王永濤　尹曉英　戴現(xiàn)偉　李英舒

青島海爾空調器有限總公司　山東青島　266101

1　引言

隨著生活品質的提高，消費者越來越關注空調的噪聲問題。與分體式空調相比，窗式空調安裝方便、結構緊湊，但噪音較大[1]。一方面，與分體式空調不同，窗機室內側的送冷風風扇與室外側的排熱風風扇皆由同一個雙軸電機帶動，無法獨立調節(jié)各自轉速，因此較難控制噪音；另一方面，窗機為一體機，其壓縮機無法與室內側完全隔離，導致噪音明顯。

基于氣動聲學的基礎理論和實驗結果，許多專家和學者對風扇噪聲相關原理進行了深入研究。Y. Scnoo和Y.Kodama[2]在文章中指出，風扇噪聲主要由旋轉噪聲和紊流噪聲兩部分組成，并指出紊流噪聲是低壓軸流風機的主要噪音。李林凌[3]等結合葉素理論及非線性氣動力理論，建立相應的扇葉紊流噪聲模型，研究了包括葉片半徑、攻角和截面等參數(shù)對氣動噪聲特性的影響；馬大猷院士[4]提出了微穿孔板吸聲降噪結構。

本文針對窗機降噪優(yōu)化設計需求，從減少氣動噪音（湍流噪音、旋轉噪音）方面入手，對某款窗式空調送風系統(tǒng)進行優(yōu)化，并以實驗與仿真模擬結合的方法，有效地驗證了本文所述優(yōu)化方案的可行性。

2　實驗研究

2.1　技術方案

窗機結構示意見圖1，其噪音主要有三大來源，氣動噪音（湍流噪音、旋轉噪音）、結構噪音（壓縮機運轉、薄壁件振動）、電磁噪音（壓縮機、電機、電路板）。其中氣動噪音占總噪聲的68%～85%[5]，主要由葉輪在旋轉做功過程中產生，因此降噪的主要方向在于優(yōu)化送風系統(tǒng)。

后向離心風扇的效率比前向和徑向風扇效率要高，在同樣工況下可以有效降低整機功率。風輪直徑越大，得到相同風量時其轉速越低，降轉速可以有效降低噪音；軸流風扇葉片表面設置凹坑，可以減少葉片吸力面的附面堆積與分離，減少渦流的形成；葉片邊緣設置為鋸齒，鋸齒可以減少葉片后沿（后緣）的渦流分離，從而降低噪音。

基于此，設計將原方案中前向離心風扇、室外軸流風扇替換，室內側采用后向式離心風扇、室外側采用邊緣鋸齒、凹凸表面的三葉片軸流風扇。通過室內外風扇優(yōu)化方案，在性能保持不變情況下，提高送風系統(tǒng)效率，降低整機噪音。

圖1　窗機結構示意圖

圖2　原方案頻譜圖

圖3　新方案頻譜圖

2.2　實驗設備及方法

實驗室采用聲學照相機（聲相儀）監(jiān)測噪音源的位置和噪音輻射的狀態(tài)。聲學照相機通過多個麥克陣列的方式來測量聲場分布，該設備配置有48個麥克陣列，不需要詳細分析，可實時地利用顏色映射法，探測出瞬間的噪音發(fā)生源。主要規(guī)格：環(huán)形陣列直徑為75cm，最佳測量范圍為0.5m～5m，最佳映射頻率為400Hz～20kHz，空間分辨率為1cm@1000Hz。

聲品質評價系統(tǒng)：配置有最先進模擬人工頭，進行立體聲錄音，可以再現(xiàn)出無限接近于人類聽覺感官收到的聲音。其主要分析功能由數(shù)據(jù)采集模塊、基本分析軟件、采樣數(shù)可調的快速傅里葉變換（FFT）、心理聲學模塊、進行高級心理聲學研究的模塊來實現(xiàn)。

2.3　實驗數(shù)據(jù)對比分析

實驗結果如表1所示。由表1可知，優(yōu)化前后室內送風量與室外送風量沒有明顯下降，整機性能基本一致，但噪音顯著降低：室內側噪音降低約3dB，室外側噪音降低約4dB。

通過原方案與新方案噪音頻譜圖（圖2、圖3）對比可知，新方案在200Hz到800Hz頻率區(qū)間的尖峰值數(shù)量較少，且尖峰值噪音波動范圍較小，即新方案旋轉噪音較原方案有很大改善。

對于室內側：采用前向離心改為后向式離心風扇。當氣體在相鄰葉片通道流動時，由于離心力作用會產生速度差。兩種情況在前向離心風扇中共同作用，會導致不均勻性加劇，而這兩種情況恰好使得不均勻性在后向離心風扇中得以緩和，因此我們采用高效率的后向式離心風機。

對于室外側：軸流風扇由四葉片改為三葉片，三葉片基頻低，不易產生共振。扇葉設計為凹凸表面和邊緣鋸齒，凹凸坑可以減少葉片吸力面的附面堆積和分離，減少渦流的形成；鋸齒可以減少葉片后沿的渦流分離，從而降低噪音。

表1　優(yōu)化前后方案實驗數(shù)據(jù)對比（1630rpm）

表2　優(yōu)化前后方案模擬結果對比（1630rpm）

3　數(shù)值研究

3.1　仿真建模

使用star-ccm+對某款窗機進行三維仿真模擬，分別建立室內離心側整機模型和室外軸流側整機模型。其幾何建模與網格劃分采用Hypermesh進行，由于風扇、電機支架等結構幾何形狀比較復雜，故而采用多面體網格，室外側網格數(shù)量為223萬，室內側網格數(shù)量為134萬。

仿真模型分為進口區(qū)、出口區(qū)、旋轉流體區(qū)及換熱器區(qū)四個區(qū)域，采用多孔介質模型描述換熱器區(qū)，進出口條件為壓力進出口、設定轉速為1630rpm，采用K-Epsilon Turbulence湍流模型進行仿真計算。

3.2　數(shù)值模擬結果分析

在1630rpm轉速下，整機風量如表2所示，可知仿真結果與實驗數(shù)據(jù)基本一致，優(yōu)化前后室內送風量與室外送風量沒有明顯下降。

對于室內側，前向離心風機改為后向離心風機，圖4與圖5為優(yōu)化前后室外側速度云圖對比，從圖中可以看出原方案中，在出風口附近有一個比較強的大渦流區(qū)，對應的速度矢量圖中有明顯的速度回流，這個渦的存在不僅降低了風扇的效率，也會導致噪聲的產生。新方案中，流場分布明顯改善，無明顯渦流，因此氣動噪聲會有明顯改善。

對于室外側，四葉片普通軸流風扇改為邊緣鋸齒、凹凸表面的三葉片軸流風扇。圖6與圖7為優(yōu)化前后室外側速度云圖對比，從圖中可知原方案中，最大噪音值明顯較新方案大，新方案中，葉片表面凹坑和邊緣鋸齒減少了吸力面的附面堆積與分離，渦流減少，從而降低噪音。

4　結論

對于窗機整機的噪音優(yōu)化，室內側采用后向式離心風機，室外側則應采用邊緣鋸齒、凹凸表面的三葉片軸流風扇來降低氣動噪音。通過仿真數(shù)據(jù)對比和實驗結果驗證，優(yōu)化后的方案在整機性能上差異不大，噪音顯著下降，室內側噪音降低約3dB，室內側噪音降低約4dB。

圖4　原方案室內側速度矢量圖

圖5　新方案室內側速度矢量圖

圖6　原方案室外側寬頻噪音云圖

圖7　新方案室外側寬頻噪音云圖