空调器电动机低频噪声分析及治理

奥克斯空调股份有限公司 魏华锋 秦 宪 吴 君

0 引言

随着人民生活水平的提高，对空调器的要求已不局限于冷热调节，舒适性要求也越来越高，如静音等。空调器噪声主要由室外侧噪声和室内侧噪声构成。室外侧噪声主要指压缩机、风机电动机运行过程中与壳体结构和管路共振产生的噪声。室内侧噪声主要指风机电动机和高速流动的制冷剂与壳体结构和管路共振产生的噪声。

噪声按频率分为低频噪声、中高频噪声。目前对于空调器800 Hz以上的中高频噪声研究较多，其降噪措施主要为消声和吸声，而对800 Hz以下的低频噪声的机理和降噪手段研究较少。研究表明，消费者对低频噪声的敏感度要高于中高频噪声，即低频噪声引起的烦恼度要大于高频噪声[1]，因此，降低低频噪声对提高空调器静音效果具有很大的意义。

笔者在产品开发中，发现功率2 600 W的定频空调器存在低频噪声：114 Hz时发出“咚咚”声，360 Hz时发出“呜呜”声，且噪声连续，噪声较大，类似压缩机传递声，体验者不适度高。针对此问题，开展了低频噪声源识别、低频噪声产生机理及其传播路径和辐射的研究，并对噪声源、传播路径和噪声辐射面进行了改善方案论证，以促进低频噪声的治理。

1 噪声分析

测试样机：功率2 600 W的定频空调器。试验室：混响噪声室。

测点布置如图1所示：在混响噪声室内布置5个噪声测点，测点1～4布置在试验室4个角落，测点高度为各角落异音听感最大处，测点5自由调整，布置在整个试验室异音听感最大处。

图1 测点布置示意图

1.1 噪声源识别方法

空调器噪声组成比较复杂，包括压缩机噪声、管路噪声、液流噪声、电动机噪声等，进行噪声处理前需要对噪声源进行鉴别，并对主噪声源开展降噪分析。

噪声鉴别方法主要有分步运转法、选择隔离法、声强测量法、频谱分析法、倒频谱分析法、相关分析法等。每种方法各有优缺点和局限性，在实际应用中，应根据具体情况选择最适宜的鉴别方法。本案例中采用了分步运转法、选择隔离法和频谱分析法[3]。

分步运转识别噪声源：在不同的时间，分别测试不同噪声源的辐射声功率，并进行比较，辐射声功率最大的噪声源即为主要噪声源。初步判断产生114 Hz和360 Hz低频噪声的源为室外机电动机，其测试噪声值及最大频率如表1所示。

表1 电动机和压缩机分步运转噪声

选择隔离识别噪声：对同一型号电动机，分别单独运行检测噪声，确认是否为电动机的共性问题。测试噪声值及其最大频率如表2所示。测试结果表明，114 Hz和360 Hz低频噪声为电动机共性噪声。

表2 电动机噪声一致性分析测试结果

1.2 噪声源分析

通过噪声频谱分析，确认114 Hz和360 Hz的低频噪声为电动机共性噪声,采用噪声矩阵分析法分析各噪声频率段的主要噪声源，然后对主要噪声源进行分析，如图2所示。

注：B为噪声类型；f为噪声频率。图2 电动机低频噪声频率矩阵分析图

通过分析发现，主要噪声源为电动机的电磁噪声和机械振动噪声，低频噪声主要分布在100、114、125、360 Hz和500～2 000 Hz频率段，为电动机装配精度或旋转不平衡引起的振动噪声、轴承噪声等及与空调壳体、墙体产生的共振噪声[4]。

2 噪声产生机制与传播路径

2.1 电动机噪声源

电动机噪声主要有电磁噪声、机械噪声和气流噪声。电动机低频噪声故障分析方法(FTA)分析结果见表3。

表3 电动机低频噪声故障分析方法(FTA)分析结果

电磁噪声来源于电磁振动，电磁振动由电动机气隙磁场作用于电动机铁芯产生的电磁力激发，而电动机气隙磁场又决定于转子绕组磁动势和气隙磁导。气隙磁场产生的电磁力是一种旋转力波，分为径向和切向2个分量。径向分量使定子和转子发生径向变形和周期性振动，是电磁噪声的主要来源；切向分量是与电磁旋转相对应的作用力矩，它使转子根部弯曲，并产生局部振动变形，是电磁噪声的次要来源[2]。

电磁噪声是一种单一频率噪声，在某转速下固定不变，频谱不连续，包含一个或多个单峰。当电磁频率与固有频率接近时，会产生谐振，铁芯振动及辐射噪声将大幅增大。

机械噪声是电动机运转过程中摩擦、撞击、不平衡及结构共振引起的噪声，电动机振动主要分径向振动和轴向振动，径向振动主要由转子的不平衡旋转力引起，而轴向振动与轴承摩擦有关[5]。

气流噪声是通风系统中气流压力局部迅速变化和随时间急剧脉动时与障碍物发生摩擦产生的单频噪声，如薄壁零件谐振造成的“笛声”。

2.2 噪声的传播路径

电动机噪声源于振动，电动机振动在固体中的传播路径为：转子不平衡、轴承不平衡等不平衡力产生的振动传递到电动机壳体，通过电动机支架传递到室外机底盘、冷凝器，然后传递到箱体和安装支架，进而传递到室内[6]。

从传播路径来看，通过阻尼削弱传播过程中的振动是有效控制电动机振动噪声的方式[7]。

3 降噪措施和试验验证

3.1 降噪措施

对于电动机的低频共振噪声，主要降噪措施为削弱激励源的振动和减弱传播过程中的振动。具体降噪措施如表4所示。

表4 电动机低频噪声降噪措施

3.2 试验验证

1) 方案1。

如图3所示，114 Hz和360 Hz低频噪声基本消失，体验未发现低频“嗡嗡”声等异音。通过试验数据分析发现，减小风机叶片质量，降低轴承负载，减弱轴承的摩擦和调节转子的质量偏心，提升动平衡，有利于降低电动机的低频振动。在风机叶片设计阶段需验证与之匹配的电动机噪声，确保无噪声异常。

图3 电动机低频噪声整改方案FTA频谱

2) 方案2。

如图3所示，114 Hz噪声降低6.1 dB,360 Hz噪声降低3.5 dB，体验发现，低频“嗡嗡”声明显降低，通过试验数据分析发现，优化电动机转速，避开共振频率可以减少电动机的低频振动。因此，电动机降噪过程中，应多关注电动机转速及风机叶片转向等，以减少轴承振动为切入点，开展降噪工作。

3) 方案3。

如图3所示，改变外观结构可以改变壳体刚度，从而改变电动机固有模态，通过实验数据分析发现，噪声频谱中114 Hz和360 Hz噪声消失。试验验证优化电动机壳体结构，提高壳体刚度，改变电动机共有频率和共振，改善了噪声辐射，可完全消除电动机114 Hz和360 Hz噪声。

4) 方案4。

如图3所示，114 Hz噪声不变,360 Hz噪声降低0.8 dB，改善效果不明显，通过实验数据分析发现，优化电动机支架虽能改善传播路径，但对低频噪声的改善有限。因此在传播路径方向上消除噪声，应关注噪声吸收和辐射，单纯改变安装支架的固有模态，降噪效果不明显。

通过以上试验验证数据分析发现，解决空调电动机低频噪声的主要手段为优化电动机固有模态和优化电动机与风机叶片的匹配度，减少轴承的不平衡，通过减弱电动机振动，有效消除低频噪声[8]。

4 结论

1) 空调器的噪声为多源噪声耦合效应，要精准鉴别其主要噪声，需采用分步运转法、频谱分析法等精准识别并筛选主要噪声源，然后实施降噪手段，如削弱噪声源和改善噪声传播路径等。

2) 空调电动机低频噪声较为复杂，多为电动机、风机叶片不匹配造成，因此应针对不平衡的机械运转引起的噪声开展研究，如转子不平衡噪声、轴承噪声等，其改善措施主要有降低轴承负载、调节电动机转速、风机叶片结构及质量和提高轴承质量、精度及其配合，减小质量偏心。

3) 空调电动机的低频噪声主要由振动引起，提高电动机结构刚度，改变模态，降低固有频率，有利于减少其与空调器室外机壳体的共振，削弱低频噪声。