房間空調(diào)器二倍頻、四倍頻噪音難題解決方案

嚴(yán)英仕，彭偉新

(廣州萬寶集團有限公司，廣州 510220)

0 前言

隨著房間空調(diào)器的普及，人們對它的要求也越來越高，過去只要能制冷就可以了，但是現(xiàn)在，除了要求空調(diào)器外觀漂亮、制冷(熱)快等之外，更加追求靜音。而生產(chǎn)廠家還沒有足夠重視，這樣一來，市場上對空調(diào)器噪音的投訴就越來越多，據(jù)某公司的統(tǒng)計，被投訴噪音大的空調(diào)器，當(dāng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行檢測分析時，發(fā)現(xiàn)有60%的空調(diào)器噪音值完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)和工廠標(biāo)準(zhǔn)，但是為什么還會被投訴呢？這種問題令各大空調(diào)生產(chǎn)廠家煩惱不已。這表明，測試值并不能完全反映人們對噪音的實際聽感，即空調(diào)器的噪音除了要關(guān)注測試值之外，對噪音的品質(zhì)不可小覷。這個問題的由來，與絕大多數(shù)空調(diào)企業(yè)對噪音評價的方法有關(guān)聯(lián)，我國空調(diào)器廠家檢測噪音的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)《GB/T7725-2004》來進行的，該標(biāo)準(zhǔn)是按聲壓級的測試方法，根據(jù)聲壓級的大小來判斷噪音是否符合標(biāo)準(zhǔn)，而忽視了某一個頻段的噪音是否過大。因此，有些空調(diào)器的整機噪音水平雖然符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是因為某一個頻段的噪音過大而引起投訴。在我公司分析中發(fā)現(xiàn)，空調(diào)器噪音中的“嗡嗡聲”，在安靜的環(huán)境下，聽起來很明顯，容易被投訴。據(jù)本公司內(nèi)部統(tǒng)計，某類型空調(diào)器的 “嗡嗡” 聲投訴占該機型噪音投訴中的54%。這種“嗡嗡聲”就是本文要討論的空調(diào)器低頻噪音中的二倍頻、四倍頻電磁噪音。目前對低頻電磁噪音的研究論文非常多，但大多偏重于理論研究，而空調(diào)企業(yè)對這種電磁噪音的解決方案研究論文并不多，因此為了與同行交流共同提高，本文將對二倍頻、四倍頻噪音進行一些探討。

1 低頻噪音的影響

低頻噪音是指頻率在20至250 赫茲之間的聲音。因為聲音在空氣中的衰減率與聲音頻率的平方成正比,所以低頻噪音在空氣中不容易衰減和難以被其它物體吸收，可以傳播得很遠(yuǎn)。例如,在20℃70%濕度的空氣中傳播:63 赫茲時衰減量為0.1dB/km；125赫茲時衰減量為0.35 dB/km；125赫茲時衰減量為1.1dB /km。因此在空調(diào)器的噪音評價中，低頻噪音需要引起更多的關(guān)注。

查閱論文發(fā)現(xiàn)，對于低頻噪音的評價指標(biāo)和方法的研究很多，常用的方法是把指標(biāo)評價和煩惱度評價結(jié)合起來。國外有研究人員做了這樣的試驗：用4 赫茲至31.5 赫茲的純音與1000 赫茲的純音來進行煩惱度對比。試驗結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，低頻噪音的聽閾比1000 赫茲純音的聽閾要高，并且隨著聲壓級的提高，煩惱度的增加更快。例如，4 赫茲純音的聽閾為10 分貝，8 赫茲和16 赫茲純音的聽閾為20分貝，31.5 赫茲純音的聽閾為40分貝，而1000 赫茲純音的聽閾為60分貝。

圖1 煩惱度試驗結(jié)果Figure 1 annoyance test results

低頻噪音之所以比高頻噪音更容易引起投訴，有兩方面的原因：一是由于人們對低頻噪音煩惱度的感受高于同一響度下的高頻噪音，二是低頻噪音更容易激發(fā)物體結(jié)構(gòu)的共振，低頻噪音的共振次效應(yīng)也惡化煩惱度的感覺。因此低頻噪音更容易引起人們的不舒適感。

我們根據(jù)這種研究方法，摸索出了一套噪音實聽評價的標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)查市場上對噪音敏感的人群，選出有代表性的測試者，模擬家居生活的環(huán)境，讓測試者在聽到被測空調(diào)器的噪音后,根據(jù)自己的感受，作出聽感判斷，描繪自己對所聽聲音的感覺，一般上用文字表述(不明顯、有點明顯、有點煩惱、煩惱、非常煩惱)來描述測試者的主觀感受。對于“有點煩惱、煩惱、非常煩惱”評價的空調(diào)器，對比FFT頻譜儀測試的結(jié)果，分析是哪一個頻段引起不適的聽感，不斷改進。

空調(diào)器在運行時常見的低頻噪音是二倍頻、四倍頻噪音，所謂的二倍頻、四倍頻噪音，是指接近于電源頻率的2倍、4倍的振動音(當(dāng)電源頻率為50Hz時約為100、200Hz)；它是由單相感應(yīng)式馬達所產(chǎn)生的振動音，該振動導(dǎo)致馬達周圍的系統(tǒng)共振而發(fā)生更大的二倍頻、四倍頻噪音。本文以空調(diào)器中使用的電容運轉(zhuǎn)單相感應(yīng)式馬達為代表進行討論。

2 二倍頻、四倍頻噪音產(chǎn)生機理

2.1 電磁噪音的產(chǎn)生

馬達的噪音一般有三大類：電磁不均衡引起的噪音(稱為電磁噪音)、機械振動引起的噪音(稱為機械噪音)、空氣動力引起的噪音(稱為空氣動力噪音)等。電磁噪音是由于馬達定子和轉(zhuǎn)子之間存在間隙，當(dāng)磁場發(fā)生脈動的變化時，就引起定子、轉(zhuǎn)子周期性的振動，引起整個馬達的結(jié)構(gòu)振動，所產(chǎn)生的一種“嗡嗡”聲的低頻噪音。機械噪音、空氣動力噪音不在本文的范圍內(nèi)，下面僅對電磁噪音進行討論。

電磁噪音產(chǎn)生的原因是由于橢圓磁場的產(chǎn)生。由于馬達主副線圈磁場不平衡等原因產(chǎn)生橢圓磁場，如圖2所示，在一個周期內(nèi)以大、小、大、小兩次脈動，頻率為電源的2倍，在馬達軸的徑向產(chǎn)生振動，即為二倍頻振動。而三相馬達為圓磁場，如圖3，磁場大小穩(wěn)定，不產(chǎn)生二倍頻振動。

圖2Figure 2

圖3Figure 3

橢圓磁場是怎樣產(chǎn)生的？我們用兩個圓形磁場來說明，這兩個圓形磁場同心、且轉(zhuǎn)速相同，但磁場轉(zhuǎn)向相反，如圖4所示，正相磁場B正以速度ωt順時針旋轉(zhuǎn)，反相磁場B反以速度ωt反時針旋轉(zhuǎn)。設(shè)合成磁場矢量B的橫軸分量為x，縱軸分量為y，則：

x=B正sinωt-B反Sinωt=(B正-B反)sinωt

y=B正cosωt+B反cosωt=(B正+B反)cosωt

將以上兩式平方后相加，可得：

上述方程是一個橢圓方程。如圖5所示，在t1時間，兩個旋轉(zhuǎn)磁場矢量正好轉(zhuǎn)到互相重合的位置，脈振磁場矢量為兩個旋轉(zhuǎn)磁場矢量的代數(shù)和，為最大值；在t2時間，兩個旋轉(zhuǎn)磁場矢量成一定角度，脈振磁場矢量為兩個旋轉(zhuǎn)磁場矢量的向量和；在t3時間，兩個旋轉(zhuǎn)磁場矢量正好轉(zhuǎn)到方向相反的位置，旋轉(zhuǎn)磁場矢量部分或全部抵消，脈振磁場矢量為最小值；在t4、t5時間，兩個旋轉(zhuǎn)磁場矢量為負(fù)值，方向與t1、t2時間時相反。

圖4Figure 4

圖5Figure 5

2.2 脈振轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生

設(shè)馬達鐵芯槽內(nèi)導(dǎo)體的電流為I，鐵芯軸向長度為L，則轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩如下式所示：

T=L·|B|·|I|

由于合成的磁場矢量B為變量，因此轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為脈振轉(zhuǎn)矩。由這些脈振轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的振動稱為二倍頻振動。

2.3 二倍頻、四倍頻噪音的發(fā)生

雖然馬達只產(chǎn)生二倍頻振動，但由馬達、馬達支架、風(fēng)扇等組成的系統(tǒng)，當(dāng)固有頻率為100、200Hz附近時則產(chǎn)生共振，發(fā)生更大的二倍頻、四倍頻噪音。

實驗上通常利用FTT頻譜分析法來識別馬達噪聲源。頻譜分析儀是研究噪音頻譜構(gòu)成的儀器，能分析1赫茲到20000赫茲頻段的噪音信號，通過分析各個頻率的聲壓級，找出明顯高于鄰近頻率的峰值，再結(jié)合煩惱度實聽評價，找出發(fā)生異常噪音的根源。

如圖6為馬達單體的噪音頻譜圖，二倍頻噪音為23.5 dB、四倍頻音為6.4 dB，并不是很高，如圖7當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率為112.5、198 Hz時，產(chǎn)生了共振，二倍頻噪音為37.6 dB、四倍頻噪音為49 .4 dB，如圖8的噪音頻譜圖所示。

圖9 二倍頻、四倍頻噪音發(fā)生原因Fig.9 Two times，four times the noise causes

圖6 馬達單體的噪音頻譜分析Fig. 6 Analysis of motor single noise spectrum

圖7 系統(tǒng)固有頻率測試Fig. 7 The inherent frequency of the system test

圖8 系統(tǒng)的噪音頻譜分析Fig. 8 Analysis of noise spectrum system

2.4 空調(diào)器的二倍頻、四倍頻噪音發(fā)生原因(見圖9)。

3 二倍頻、四倍頻噪音改善方案

3.1 馬達

根據(jù)以上原因分析知道，二倍頻、四倍頻噪音的發(fā)生源在于馬達，所以首先要從馬達著手。主要有以下對策：

(1)降低主、副線圈磁場的不平衡。

(2)轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙設(shè)計優(yōu)化。

(3)降低氣隙的不均勻。

(4)合適的運行電容容量。

(5)馬達軸的固有頻率改變(外徑、長度改變、軸上加槽)。

圖10 振動系模型 Fig. 10 Vibration system model

圖11 分析流程Fig. 11 Analysis process

(6)定子與外殼的配合緊密。

3.2 空調(diào)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

即使從設(shè)計上對馬達的二倍頻振動進行了控制，由于大批量生產(chǎn)，二倍頻振動的水平也會波動，因此還要從空調(diào)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行控制：

(1)建立振動系模型：風(fēng)扇、風(fēng)扇聯(lián)軸器、馬達轉(zhuǎn)子(見圖10)。

(2)對建立的模型進行分析，流程見圖11。

3.3 改善方案

通過對模型分析后，制定改善方案：

(1)改變風(fēng)扇的固有頻率，盡量避開100 Hz、200Hz——風(fēng)扇剛性、重量、材料改變。

(2)改變馬達安裝座的固有頻率——板厚調(diào)整、改變加強筋。

(3)馬達與安裝座之間防震——加防震橡膠。

(4)馬達與風(fēng)扇之間防震——使用柔性聯(lián)接裝置。

4 二倍頻、四倍頻噪音改善實例

(1)問題點：

測試時發(fā)現(xiàn)某型號空調(diào)的四倍頻噪音大，頻譜圖如圖8；在消音室聽感評價時，由于四周的消音處理，只能聽到輕微的四倍頻噪音，還不至于產(chǎn)生不愉快感。但在普通家庭的環(huán)境下，再次評價時發(fā)現(xiàn)，在不同的區(qū)域，四倍頻噪音差別很大，如圖12，在區(qū)域l由于風(fēng)聲的遮蓋四倍頻噪音不明顯；而在區(qū)域2、4由于墻壁的反射及音箱共鳴的效應(yīng)，四倍頻噪音大大增強；在區(qū)域3由于風(fēng)聲的減弱，四倍頻噪音突顯，有刺耳的感覺。于是判斷為聽感評價不合格。

圖12 聽感評價Fig. 12 The sense of hearing evaluation

(2)針對四倍頻噪音大這個問題，首先，對馬達進行了分析后，排除了馬達的問題。

通過對系統(tǒng)固有頻率測試后發(fā)現(xiàn)，如圖7系統(tǒng)的固有頻率為198 Hz，與四倍頻共振的頻率非常接近，于是采取了提高系統(tǒng)固有頻率、及降低馬達軸剛性的對策，使系統(tǒng)的固有頻率提高了9.5Hz，最終效果是四倍頻噪音降低了9.3 dB，聽感也顯著改善。如表1所示。

表1 四倍頻噪音改善實例Table 1 the four octave noise improvement examples

5 結(jié)束語

上述理論及技術(shù)攻關(guān)成果，不但在松下空調(diào)器有限公司得到全方位的推廣，為松下空調(diào)器夠安靜口碑贏得消費者青睞 ,大幅度降低了二倍頻、四倍頻噪音和其它異常音的投訴。而且還推廣到位居空調(diào)行業(yè)規(guī)模前二名的美的集團家用空調(diào)器有限公司和商用空調(diào)設(shè)備有限公司，為空調(diào)行業(yè)解決二倍頻、四倍頻噪音的行業(yè)難題和為行業(yè)技術(shù)進步作出了貢獻。

目前的家用空調(diào)器市場，價格競爭日趨激烈，空調(diào)企業(yè)在不斷降低成本的同時還要不斷地改進產(chǎn)品的質(zhì)量。尤其是優(yōu)質(zhì)名牌產(chǎn)品，更應(yīng)搶占技術(shù)制高點，以技術(shù)差異優(yōu)勢提升競爭力，迎合消費升級，滿足消費者日益提高的需要?，F(xiàn)代的設(shè)計人員，要挑戰(zhàn)本學(xué)科技術(shù)難題，往往必須掌握跨學(xué)科、跨行業(yè)的知識，才能在學(xué)術(shù)上有更大建樹，并推動科技成果產(chǎn)業(yè)化，創(chuàng)造更大社會效益。

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