高阻尼高抗冲聚苯乙烯解决空调蜗舌异响的研究

马令庆 别清峰 朱标 李云蹊

1.海信家电集团股份有限公司 山东青岛 266100；2.海信（山东）空调有限公司 山东青岛 266100

1 引言

随着用户对空调产品声品质要求的不断提高，空调在冷热转换时产生的“咔吧”声异响被越来越多的用户投诉。产生“咔吧”声异响主要是因为在空调冷热转换时，不同部件因热胀冷缩尺寸变化不一致导致装配处产生挤压变形，进而能量释放振动发声。对于挂机，产生“咔吧”声的主要部位是蜗舌。为解决该问题，目前主要采取在两部件接触处粘贴植绒布的方法，避免刚性接触，但长时间使用后植绒布会磨损，而且粘贴植绒布增加材料成本，耗费工时又进一步增加了成本，不利于整机生产效率的提升。也有一些减小接触面积的结构方案，主要为面接触改为点接触或线接触[1]，都存在加工精度较高及无法根治异响的问题；目前有采用PP改性料的方案[2]，但PP材料本身收缩率大，改性后也不能保证部件线性度及整机装配的精细化；也有采用防异响ABS或PC/ABS材料[3-5]，但成本高昂，不利于普及推广。

高抗冲聚苯乙烯（high impact polystyrene，HIPS）具有较好的尺寸稳定性、加工性和较高的冲击强度，以及相对低廉的价格[6]，广泛应用于家电产品。通过对HIPS进行改性，提高其阻尼，使空调蜗舌部件在振动时振幅减小，并快速衰减。我司Q型号挂机，经反复测试确认其热胀冷缩异响集中在蜗舌部件，本文将高阻尼HIPS材料用于蜗舌部件，研究了其对热胀冷缩异响的改善效果。

2 试验部分

2.1 试验样品

高阻尼HIPS和普通HIPS国标样条各1套，粒子各10 g，分别用于测试缺口冲击强度、拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量、内耗因子。

高阻尼HIPS和普通HIPS注塑蜗舌部件各2个，一个用于部品测试，另一个用于装机进行异响测试。

2.2 测试仪器与方法

悬臂梁缺口冲击强度：长春智能仪器设备有限公司（DR-602），按照GB/T 1843-2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》进行测试；

拉伸强度：高铁检测仪器有限公司（GT-TCS-200），按照GB/T 1040.2《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》进行测试；

弯曲强度、弯曲模量：高铁检测仪器有限公司（GT-TCS-200），按照GB/T 9341-2008《塑料 弯曲性能的测定》进行测试；

内耗因子：梅特勒托利多（DMA），升温速率为10℃/min；

振幅时域频谱：采用LMS公司测试锤、采集传感器和数据处理器测试采集；

蜗舌热胀冷缩尺寸变化率：采用恒温恒湿试验箱及游标卡尺，测试设定温度及时长后蜗舌的尺寸变化率；

整机异响频谱：噪音室测试采集。

3 结果与讨论

3.1 材料性能

从表1可以看出，高阻尼HIPS的缺口冲击强度高于普通HIPS，达到11 kJ/m2，而拉伸和弯曲性能低于普通HIPS，这是因为高阻尼HIPS改性时添加了橡胶相，使材料韧性增加，刚性降低。高阻尼HIPS的内耗因子为0.29，远高于普通HIPS，这是因为添加的橡胶相阻尼高，提升了HIPS的阻尼性能，有利于提升材料的吸声、隔振性能。

表1 材料指标对比

3.2 材料阻尼性能

采用高阻尼HIPS和普通HIPS分别注塑成蜗舌部件，对蜗舌部件施加固频激励，测试其振幅随时域的变化。该试验用来模拟蜗舌在整机上因温差变化与底座受热膨胀尺寸不同，部件装配连接处挤压变形产生的振动，若振动振幅小，则产生的声音也会小，振动衰减快，则响声持续时间也会短。从图1可以看出，受到固频激励后，高阻尼HIPS材质蜗舌的振幅远低于普通HIPS材质，且衰减速度快，高阻尼HIPS振动持续约0.04 s后基本衰减结束，而普通HIPS的振动持续时间约0.07 s。这说明高阻尼HIPS对振动的吸收能力优于普通HIPS，即防止噪声产生的能力强。

图1 振幅时域频谱

3.3 部件热胀冷缩尺寸变化率

蜗舌位于挂机出风口，是温度变化最大且短时间温差最大的区域。当空调开启制热功能时，蜗舌受热膨胀，卡扣等装配部位产生形变位移，而形变释放瞬间部件会产生振动发声。减小线性热膨胀系数有利于减小形变，即减小振动发声的概率。空调挂机出风口温度最高为55℃左右，一般15 min整机及房间温度就达到稳定。将不同材质的蜗舌部件放入恒温恒湿试验箱，按表2的试验条件进行处理，并计算试验前后的尺寸变化率。从表2可以看出，在不同温度下受热1 h后，两种材料的尺寸均变大，普通HIPS的变化率更为明显，在55℃受热1 h的变化率差异更为明显，高阻尼HIPS为0.27%，普通HIPS为0.38%。另外模拟开机状态，温度在15 min内由10℃升至55℃，可以看出高阻尼HIPS蜗舌的尺寸变化率也是远低于普通HIPS蜗舌。相同时间相同温差条件下，高阻尼HIPS蜗舌的尺寸变化率低于普通HIPS蜗舌，则其形变小，产生热胀冷缩异响的概率也会低于后者。

表2 蜗舌尺寸随温度的变化率

3.4 对整机热胀冷缩异响的影响

我司Q型号挂机，经之前反复测试发现其热胀冷缩异响集中在蜗舌部件，但该蜗舌结构特殊不适合粘贴植绒布，更换高阻尼HIPS的蜗舌进行整机异响测试，并将测试结果与普通HIPS材质的蜗舌进行对比。将机器按规定安装在消音室内，麦克置于规定位置，消音室工况为室内干球10℃，室外干球6℃，达到工况4 h后进行异响测试，机器设定制热最高温度、打开辅热、最大风量，测试15 min。从图2可以看出，采用高阻尼HIPS蜗舌的挂机只在开机初期的1.5 min内有3声，且声音均低于40 dB(A)，而采用普通HIPS蜗舌的机器异响多达27声，且有2声＞45 dB(A)的超大声。这是因为高阻尼的HIPS减小了震动的振幅，并使其快速衰减，从而使异响减少；另外高阻尼的HIPS的尺寸随温度变化率低于普通HIPS，使其形变小，从而减小异响产生的概率，高阻尼与低形变使得异响大幅减少。

3.5 振动与声音的相关性

测试异响频谱的同时，在蜗舌上布置了振动采集传感器以收集振幅时域频谱，从图3a)、b)可以看出有异响发出时，蜗舌上均有振动产生，即声音频谱的峰均有振幅的峰对应，声音频谱的峰值越大，振幅频谱的峰也是越大的，这说明改善材料的阻尼与热膨胀尺寸变化率有利于解决热胀冷缩异响。

图3 声音、振幅时域频谱

4 结论

本文为解决空调挂机在制热时蜗舌处由于热胀冷缩产生异响的问题，研究了高阻尼HIPS材料用于蜗舌的改善效果，结果发现：（1）高阻尼HIPS材料具有阻尼高、温度变化时尺寸变化率小的优点；（2）提高阻尼使振动时的振幅减小并快速衰减，有利于降低异响分贝；（3）尺寸随温度变化率小，可减小受热膨胀时的形变位移，有利于减少异响次数；（4）声音频谱峰和振动频谱峰，在时域及大小上呈对应关系，这对振动源或者发声源的寻找确认工作提供了启发，可帮助整机异响的解决。