2所示。

從頻譜中可以看出，產生拍頻噪聲的頻率是234 Hz和240 Hz。測試風扇轉速約810 rpm，根據公式（5）計算的風扇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，因此可以排除風扇與壓縮機拍振的可能。產生拍頻聲的激勵源只剩下壓縮機本身了，根據公式（6）和公式（7），經計算，234 Hz和240 Hz分別是壓縮機轉子轉動激勵的4倍頻和壓縮機電磁激勵的4倍頻。因此拍頻聲產生的原因是，壓縮機產生的234 Hz和240 Hz振動通過配管、橡膠墊等傳遞至箱體上，產生相應頻率的振動，并輻射出拍頻噪聲，需要從傳遞路徑和響應部位進行優化。

圖1 拍頻噪聲分析和改善流程

圖2 室外機原始噪聲頻譜

圖3 簡化的箱體模態測試模型

3.2 室外機箱體模態分析

箱體模態分析的目的是防止箱體固有頻率與拍頻頻率產生共振，從響應部位對拍頻聲進行優化。

采用B&K軟件的MTC Hammer模塊對箱體進行模態分析，整個箱體模型可以簡化為頂板、前面板和側面板，簡化后的箱體模型如圖3所示。

圖4 面板傳遞函數曲線

圖5 橡膠塊安裝位置

圖6 配管加橡膠塊噪聲測試結果

圖7 儲液器回轉方向固有頻率

圖8 更改儲液器固定方式

圖9 焊接儲液器固有頻率

本次測試采用的是移動力錘法，即固定響應點的位置，按順序依次敲擊激勵點。由于只使用了一個單向加速度計，因此頂板、前面板、側面板的模態測試是分開進行的。頂板、前面板、側面板的傳遞函數曲線如圖4所示。

從箱體模態測試結果可以看出，頂板、前面板、側面板沒有234 Hz或240 Hz的固有頻率，說明箱體與拍頻激勵沒有產生共振，其對拍頻噪聲的影響較小。

3.3 分析配管對拍頻聲影響

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。經過實驗，橡膠塊按圖5位置安裝，可取得一定的改善效果，主要表現在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），距離改善目標有差距，需要繼續改善。

3.4 分析儲液器對拍頻聲影響

儲液器通過連接管和支架固定在壓縮機殼體上，其入口與回氣配管連接，這導致壓縮機殼體的振動通過儲液器傳遞至回氣配管，進而傳遞至箱體輻射噪聲，因此控制儲液器的固有頻率對降低拍頻噪聲具有重要意義。該儲液器在回轉方向的固有頻率測試結果如圖7所示。

儲液器固有頻率244 Hz，而且在244 Hz附近的頻率區間內具有較高的響應，由此可知，儲液器放大了壓縮機的4倍頻振動，導致240 Hz拍頻噪聲明顯放大。因此，必須調整儲液器固有頻率，使其避開壓縮機4倍頻激勵。

將儲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），儲液器回轉方向固有頻率從244 Hz增大至328 Hz（如圖9所示），避開了壓縮機4倍頻激勵。

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

從測試結果可以看出，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。這進一步說明了儲液器固有頻率與壓縮機電磁激勵的4倍頻接近，明顯放大了電磁激勵的4倍頻振動，并通過配管將振動傳遞至箱體，這是產生明顯拍頻噪聲的主要原因。

4 結論

本文對空調室外機拍頻噪聲的產生原因，傳遞路徑以及各種影響因素進行了深入的實驗研究和分析，得出如下結論。

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

（2）壓縮機拍頻振動通過配管傳遞至箱體，從而輻射出拍頻噪聲，借助模態分析技術，可以獲得箱體及配管的固有頻率，判斷是否與拍頻頻率產生共振。經測試分析，本案例中箱體和配管對拍頻噪聲的影響較小，不是主要影響因素。

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

圖10 焊接儲液器噪聲測試結果

（4）本案例采用的分析流程對改善空調室外機的拍頻噪聲具有一定參考意義。