随着我国社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高,人们对于居住环境的舒适性也有了更高的要求。其中,对于家用空调产品在使用功能上,不仅要求其制冷(制热)能力强劲,还要求噪声低,舒适且无令人不愉快的一切异常声音。这对于空调产品在整体设计上也提出了更高的要求。同时,家用空调器的噪声也是我国家用电器消费产品一项强制性指标,对其噪声、振动的控制是也成为评价空调器品质的一个重要指标。

噪声的基本知识

声是弹性媒质传播的机械振动和波。波是能量的传递形式,波有能量,所以能产生效果,声波振动内耳的小骨头,这些振动被转化为微小的电子脑波,它就是我们觉察到的声音。声波每秒钟振动的次数称为声的频率,相当于每秒钟经过一个给定点的声波的数量,单位是Hz(赫兹),人耳能听到的声的频率范围是20Hz~20KHz,低于20Hz的声称为次声,高于20KHz的声称为超声。根据的生理构造特征,人耳对于声音响度大小的感觉是一种主观评价,与声压高低及频率大小都有关系,也就是说,声压相同但频率不同的声听起来是不一样响的。人耳对于2KHz~4KHz范围的声感觉最灵敏,对于低于63Hz和高于16KHz的声,即使勉强听得见,反应也很不灵敏。所以,在制定噪声控制方案上面,主要是针对63Hz~16KHz频率范围的噪声。

通常情况下,家用空调产品噪声的测量标准为GB/T 7725《房间空气调节器》,对于一些噪声测试值(声压级)符合标准要求,且根本不会从频谱上反映出来的,难以采用量化的方法来分析判定的令人烦躁的异常的噪声,可以依靠试验员(模拟用户角色)的主观感觉来判定。

分体壁挂机的噪声源与控制

分体壁挂机主要声源有电机、风轮、风道、步进电机、曲柄、连杆、导风条(上下方向)、导风叶片(左右方向)等,与声源传播途径关系密切的重要零件有空调壳体、电机胶垫、电控盒、风轮轴承以及蒸发器结构尺寸等等。

电机噪声

电机噪声主要由电磁噪声及机械噪声组成的。电磁噪声是由各种不同频率的电磁激振力,激发各部件振动发声而来。机械噪声一般由转子不平衡引起的低频声及轴承噪声组成。

图1是KFR-35G壁挂机的噪声1/3倍频程分析示意图,由图可见,在44-50Hz频段,有一处小的尖峰,在88-100Hz频段,还有一处较大的尖峰。50Hz频率与电源频率一致,100Hz刚好是电源频率的二倍。电机转数与电源频率成正比关系,交流电机的磁场随转速频率旋转,在两极时磁场力把电机的叠片铁心变成一个旋转的椭圆,在四极时变成旋转四边形。叠片变形产生振动噪声的基频为二倍电源频率,刚好是100Hz。由于100Hz的噪声波长较长,传播距离也较长,音质很差。

  更换信誉好的厂家生产的电机,重新进行试验,其噪声1/3倍频程分析示意图有比较明显的改观,尖锋值明显减弱。总噪声也由原来的41.6dB(A)降为40.7(A),音质也有明显改善,其噪声1/3倍频程分析示意图如图2所示。

  对于电机的电磁噪声及机械噪声,可以通过提高零件加工精度,提高动平衡,采用优质轴承以及刚性较好的轴系统进行改善。当然,对于电机的电磁噪声及机械噪声,作为电机使用者的空调生产厂家是无法改变的,只能通过收货单位的品质部门按标准要求进行控制把关,选择信誉好品质优良的厂家作为供应商及合作伙伴。

风轮噪声

分体壁挂机的风轮一般都采用贯流风轮。贯流风轮是分体壁挂机最主要的噪声源。风轮噪声基本上可分为离散频率噪声和宽带频率噪声。

离散频率噪声通常又称旋转噪声,源自风轮叶片形成的空气压力脉动。风轮旋转时,每个叶片的两侧都由于流速不同而产生压力差。如此形成的流场以风轮的转速旋转,使得流场中任一点的压力都发生周期性的重现。这样形成的噪声就称为旋转噪声。因它的各次谐波具有离散频率,故也称为离散频率噪声,以区分于连续频率的宽带噪声。离散频率噪声的基频为:

f=nZ/60

式中,n为风轮转速,单位为r/min,Z为风轮叶片数。

图3是KFR-51G壁挂机的噪声1/3倍频程分析示意图,由图可见,在708-891Hz频段,有一处尖峰,该机风轮转速n=1250r/min,风轮叶片数Z=35,故离散频率:f=1250×35÷60=730Hz,刚好在尖峰频段范围,可推断,该尖峰值噪声主要由于风轮的离散频率噪声形成。针对这种噪声,可采用无规则不等间距布置斜叶片风轮,以改变噪声能量的频率分布,即在叶片通过频率及其谐波频率上的能量减少,在风轮旋转频率及其谐波频率上的能量增大。因此,原来集中于通过频率的噪声能量分散到一个较宽的频带中,噪声能量结构从高频转向低频。因为噪声的响度与频率密切相关,噪声能量的低频化会明显降低噪声响度,相当于降低A计权声级噪声。

  图4为改进过风轮的噪声1/3倍频程分析示意图,在转速及叶片数不变的情况下,尖峰值明显减弱,整体噪声也由原来46.6dB(A)减为44.3dB(A),噪声降低了2.3 dB(A)。

  宽带频率噪声是作用在叶片上的随机脉动力引起的,这些脉动力是由叶片表面和紊流(旋涡流)的相互作用造成的。宽带频率噪声包括紊流噪声、旋涡流噪声。

空气流在进入风轮之前,先流过室内机面板、过滤网、蒸发器及电辅热组件(如果有),就可能形成紊流,这种流场就成为噪声源。

层流附面层从风轮叶片尾端脱流会形成旋涡流,当前一个叶片脱流产生的旋涡被后一个叶片撞击时便产生噪声。

影响风轮噪声的因素非常多,也很复杂,除了与风轮的几何参数,如叶片数量、叶片形状、叶片角度、成形直径、轮毂比有关,还与风轮叶片材料柔性、转速,以及风轮的使用环境,如蜗舌间隙、风道截面流线形状、表面粗糙度、翅片片距、滤网目数(密度)有很大关系。对于空调设计生产厂家,通常是在风轮的空气动力性能(流量、静压头)、产品整体装配、风轮价格、噪声等方面获得最佳的折中。在进行具体的产品设计时,空气流量应在满足冷却要求的前提下尽可能减小,过量的冷却意味着过量的噪声。通过多次的匹配对比试验,选择高效率、低噪声、最合适的风轮,以求在较小的功率和噪声满足空气流量的要求,获得较高效率和最高性价比。

风道设计与噪声

分体壁挂机的风道一般都是与底盘做成一体的,设计时除了要考虑其材质、强度、外观、装配、模具、加工、成本以外,还必须充分考虑风道线型的设计,风道线型是影响风轮噪声及空气流量的重要因素之一。风道设计的关键点主要有蜗舌间隙(A)、蜗壳间隙(B)、风道型线(C),如图5所示。

  根据测试及经验,分体壁挂机的蜗舌间隙(A)在7︿9mm左右,蜗壳间隙(B)在6︿8mm左右,可以获得一个较佳的气动性能及噪声性能。

风道型线(C)对风轮噪声的影响基本上可以分成两个部段,等压线部段C1和出口扩散部段C2,如图6所示。根据文献[2],底盘蜗壳的初步型线可以按照设计工况条件下,叶轮动压的等压线来设计等压线部段C1。但出口部段C2不能完全按照等压线外轮廓线来设计,应有一定的扩散角,使空气流在出口部段形成一定的负压,从而提高风轮的气动性能。从测试结果看,出口扩散角D一般设计在10°︿15°比较合适。因为扩散角太小,出风面积小,风速就高,噪声就大;扩散角太大,出风面积大,风速就小,送风距离近,同样不利于室内温度的传导。

  步进电机噪声

分体壁挂机的出风主体上面通常设有1︿3个步进电机,用于带动横导风条进行上下方向摆风的调节和控制,以及带动导风叶片进行左右方向摆风的调节和控制。步进电机产生异常噪声的原因主要有:

a、步进电机本身质量差;

b、装配时有干涉或与步进电机主体产生硬接触;

c、转轴缺乏润滑油。

步进电机的噪声一般都比较轻微,也比较容易判别和排除。只要拆开壁挂机的中框,启动步进电机便可直接观察到。

运动部件产生的噪声

分体壁挂机除了电机风轮是最主要的运动部件及噪声源以外,曲柄、连杆、导风条、导风叶片等也是运动部件,也经常会产生异常噪声,如抖动噪声或摩擦噪声。这些噪声经常都比较细微,通常情况下依靠噪声测量仪器在噪声倍频程分析图上面不一定能反应出来,只有在很安静的环境下面,距离比较近时才会听得到。即便是这样,也要尽量控制和消除。

a、运动零件尺寸设计不合理,如曲柄、连杆太长、太短或角度不合理,就有可能因干涉而产生抖动声,这种情况比较明显容易发现。

b、运动零件相互接触的位置因有毛刺或者表面粗糙,出现摩擦声。分体壁挂机的出风主体、曲柄、连杆、导风条、导风叶片都是由模具注塑成型,在设计产品和模具时,模具的分模位置尽可能不要设计在相互运动的接触面上,以避免因运动不畅出现在分模痕线或披风处产生“哒哒哒”的间歇性的异常噪声。

c、导风叶片设计太宽大或者布置太密,左右摆风时也会产生周期性的低频啸叫声。图7是KFR-70G导风叶片原设计图,叶片左右摆动时,高速空气流撞击叶片后产生紊流,同时因叶片面积大,风速急剧提高,激发出较强的啸叫声,每个叶片都形成一个点声源。这种噪声的声强级不是很高,但烦躁度比较高,对影响较大。图8是改进后的导风叶片设计图,在保证正常摆风功能的情况下,基本上消除了周期性的啸叫声。

  d、运动部件缺乏润滑油造成干摩擦,产生“吱吱吱”的摩擦噪声,特别是风轮轴承,如工作表面润滑不够充分,轴承转动不灵活,摩擦噪声会异常地增大。所以,对于运动部件保证充足地润滑油也是有效降低噪声的措施之一。

原因产生的噪声

a、装配不合理产生噪声,最常出现的情况是电机的出线端接触到电控盒,如图9,相当于电机与电控盒之间产生了硬连接效果,电机机械运动所产生的振动,直接传给电控盒,激励电控盒等结构振动产生“嗡……”的噪声。这种噪声的烦躁度很高。解决的措施只需将电机旋转一定角度,保证电机与电控盒等零件之间不直接接触,留有一定空隙。

  b、选用电机橡胶垫的硬度不合适也是产生振动噪声的原因之一。电机橡胶垫的硬度太高(硬度>邵氏50度),橡胶垫便失去减振作用,电机的振动噪声通过橡胶垫直接传递给底盘产生低频“嗡嗡嗡”声。如电机橡胶垫硬度太低,电机及风轮的振动会明显加大。同样不利于整机的气动性能。通常,壁挂机电机橡胶垫的硬度控制在邵氏35度至45度最合适,橡胶垫避振厚度≥8mm,天然橡胶含量≥85%比较合理。

结语

以上关于壁挂机的噪声分析及降噪措施,具有一定的相似性,同样适用于空调器上面,如立式柜机、天花机、移动空调等等。

同时,影响壁挂机噪声大小及音质品质的主要原因除了电机、风轮及运动部件等以外,还跟产品的装配工艺、安装方法、使用环境、维护保养等有关。如定期清洁过滤网、蒸发器,定期检查运动件是否缺乏润滑油等等,也是有效地降低空调器噪声的很好方法。

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