梁 浩

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

空調(diào)扇，又稱冷風(fēng)扇，如圖1所示，其依靠濕簾蒸發(fā)，降低環(huán)境溫度?？照{(diào)扇可以改善室內(nèi)空氣濕度、降低溫度、價(jià)格便宜，深受消費(fèi)者的青睞。隨著消費(fèi)者對(duì)生活電器產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高，噪音問題直接影響消費(fèi)者的使用。改善生活電器音質(zhì)，可以直接提升消費(fèi)者對(duì)生活電器的體驗(yàn)效果，提升產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖1 空調(diào)扇整機(jī)示意圖

某離心式空調(diào)扇，采用離心風(fēng)機(jī)，整機(jī)聲功率為66.5 dB(A)，國標(biāo)要求≤ 64 dB(A)，超出國標(biāo)要求值2.5 dB(A)，同時(shí)在低檔運(yùn)行時(shí)有“嗡嗡聲”，音質(zhì)體驗(yàn)差。因此，需從整機(jī)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)出發(fā)，對(duì)噪音及音質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化改善。

1 問題分析

聲音是一種機(jī)械擾動(dòng)在介質(zhì)中的傳播，人較敏感的聲音頻率范圍是63～16 000 Hz。噪聲產(chǎn)生的機(jī)理主要有三類：一是結(jié)構(gòu)噪聲，其主要是由固體的振動(dòng)導(dǎo)致聲能的產(chǎn)生和輻射；二是電磁噪聲，其主要是由于交變電磁力作用引起的噪聲；三是氣動(dòng)噪聲，其主要是由湍流和非定常流動(dòng)誘發(fā)的噪聲。其中氣動(dòng)噪聲是由于氣體非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，氣體與氣體及氣體與物體相互作用產(chǎn)生的噪聲。從噪聲產(chǎn)生的機(jī)理看，氣動(dòng)噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。旋轉(zhuǎn)噪聲具有離散的頻譜特性，又稱離散噪聲。其主要是氣流經(jīng)過蝸舌部位產(chǎn)生周期性壓力和速度脈動(dòng)所引起的噪聲。其頻譜特性是離散的，旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為：

式中：

n—轉(zhuǎn)速（rpm）；

z—葉片數(shù)；

i—諧波序號(hào)，i=1，2，3……。

渦流噪聲又稱寬帶噪聲，它是由氣流紊流層與葉片相互作用，葉片和殼體壁面旋渦脫落和紊流附面層誘導(dǎo)非定常壓力隨機(jī)脈動(dòng)而引起的。

根據(jù)噪聲形成的機(jī)理，分析離心式空調(diào)扇的噪聲來源。聲音所含有的頻率成分及各個(gè)頻率上的能量分布關(guān)系是通過頻譜圖表現(xiàn)出來的，圖2為樣機(jī)的頻譜圖。該樣機(jī)離心風(fēng)輪轉(zhuǎn)速約1200 rpm，葉片數(shù)47，則基頻為940 Hz。從頻譜圖中發(fā)現(xiàn)，噪聲的峰值出現(xiàn)在基頻處，從而可以判斷樣機(jī)的噪聲主要是離散噪聲，它是由氣體從葉輪甩出后，在經(jīng)過蝸舌部位時(shí)產(chǎn)生周期性壓力和速度脈沖引起。同時(shí)，離心風(fēng)葉在旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于氣流的分離和氣體邊界層分離會(huì)產(chǎn)生渦流噪聲。因此，該樣機(jī)的噪聲主要是以旋轉(zhuǎn)噪聲為主，同時(shí)夾雜著渦流噪聲。

圖2 樣機(jī)噪聲頻譜圖

風(fēng)葉在低檔運(yùn)行時(shí)，低頻振動(dòng)主要是通過電機(jī)與風(fēng)葉傳遞。因此，必須從傳播路徑上降低振動(dòng)激勵(lì)，減小低頻振動(dòng)噪音。對(duì)于振動(dòng)傳遞路徑，通常用振動(dòng)傳遞率來衡量其傳遞激振力的多少，其定義為某一結(jié)構(gòu)輸出激勵(lì)力與輸入激勵(lì)力的比。顯然，振動(dòng)傳遞率越高，則通過該結(jié)構(gòu)途徑傳遞的振動(dòng)能量就越大。單自由度系統(tǒng)振動(dòng)傳遞率的計(jì)算方法如式（2）所示：

式中：

T—振動(dòng)傳遞率；

Ωn—系統(tǒng)固有頻率；

ω—激勵(lì)力頻率；

ζ—阻尼。

當(dāng)激勵(lì)頻率ω 高于某一振動(dòng)傳遞路徑的固有頻率ωn時(shí)，激勵(lì)頻率ω 與固有頻率ωn之間的距離越大，則該傳遞路徑的振動(dòng)傳遞T 越低。對(duì)于一個(gè)固定的電機(jī)激勵(lì)ω=50 Hz，某一傳遞路徑的固有頻率ωn越低，則其對(duì)應(yīng)的傳遞率T 也越低。

通過以上分析，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基初上，減少改模數(shù)量，通過優(yōu)化風(fēng)道結(jié)構(gòu)，降低旋轉(zhuǎn)噪音和渦流噪音。通過風(fēng)輪軸孔增加彈性膠件，降低電機(jī)與風(fēng)輪共振，消除“嗡嗡聲”。

2 風(fēng)道仿真優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 幾何建模與網(wǎng)格劃分

為了觀察蝸殼內(nèi)部流體的流動(dòng)特性，首先對(duì)冷風(fēng)扇蝸殼和進(jìn)、出口建立幾何模型。為了仿真的準(zhǔn)確性，在模型的進(jìn)出口分別增加延伸段，防止回流，如圖3所示。通過ICEM 生成四面體網(wǎng)格，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示，共230 萬個(gè)網(wǎng)格單元。

圖3 幾何模型

圖4 網(wǎng)格劃分

2.2 流體仿真分析

對(duì)冷風(fēng)扇風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模，觀察蝸殼內(nèi)部流體的流動(dòng)特性。原蝸殼如圖5所示，通過流體仿真觀察內(nèi)部流場(chǎng)。從速度矢量圖，如圖6，可以看出，在葉輪將氣體甩出的外置，氣流速度非常大，并且直接沖擊蝸殼壁面。在蝸殼及殼體壁面，流體速度非常高，和壁面產(chǎn)生一定的沖擊和摩擦，沖擊和摩擦?xí)a(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲。流體的渦旋和氣流的分布不均會(huì)造成流體的能量損失，同時(shí)產(chǎn)生一定的噪聲。通過流體仿真分析，找到造成氣流不均和形成渦旋的部位，針對(duì)這樣部位，最大程度地減小渦流耗散，降低噪聲。在蝸舌附近，形成了負(fù)壓區(qū)，產(chǎn)生了很大的漩渦。這不但造成了流體的損失，還會(huì)引起壓力脈動(dòng)，影響噪聲。由于蝸舌部位過于靠外，未能將葉輪包裹，這對(duì)氣體的流動(dòng)和噪聲產(chǎn)生了不利影響。

圖5 優(yōu)化前風(fēng)道示意圖

圖6 原蝸舌速度矢量圖

為了消除該渦旋負(fù)壓區(qū)，減小能量損失，減小渦流，將原蝸殼蝸舌位置向內(nèi)延伸，減小氣體出口距離，如圖7所示，從優(yōu)化蝸舌速度矢量圖，如圖8可以看出，在蝸舌附近的負(fù)壓區(qū)有很大程度的減小，只在上部出口外置處由于很大的空腔及直角區(qū)域，產(chǎn)生了直角漩渦區(qū)域，但其能量較小，對(duì)噪音的影響并不大。通過對(duì)蝸舌部位的優(yōu)化，流場(chǎng)在蝸舌附件的漩渦區(qū)得到了很大改善。

圖7 優(yōu)化后風(fēng)道示意圖

圖8 優(yōu)化蝸舌速度矢量圖

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將更改后的蝸殼裝機(jī)，對(duì)優(yōu)化前后風(fēng)道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，如表1所示，結(jié)果表明：在相同風(fēng)量下，整機(jī)噪音值降低3.1 dB，旋轉(zhuǎn)噪音峰值降低6.1 dB，如圖9所示。優(yōu)化后的蝸舌降低整機(jī)噪音，有效改善音質(zhì)。

圖9 整機(jī)噪音頻譜對(duì)比

表1 蝸殼優(yōu)化前后性能對(duì)比

3 風(fēng)輪優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為解決空調(diào)扇低頻噪聲，主要是降低傳播路徑中部件的固有頻率和激勵(lì)頻率。離心風(fēng)輪軸孔采用鋁嵌件，外圍橡膠，如圖11 所示。由于橡膠阻尼小，可以減弱電機(jī)與風(fēng)葉接觸產(chǎn)生的振動(dòng)。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)會(huì)被風(fēng)葉嵌入的彈性單元阻擋吸收，有效減小了振動(dòng)能量向風(fēng)道殼體的傳遞，減弱衰減聲音放大效果。同時(shí)，嵌件風(fēng)輪具有較低的自振頻率和一定的阻尼，可以減弱電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的低頻噪音。

圖10 原風(fēng)輪

圖11 帶嵌件風(fēng)輪

3.1 模態(tài)仿真

對(duì)原風(fēng)輪與帶嵌件風(fēng)輪進(jìn)行模態(tài)仿真，如圖12、13所示。原風(fēng)輪在1～4 階模態(tài)的頻率為25 Hz，風(fēng)輪在低檔轉(zhuǎn)速的基頻為13 Hz，因此1～4 階模態(tài)頻率為轉(zhuǎn)頻的2倍。帶橡膠嵌件的風(fēng)輪，1～3 階頻率完全避開了風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻。

圖12 原風(fēng)輪模態(tài)仿真云圖

圖13 帶嵌件風(fēng)輪模態(tài)仿真云圖

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將原風(fēng)輪與帶嵌件的風(fēng)輪分別裝入空調(diào)扇進(jìn)行整機(jī)噪聲測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表2所示。

表2 不同風(fēng)輪抵擋噪音對(duì)比

從測(cè)試結(jié)果可以看出，帶橡膠鋁嵌件風(fēng)輪最低檔的噪聲值較原風(fēng)輪降低1.3 dB，在200～600 Hz頻率范圍內(nèi)，無明顯峰值，如圖14 所示，低頻噪音得到明顯改善，音質(zhì)體驗(yàn)無明顯“嗡嗡聲”。

4 小結(jié)

1）離心式空調(diào)扇氣動(dòng)噪聲主要是以旋轉(zhuǎn)噪聲為主，同時(shí)夾雜著渦流噪聲。蝸舌是影響旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲的關(guān)鍵部位，通過蝸舌位置向內(nèi)延伸，增加風(fēng)輪包裹位置，減小氣體出口距離，減小蝸舌負(fù)壓區(qū)域，減少渦流耗散區(qū)域。在相同風(fēng)量下，整機(jī)噪音值降低3.1 dB，旋轉(zhuǎn)噪音峰值降低6.1 dB，降低噪音，改善了音質(zhì)。

2）風(fēng)葉在低檔運(yùn)行時(shí)，低頻振動(dòng)主要是通過電機(jī)與風(fēng)葉傳遞。因此，可以從傳播路徑上降低振動(dòng)激勵(lì)，減小低頻振動(dòng)噪音，改善音質(zhì)。

圖14 不同風(fēng)輪低檔噪音頻譜

3）嵌件風(fēng)輪具有較低的自振頻率和一定的阻尼，可以減弱電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的低頻噪音。帶橡膠鋁嵌件的風(fēng)輪，減小風(fēng)輪的共振頻率，降低低頻噪音。最低檔的噪聲值較原風(fēng)輪降低1.3 dB，在200 ～600 Hz 頻率范圍內(nèi)，無明顯峰值，低頻噪音得到明顯改善。