風管機100 Hz異常噪聲機理研究

夏 凱

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

風管機作為一拖一式空調器，多采用暗藏式安裝，具有美觀大氣、節約空間的特點，廣泛應用于家庭、酒店和辦公室等場所。風管機的噪聲水平直接關系到用戶體驗，在設計階段應嚴加控制。一方面，應做好風機系統中風葉、電機轉軸、聯軸器等旋轉結構的動平衡設計，以避免殼體振動過大導致的螺釘松動及碰響問題[1]；另一方面，對于直流風管的高頻噪聲問題，應從電機結構優化角度加以分析解決[2]，對于交流風管機，應特別注意100 Hz峰值異常噪聲問題，從電機、風管機殼體[3]、風葉[4]等結構加以優化解決。本文針對某型交流風管式室內機評審測試時出現的顯著100 Hz異常噪聲問題，從動力源和傳遞路徑兩個層面分析，確定問題產生原因及解決方案。

1 風管機電機振動和噪聲研究

1.1 問題描述

某型交流風管機搭配的電機為FG**H單相電容運轉異步電機，電源頻率為50 Hz，該電機搭配的電容值為3 μF，包含SL、L、M、H四個檔位，分別為超低檔、低檔、中檔和高檔，記該電機為FG**H-3μF。嗡嗡聲噪聲問題在超低檔時表現尤為明顯，同時電機振感強烈，通過噪聲頻譜分析可知該問題主要由100 Hz峰值噪聲過大引起，噪聲總值與100 Hz峰值噪聲之差僅有10.3 dB。

1.2 電機振動特性分析

將機組水平放置（與實際安裝一致），打緊卡箍，選擇電機殼體中部、端部共3個測點（記為右、中、左），如圖1所示，測試3個測點處的三向（切向、徑向和軸向）振動加速度，積分提取振動速度，最終振動速度取三個測點的平均值。

圖1 振動測點示意圖

初步測試分析可知，電機帶載時切向振動遠大于軸向、徑向振動，因此這里僅對切線振動速度進行分析。電機切向振動速度數據見表1，可以看出100 Hz峰值占主導，與噪聲頻率異常點一致，可以初步判定100 Hz峰值噪聲是由100 Hz峰值振動直接相關。

表1 電機切向振動速度（mm/s）

基于“從源頭控制”的思想，嘗試先著手從電機這一動力源來分析問題的成因，為解決噪聲問題提供思路和有效方案。從電機噪聲振動理論可知，單相異步電機2倍電源頻率（100 Hz）切向振動是由電機正序磁場、逆序磁場相關作用引起的。對于單相電容運轉異步電機，副繞組支路串聯電容，一直接入電源工作，副繞組電流相位超前主繞組電流，選擇合適的電容可以使旋轉磁場接近于圓形，有利于改善振動噪聲[5]。為此，改變FG**H的搭配電容，考查整機噪聲變化情況。

1.3 電機電容對風管機噪聲和電機振動的影響分析

表2給出了搭配幾種電容下風管機噪聲總值和100Hz峰值噪聲，可以看出隨著電容的增大，噪聲總值成增大趨勢，而100 Hz峰值噪聲先減小后增大，存在極小值，噪聲總值與100 Hz峰值差也呈先增大后減小的趨勢。電容取4.5 μF或5.0 μF時，風管機聲品質有明顯改善，但仍能聽到輕微嗡嗡聲，未能徹底解決問題，這說明FG**H電機本體或傳遞路徑上存在優化空間。從成本方面考慮，優化電機本體可行性低。采用類似于FG**H電機的電容設置方法，發現選用FG**F電機搭配3.5 μF電容時，風管機所有風檔下異常噪聲消失，可有效解決問題。

表2 電機電容對風管機噪聲的影響

2 傳遞路徑研究

2.1 風機隔振系統分析

電機載荷通過隔振膠圈和電機支架向殼體傳遞，力傳遞率可表示為[6]：

式中：

Ft—電機載荷；

F0—電機支架響應載荷；

ζ—隔振膠圈阻尼比；

λ—激勵頻率與隔振系統固有頻率之比。

由公式（1）我們知道，為了達到理想的隔振效果，隔振系統的固有頻率應遠離激勵頻率，以避免共振帶來的噪聲振動問題。工程實際應用中，一般設計隔振系統的固有頻率小于激勵頻率的0.8倍或大于激勵頻率的1.2倍。對于本例而言，有必要分析電機-減振膠圈隔振系統的固有頻率，排除共振的影響。

應用LMS Test.Lab噪聲振動測試儀，采用錘擊法開展模態試驗，振動加速度測點布置在電機殼體中部，敲擊點選擇在電機殼體切向，獲取不同狀態下模態頻率，見表3。可見，FG**F和FG**H電機隔振系統固有頻率均遠離100 Hz切向激勵頻率，排除了共振的可能。而FG**F電機隔振系統明顯低于FG**H，說明前者隔振效果優于后者。此外，從表3還可以看出，風葉對電機隔振系統固有頻率影響很小，電機卡箍會明顯增大電機隔振系統的固有頻率。綜合來看，電機隔振系統設計良好，不是本案中風管機100 Hz異常噪聲的誘因。

表3 電機隔振系統固有頻率（Hz）

2.2 電機轉子和風管機殼體分析

采用同樣的方法，對電機轉子系統和風管機殼體開展模態試驗。其中，FG**H電機轉子系統的模態測試結果顯示，轉子系統前兩階模態頻率為82 Hz和122 Hz，均遠離100 Hz激勵頻率，轉子系統不會發生共振，因而可排除轉子系統對風管機異常噪聲的貢獻。

風管機上蓋板、下蓋板、蝸殼均存在100 Hz附近的固有頻率，其中上蓋板96 Hz，下蓋板101 Hz，蝸殼97 Hz和107 Hz，均有可能在電機振動激勵下發生共振。但是，殼體面積大、壁薄，低頻段的固有頻率密集，很容易落入（100±10）Hz范圍內，從結構設計上難以控制，因此仍建議采用更換電機優選搭配電容的方案從源頭上加以解決。

3 結論

針對某型風管機100 Hz嗡嗡聲問題，開展噪聲試驗、振動試驗和模態試驗研究，分析了風管機音質與電機振動的關系，研究了異常噪聲形成機理。主要結論如下：

1）100 Hz峰值噪聲主要為電機的切向振動激勵引起的殼體共振輻射噪聲，且在低風檔時由于氣動噪聲較小，異常噪音尤其突出。

2）隨著電機電容的增加，各檔的轉速提高，相應的噪聲總值也隨之增加，100 Hz峰值噪聲先減小后增大。電容不變時，風機轉速越高，噪聲總值和100 Hz峰值噪聲也越大，而轉速增加帶來的氣動噪聲增加量大于峰值噪聲增加量。

3）風機電機隔振系統設計避開了100 Hz激勵頻率，不是風管機異常噪聲的誘因。