何志超，胡佳偉，陳成，謝開(kāi)元，肖彪,2,3

（1.珠海格力電器股份有限公司，珠海 519070； 2 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070；3.廣東省制冷設(shè)備節(jié)能環(huán)保技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，珠海 519070）

引言

當(dāng)兩個(gè)振源的激勵(lì)幅值和頻率接近時(shí)，整體對(duì)外表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)幅值以一種很低的頻率周期性變化的現(xiàn)象即為“拍振”[1]。空調(diào)器室外機(jī)的“拍振”現(xiàn)象常表現(xiàn)為低沉的明顯周期性異響[2]，以低頻脈動(dòng)信號(hào)的形式向外輻射。這種不連續(xù)的異音在一定程度上比連續(xù)的壓縮機(jī)噪聲更讓人感覺(jué)煩躁，嚴(yán)重影響了用戶體驗(yàn)。

空調(diào)器室外機(jī)的拍振噪聲通常由風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲與壓縮機(jī)噪聲疊加產(chǎn)生，一般在室外機(jī)的45 °對(duì)角位置的拍頻聲最為明顯[3]。作者在空調(diào)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，有部分定頻空調(diào)器拍振噪聲并非由風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲與壓縮機(jī)噪聲疊加導(dǎo)致。本文基于某款定頻空調(diào)器拍振噪聲問(wèn)題，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及仿真分析，確定該空調(diào)器拍振噪聲是由鈑金共振輻射噪聲與壓縮機(jī)噪聲疊加產(chǎn)生，并提出更改鈑金結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了該空調(diào)器拍振噪聲。本文對(duì)空調(diào)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中拍振噪聲問(wèn)題的解決，提供了另一條分析及優(yōu)化思路。

1 室外機(jī)噪聲、振動(dòng)測(cè)試

某品牌6 kW定頻空調(diào)器在名義制冷工況下運(yùn)行，電壓220 V，電源頻率50 Hz；其交流風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為860 rpm，風(fēng)葉葉片數(shù)為3；機(jī)組使用單轉(zhuǎn)子壓縮機(jī)，額定轉(zhuǎn)速2 880 rpm。此時(shí)室外機(jī)存在有規(guī)律的間斷性低頻“嗡嗡”聲，為明顯的拍振噪聲。為了研究并解決這一噪聲問(wèn)題，對(duì)其噪聲及殼體振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集及分析。

1.1 噪聲及振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試在半消聲室中進(jìn)行，機(jī)組擺放于帶有5 mm橡膠墊的測(cè)試平臺(tái)上，出風(fēng)口中心距反射面的高度為1 m，噪聲的測(cè)點(diǎn)距反射面的高度為1 m，振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)為各鈑金件的幾何中心處。噪聲和振動(dòng)的測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示，測(cè)點(diǎn)1～4為聲級(jí)計(jì)，測(cè)點(diǎn)5～7為振動(dòng)加速度傳感器。為了更加全面準(zhǔn)確的采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，采用三向加速度振動(dòng)傳感器，定義三向加速度傳感器的X、Y、Z三個(gè)方向，垂直于被測(cè)鈑金件平面的方向?yàn)閆，正視于被測(cè)鈑金件平面水平方向?yàn)閄、豎直方向?yàn)閅。聲級(jí)計(jì)及振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)長(zhǎng)為20 s。

1.2 噪聲頻譜分析

經(jīng)傅里葉變換處理，測(cè)點(diǎn)1～4的噪聲頻譜如圖2（a）所示，四個(gè)噪聲測(cè)點(diǎn)的頻譜中在低頻部分存在多個(gè)峰值，其中 96 Hz和100 Hz兩個(gè)頻率點(diǎn)幅值較高，提取各噪聲測(cè)點(diǎn)頻譜中96 Hz、100 Hz的幅值，詳見(jiàn)表1。由表1可知，各噪聲測(cè)點(diǎn)頻譜中96 Hz與100 Hz幅值接近，且其頻率也相差不大，符合拍振噪聲產(chǎn)生的條件。

圖1 測(cè)點(diǎn)分布圖

對(duì)噪聲測(cè)點(diǎn)3的噪聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)域傅里葉變換處理，得到測(cè)點(diǎn)3的時(shí)頻圖，如圖2（b）所示。從中可以明顯看到在100 Hz附近的噪聲能量呈現(xiàn)點(diǎn)狀分布，有明顯“一強(qiáng)一弱”的節(jié)拍屬性。綜上可知，機(jī)組拍振噪聲為96 Hz與100 Hz的兩個(gè)離散噪聲疊加產(chǎn)生。經(jīng)分析計(jì)算，96 Hz為壓縮機(jī)的諧頻噪聲，而100 Hz噪聲的來(lái)源并非風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲諧頻（旋轉(zhuǎn)噪聲基頻為860*3/60=43 Hz）。

圖2 室外機(jī)噪聲頻譜及時(shí)頻圖

表1 噪聲各測(cè)點(diǎn)頻譜在96 Hz和100 Hz的噪聲幅值（單位：dB(A)）

圖3 各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度頻譜

交流電機(jī)由于交變電流的影響會(huì)產(chǎn)生一個(gè)徑向磁拉力，其頻率通常為電源頻率的2倍（即f=2f0）。由此可推斷該機(jī)組100 Hz離散噪聲的激勵(lì)源可能為交流電機(jī)[4, 5]。

1.3 振動(dòng)頻譜分析及振動(dòng)、噪聲相干性

電機(jī)交變電磁力振動(dòng)激勵(lì)通過(guò)電機(jī)支撐架首先傳遞到殼體頂板及底板，隨后傳遞到前面板及右側(cè)板；空調(diào)器各鈑金件都受到交變電磁力激勵(lì)。為了進(jìn)一步分析100 Hz離散噪聲的來(lái)源。對(duì)鈑金件振動(dòng)測(cè)點(diǎn)5、6、7處的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換處理分析，分析后的頻譜如圖3所示。

從圖中可以得到三個(gè)測(cè)點(diǎn)X、Y方向上的振動(dòng)加速度幅值較小；Z方向的振動(dòng)加速度幅值較大，峰值相對(duì)突出。右側(cè)板Z方向上有明顯100 Hz的峰值，幅值高達(dá)1.51 m/s2，與噪聲頻譜中引起“拍振”噪聲100 Hz峰值頻率相吻合，前面板及頂蓋上100 Hz振動(dòng)峰值并不明顯。隨后通過(guò)按壓右側(cè)板，可以直接感知到拍振噪聲有明顯改善。由此可推斷右側(cè)板受到電機(jī)交變電磁力激勵(lì)，產(chǎn)生共振，從而輻射100 Hz的離散噪聲，是機(jī)組產(chǎn)生“拍振”噪聲的重要因素。

2 室外機(jī)側(cè)板的模態(tài)測(cè)試及仿真

為了驗(yàn)證上述推斷，對(duì)樣機(jī)右側(cè)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)仿真，分析主要關(guān)注100 Hz左右共振點(diǎn)模態(tài)頻率，1～2階固頻頻率較小，選取3～6階模態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2可知，右側(cè)板的模態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果中第5階模態(tài)頻率為100.9 Hz，其振型詳見(jiàn)圖4。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析吻合，確定右側(cè)板在空調(diào)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了共振。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及拍振噪聲產(chǎn)生原理，可通過(guò)優(yōu)化右側(cè)板結(jié)構(gòu)，使其模態(tài)頻率避開(kāi)100 Hz，從而減弱機(jī)組100 Hz離散噪聲，改善機(jī)組拍振噪聲問(wèn)題。

3 右側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及驗(yàn)證

3.1 優(yōu)化結(jié)果及仿真分析

右側(cè)板中部有一整體壓型，通過(guò)更改壓型形狀，可改變右側(cè)板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，從而改變其結(jié)構(gòu)固頻。圖5提供了三種優(yōu)化方案，優(yōu)化思路為將右側(cè)板上部長(zhǎng)方形壓型改為“凹”字型壓型。其中，方案一壓型凹陷部分寬度為160 mm，方案二為80 mm，方案三為40 mm；三個(gè)方案壓型凹陷深度相同。

表2 右側(cè)板模態(tài)仿真數(shù)據(jù)（單位：Hz）

圖4 樣機(jī)右側(cè)板第5階模態(tài)

圖5 三個(gè)優(yōu)化方案及其第5階振型

以上三個(gè)方案結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真結(jié)果選取第3階到第6階模態(tài)頻率列于表3所示。

由表3及圖5可知，三個(gè)優(yōu)化方案由于更改了壓型，右側(cè)板強(qiáng)度分布發(fā)生了變化，第5階模態(tài)頻率均呈下降趨勢(shì)，振型也不盡相同。

方案二與方案三仍存在100 Hz附近模態(tài)，存在共振風(fēng)險(xiǎn)，方案一第5、第6階模態(tài)頻率均與100 Hz相差10 Hz以上，理論上可以避免共振的產(chǎn)生。基于以上結(jié)論，選取方案一作為最終方案。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在相同工況下按照?qǐng)D1的測(cè)點(diǎn)布置圖對(duì)右側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的樣機(jī)進(jìn)行復(fù)測(cè)。

表3 優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真結(jié)果（單位：Hz）

3.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后振動(dòng)對(duì)比

更改前后右側(cè)板Z方向上的振動(dòng)加速度頻譜見(jiàn)圖6所示，頻譜中右側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后100 Hz峰值對(duì)比詳見(jiàn)表4。由此可知，右側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，空調(diào)器工作時(shí)，右側(cè)板處100 Hz振動(dòng)加速度峰值降低了0.7 m/s2。說(shuō)明結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施能一定程度上緩解共振，減弱了了右側(cè)板振動(dòng)能量。

3.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后噪聲對(duì)比

右側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后各噪聲測(cè)點(diǎn)頻譜對(duì)比如圖7所示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后室外機(jī)100 Hz噪聲峰值對(duì)比詳見(jiàn)表5。

圖6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后右側(cè)板Z方向板振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比

表4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后右側(cè)板100 Hz振動(dòng)加速度鋒值對(duì)比

圖7 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后A記權(quán)噪聲頻譜對(duì)比

表5 優(yōu)化前后室外機(jī)100 Hz噪聲峰值對(duì)比

圖8 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后測(cè)點(diǎn)3噪聲時(shí)頻圖

由圖7及表5可得，右側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)室外機(jī)96 Hz處的噪聲峰值影響不大， 100 Hz頻率點(diǎn)峰值大幅減小。各測(cè)點(diǎn)噪聲頻譜中100 Hz峰值均降低了14 dB(A)以上。

右側(cè)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化后測(cè)點(diǎn)3處的噪聲時(shí)頻圖，如圖8所示。對(duì)比優(yōu)化前圖2（b），“一強(qiáng)一弱”的雨點(diǎn)狀拍振現(xiàn)象有了十分明顯的改善。故優(yōu)化方案有效。

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)及CAE仿真分析，對(duì)某定頻空調(diào)器室外機(jī)拍振噪聲進(jìn)行了診斷，并通過(guò)優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，解決了拍振噪聲問(wèn)題。得到以下結(jié)論：

1）空調(diào)室外機(jī)拍振噪聲產(chǎn)生的原因不一定都是風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲與壓縮機(jī)噪聲諧頻疊加產(chǎn)生，還有可能是其他零部件共振輻射離散噪聲與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲或者壓縮機(jī)噪聲諧頻疊加產(chǎn)生。在此過(guò)程中，可以通過(guò)分析拍振噪聲激勵(lì)源，并對(duì)噪聲源傳遞路徑上的零部件進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，來(lái)進(jìn)一步診斷故障原因。本文為空調(diào)室外機(jī)噪聲診斷提供了另一個(gè)思考方向。

2）為了有效的避免共振問(wèn)題，定頻空調(diào)室外機(jī)殼體鈑金結(jié)構(gòu)件在設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真核驗(yàn)，避開(kāi)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲激勵(lì)頻率、交變電磁力激勵(lì)頻率，以及壓縮機(jī)振動(dòng)激勵(lì)頻率，此舉能有效限制機(jī)組共振及拍振噪聲的產(chǎn)生。