家用空調器分體壁掛機6大噪聲分析與降噪措施

　　隨著我國社會經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，人們對于居住環境的舒適性也有了更高的要求。其中，對于家用空調產品在使用功能上，不僅要求其制冷(制熱)能力強勁，還要求噪聲低，舒適且無令人不愉快的一切異常聲音。這對于空調產品在整體設計上也提出了更高的要求。同時，家用空調器的噪聲也是我國家用電器消費產品一項強制性指標，對其噪聲、振動的控制是也成為評價空調器品質的一個重要指標。

　　噪聲的基本知識

　　聲是彈性媒質傳播的機械振動和波。波是能量的傳遞形式，波有能量，所以能產生效果，聲波振動內耳的小骨頭，這些振動被轉化為微小的電子腦波，它就是我們覺察到的聲音。聲波每秒鐘振動的次數稱為聲的頻率，相當于每秒鐘經過一個給定點的聲波的數量，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。根據人體的生理構造特征，人耳對于聲音響度大小的感覺是一種主觀評價，與聲壓高低及頻率大小都有關系，也就是說，聲壓相同但頻率不同的聲聽起來是不一樣響的。人耳對于2KHz～4KHz范圍的聲感覺最靈敏，對于低于63Hz和高于16KHz的聲，即使勉強聽得見，反應也很不靈敏。所以，在制定噪聲控制方案上面，主要是針對63Hz～16KHz頻率范圍的噪聲。

　　通常情況下，家用空調產品噪聲的測量標準為GB/T 7725《房間空氣調節器》，對于一些噪聲測試值(聲壓級)符合標準要求，且根本不會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，可以依靠試驗員(模擬用戶角色)的主觀感覺來判定。

　　分體壁掛機的噪聲源與控制

　　分體壁掛機主要聲源有電機、風輪、風道、步進電機、曲柄、連桿、導風條(上下方向)、導風葉片(左右方向)等，與聲源傳播途徑關系密切的重要零件有空調殼體、電機膠墊、電控盒、風輪軸承以及蒸發器結構尺寸等等。

　　電機噪聲

　　電機噪聲主要由電磁噪聲及機械噪聲組成的。電磁噪聲是由各種不同頻率的電磁激振力，激發各部件振動發聲而來。機械噪聲一般由轉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。電機轉數與電源頻率成正比關系，交流電機的磁場隨轉速頻率旋轉，在兩極時磁場力把電機的疊片鐵心變成一個旋轉的橢圓，在四極時變成旋轉四邊形。疊片變形產生振動噪聲的基頻為二倍電源頻率，剛好是100Hz。由于100Hz的噪聲波長較長，傳播距離也較長，音質很差。

　　更換信譽好的廠家生產的電機，重新進行試驗，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。

　　對于電機的電磁噪聲及機械噪聲，可以通過提高零件加工精度，提高動平衡，采用優質軸承以及剛性較好的軸系統進行改善。當然，對于電機的電磁噪聲及機械噪聲，作為電機使用者的空調生產廠家是無法改變的，只能通過收貨單位的品質部門按標準要求進行控制把關，選擇信譽好品質優良的廠家作為供應商及合作伙伴。

　　風輪噪聲

　　分體壁掛機的風輪一般都采用貫流風輪。貫流風輪是分體壁掛機最主要的噪聲源。風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噪聲，源自風輪葉片形成的空氣壓力脈動。風輪旋轉時，每個葉片的兩側都由于流速不同而產生壓力差。如此形成的流場以風輪的轉速旋轉，使得流場中任一點的壓力都發生周期性的重現。這樣形成的噪聲就稱為旋轉噪聲。因它的各次諧波具有離散頻率，故也稱為離散頻率噪聲，以區分于連續頻率的寬帶噪聲。離散頻率噪聲的基頻為：

　　f=nZ/60

　　式中，n為風輪轉速，單位為r/min，Z為風輪葉片數。

　　圖3是KFR-51G壁掛機的噪聲1/3倍頻程分析示意圖，由圖可見，在708-891Hz頻段，有一處尖峰，該機風輪轉速n=1250r/min，風輪葉片數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輪的離散頻率噪聲形成。針對這種噪聲，可采用無規則不等間距布置斜葉片風輪，以改變噪聲能量的頻率分布，即在葉片通過頻率及其諧波頻率上的能量減少，在風輪旋轉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較寬的頻帶中，噪聲能量結構從高頻轉向低頻。因為噪聲的響度與頻率密切相關，噪聲能量的低頻化會明顯降低噪聲響度，相當于降低A計權聲級噪聲。

　　圖4為改進過風輪的噪聲1/3倍頻程分析示意圖，在轉速及葉片數不變的情況下，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脈動力引起的，這些脈動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。

　　空氣流在進入風輪之前，先流過室內機面板、過濾網、蒸發器及電輔熱組件(如果有)，就可能形成紊流，這種流場就成為噪聲源。

　　層流附面層從風輪葉片尾端脫流會形成旋渦流，當前一個葉片脫流產生的旋渦被后一個葉片撞擊時便產生噪聲。

　　影響風輪噪聲的因素非常多，也很復雜，除了與風輪的幾何參數，如葉片數量、葉片形狀、葉片角度、成形直徑、輪轂比有關，還與風輪葉片材料柔性、轉速，以及風輪的使用環境，如蝸舌間隙、風道截面流線形狀、表面粗糙度、翅片片距、濾網目數(密度)有很大關系。對于空調設計生產廠家，通常是在風輪的空氣動力性能(流量、靜壓頭)、產品整體裝配、風輪價格、噪聲等方面獲得最佳的折中。在進行具體的產品設計時，空氣流量應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。通過多次的匹配對比試驗，選擇高效率、低噪聲、最合適的風輪，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比。

　　風道設計與噪聲

　　分體壁掛機的風道一般都是與底盤做成一體的，設計時除了要考慮其材質、強度、外觀、裝配、模具、加工、成本以外，還必須充分考慮風道線型的設計，風道線型是影響風輪噪聲及空氣流量的重要因素之一。風道設計的關鍵點主要有蝸舌間隙(A)、蝸殼間隙(B)、風道型線(C)，如圖5所示。

　　根據測試及經驗，分體壁掛機的蝸舌間隙(A)在7︿9mm左右，蝸殼間隙(B)在6︿8mm左右，可以獲得一個較佳的氣動性能及噪聲性能。

　　風道型線(C)對風輪噪聲的影響基本上可以分成兩個部段，等壓線部段C1和出口擴散部段C2，如圖6所示。根據文獻[2]，底盤蝸殼的初步型線可以按照設計工況條件下，葉輪動壓的等壓線來設計等壓線部段C1。但出口部段C2不能完全按照等壓線外輪廓線來設計，應有一定的擴散角，使空氣流在出口部段形成一定的負壓，從而提高風輪的氣動性能。從測試結果看，出口擴散角D一般設計在10°︿15°比較合適。因為擴散角太小，出風面積小，風速就高，噪聲就大;擴散角太大，出風面積大，風速就小，送風距離近，同樣不利于室內溫度的傳導。

　　步進電機噪聲

　　分體壁掛機的出風主體上面通常設有1︿3個步進電機，用于帶動橫導風條進行上下方向擺風的調節和控制，以及帶動導風葉片進行左右方向擺風的調節和控制。步進電機產生異常噪聲的原因主要有：

　　a、步進電機本身質量差;

　　b、裝配時有干涉或與步進電機主體產生硬接觸;

　　c、轉軸缺乏潤滑油。

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

　　其它運動部件產生的噪聲

　　分體壁掛機除了電機風輪是最主要的運動部件及噪聲源以外，曲柄、連桿、導風條、導風葉片等也是運動部件，也經常會產生異常噪聲，如抖動噪聲或摩擦噪聲。這些噪聲經常都比較細微，通常情況下依靠噪聲測量儀器在噪聲倍頻程分析圖上面不一定能反應出來，只有在很安靜的環境下面，距離比較近時才會聽得到。即便是這樣，也要盡量控制和消除。

　　a、運動零件尺寸設計不合理，如曲柄、連桿太長、太短或角度不合理，就有可能因干涉而產生抖動聲，這種情況比較明顯容易發現。

　　b、運動零件相互接觸的位置因有毛刺或者表面粗糙，出現摩擦聲。分體壁掛機的出風主體、曲柄、連桿、導風條、導風葉片都是由模具注塑成型，在設計產品和模具時，模具的分模位置盡可能不要設計在相互運動的接觸面上，以避免因運動不暢出現在分模痕線或披風處產生“噠噠噠”的間歇性的異常噪聲。

　　c、導風葉片設計太寬大或者布置太密，左右擺風時也會產生周期性的低頻嘯叫聲。圖7是KFR-70G導風葉片原設計圖，葉片左右擺動時，高速空氣流撞擊葉片后產生紊流，同時因葉片面積大，風速急劇提高，激發出較強的嘯叫聲，每個葉片都形成一個點聲源。這種噪聲的聲強級不是很高，但煩躁度比較高，對人體影響較大。圖8是改進后的導風葉片設計圖，在保證正常擺風功能的情況下，基本上消除了周期性的嘯叫聲。

　　d、運動部件缺乏潤滑油造成干摩擦，產生“吱吱吱”的摩擦噪聲，特別是風輪軸承，如工作表面潤滑不夠充分，軸承轉動不靈活，摩擦噪聲會異常地增大。所以，對于運動部件保證充足地潤滑油也是有效降低噪聲的措施之一。

　　其它原因產生的噪聲

　　a、裝配不合理產生噪聲，最常出現的情況是電機的出線端接觸到電控盒，如圖9，相當于電機與電控盒之間產生了硬連接效果，電機機械運動所產生的振動，直接傳給電控盒，激勵電控盒等結構振動產生“嗡……”的噪聲。這種噪聲的煩躁度很高。解決的措施只需將電機旋轉一定角度，保證電機與電控盒等零件之間不直接接觸，留有一定空隙。

　　b、選用電機橡膠墊的硬度不合適也是產生振動噪聲的原因之一。電機橡膠墊的硬度太高(硬度>邵氏50度)，橡膠墊便失去減振作用，電機的振動噪聲通過橡膠墊直接傳遞給底盤產生低頻“嗡嗡嗡”聲。如電機橡膠墊硬度太低，電機及風輪的振動會明顯加大。同樣不利于整機的氣動性能。通常，壁掛機電機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。

　　結語

　　以上關于壁掛機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器上面，如立式柜機、天花機、移動空調等等。

　　同時，影響壁掛機噪聲大小及音質品質的主要原因除了電機、風輪及其它運動部件等以外，還跟產品的裝配工藝、安裝方法、使用環境、維護保養等有關。如定期清潔過濾網、蒸發器，定期檢查運動件是否缺乏潤滑油等等，也是有效地降低空調器噪聲的很好方法。