空調(diào)管路振動噪聲計(jì)算與評價(jià)方法研究及應(yīng)用

鄧培生 李越峰 邱名友

四川長虹空調(diào)研究院 四川綿陽 621000

0 引言

在當(dāng)前家電產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，產(chǎn)品的振動噪聲問題是行業(yè)面臨的一大難題。對空調(diào)產(chǎn)品來說，室外機(jī)振動噪聲是影響產(chǎn)品可靠性和舒適性的重要因素，也是消費(fèi)者購買產(chǎn)品時關(guān)注的核心問題，其中室外機(jī)管路振動引起的低頻噪聲最為常見，噪聲頻率范圍為50 Hz～400 Hz，此頻率段噪聲在空氣中衰減慢，難被物體吸收，傳播遠(yuǎn)，甚至可穿過墻體傳入室內(nèi)，控制難度大[1-2]。

噪聲問題的根源是由振動產(chǎn)生，空調(diào)室外機(jī)的主要振動噪聲激勵源為空調(diào)壓縮機(jī)，其管路系統(tǒng)可看作振動源的傳遞路徑，管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理對壓縮機(jī)振動具有抑制和放大作用，一般由管路振動引起的噪聲在空調(diào)室外機(jī)噪聲問題中概率大、占比高，針對該問題國內(nèi)外眾多學(xué)者、專家進(jìn)行了長期、大量的研究。AHMADI等[3-4]研究了管路系統(tǒng)由流體引起的振動問題，建立了管路流固耦合仿真分析方法，分析了管道折彎、截面變化、流固耦合模態(tài)等對管路振動的影響；赫家寬等[5]通過對管路結(jié)構(gòu)的模態(tài)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)，結(jié)合管路應(yīng)變測試探究管路結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)模態(tài)及應(yīng)當(dāng)規(guī)避的合理頻率范圍；B. A. Khudayarov等[6]采用改善管路模態(tài)特性的方法調(diào)整管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動優(yōu)化；鄧培生[7]采用Ansys Workbench中參數(shù)優(yōu)化分析方法優(yōu)化管路設(shè)計(jì)參數(shù)，降低了管路振動應(yīng)力水平；尹志勇等[8]對管路系統(tǒng)振動噪聲控制技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)分析與論述。目前各行業(yè)主要采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對管路振動進(jìn)行研究，形成了較為成熟的研究方法，但振動與噪聲之間的機(jī)理研究尚少，家電行業(yè)大都采用專業(yè)的噪聲仿真軟件進(jìn)行聲學(xué)仿真分析，但噪聲仿真過程復(fù)雜、求解效率低，且噪聲仿真結(jié)果難保證，難以達(dá)到企業(yè)實(shí)際應(yīng)用要求。

因此，本文首先建立準(zhǔn)確的振動噪聲耦合仿真方法對空調(diào)管路系統(tǒng)振動和聲輻射進(jìn)行仿真研究，獲取管路振動數(shù)據(jù)信息，再將有限元仿真的振動數(shù)據(jù)作為聲學(xué)激勵進(jìn)行聲輻射仿真計(jì)算，該方法可用于變頻空調(diào)器全轉(zhuǎn)速工況下的振動噪聲評價(jià)。并在此研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出一種高效的噪聲計(jì)算方法，借助計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)噪聲快速計(jì)算與評價(jià)，避免了繁瑣的聲學(xué)仿真和網(wǎng)格劃分尺寸的影響，并通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，為管路振動噪聲分析及評價(jià)提供一種新方法。

1 壓縮機(jī)管路動力學(xué)仿真

1.1 有限元仿真模型建立

采用ANSYS軟件對空調(diào)壓縮機(jī)管路系統(tǒng)進(jìn)行振動仿真，先對CAD模型進(jìn)行前處理，抽取中間面、簡化模型等，建立其壓縮機(jī)、管路及橡膠底腳的動力學(xué)仿真模型，如圖1所示。仿真材料參數(shù)如表1所示。對橡膠腳底面和管路端口設(shè)置固定約束，管路及壓縮機(jī)焊接部位采用綁定接觸設(shè)置，先進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，然后再采用模態(tài)疊加法進(jìn)行諧響應(yīng)分析，求解頻率范圍為10 Hz～400 Hz，阻尼系數(shù)為0.03，由于難以獲取準(zhǔn)確的壓縮機(jī)激勵載荷，本文采用1000 N·mm的單位激勵載荷進(jìn)行定性分析。

圖1 壓縮機(jī)管路有限元模型

表1 仿真材料參數(shù)

1.2 仿真結(jié)果分析

動力學(xué)仿真求解完成后，其計(jì)算結(jié)果包含了應(yīng)力應(yīng)變、速度、加速度、位移等數(shù)據(jù)。該款變頻壓縮機(jī)工作頻率范圍為10 Hz～100 Hz，行業(yè)內(nèi)以應(yīng)力值作為管路振動衡量標(biāo)準(zhǔn)，仿真需考察該頻率段管路的應(yīng)力水平，識別共振風(fēng)險(xiǎn)，一般管路彎位部位應(yīng)力較集中，提取管路吸排氣彎位處應(yīng)力曲線，該套管路系統(tǒng)共存在25 Hz、49 Hz、88 Hz三個共振點(diǎn)。為驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性進(jìn)行管路應(yīng)力測試，測點(diǎn)布置為相應(yīng)的吸排氣彎位，圖2給出了應(yīng)力測試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對比曲線，由于壓縮機(jī)不同頻率點(diǎn)激勵載荷不同，而仿真輸入的是一個恒定的標(biāo)準(zhǔn)激勵載荷，在這里僅對共振點(diǎn)進(jìn)行對比，結(jié)果如表2所示，可以看出仿真與實(shí)測共振頻率基本一致，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可信性。應(yīng)力測試試驗(yàn)如圖3所示。

表2 仿真與實(shí)測共振頻率對比

圖2 仿真與實(shí)測應(yīng)力曲線對比

圖3 應(yīng)力測試試驗(yàn)

2 振動噪聲耦合仿真

2.1 聲學(xué)仿真模型建立

應(yīng)用聲學(xué)軟件建立壓縮機(jī)管路聲學(xué)仿真模型，提取結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格為聲學(xué)網(wǎng)格，如圖4所示。賦予聲學(xué)材料屬性，聲速v=340 m/s，質(zhì)量密度1.225 kg/m3，將動力學(xué)分析結(jié)果的振動速度信息轉(zhuǎn)移到聲學(xué)網(wǎng)格模型，導(dǎo)入場點(diǎn)，設(shè)置聲學(xué)邊界，建立外部聲場計(jì)算模型，如圖5所示。

圖4 聲學(xué)網(wǎng)格模型

圖5 外部聲場計(jì)算模型

2.2 聲學(xué)仿真計(jì)算

聲學(xué)網(wǎng)格劃分對聲學(xué)仿真結(jié)果影響較大，本文通過不斷調(diào)整網(wǎng)格尺寸，最終設(shè)置網(wǎng)格尺寸為2 mm，聲學(xué)求解結(jié)果達(dá)到收斂，噪聲求解范圍為10 Hz～400 Hz，通過計(jì)算獲得外部聲場聲功率曲線，如圖6所示，該方法可用于管路振動噪聲的定性評價(jià)和對比。

圖6 外部聲場聲功率曲線

3 管路噪聲高效計(jì)算與評價(jià)方法

3.1 管路振動與聲輻射噪聲理論

結(jié)構(gòu)表面振動速度與噪聲輻射有如下關(guān)系[9]：

式（1）中：W為輻射功率； 為聲阻抗；為表面法向振動速度；s為振動表面面積；為聲輻射比。

取基準(zhǔn)聲功率為W0，則聲功率級為：

上述中，聲輻射比 是一個重要參數(shù)，它反映了噪聲輻射的有效度，與結(jié)構(gòu)特征、邊界條件及振動頻率相關(guān)[10-11]，高頻比低頻更容易輻射，高于臨界頻率輻射比趨于1。

3.2 管路輻射噪聲計(jì)算與評價(jià)方法

基于有限元仿真軟件二次開發(fā)功能，采用python語言編寫管路噪聲計(jì)算及評價(jià)程序，程序的計(jì)算流程為：提取管路ANSYS有限元振動速度數(shù)據(jù)；利用式（1）和式（2）快速計(jì)算振動聲功率曲線，式中聲速取值為343.25 m/s2，空氣質(zhì)量密度 為1.2 kg/m3，基準(zhǔn)聲功率W0為10-12W；表面法向振動速度通過仿真數(shù)據(jù)獲取，聲輻射比基于聲功率仿真值與程序計(jì)算值進(jìn)行對比擬合確定，并應(yīng)用該輻射比計(jì)算了多種管路模型以驗(yàn)證該輻射比的通用性。程序計(jì)算值與聲學(xué)仿真值對比如圖7所示，兩者計(jì)算結(jié)果較一致，誤差小于5%，而程序計(jì)算效率是仿真的900倍。進(jìn)一步，對長期產(chǎn)品開發(fā)過程中的大量機(jī)型進(jìn)行噪聲測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比分析，并根據(jù)噪聲曲線的最大值、總體聲輻射能量、噪聲曲線峰值個數(shù)及對應(yīng)的頻率點(diǎn)等維度進(jìn)行打分評價(jià)，統(tǒng)計(jì)分析得出，噪聲評價(jià)得分大于65分的產(chǎn)品為實(shí)測評價(jià)合格。編寫噪聲評價(jià)程序，融入噪聲計(jì)算模塊中，實(shí)現(xiàn)噪聲曲線的自動評價(jià)，得分合格的方案才能進(jìn)入試制階段。

圖7 程序計(jì)算值與仿真值對比

3.3 應(yīng)用算例

應(yīng)用上述研究方法在管路設(shè)計(jì)階段對管路方案進(jìn)行快速的噪聲預(yù)測及評估，選擇較優(yōu)方案進(jìn)行加工試制，以提高管路設(shè)計(jì)成功率和研發(fā)效率。在產(chǎn)品開發(fā)過程中針對某品牌空調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)三種管路方案，如圖8所示。先進(jìn)行壓縮機(jī)管路動力學(xué)仿真獲取振動數(shù)據(jù)信息，再利用噪聲計(jì)算程序進(jìn)行快速的噪聲計(jì)算及自動評價(jià)，噪聲計(jì)算結(jié)果如圖9所示，方案1、方案2、方案3分別得分為70分、63分、62分。為證明噪聲評價(jià)方法的準(zhǔn)確性，將三種方案進(jìn)行樣機(jī)加工，分別進(jìn)行噪聲測試，方案1噪聲測試合格，而方案2和方案3噪聲測試結(jié)果較差，在壓縮機(jī)運(yùn)行頻率為80 Hz～90 Hz頻率段存在低頻噪聲，1/3倍頻程聲功率級數(shù)據(jù)表現(xiàn)為160 Hz和200 Hz的噪聲偏大，比方案1噪聲大4 dB～6 dB，如圖10所示，試驗(yàn)測試結(jié)論與噪聲預(yù)測結(jié)果保持一致，證明了該噪聲評價(jià)方法的有效性。

圖8 三種管路設(shè)計(jì)方案

圖9 噪聲計(jì)算值對比

圖10 噪聲實(shí)測結(jié)果對比

4 結(jié)論

本文基于建立準(zhǔn)確的壓縮機(jī)管路有限元模型和聲學(xué)模型，對空調(diào)管路系統(tǒng)振動噪聲進(jìn)行耦合仿真研究。通過動力學(xué)仿真可獲取變頻壓縮機(jī)全頻率段的應(yīng)力、振動速度等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步將動力學(xué)仿真輸出數(shù)據(jù)作為聲學(xué)激勵進(jìn)行聲輻射仿真，可計(jì)算出外部聲場數(shù)據(jù)，該分析方法可用于變頻空調(diào)器管路噪聲計(jì)算分析。

鑒于管路噪聲仿真過程繁瑣、網(wǎng)格對聲學(xué)仿真影響大、計(jì)算耗時、企業(yè)難應(yīng)用等問題，本文基于振動噪聲耦合仿真理論進(jìn)一步提出一種高效的噪聲計(jì)算方法，借助計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)噪聲快速計(jì)算和自動評價(jià)，并通過噪聲試驗(yàn)驗(yàn)證了該計(jì)算方法的準(zhǔn)確性，該計(jì)算方法簡單、高效，準(zhǔn)確、具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，突破了傳統(tǒng)的噪聲仿真方法，為管路系統(tǒng)振動噪聲的快速預(yù)測及評價(jià)提供了一種新方法。