空调室外机拍频噪声分析与改善

孙义祥 张丹伟 王伟戈 郝玉密

海信家电集团股份有限公司 广东佛山 528305

1 引言

拍频声属于空调声品质的研究范畴，在空调室外机中，拍频声的来源主要有两个方面，一是风机振动和压缩机振动存在频率差，当这两个频率比较接近的振动传递到箱体上辐射噪声时，产生拍频声。还有另外一种产生方式，目前的定速压缩机一般采用异步电机，存在转差率，电磁激励与转子转动激励形成了两个频率接近的激励源，这两个激励源将振动传递到箱体上辐射噪声时，也容易产生拍频声。近年来，许多学者对空调室外机的拍频声和声品质进行了研究，并取得一定成果。薛玮飞[1]等对变频空调室外机的声品质进行研究，得出低频“哄哄”声主要是压缩机转子系统动不平衡产生，低频周期性波动的“嗡嗡”声是轴流风扇与压缩机拍振产生的结论。胡佳伟[2]等对空调室外机拍频噪声的声品质进行线性回归分析，得出拍频噪声的声品质与突出比、响度、抖动强度相关性较大，与语言清晰度、尖锐度、粗糙度相关性较小的结论。徐超[3]等基于RBF神经网络对空调声品质进行研究，得到了非线性声品质问题的评价模型。本文基于模态测试和共振分析对室外机拍频声进行研究，通过更改储液器安装方式，达到降低拍频声的目的，对改善空调室外机拍频声具有一定的参考意义。

2 拍频噪声机理及研究路线

频率很接近的两个简谐振动的合成会出现“拍”的现象[4]。假设频率很接近的两个简谐振动为：

拍频的振幅随时间缓慢变化，其振幅变化周期为：

式中，f1和f2分别是两个简谐振动的频率。

根据哈斯效应，人耳对延迟50毫秒以上的两个声音才有可能分辨出先导声和延迟声[5]，因此频率相差超过20 Hz的两个声音不用考虑拍频。

在空调室外机中，噪声来源主要是轴流风扇和压缩机，其中，轴流风扇产生的BPF激励频率为：

式中，N是风扇转速，转/分；n是风扇叶片数量。

压缩机产生的电磁激励频率为：

式中，f是电源频率的基频。

压缩机产生的转子转动激励频率为：

式中，s是异步电机转差率。

以上三种激励产生的振动通过风扇支架、配管、压缩机脚垫传递到箱体上时，都有可能产生拍频噪声，需要通过频谱分析识别出拍频噪声的具体频率，然后进行针对性改善。本文采用如下具体流程来识别和改善拍频噪声，如图1所示。

3 拍频噪声分析和改善的研究过程

3.1 噪声频谱测试

按照GB/T 7725-2004《房间空气调节器》中规定的测点位置[6]，对产生拍频噪声的空调室外机进行噪声频谱测试，拍频噪声听感上表现为声音不连续，周期性忽大忽小，测试得到的频谱如图2所示。

从频谱中可以看出，产生拍频噪声的频率是234 Hz和240 Hz。测试风扇转速约810 rpm，根据公式（5）计算的风扇BPF基频为40.5 Hz（3×810/60=40.5），其5倍频和6倍频分别是202.5 Hz和243 Hz，与噪声频谱中的拍频声的频率不相同，因此可以排除风扇与压缩机拍振的可能。产生拍频声的激励源只剩下压缩机本身了，根据公式（6）和公式（7），经计算，234 Hz和240 Hz分别是压缩机转子转动激励的4倍频和压缩机电磁激励的4倍频。因此拍频声产生的原因是，压缩机产生的234 Hz和240 Hz振动通过配管、橡胶垫等传递至箱体上，产生相应频率的振动，并辐射出拍频噪声，需要从传递路径和响应部位进行优化。

图1 拍频噪声分析和改善流程

图2 室外机原始噪声频谱

图3 简化的箱体模态测试模型

3.2 室外机箱体模态分析

箱体模态分析的目的是防止箱体固有频率与拍频频率产生共振，从响应部位对拍频声进行优化。

采用B&K软件的MTC Hammer模块对箱体进行模态分析，整个箱体模型可以简化为顶板、前面板和侧面板，简化后的箱体模型如图3所示。

图4 面板传递函数曲线

图5 橡胶块安装位置

图6 配管加橡胶块噪声测试结果

图7 储液器回转方向固有频率

图8 更改储液器固定方式

图9 焊接储液器固有频率

本次测试采用的是移动力锤法，即固定响应点的位置，按顺序依次敲击激励点。由于只使用了一个单向加速度计，因此顶板、前面板、侧面板的模态测试是分开进行的。顶板、前面板、侧面板的传递函数曲线如图4所示。

从箱体模态测试结果可以看出，顶板、前面板、侧面板没有234 Hz或240 Hz的固有频率，说明箱体与拍频激励没有产生共振，其对拍频噪声的影响较小。

3.3 分析配管对拍频声影响

在配管上增加橡胶块，改变配管固有频率，可以在一定程度上降低拍频噪声。经过实验，橡胶块按图5位置安装，可取得一定的改善效果，主要表现在240 Hz噪声有下降，但是234 Hz噪声增大了7 dB（噪声频谱如图6所示），距离改善目标有差距，需要继续改善。

3.4 分析储液器对拍频声影响

储液器通过连接管和支架固定在压缩机壳体上，其入口与回气配管连接，这导致压缩机壳体的振动通过储液器传递至回气配管，进而传递至箱体辐射噪声，因此控制储液器的固有频率对降低拍频噪声具有重要意义。该储液器在回转方向的固有频率测试结果如图7所示。

储液器固有频率244 Hz，而且在244 Hz附近的频率区间内具有较高的响应，由此可知，储液器放大了压缩机的4倍频振动，导致240 Hz拍频噪声明显放大。因此，必须调整储液器固有频率，使其避开压缩机4倍频激励。

将储液器与主壳体的固定方式由箍带连接改为焊接（如图8所示），储液器回转方向固有频率从244 Hz增大至328 Hz（如图9所示），避开了压缩机4倍频激励。

更改储液器连接方式后，额定工况下，噪声测试结果如图10所示（该更改方案不需要在配管上安装橡胶块）。

从测试结果可以看出，240 Hz噪声降低约15 dB，234 Hz噪声降低约3 dB，拍频噪声有了明显改善。这进一步说明了储液器固有频率与压缩机电磁激励的4倍频接近，明显放大了电磁激励的4倍频振动，并通过配管将振动传递至箱体，这是产生明显拍频噪声的主要原因。

4 结论

本文对空调室外机拍频噪声的产生原因，传递路径以及各种影响因素进行了深入的实验研究和分析，得出如下结论。

（1）空调室外机的定速压缩机由于采用异步电机的原因，存在转差率，这是产生拍频噪声的先决条件。

（2）压缩机拍频振动通过配管传递至箱体，从而辐射出拍频噪声，借助模态分析技术，可以获得箱体及配管的固有频率，判断是否与拍频频率产生共振。经测试分析，本案例中箱体和配管对拍频噪声的影响较小，不是主要影响因素。

（3）储液器的固有频率会直接影响传递至配管的振动，通过更改储液器的固定方式，明显改善了拍频噪声。

图10 焊接储液器噪声测试结果

（4）本案例采用的分析流程对改善空调室外机的拍频噪声具有一定参考意义。