家用空調(diào)器分體壁掛機(jī)6大噪聲分析與降噪措施

　　隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，人們對(duì)于居住環(huán)境的舒適性也有了更高的要求。其中，對(duì)于家用空調(diào)產(chǎn)品在使用功能上，不僅要求其制冷(制熱)能力強(qiáng)勁，還要求噪聲低，舒適且無令人不愉快的一切異常聲音。這對(duì)于空調(diào)產(chǎn)品在整體設(shè)計(jì)上也提出了更高的要求。同時(shí)，家用空調(diào)器的噪聲也是我國(guó)家用電器消費(fèi)產(chǎn)品一項(xiàng)強(qiáng)制性指標(biāo)，對(duì)其噪聲、振動(dòng)的控制是也成為評(píng)價(jià)空調(diào)器品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。

　　噪聲的基本知識(shí)

　　聲是彈性媒質(zhì)傳播的機(jī)械振動(dòng)和波。波是能量的傳遞形式，波有能量，所以能產(chǎn)生效果，聲波振動(dòng)內(nèi)耳的小骨頭，這些振動(dòng)被轉(zhuǎn)化為微小的電子腦波，它就是我們覺察到的聲音。聲波每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲的頻率，相當(dāng)于每秒鐘經(jīng)過一個(gè)給定點(diǎn)的聲波的數(shù)量，單位是Hz(赫茲)，人耳能聽到的聲的頻率范圍是20Hz～20KHz，低于20Hz的聲稱為次聲，高于20KHz的聲稱為超聲。根據(jù)人體的生理構(gòu)造特征，人耳對(duì)于聲音響度大小的感覺是一種主觀評(píng)價(jià)，與聲壓高低及頻率大小都有關(guān)系，也就是說，聲壓相同但頻率不同的聲聽起來是不一樣響的。人耳對(duì)于2KHz～4KHz范圍的聲感覺最靈敏，對(duì)于低于63Hz和高于16KHz的聲，即使勉強(qiáng)聽得見，反應(yīng)也很不靈敏。所以，在制定噪聲控制方案上面，主要是針對(duì)63Hz～16KHz頻率范圍的噪聲。

　　通常情況下，家用空調(diào)產(chǎn)品噪聲的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 7725《房間空氣調(diào)節(jié)器》，對(duì)于一些噪聲測(cè)試值(聲壓級(jí))符合標(biāo)準(zhǔn)要求，且根本不會(huì)從頻譜上反映出來的，難以采用量化的方法來分析判定的令人煩躁的異常的噪聲，可以依靠試驗(yàn)員(模擬用戶角色)的主觀感覺來判定。

　　分體壁掛機(jī)的噪聲源與控制

　　分體壁掛機(jī)主要聲源有電機(jī)、風(fēng)輪、風(fēng)道、步進(jìn)電機(jī)、曲柄、連桿、導(dǎo)風(fēng)條(上下方向)、導(dǎo)風(fēng)葉片(左右方向)等，與聲源傳播途徑關(guān)系密切的重要零件有空調(diào)殼體、電機(jī)膠墊、電控盒、風(fēng)輪軸承以及蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)尺寸等等。

　　電機(jī)噪聲

　　電機(jī)噪聲主要由電磁噪聲及機(jī)械噪聲組成的。電磁噪聲是由各種不同頻率的電磁激振力，激發(fā)各部件振動(dòng)發(fā)聲而來。機(jī)械噪聲一般由轉(zhuǎn)子不平衡引起的低頻聲及軸承噪聲組成。

　　圖1是KFR-35G壁掛機(jī)的噪聲1/3倍頻程分析示意圖，由圖可見，在44-50Hz頻段，有一處小的尖峰，在88-100Hz頻段，還有一處較大的尖峰。50Hz頻率與電源頻率一致，100Hz剛好是電源頻率的二倍。電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)與電源頻率成正比關(guān)系，交流電機(jī)的磁場(chǎng)隨轉(zhuǎn)速頻率旋轉(zhuǎn)，在兩極時(shí)磁場(chǎng)力把電機(jī)的疊片鐵心變成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢圓，在四極時(shí)變成旋轉(zhuǎn)四邊形。疊片變形產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的基頻為二倍電源頻率，剛好是100Hz。由于100Hz的噪聲波長(zhǎng)較長(zhǎng)，傳播距離也較長(zhǎng)，音質(zhì)很差。

　　更換信譽(yù)好的廠家生產(chǎn)的電機(jī)，重新進(jìn)行試驗(yàn)，其噪聲1/3倍頻程分析示意圖有比較明顯的改觀，尖鋒值明顯減弱。總噪聲也由原來的41.6dB(A)降為40.7(A)，音質(zhì)也有明顯改善，其噪聲1/3倍頻程分析示意圖如圖2所示。

　　對(duì)于電機(jī)的電磁噪聲及機(jī)械噪聲，可以通過提高零件加工精度，提高動(dòng)平衡，采用優(yōu)質(zhì)軸承以及剛性較好的軸系統(tǒng)進(jìn)行改善。當(dāng)然，對(duì)于電機(jī)的電磁噪聲及機(jī)械噪聲，作為電機(jī)使用者的空調(diào)生產(chǎn)廠家是無法改變的，只能通過收貨單位的品質(zhì)部門按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行控制把關(guān)，選擇信譽(yù)好品質(zhì)優(yōu)良的廠家作為供應(yīng)商及合作伙伴。

　　風(fēng)輪噪聲

　　分體壁掛機(jī)的風(fēng)輪一般都采用貫流風(fēng)輪。貫流風(fēng)輪是分體壁掛機(jī)最主要的噪聲源。風(fēng)輪噪聲基本上可分為離散頻率噪聲和寬帶頻率噪聲。

　　離散頻率噪聲通常又稱旋轉(zhuǎn)噪聲，源自風(fēng)輪葉片形成的空氣壓力脈動(dòng)。風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，每個(gè)葉片的兩側(cè)都由于流速不同而產(chǎn)生壓力差。如此形成的流場(chǎng)以風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，使得流場(chǎng)中任一點(diǎn)的壓力都發(fā)生周期性的重現(xiàn)。這樣形成的噪聲就稱為旋轉(zhuǎn)噪聲。因它的各次諧波具有離散頻率，故也稱為離散頻率噪聲，以區(qū)分于連續(xù)頻率的寬帶噪聲。離散頻率噪聲的基頻為：

　　f=nZ/60

　　式中，n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，單位為r/min，Z為風(fēng)輪葉片數(shù)。

　　圖3是KFR-51G壁掛機(jī)的噪聲1/3倍頻程分析示意圖，由圖可見，在708-891Hz頻段，有一處尖峰，該機(jī)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速n=1250r/min，風(fēng)輪葉片數(shù)Z=35，故離散頻率：f=1250×35÷60=730Hz，剛好在尖峰頻段范圍，可推斷，該尖峰值噪聲主要由于風(fēng)輪的離散頻率噪聲形成。針對(duì)這種噪聲，可采用無規(guī)則不等間距布置斜葉片風(fēng)輪，以改變?cè)肼暷芰康念l率分布，即在葉片通過頻率及其諧波頻率上的能量減少，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波頻率上的能量增大。因此，原來集中于通過頻率的噪聲能量分散到一個(gè)較寬的頻帶中，噪聲能量結(jié)構(gòu)從高頻轉(zhuǎn)向低頻。因?yàn)樵肼暤捻懚扰c頻率密切相關(guān)，噪聲能量的低頻化會(huì)明顯降低噪聲響度，相當(dāng)于降低A計(jì)權(quán)聲級(jí)噪聲。

　　圖4為改進(jìn)過風(fēng)輪的噪聲1/3倍頻程分析示意圖，在轉(zhuǎn)速及葉片數(shù)不變的情況下，尖峰值明顯減弱，整體噪聲也由原來46.6dB(A)減為44.3dB(A)，噪聲降低了2.3 dB(A)。

　　寬帶頻率噪聲是作用在葉片上的隨機(jī)脈動(dòng)力引起的，這些脈動(dòng)力是由葉片表面和紊流(旋渦流)的相互作用造成的。寬帶頻率噪聲包括紊流噪聲、旋渦流噪聲。

　　空氣流在進(jìn)入風(fēng)輪之前，先流過室內(nèi)機(jī)面板、過濾網(wǎng)、蒸發(fā)器及電輔熱組件(如果有)，就可能形成紊流，這種流場(chǎng)就成為噪聲源。

　　層流附面層從風(fēng)輪葉片尾端脫流會(huì)形成旋渦流，當(dāng)前一個(gè)葉片脫流產(chǎn)生的旋渦被后一個(gè)葉片撞擊時(shí)便產(chǎn)生噪聲。

　　影響風(fēng)輪噪聲的因素非常多，也很復(fù)雜，除了與風(fēng)輪的幾何參數(shù)，如葉片數(shù)量、葉片形狀、葉片角度、成形直徑、輪轂比有關(guān)，還與風(fēng)輪葉片材料柔性、轉(zhuǎn)速，以及風(fēng)輪的使用環(huán)境，如蝸舌間隙、風(fēng)道截面流線形狀、表面粗糙度、翅片片距、濾網(wǎng)目數(shù)(密度)有很大關(guān)系。對(duì)于空調(diào)設(shè)計(jì)生產(chǎn)廠家，通常是在風(fēng)輪的空氣動(dòng)力性能(流量、靜壓頭)、產(chǎn)品整體裝配、風(fēng)輪價(jià)格、噪聲等方面獲得最佳的折中。在進(jìn)行具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，空氣流量應(yīng)在滿足冷卻要求的前提下盡可能減小，過量的冷卻意味著過量的噪聲。通過多次的匹配對(duì)比試驗(yàn)，選擇高效率、低噪聲、最合適的風(fēng)輪，以求在較小的功率和噪聲滿足空氣流量的要求，獲得較高效率和最高性價(jià)比。

　　風(fēng)道設(shè)計(jì)與噪聲

　　分體壁掛機(jī)的風(fēng)道一般都是與底盤做成一體的，設(shè)計(jì)時(shí)除了要考慮其材質(zhì)、強(qiáng)度、外觀、裝配、模具、加工、成本以外，還必須充分考慮風(fēng)道線型的設(shè)計(jì)，風(fēng)道線型是影響風(fēng)輪噪聲及空氣流量的重要因素之一。風(fēng)道設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)主要有蝸舌間隙(A)、蝸殼間隙(B)、風(fēng)道型線(C)，如圖5所示。

　　根據(jù)測(cè)試及經(jīng)驗(yàn)，分體壁掛機(jī)的蝸舌間隙(A)在7︿9mm左右，蝸殼間隙(B)在6︿8mm左右，可以獲得一個(gè)較佳的氣動(dòng)性能及噪聲性能。

　　風(fēng)道型線(C)對(duì)風(fēng)輪噪聲的影響基本上可以分成兩個(gè)部段，等壓線部段C1和出口擴(kuò)散部段C2，如圖6所示。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，底盤蝸殼的初步型線可以按照設(shè)計(jì)工況條件下，葉輪動(dòng)壓的等壓線來設(shè)計(jì)等壓線部段C1。但出口部段C2不能完全按照等壓線外輪廓線來設(shè)計(jì)，應(yīng)有一定的擴(kuò)散角，使空氣流在出口部段形成一定的負(fù)壓，從而提高風(fēng)輪的氣動(dòng)性能。從測(cè)試結(jié)果看，出口擴(kuò)散角D一般設(shè)計(jì)在10°︿15°比較合適。因?yàn)閿U(kuò)散角太小，出風(fēng)面積小，風(fēng)速就高，噪聲就大;擴(kuò)散角太大，出風(fēng)面積大，風(fēng)速就小，送風(fēng)距離近，同樣不利于室內(nèi)溫度的傳導(dǎo)。

　　步進(jìn)電機(jī)噪聲

　　分體壁掛機(jī)的出風(fēng)主體上面通常設(shè)有1︿3個(gè)步進(jìn)電機(jī)，用于帶動(dòng)橫導(dǎo)風(fēng)條進(jìn)行上下方向擺風(fēng)的調(diào)節(jié)和控制，以及帶動(dòng)導(dǎo)風(fēng)葉片進(jìn)行左右方向擺風(fēng)的調(diào)節(jié)和控制。步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生異常噪聲的原因主要有：

　　a、步進(jìn)電機(jī)本身質(zhì)量差;

　　b、裝配時(shí)有干涉或與步進(jìn)電機(jī)主體產(chǎn)生硬接觸;

　　c、轉(zhuǎn)軸缺乏潤(rùn)滑油。

　　步進(jìn)電機(jī)的噪聲一般都比較輕微，也比較容易判別和排除。只要拆開壁掛機(jī)的中框，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)便可直接觀察到。

　　其它運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的噪聲

　　分體壁掛機(jī)除了電機(jī)風(fēng)輪是最主要的運(yùn)動(dòng)部件及噪聲源以外，曲柄、連桿、導(dǎo)風(fēng)條、導(dǎo)風(fēng)葉片等也是運(yùn)動(dòng)部件，也經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生異常噪聲，如抖動(dòng)噪聲或摩擦噪聲。這些噪聲經(jīng)常都比較細(xì)微，通常情況下依靠噪聲測(cè)量?jī)x器在噪聲倍頻程分析圖上面不一定能反應(yīng)出來，只有在很安靜的環(huán)境下面，距離比較近時(shí)才會(huì)聽得到。即便是這樣，也要盡量控制和消除。

　　a、運(yùn)動(dòng)零件尺寸設(shè)計(jì)不合理，如曲柄、連桿太長(zhǎng)、太短或角度不合理，就有可能因干涉而產(chǎn)生抖動(dòng)聲，這種情況比較明顯容易發(fā)現(xiàn)。

　　b、運(yùn)動(dòng)零件相互接觸的位置因有毛刺或者表面粗糙，出現(xiàn)摩擦聲。分體壁掛機(jī)的出風(fēng)主體、曲柄、連桿、導(dǎo)風(fēng)條、導(dǎo)風(fēng)葉片都是由模具注塑成型，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品和模具時(shí)，模具的分模位置盡可能不要設(shè)計(jì)在相互運(yùn)動(dòng)的接觸面上，以避免因運(yùn)動(dòng)不暢出現(xiàn)在分模痕線或披風(fēng)處產(chǎn)生“噠噠噠”的間歇性的異常噪聲。

　　c、導(dǎo)風(fēng)葉片設(shè)計(jì)太寬大或者布置太密，左右擺風(fēng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生周期性的低頻嘯叫聲。圖7是KFR-70G導(dǎo)風(fēng)葉片原設(shè)計(jì)圖，葉片左右擺動(dòng)時(shí)，高速空氣流撞擊葉片后產(chǎn)生紊流，同時(shí)因葉片面積大，風(fēng)速急劇提高，激發(fā)出較強(qiáng)的嘯叫聲，每個(gè)葉片都形成一個(gè)點(diǎn)聲源。這種噪聲的聲強(qiáng)級(jí)不是很高，但煩躁度比較高，對(duì)人體影響較大。圖8是改進(jìn)后的導(dǎo)風(fēng)葉片設(shè)計(jì)圖，在保證正常擺風(fēng)功能的情況下，基本上消除了周期性的嘯叫聲。

　　d、運(yùn)動(dòng)部件缺乏潤(rùn)滑油造成干摩擦，產(chǎn)生“吱吱吱”的摩擦噪聲，特別是風(fēng)輪軸承，如工作表面潤(rùn)滑不夠充分，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，摩擦噪聲會(huì)異常地增大。所以，對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件保證充足地潤(rùn)滑油也是有效降低噪聲的措施之一。

　　其它原因產(chǎn)生的噪聲

　　a、裝配不合理產(chǎn)生噪聲，最常出現(xiàn)的情況是電機(jī)的出線端接觸到電控盒，如圖9，相當(dāng)于電機(jī)與電控盒之間產(chǎn)生了硬連接效果，電機(jī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)，直接傳給電控盒，激勵(lì)電控盒等結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生“嗡……”的噪聲。這種噪聲的煩躁度很高。解決的措施只需將電機(jī)旋轉(zhuǎn)一定角度，保證電機(jī)與電控盒等零件之間不直接接觸，留有一定空隙。

　　b、選用電機(jī)橡膠墊的硬度不合適也是產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的原因之一。電機(jī)橡膠墊的硬度太高(硬度>邵氏50度)，橡膠墊便失去減振作用，電機(jī)的振動(dòng)噪聲通過橡膠墊直接傳遞給底盤產(chǎn)生低頻“嗡嗡嗡”聲。如電機(jī)橡膠墊硬度太低，電機(jī)及風(fēng)輪的振動(dòng)會(huì)明顯加大。同樣不利于整機(jī)的氣動(dòng)性能。通常，壁掛機(jī)電機(jī)橡膠墊的硬度控制在邵氏35度至45度最合適，橡膠墊避振厚度≥8mm，天然橡膠含量≥85%比較合理。

　　結(jié)語

　　以上關(guān)于壁掛機(jī)的噪聲分析及降噪措施，具有一定的相似性，同樣適用于其它空調(diào)器上面，如立式柜機(jī)、天花機(jī)、移動(dòng)空調(diào)等等。

　　同時(shí)，影響壁掛機(jī)噪聲大小及音質(zhì)品質(zhì)的主要原因除了電機(jī)、風(fēng)輪及其它運(yùn)動(dòng)部件等以外，還跟產(chǎn)品的裝配工藝、安裝方法、使用環(huán)境、維護(hù)保養(yǎng)等有關(guān)。如定期清潔過濾網(wǎng)、蒸發(fā)器，定期檢查運(yùn)動(dòng)件是否缺乏潤(rùn)滑油等等，也是有效地降低空調(diào)器噪聲的很好方法。