空調(diào)器電動機低頻噪聲分析及治理

奧克斯空調(diào)股份有限公司 魏華鋒 秦 憲 吳 君

0 引言

隨著人民生活水平的提高，對空調(diào)器的要求已不局限于冷熱調(diào)節(jié)，舒適性要求也越來越高，如靜音等。空調(diào)器噪聲主要由室外側(cè)噪聲和室內(nèi)側(cè)噪聲構(gòu)成。室外側(cè)噪聲主要指壓縮機、風(fēng)機電動機運行過程中與殼體結(jié)構(gòu)和管路共振產(chǎn)生的噪聲。室內(nèi)側(cè)噪聲主要指風(fēng)機電動機和高速流動的制冷劑與殼體結(jié)構(gòu)和管路共振產(chǎn)生的噪聲。

噪聲按頻率分為低頻噪聲、中高頻噪聲。目前對于空調(diào)器800 Hz以上的中高頻噪聲研究較多，其降噪措施主要為消聲和吸聲，而對800 Hz以下的低頻噪聲的機理和降噪手段研究較少。研究表明，消費者對低頻噪聲的敏感度要高于中高頻噪聲，即低頻噪聲引起的煩惱度要大于高頻噪聲[1]，因此，降低低頻噪聲對提高空調(diào)器靜音效果具有很大的意義。

筆者在產(chǎn)品開發(fā)中，發(fā)現(xiàn)功率2 600 W的定頻空調(diào)器存在低頻噪聲：114 Hz時發(fā)出“咚咚”聲，360 Hz時發(fā)出“嗚嗚”聲，且噪聲連續(xù)，噪聲較大，類似壓縮機傳遞聲，體驗者不適度高。針對此問題，開展了低頻噪聲源識別、低頻噪聲產(chǎn)生機理及其傳播路徑和輻射的研究，并對噪聲源、傳播路徑和噪聲輻射面進行了改善方案論證，以促進低頻噪聲的治理。

1 噪聲分析

測試樣機：功率2 600 W的定頻空調(diào)器。試驗室：混響噪聲室。

測點布置如圖1所示：在混響噪聲室內(nèi)布置5個噪聲測點，測點1～4布置在試驗室4個角落，測點高度為各角落異音聽感最大處，測點5自由調(diào)整，布置在整個試驗室異音聽感最大處。

圖1 測點布置示意圖

1.1 噪聲源識別方法

空調(diào)器噪聲組成比較復(fù)雜，包括壓縮機噪聲、管路噪聲、液流噪聲、電動機噪聲等，進行噪聲處理前需要對噪聲源進行鑒別，并對主噪聲源開展降噪分析。

噪聲鑒別方法主要有分步運轉(zhuǎn)法、選擇隔離法、聲強測量法、頻譜分析法、倒頻譜分析法、相關(guān)分析法等。每種方法各有優(yōu)缺點和局限性，在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇最適宜的鑒別方法。本案例中采用了分步運轉(zhuǎn)法、選擇隔離法和頻譜分析法[3]。

分步運轉(zhuǎn)識別噪聲源：在不同的時間，分別測試不同噪聲源的輻射聲功率，并進行比較，輻射聲功率最大的噪聲源即為主要噪聲源。初步判斷產(chǎn)生114 Hz和360 Hz低頻噪聲的源為室外機電動機，其測試噪聲值及最大頻率如表1所示。

表1 電動機和壓縮機分步運轉(zhuǎn)噪聲

選擇隔離識別噪聲：對同一型號電動機，分別單獨運行檢測噪聲，確認(rèn)是否為電動機的共性問題。測試噪聲值及其最大頻率如表2所示。測試結(jié)果表明，114 Hz和360 Hz低頻噪聲為電動機共性噪聲。

表2 電動機噪聲一致性分析測試結(jié)果

1.2 噪聲源分析

通過噪聲頻譜分析，確認(rèn)114 Hz和360 Hz的低頻噪聲為電動機共性噪聲,采用噪聲矩陣分析法分析各噪聲頻率段的主要噪聲源，然后對主要噪聲源進行分析，如圖2所示。

注：B為噪聲類型；f為噪聲頻率。圖2 電動機低頻噪聲頻率矩陣分析圖

通過分析發(fā)現(xiàn)，主要噪聲源為電動機的電磁噪聲和機械振動噪聲，低頻噪聲主要分布在100、114、125、360 Hz和500～2 000 Hz頻率段，為電動機裝配精度或旋轉(zhuǎn)不平衡引起的振動噪聲、軸承噪聲等及與空調(diào)殼體、墻體產(chǎn)生的共振噪聲[4]。

2 噪聲產(chǎn)生機制與傳播路徑

2.1 電動機噪聲源

電動機噪聲主要有電磁噪聲、機械噪聲和氣流噪聲。電動機低頻噪聲故障分析方法(FTA)分析結(jié)果見表3。

表3 電動機低頻噪聲故障分析方法(FTA)分析結(jié)果

電磁噪聲來源于電磁振動，電磁振動由電動機氣隙磁場作用于電動機鐵芯產(chǎn)生的電磁力激發(fā)，而電動機氣隙磁場又決定于轉(zhuǎn)子繞組磁動勢和氣隙磁導(dǎo)。氣隙磁場產(chǎn)生的電磁力是一種旋轉(zhuǎn)力波，分為徑向和切向2個分量。徑向分量使定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動，是電磁噪聲的主要來源；切向分量是與電磁旋轉(zhuǎn)相對應(yīng)的作用力矩，它使轉(zhuǎn)子根部彎曲，并產(chǎn)生局部振動變形，是電磁噪聲的次要來源[2]。

電磁噪聲是一種單一頻率噪聲，在某轉(zhuǎn)速下固定不變，頻譜不連續(xù)，包含一個或多個單峰。當(dāng)電磁頻率與固有頻率接近時，會產(chǎn)生諧振，鐵芯振動及輻射噪聲將大幅增大。

機械噪聲是電動機運轉(zhuǎn)過程中摩擦、撞擊、不平衡及結(jié)構(gòu)共振引起的噪聲，電動機振動主要分徑向振動和軸向振動，徑向振動主要由轉(zhuǎn)子的不平衡旋轉(zhuǎn)力引起，而軸向振動與軸承摩擦有關(guān)[5]。

氣流噪聲是通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力局部迅速變化和隨時間急劇脈動時與障礙物發(fā)生摩擦產(chǎn)生的單頻噪聲，如薄壁零件諧振造成的“笛聲”。

2.2 噪聲的傳播路徑

電動機噪聲源于振動，電動機振動在固體中的傳播路徑為：轉(zhuǎn)子不平衡、軸承不平衡等不平衡力產(chǎn)生的振動傳遞到電動機殼體，通過電動機支架傳遞到室外機底盤、冷凝器，然后傳遞到箱體和安裝支架，進而傳遞到室內(nèi)[6]。

從傳播路徑來看，通過阻尼削弱傳播過程中的振動是有效控制電動機振動噪聲的方式[7]。

3 降噪措施和試驗驗證

3.1 降噪措施

對于電動機的低頻共振噪聲，主要降噪措施為削弱激勵源的振動和減弱傳播過程中的振動。具體降噪措施如表4所示。

表4 電動機低頻噪聲降噪措施

3.2 試驗驗證

1) 方案1。

如圖3所示，114 Hz和360 Hz低頻噪聲基本消失，體驗未發(fā)現(xiàn)低頻“嗡嗡”聲等異音。通過試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，減小風(fēng)機葉片質(zhì)量，降低軸承負(fù)載，減弱軸承的摩擦和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心，提升動平衡，有利于降低電動機的低頻振動。在風(fēng)機葉片設(shè)計階段需驗證與之匹配的電動機噪聲，確保無噪聲異常。

圖3 電動機低頻噪聲整改方案FTA頻譜

2) 方案2。

如圖3所示，114 Hz噪聲降低6.1 dB,360 Hz噪聲降低3.5 dB，體驗發(fā)現(xiàn)，低頻“嗡嗡”聲明顯降低，通過試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化電動機轉(zhuǎn)速，避開共振頻率可以減少電動機的低頻振動。因此，電動機降噪過程中，應(yīng)多關(guān)注電動機轉(zhuǎn)速及風(fēng)機葉片轉(zhuǎn)向等，以減少軸承振動為切入點，開展降噪工作。

3) 方案3。

如圖3所示，改變外觀結(jié)構(gòu)可以改變殼體剛度，從而改變電動機固有模態(tài)，通過實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，噪聲頻譜中114 Hz和360 Hz噪聲消失。試驗驗證優(yōu)化電動機殼體結(jié)構(gòu)，提高殼體剛度，改變電動機共有頻率和共振，改善了噪聲輻射，可完全消除電動機114 Hz和360 Hz噪聲。

4) 方案4。

如圖3所示，114 Hz噪聲不變,360 Hz噪聲降低0.8 dB，改善效果不明顯，通過實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化電動機支架雖能改善傳播路徑，但對低頻噪聲的改善有限。因此在傳播路徑方向上消除噪聲，應(yīng)關(guān)注噪聲吸收和輻射，單純改變安裝支架的固有模態(tài)，降噪效果不明顯。

通過以上試驗驗證數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，解決空調(diào)電動機低頻噪聲的主要手段為優(yōu)化電動機固有模態(tài)和優(yōu)化電動機與風(fēng)機葉片的匹配度，減少軸承的不平衡，通過減弱電動機振動，有效消除低頻噪聲[8]。

4 結(jié)論

1) 空調(diào)器的噪聲為多源噪聲耦合效應(yīng)，要精準(zhǔn)鑒別其主要噪聲，需采用分步運轉(zhuǎn)法、頻譜分析法等精準(zhǔn)識別并篩選主要噪聲源，然后實施降噪手段，如削弱噪聲源和改善噪聲傳播路徑等。

2) 空調(diào)電動機低頻噪聲較為復(fù)雜，多為電動機、風(fēng)機葉片不匹配造成，因此應(yīng)針對不平衡的機械運轉(zhuǎn)引起的噪聲開展研究，如轉(zhuǎn)子不平衡噪聲、軸承噪聲等，其改善措施主要有降低軸承負(fù)載、調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速、風(fēng)機葉片結(jié)構(gòu)及質(zhì)量和提高軸承質(zhì)量、精度及其配合，減小質(zhì)量偏心。

3) 空調(diào)電動機的低頻噪聲主要由振動引起，提高電動機結(jié)構(gòu)剛度，改變模態(tài)，降低固有頻率，有利于減少其與空調(diào)器室外機殼體的共振，削弱低頻噪聲。