萬葛亮 郭開波

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空氣源熱泵外機低頻噪聲源識別及優(yōu)化

萬葛亮 郭開波

（蘇州大學機電工程學院 蘇州 215000）

以某型空氣源熱泵外機為例，測試和分析了外機噪聲頻譜數據，結合濾波回放技術，確定了低頻噪聲頻率。利用模態(tài)測試和聲源識別技術，確定了機組外機低頻噪聲產生的主要原因。根據分析結果對機組外機壁板進行了優(yōu)化和改進，并對整改后的機組外機進行了試驗測試。結果表明，優(yōu)化后的機組外機低頻噪聲有了明顯改善，為熱泵及空調機組外機低頻噪聲源識別及控制提供了一種有效方法。

空氣源熱泵；濾波回放；低頻噪聲；模態(tài)測試；聲源識別

0 引言

近年來隨著北京煤改電項目的不斷進展，全國各地，特別是北方地區(qū)陸續(xù)加入煤改電大軍，一時間華夏大地悄然地進入一個新能源時代。毋庸置疑，空氣熱泵在這次煤改電項目中一馬當先，為我國環(huán)保事業(yè)做出了不可磨滅的貢獻，為祖國的藍天描上了濃重的一筆?？諝庠礋岜靡钥諝鉃闊嵩蠢蒙倭侩娔軐崿F制熱循環(huán)以及空氣調節(jié)功能，同時具有節(jié)能、環(huán)保、安全等顯著特點[1,2]。由于空氣源熱泵的使用，帶來能源節(jié)省、環(huán)保的同時，也帶來了噪聲污染問題，尤其是低頻噪聲問題，低頻噪聲因其波長長，具有較強的穿透力，長期在低頻噪聲污染下，對人們的身心健康會造成嚴重影響[3]。因此，對空氣源熱泵噪聲的治理顯得尤為重要。

目前，空氣源熱泵的噪聲治理處于起步階段，大多的降噪方案還借鑒空調減振降噪的經驗。本文針對某空氣源熱泵，介紹了其工作原理，利用NVH試驗分析技術對樣機進行了測試與分析，確定了引起低頻聲的主要頻率。結合模態(tài)試驗技術和聲源識別技術，鎖定了產生低頻噪聲的主要根源。根據分析結果對機組壁板進行了優(yōu)化與改進，并對優(yōu)化后的機組進行了噪聲測試，發(fā)現改進后的機組低頻噪聲得到了較大的改善。結果表明，通過聲源識別和模態(tài)試驗技術，準確地找出了產生低頻噪聲的根本原因，對結構進行了合理的優(yōu)化與改進，解決了該型空氣源熱泵機組的低頻噪聲問題，為低頻噪聲的分析與控制提供了有效可行的方法。

1 空氣源熱泵機組結構與工作原理

空氣源熱泵是以空氣為熱源，通過吸收空氣中的熱量來加熱冷水的機器。內部主要有四個核心部件：壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器，其中壓縮機主要是將回流的冷媒進行壓縮，排出高溫高壓的氣體；冷凝器主要是將壓縮機排出的高溫高壓氣體進行冷卻，發(fā)生相變進行換熱，實現對水進行加熱；膨脹閥主要對冷凝器出來的高壓液體進行節(jié)流降壓，使部分媒介氣化，變成低溫低壓的濕蒸汽；蒸發(fā)器主要是將膨脹閥出來的低壓媒介進行蒸發(fā)變成氣態(tài)，吸收空氣中大量的熱[4]。

空氣源熱泵的工作原理與空調原理有一定相似，應用了逆卡諾原理，通過吸收空氣中大量的低溫熱能，經過壓縮機的壓縮變?yōu)楦邷責崮埽瑐鬟f給循環(huán)水，對水進行加熱，實現空間制熱[5,6]。整個過程是一個能量轉移的過程，而不是一個能量轉換的過程。

2 機組低頻噪聲源分析與識別

2.1 機組低頻異常頻率確定

本文研究對象機組以某型空氣源熱泵為例，壓縮機工作電頻率為50Hz。在半消聲室對機組展開聲壓試驗研究，傳聲器測點布置依據JB/T 4330- 199《空調機(器)噪聲聲壓級的測量》執(zhí)行，利用頻譜分析初步判斷異常噪聲所在頻帶，測試所用傳聲器布局如圖1所示。

圖1 傳聲器布置情況

本試驗采用的儀器有LMS SCADAS Ⅲ數采前端、PC工作站電腦、PCB聲壓傳感器、BNC導線和工具等，試驗數據處理分析在LMS Test.Lab 10B中完成。

機組運行在50Hz工況下，測試機組在該工況下的聲壓，機組前、后、左、右四個傳聲器頻譜結果如圖2所示，各測點聲壓值及峰值頻率如表1所示。

圖2 測點聲壓頻譜圖

表1 測點聲壓值及峰值分布（單位：dBA）

從聲壓頻譜數據及峰值分布情況來看，前、后、左、右四個測點中，機組后方測點聲壓總值最大，其次是機組右方測點；從每個測點聲壓頻譜中可以看出，98Hz處幅值最大，其中機組后方測點處的98Hz幅值最大。從現場聽感來說，也是機組后方的低頻聲較明顯，與測試結果吻合。

以機組后方聲壓測試數據為研究對象，利用Sound Diagnosis后處理工具對聲壓時域數據進行98Hz濾波處理，對處理后的時域數據進行試聽，對比發(fā)現濾波后低頻聲明顯削弱，結合以上分析初步斷定該機組的低頻聲主要是由98Hz貢獻的。

2.2 機組低頻噪聲源識別

為進一步確定98Hz低頻噪聲來源，對此機組展開了聲源定位試驗分析，結合上文機組前、后、左、右測點聲壓情況，重點對機組后側和右側兩塊壁板進行網格劃分，利用聲壓傳感器逐一測試網格對應點聲壓，傳感器距離壁板統(tǒng)一控制在30cm，提取每個測點98Hz處的幅值，利用Matlab對系列聲壓數據進行后處理分析，對應的聲壓云圖如圖3所示。從聲壓云圖中可以看出，機組后壁板幅值都較大，尤其是靠近壓縮機區(qū)域，這也說明了98Hz的激勵源來自于壓縮機，壓縮機在該頻率的振動通過中間路徑傳遞給機組壁板，最后通過壁板向外輻射噪聲。

（a）機組右側

（b）機組后側

圖3 聲壓云圖

Fig.3 Sound pressure cloud map

2.3 有無機組后壁板對比

機組后壁板既是一個隔離體也是一個揚聲器，它能隔離機組內部部分98Hz的噪聲，同時機組內部的98Hz噪聲和振動傳遞給機組后壁板，機組后壁板進而向外輻射噪聲，為了確認機組后壁板對98Hz噪聲有無放大作用，對此機組進行了有無后壁板對比試驗，考慮到聲壓指向作用，只進行了機組后方聲壓對比，兩種狀態(tài)下的聲壓測試結果如圖4所示，從聲壓頻譜對比中可以看出機組后壁板拆除后98Hz處聲壓幅值反而降低，該結果說明了機組后壁板對98Hz處噪聲進行了放大。

圖4 有無后壁板聲壓對比

2.4 機組后壁板模態(tài)試驗

上述有機組后壁板對比試驗證實后壁板對98Hz噪聲進行了放大，為了進一步確認是單純強迫響應導致還是共振引起，對該機組后壁板進行了模態(tài)測試。

試驗采用的儀器有LMS SCADAS Ⅲ數采前端、PC工作站電腦、脈沖力錘、力傳感器、PCB三向加速度傳感器、BNC導線和工具等，試驗數據處理分析在LMS Test.Lab 10B中完成。

在軟件模塊中建立機組后壁板的幾何框架模型，系統(tǒng)參考坐標系Y從機組左側指向右側，坐標系Z指向機組頂部。考察機組壁板X向振動模態(tài)，分別在機組后壁板中部區(qū)域布置三個三向加速度傳感器，對機組后壁板進行五行五列劃分，總共25個測點，試驗采取單點激勵、多點拾振的方式獲取頻響函數矩陣的列向量，現場測試圖片如圖5所示。

圖5 模態(tài)測試現場圖

具有自由度的系統(tǒng)運動，其振動微分方程可描述為：

對（1）式兩邊傅里葉變換，有：

可得：

點激勵在點測量的頻響函數可表示為：

式中：M為模態(tài)質量；C為模態(tài)阻尼；K為模態(tài)剛度；為各階模態(tài)振型。

根據動力互易定理，只需要測量頻響函數矩陣的某一行或某一列元素便可以得到一組完整的模態(tài)振型。測試中為了減小共振附近處的噪聲，可通過功率譜密度函數來求得系統(tǒng)的頻響函數，即：

式中：G為輸出的自功率譜；G為輸入輸出的互功率譜。

通過該方法，頻響函數的測量在經過多次平均后，會得到較高的置信度，有利于模態(tài)參數的識別。

對實測頻響函數進行集總處理，采用PolyMax（多參考最小二乘復頻域法）算法識別橫梁總成的模態(tài)參數，其包絡穩(wěn)態(tài)圖如圖6所示。

圖6 模態(tài)穩(wěn)態(tài)圖

分析模態(tài)測試結果，發(fā)現機組后壁板在97.5Hz有階模態(tài)，該階模態(tài)振型如圖7所示。根據模態(tài)測試結果，機組后壁板對98Hz的放大作用主要是由于機組后壁板在98Hz附近存在固有頻率，發(fā)生了共振所致。

圖7 97.5Hz后壁板振型

3 結構優(yōu)化改進與實驗驗證

通過上文系統(tǒng)性的試驗測試與分析熱泵機組低頻噪聲問題，確認了低頻噪聲主要是由于壓縮機工作激勵激起了機組后壁板固有模態(tài)所致，據此機組優(yōu)化的首要目標是避免共振，對機組后壁板進行結構優(yōu)化，將機組后壁板固有模態(tài)頻率避開壓縮機激勵諧頻。

模態(tài)主要受剛度、質量和阻尼控制，其中剛度一般用于低頻控制區(qū)域，阻尼用于中頻區(qū)域控制，質量用于高頻控制區(qū)域[7]；鑒于本例中問題集中在低頻區(qū)域，所以對機組壁板的優(yōu)化主要思路是提高剛度，主要提出如下兩個改進方案：一是在原機組壁板的基礎上進行添加加強筋處理，以提高剛度，移開共振頻率，降低振動響應，以減小壁板聲輻射；二是將機組后壁板重新設計成百葉窗形式。該設計有三個優(yōu)點：一是百葉窗形式的折痕類似于加強筋，提高了壁板的剛度，能達到移開固有頻率，避免共振的效果，二是由于其輻射面積較遠壁板小，向外輻射能量減小，三是后壁板百葉窗形式的設計，破壞了機組底部封閉空腔的環(huán)境，避免了產生聲腔共振的可能。

圖8 整改前后頻譜對比圖

分別對兩種改進的機組后壁板進行模態(tài)測試，兩種方案97.5Hz固有頻率都有提高，都避開了共振頻率，其中方案一提高到109Hz，方案二提高到121Hz，從模態(tài)測試結果來看，方案二后壁板剛度增加較多。通過聲壓測試對比發(fā)現，兩種方案在98Hz處幅值都有所降低，其中方案二降低最多，98Hz處幅值由原來的51.7降低到27.3，降低非常明顯，兩種方案聲壓測試結果如圖8所示。

通過對機組后壁板進行結構優(yōu)化，避免共振，尤其方案二效果非常明顯，很好地解決了機組98Hz的低頻噪聲問題。

4 結語

針對某機組在運行狀態(tài)下低頻噪聲突出，現場聽感較差的現象，本文通過對機組運行狀態(tài)下前、后、左、右四個測點聲壓頻譜數據進行分析，并結合頻率濾波回放技術確定了導致機組低頻聲突出的頻率；利用噪聲源識別技術和模態(tài)實驗確定了產生98Hz低頻噪聲的原因；根據機組后壁板存在的問題，提出了兩種優(yōu)化改進方案，最后實驗驗證表明方案二改善非常明顯，很好地解決了該機組低頻噪聲問題。

本文系統(tǒng)的分析方法對解決不同的熱泵及空調噪聲問題具有一定的實際意義和應用價值。

[1] 金成舟,方炳南,陶亞萍,等.空氣能熱泵在賓館集中供熱系統(tǒng)中的應用[J].能源與環(huán)境,2013,(3):53-53.

[2] 周峰,馬國遠.空氣能熱泵熱水器的現狀及展望[J].節(jié)能,2006,25(7):13-16.

[3] 李武.家用中央空調噪聲分析及噪聲控制標準研究[J].制冷與空調,2015,35(1):80-82.

[4] 廉樂明,李力能,吳家正,等.工程熱力學（第四版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.

[5] 強生,傳熱學,保榮,等.高等傳熱學:熱傳導和對流傳熱與傳質[M].上海:上海交通大學出版社,1996.

[6] 許忠良.淺談空氣能熱水器的應用[J].工程與建設,2012,26(2):227-228.

[7] 沃德·海倫,斯蒂芬·拉門茲,波爾·薩斯.模態(tài)分析理論與試驗[M].北京:北京理工大學出版社,2001.

Low Frequency Noise Identification and Optimization of Air Source Heater

Wan Geliang Guo Kaibo

( College of Mechanic and Electronic Engineering, Soochow University, Suzhou, 215000 )

For a certain type of air source heaters，the low frequency noise is determined by testing and analyzing the outdoor-unit sound pressure spectrum, combined with the filter playback technique. The main reason for the low frequency noise is found by using modal test and sound source identification technology. According to the results of analysis, the structure of air source heater is optimized and improved, and the optimized product was tested. The results show that, compared with the prototype, low frequency noise of the optimized product is well reduced. This paper provides an effective method for the analysis and control of low frequency noise of air source heater and air condition.

air source heater; filter playback technique; low frequency noise; modal test; sound source identification

TM172

A

萬葛亮（1987-），男，士，E-mail：reader_1_2017@163.com

2017-10-29

1671-6612（2018）05-497-05