船舶空调风系统噪声源测试与分析

郑楠桢，祝熠珺，丁 亮

（上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

一直以来船舶空调专业通过考核空调器本体辐射噪声和空调舱室噪声来评价空调设备和系统的噪声水平。空调器箱体辐射噪声从起初78 dB(A)，逐渐发展到现在，大机组能控制到68 dB(A)，小机组控制到 65 dB(A)。而舱室噪声水平从起初60dB(A)，逐步控制到现在的55 dB(A)。很明显舱室降噪水平与空调器本体箱体辐射噪声的降低不成正比。为了满足以后不断提高的舱室噪声指标要求，必须对空调风系统噪声源进行分析，为后续针对性噪声治理方案提供支撑。

1 舱室噪声源分析

舱室噪声源主要有3部分组成：第一部分为空调器噪声，分为送风口噪声、回风和箱体辐射噪声，送风口噪声以送风管传递到空调舱室为主，回风和箱体辐射噪声通过空调器舱室回风口、走廊和舱壁传递到空调舱室；第二部分为风管内气流流动噪声、布风器出口流动噪声和空调舱室舱壁回风口流动噪声，以风管传递为主要途径；第三部分为背景噪声，以舱壁振动、舱室管路辐射传递和通过走廊传递为主[1]。噪声传递见图1。

从图1中可见，途径A为空调器送风口噪声；途径B为空调器箱体辐射噪声；途径C为风管内气流流动噪声；途径D为布风器出口流动噪声；途径E为回风口流动及辐射噪声；途径F为舱壁振动等其他背景噪声。

图1 噪声传递示意图

对于背景噪声，主要有海浪声和风雨声等自然环境噪声和主机、发电机等设备运行噪声，主要是非空调设备引起的，其降噪的治理手段也主要由各自设备或舱室围壁材料解决。而对于第一部分和第二部分的舱室噪声，可以归纳为空调风系统噪声，要么是由风系统直接产生的噪声，要么是有风系统传递进舱室，而其主要噪声源就是空调器[2]。

对于空调器的噪声测试一直以辐射噪声为主，并未对送风口、回风口和新风口分开测试，经过分析，空调器除了自身辐射噪声通过舱壁影响临近舱室外，空调器噪声主要是通过送风口和回风口经风管影响舱室[3]，为提供舱室噪声降噪治理依据，需要对空调器各出口噪声进行测试和分析，了解其噪声特性，才能有针对性地提出空调器降噪优化措施，最终达到降低舱室噪声的目标。

2 测试方案

为对空调器传入风系统中的噪声进行分析，先对空调器各个风口进行噪声测试。为避免各风口在测试时互相影响，测试时空调器各风口都按实际情况安装风管。

2.1 测试台架

试验台架中，空调箱各送风侧接管连至一静压箱，静压箱内采用 50 mm阻燃海绵保温层隔热，并用穿孔消音板压紧。静压箱连接一矩形风管排风至室外，矩形风管上布置手动调风门，以调节空调器额定工况。送风、新风和回风皆接管排至室外，风口和空调器由墙壁隔离，避免风口噪声干扰空调器噪声测试。各矩形风管尺寸按尽量低的风速设计，避免产生气流噪声，风管采用3 mm钢板制作，外敷25 mm橡塑海绵保温材料；圆形风管尺寸和空调箱静压箱出风口一致，采用预绝热螺旋风管。

空调器测试布置图如图2所示。

图2 空调器噪声测试布置图

选择夜晚安静环境，或环境噪声小于机组辐射噪声15 dB(A)，进行测试。调整送风管上手动调风门，使机组的风量、机外余压都达到额定工况，调节新、回风调风门，至全开。测试空调器包括新风口侧、回风口侧和送风口侧噪声、设备箱体辐射噪声。其现场测试情况如图3所示。

图3 空调器噪声实际测试台架

辐射噪声测点依据GJB 4058要求，在空调器四周及正上方约1 m远处测试。空调器送风、新风和回风侧噪声测试点布置在风管管道内，由于风道内流速较大，为防止气流直接作用于传声器振膜引起湍流和直接作用振膜而产生噪声，使用鼻锥（代替传声器保护罩），可以大大减低气流阻力引起的噪声。鼻锥的流线型外型可以尽可能地降低对空气的阻力，从而降低因气流而产生的噪声影响。使用鼻锥（图4）可以准确测量空调器风口的噪声值。

图4 试验用鼻锥

空调器新风、回风侧噪声点应尽量布置在靠近空调器风口的位置，保证测试的有效性，具体测点如图5所示。

图5 声学测点具体布置

2.2 风量、风压测试

空调器额定风量、风压测试参照GB/T 14294—2008《组合式空调机组》中关于现场风量和风压的测试方案。通过测试在新风、回风侧布置的25个丝网测点的平均风速，计算空调器新风量和回风量；通过布置在静压箱后矩形风管上静压环测试空调器机外余压。

2.3 数采系统

采用美国国家仪器NI公司的9 234卡，采样精度 24位，最高采样频率 51.2 kHz，动态范围102 dB，采用USB2进行数据传输，采集系统如图6所示。传声器使用丹麦BK公司的4942型号，声压精度在±0.2 dB。

图6 采样系统

2.4 测试对象

测试对象为可变风量间接式空调器在8个倍频带中心频率下的送风、新风和回风侧噪声以及机组箱体辐射噪声。测量的各间接式空调器额定风量范围为4 000 m3/h～10 000 m3/h；机外余压为～1 400 Pa。测试空调器参数见表1。

表1 声测试空调器型号

3 测试结果及分析

3.1 回风侧声特性

3.1.1 回风侧声压级总体特性

通过调节送风口调风门，使空调器风量在110%、100%、80%和60%流量工况下，分别测试回风侧声压级。测试结果：回风侧的风速变化较大，100型空调器从5.5 m/s到1.6 m/s；122型空调器从4.2 m/s到0.6 m/s，回风侧风速变化在80%量级。

随着回风侧风速的降低，回风侧声压级有下降的趋势，但是整体而言，声压级变化不大，处于±4 dB之间，以122型号回风侧额定风量下声压级～88 dBA为基准，回风侧声压级变化幅度在5%，从工程上可以近似忽略不计。所以，回风侧处的气流噪声对回风侧声压级的贡献比较低，其声压级与回风侧处的气流噪声关联小，主要由空调设备内部噪声传出。

3.1.2 同型空调器不同工况

图7为各种风量工况下的回风侧倍频程特性。一倍频程在频域上呈现近M型分布，随频率增加，声压级先变高再变低，在中心频率125 Hz和1 000 Hz左右声压级较大。因此，从后期消声隔声的角度考虑，消声器插入损失或者吸声材料发生作用的频段范围集中在 500 Hz～2 000 Hz内，降噪效果较好。

图7 不同风量下空调器回风侧倍频程特性

同样地，回风侧处的平均速度值对于各频段的声压影响较小，在声频范围内无明显突出的频率段，中频段500 Hz～2 000 Hz对声压级整体贡献较大。

3.1.3 不同空调器

图8为3种测试型号空调器的回风侧声压级倍频程。由前文可知，三型空调器的送风机型号不同，回风侧风量亦不一样，风速差别大，但是回风侧的倍频程特性比较接近。所以，在回风侧连接管道进行声压级测试情况下，回风侧的声压级与回风侧速度关联很小，甚至与空调器无关。当然，这需限制在一定的范围内，如常规的船用空调器工况，采用的是常规的消声措施方式。

图8 不同型号空调器回风侧声压级

3.2 新风侧声特性

3.2.1 新风侧声压级总体特征

新风侧噪声特性与回风侧基本一致，这和一般的认识相符。这也说明新风、回风侧的噪声产生机理一本一致，图9为65型空调，新风、回风侧噪声特性对比。

图9 新风、回风侧噪声特性对比

3.3 送风侧声特性

3.3.1 送风侧声压级总体特征

测试结果表明，在额定工况下，送风侧声压级在～100 dB左右，随着总风量的降低，送风侧流速下降，送风侧声压级也降低，在60%风量工况下，送风侧声压级在～90 dB左右，比额定工况下降约10 dB，三型空调器都表明了该特性。

重新整体风口声压级数据，以风口流速为横坐标，声压级为纵坐标，如图10所示，明显看出，整体而言，声压级送风侧>新风>回风，送风侧声压级与送风速度呈正相关趋势。

图10 新回送风侧声压级-速度关系

以对数函数进行拟合，送风声压与送风侧速度拟合数学关系为

SPL送=31.63Ln(v)+33.32

式中：v为送风平均速度，m/s。

式中：Q为总送风量；s为总送风量。

当然，送风声压与周边环境、风机工况、吸声措施等有较大关系，上述公式主要适用于此次测试的 VQN型号系列风机，以及常规消声、隔声处理的空调器，并不具有严格意义上的普适性。

3.3.2 同型空调器不同工况

图11为各种流量工况下的送风侧倍频程特性。其倍频程频率总体呈抛物线分布，主要在中心频率250 Hz左右的声压级较大。从后期消声隔声的角度考虑，消声器插入损失或者吸声材料发生作用的频段范围集中在100 Hz～500 Hz的频率段内，降噪效果较好。

图11 不同风量下空调器送风侧倍频程特性

3.3.3 不同空调器

图12为3种测试型号空调器的送风侧声压级倍频程。三型空调器的送风侧频谱特性比较接近，经过500 Hz中心频率后迅速下降，总声压级亦随送风速度指数关系变化。

图12 不同型号空调器送风侧声压频谱

3.4 辐射声特性

3.4.1 辐射声总体特性

表2为三型空调器的辐射声学特性。

表2 测试空调器辐射声学特性（单位：dB(A)）

每个空调器共测试上前后左右共计5个点的辐射声压，并取平均值。辐射声压有随着空调器风量增大而变大的趋势。

将三型空调器各工况的风量、声压整理成曲线如图13所示。

图13 风量-辐射声压关系

以空调器总风量为横坐标，声压级为纵坐标，按照对数关系拟合其关系式得

式中：Q为空调器总风量，m3/h。

3.4.2 同型空调器不同工况

图13为各种流量工况下的辐射倍频程特性。声压能量主要集中在500 Hz～2 000 Hz，其高频段衰减较慢。从后期箱体隔声的角度考虑，吸音棉发生作用的频段范围集中在500 Hz～2 000 Hz（如果过宽，可选1000 Hz）的频率段内，降噪效果较好。

图14 不同风量下空调器送风侧倍频程特性

3.4.3 不同空调器

图14所示为3种测试型号空调器的辐射声压级倍频程。三型空调器的送风侧频谱特征比较接近，经过2 000 Hz中心频率后缓慢下降，总声压级亦随送风风量呈指数关系变化。

图15 型号空调器辐射声压频谱

3.5 测试结论

通过分析噪声的传递特性，舱室噪声受空调器风口侧的影响更大，较先前普遍着重对空调器辐射噪声的降噪消声，舱室空调降噪工作应着重于空调器各风口侧的噪声测试和分析。

为后续针对性的降噪消声工作提供合理可靠的实际测试数据和理论分析结论，总结各风口典型频谱特性如图16所示，得出以下结论。

图16 各风口典型声频特性

1）回风侧处的气流噪声对回风侧声压级的贡献比较低，主要由空调设备内部噪声传出。从声频谱看，中频段500 Hz～2 000 Hz对声压级整体贡献较大。

2）新风侧特性与回风侧相似，中频段500Hz～2 000 Hz对声压级整体贡献较大。

3）送风侧声压级与送风机的关联较大，其倍频程频率总体呈抛物线分布，主要在中心频率250 Hz左右的声压级较大，主要声压频段集中在中心频率100 Hz～500 Hz范围内。

4）辐射声压能量主要集中在 500 Hz～2000Hz，其高频段衰减较慢。辐射声压有随着空调器风量增大而变大的趋势。

4 结论

相较以往只是单纯测试空调器辐射噪声，本次研究着重对各风口噪声进行测试和分析，结合噪声产生、传递和消减的机理，分析影响舱室空调噪声的主要因素，主要对如下研究工作提供研究基础和测试积累。

1）结合测试结果与声频谱分析，能够对空调器本体噪声进行针对性优化措施，包括在新风、回风口设置回风格栅，阻挡噪声的传出；在送风口配置适当的消声器，消减空调器传递至舱室的噪声；空调器箱体针对辐射噪声频谱特性配置合适的吸声材料等。

2）根据辐射噪声归纳拟合的空调器辐射噪声预报公式，对空调器辐射噪声进行预报和控制，制定相关设计指标。

3）本研究初步探究了空调器各风口侧噪声的测试方案，可以为行业制定更高标准的空调器测试要求提供借鉴。

4）对舱室空调噪声预报计算提供噪声源数据。由于空调器是舱室空调噪声的主要噪声源，空调器送风口噪声是舱室空调噪声计算不可或缺的重要部分，先前的研究中舱室空调噪声预报时，都是以与风机相关的理论公式作为预报计算源头，结合本研究测试，能是预报计算更贴近实际，进一步提高预报准确度。