房间空调器二倍频、四倍频噪音难题解决方案

严英仕，彭伟新

(广州万宝集团有限公司，广州 510220)

0 前言

随着房间空调器的普及，人们对它的要求也越来越高，过去只要能制冷就可以了，但是现在，除了要求空调器外观漂亮、制冷(热)快等之外，更加追求静音。而生产厂家还没有足够重视，这样一来，市场上对空调器噪音的投诉就越来越多，据某公司的统计，被投诉噪音大的空调器，当按照国家标准进行检测分析时，发现有60%的空调器噪音值完全符合国家标准和工厂标准，但是为什么还会被投诉呢？这种问题令各大空调生产厂家烦恼不已。这表明，测试值并不能完全反映人们对噪音的实际听感，即空调器的噪音除了要关注测试值之外，对噪音的品质不可小觑。这个问题的由来，与绝大多数空调企业对噪音评价的方法有关联，我国空调器厂家检测噪音的标准是根据《GB/T7725-2004》来进行的，该标准是按声压级的测试方法，根据声压级的大小来判断噪音是否符合标准，而忽视了某一个频段的噪音是否过大。因此，有些空调器的整机噪音水平虽然符合标准的要求，但是因为某一个频段的噪音过大而引起投诉。在我公司分析中发现，空调器噪音中的“嗡嗡声”，在安静的环境下，听起来很明显，容易被投诉。据本公司内部统计，某类型空调器的 “嗡嗡” 声投诉占该机型噪音投诉中的54%。这种“嗡嗡声”就是本文要讨论的空调器低频噪音中的二倍频、四倍频电磁噪音。目前对低频电磁噪音的研究论文非常多，但大多偏重于理论研究，而空调企业对这种电磁噪音的解决方案研究论文并不多，因此为了与同行交流共同提高，本文将对二倍频、四倍频噪音进行一些探讨。

1 低频噪音的影响

低频噪音是指频率在20至250 赫兹之间的声音。因为声音在空气中的衰减率与声音频率的平方成正比,所以低频噪音在空气中不容易衰减和难以被其它物体吸收，可以传播得很远。例如,在20℃70%湿度的空气中传播:63 赫兹时衰减量为0.1dB/km；125赫兹时衰减量为0.35 dB/km；125赫兹时衰减量为1.1dB /km。因此在空调器的噪音评价中，低频噪音需要引起更多的关注。

查阅论文发现，对于低频噪音的评价指标和方法的研究很多，常用的方法是把指标评价和烦恼度评价结合起来。国外有研究人员做了这样的试验：用4 赫兹至31.5 赫兹的纯音与1000 赫兹的纯音来进行烦恼度对比。试验结果见图1。从图1可以看出，低频噪音的听阈比1000 赫兹纯音的听阈要高，并且随着声压级的提高，烦恼度的增加更快。例如，4 赫兹纯音的听阈为10 分贝，8 赫兹和16 赫兹纯音的听阈为20分贝，31.5 赫兹纯音的听阈为40分贝，而1000 赫兹纯音的听阈为60分贝。

图1 烦恼度试验结果Figure 1 annoyance test results

低频噪音之所以比高频噪音更容易引起投诉，有两方面的原因：一是由于人们对低频噪音烦恼度的感受高于同一响度下的高频噪音，二是低频噪音更容易激发物体结构的共振，低频噪音的共振次效应也恶化烦恼度的感觉。因此低频噪音更容易引起人们的不舒适感。

我们根据这种研究方法，摸索出了一套噪音实听评价的标准。调查市场上对噪音敏感的人群，选出有代表性的测试者，模拟家居生活的环境，让测试者在听到被测空调器的噪音后,根据自己的感受，作出听感判断，描绘自己对所听声音的感觉，一般上用文字表述(不明显、有点明显、有点烦恼、烦恼、非常烦恼)来描述测试者的主观感受。对于“有点烦恼、烦恼、非常烦恼”评价的空调器，对比FFT频谱仪测试的结果，分析是哪一个频段引起不适的听感，不断改进。

空调器在运行时常见的低频噪音是二倍频、四倍频噪音，所谓的二倍频、四倍频噪音，是指接近于电源频率的2倍、4倍的振动音(当电源频率为50Hz时约为100、200Hz)；它是由单相感应式马达所产生的振动音，该振动导致马达周围的系统共振而发生更大的二倍频、四倍频噪音。本文以空调器中使用的电容运转单相感应式马达为代表进行讨论。

2 二倍频、四倍频噪音产生机理

2.1 电磁噪音的产生

马达的噪音一般有三大类：电磁不均衡引起的噪音(称为电磁噪音)、机械振动引起的噪音(称为机械噪音)、空气动力引起的噪音(称为空气动力噪音)等。电磁噪音是由于马达定子和转子之间存在间隙，当磁场发生脉动的变化时，就引起定子、转子周期性的振动，引起整个马达的结构振动，所产生的一种“嗡嗡”声的低频噪音。机械噪音、空气动力噪音不在本文的范围内，下面仅对电磁噪音进行讨论。

电磁噪音产生的原因是由于椭圆磁场的产生。由于马达主副线圈磁场不平衡等原因产生椭圆磁场，如图2所示，在一个周期内以大、小、大、小两次脉动，频率为电源的2倍，在马达轴的径向产生振动，即为二倍频振动。而三相马达为圆磁场，如图3，磁场大小稳定，不产生二倍频振动。

图2Figure 2

图3Figure 3

椭圆磁场是怎样产生的？我们用两个圆形磁场来说明，这两个圆形磁场同心、且转速相同，但磁场转向相反，如图4所示，正相磁场B正以速度ωt顺时针旋转，反相磁场B反以速度ωt反时针旋转。设合成磁场矢量B的横轴分量为x，纵轴分量为y，则：

x=B正sinωt-B反Sinωt=(B正-B反)sinωt

y=B正cosωt+B反cosωt=(B正+B反)cosωt

将以上两式平方后相加，可得：

上述方程是一个椭圆方程。如图5所示，在t1时间，两个旋转磁场矢量正好转到互相重合的位置，脉振磁场矢量为两个旋转磁场矢量的代数和，为最大值；在t2时间，两个旋转磁场矢量成一定角度，脉振磁场矢量为两个旋转磁场矢量的向量和；在t3时间，两个旋转磁场矢量正好转到方向相反的位置，旋转磁场矢量部分或全部抵消，脉振磁场矢量为最小值；在t4、t5时间，两个旋转磁场矢量为负值，方向与t1、t2时间时相反。

图4Figure 4

图5Figure 5

2.2 脉振转矩的产生

设马达铁芯槽内导体的电流为I，铁芯轴向长度为L，则转子产生的转矩如下式所示：

T=L·|B|·|I|

由于合成的磁场矢量B为变量，因此转子产生的转矩为脉振转矩。由这些脉振转矩产生的振动称为二倍频振动。

2.3 二倍频、四倍频噪音的发生

虽然马达只产生二倍频振动，但由马达、马达支架、风扇等组成的系统，当固有频率为100、200Hz附近时则产生共振，发生更大的二倍频、四倍频噪音。

实验上通常利用FTT频谱分析法来识别马达噪声源。频谱分析仪是研究噪音频谱构成的仪器，能分析1赫兹到20000赫兹频段的噪音信号，通过分析各个频率的声压级，找出明显高于邻近频率的峰值，再结合烦恼度实听评价，找出发生异常噪音的根源。

如图6为马达单体的噪音频谱图，二倍频噪音为23.5 dB、四倍频音为6.4 dB，并不是很高，如图7当系统的固有频率为112.5、198 Hz时，产生了共振，二倍频噪音为37.6 dB、四倍频噪音为49 .4 dB，如图8的噪音频谱图所示。

图9 二倍频、四倍频噪音发生原因Fig.9 Two times，four times the noise causes

图6 马达单体的噪音频谱分析Fig. 6 Analysis of motor single noise spectrum

图7 系统固有频率测试Fig. 7 The inherent frequency of the system test

图8 系统的噪音频谱分析Fig. 8 Analysis of noise spectrum system

2.4 空调器的二倍频、四倍频噪音发生原因(见图9)。

3 二倍频、四倍频噪音改善方案

3.1 马达

根据以上原因分析知道，二倍频、四倍频噪音的发生源在于马达，所以首先要从马达着手。主要有以下对策：

(1)降低主、副线圈磁场的不平衡。

(2)转子与定子间的气隙设计优化。

(3)降低气隙的不均匀。

(4)合适的运行电容容量。

(5)马达轴的固有频率改变(外径、长度改变、轴上加槽)。

图10 振动系模型 Fig. 10 Vibration system model

图11 分析流程Fig. 11 Analysis process

(6)定子与外壳的配合紧密。

3.2 空调器的结构设计

即使从设计上对马达的二倍频振动进行了控制，由于大批量生产，二倍频振动的水平也会波动，因此还要从空调器的结构设计上进行控制：

(1)建立振动系模型：风扇、风扇联轴器、马达转子(见图10)。

(2)对建立的模型进行分析，流程见图11。

3.3 改善方案

通过对模型分析后，制定改善方案：

(1)改变风扇的固有频率，尽量避开100 Hz、200Hz——风扇刚性、重量、材料改变。

(2)改变马达安装座的固有频率——板厚调整、改变加强筋。

(3)马达与安装座之间防震——加防震橡胶。

(4)马达与风扇之间防震——使用柔性联接装置。

4 二倍频、四倍频噪音改善实例

(1)问题点：

测试时发现某型号空调的四倍频噪音大，频谱图如图8；在消音室听感评价时，由于四周的消音处理，只能听到轻微的四倍频噪音，还不至于产生不愉快感。但在普通家庭的环境下，再次评价时发现，在不同的区域，四倍频噪音差别很大，如图12，在区域l由于风声的遮盖四倍频噪音不明显；而在区域2、4由于墙壁的反射及音箱共鸣的效应，四倍频噪音大大增强；在区域3由于风声的减弱，四倍频噪音突显，有刺耳的感觉。于是判断为听感评价不合格。

图12 听感评价Fig. 12 The sense of hearing evaluation

(2)针对四倍频噪音大这个问题，首先，对马达进行了分析后，排除了马达的问题。

通过对系统固有频率测试后发现，如图7系统的固有频率为198 Hz，与四倍频共振的频率非常接近，于是采取了提高系统固有频率、及降低马达轴刚性的对策，使系统的固有频率提高了9.5Hz，最终效果是四倍频噪音降低了9.3 dB，听感也显著改善。如表1所示。

表1 四倍频噪音改善实例Table 1 the four octave noise improvement examples

5 结束语

上述理论及技术攻关成果，不但在松下空调器有限公司得到全方位的推广，为松下空调器够安静口碑赢得消费者青睐 ,大幅度降低了二倍频、四倍频噪音和其它异常音的投诉。而且还推广到位居空调行业规模前二名的美的集团家用空调器有限公司和商用空调设备有限公司，为空调行业解决二倍频、四倍频噪音的行业难题和为行业技术进步作出了贡献。

目前的家用空调器市场，价格竞争日趋激烈，空调企业在不断降低成本的同时还要不断地改进产品的质量。尤其是优质名牌产品，更应抢占技术制高点，以技术差异优势提升竞争力，迎合消费升级，满足消费者日益提高的需要。现代的设计人员，要挑战本学科技术难题，往往必须掌握跨学科、跨行业的知识，才能在学术上有更大建树，并推动科技成果产业化，创造更大社会效益。

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