空调室内机噪声源的识别与分析
张建、李嵩、黄东涛/清华大学
李孝宽/北京市劳动保护研究所
Identification and Analysis of Noise Sources for Indoor Unit of Air Conditioner
摘要：介绍了某名牌空调室内机的声场测量方法，并通过对其噪声源进行的分析，识别出风舌噪声、结构振动噪声和宽带噪声，并对其分别进行了说明。 关键词：空调机 室内机 噪声源 识别
Abstract: Aiming at a well known air conditioner a measure method of the sound field is given and analyzed the noise source. The volute tongue noise structure vibration noise and broadband noise identified and explained. Key words: Indoor unit of air conditioner Noise source Identification Analysis
1 引言
噪声正日益成为备受关注的环境污染问题之一，民用空调室内机的噪声直接影响着人们的身心健康， 是消费者关心的问题，降低空调机噪声已成为厂家新产品开发时攻关的技术热点。首先必须得对现有的空调室内机的噪声源进行识别，即对整机进行声场测量和噪声分析，识别出主要声源的位置、性质和频率特征，并分析其发声机制，从而有针对性的进行改进噪声设计，并提出相应的降噪措施[1]。
空调室内机结构复杂，在不大的空间内有电机，风机 叶轮 ， 制冷系统（冷却管和换热器） ，机壳以及各种辅助部件，如支架、挡板等，因而空调室内机噪声源多、又很相近，且噪声源性质复杂 ， 可分为气动力噪声，机械振动噪声和电磁噪声等，其中气动力噪声主要来源于风机和换热器，又可分为由风机叶片和机壳相互作用的风舌离散噪声和湍流及涡流引起的宽带噪声等，这些噪声源又很相近，所以噪声源识别有相当难度。 [2]
2 试验设备和测试方法
以某名牌空调室内机为对象进行了声学测量。试验在半消声室进行，半消声室净空尺寸 7.6×6.9× 4.9m（L×W×H），截止频率为 70Hz。该室内机设计工况，分高、低两种转速，为此，实测也分别在两种转速下进行，实际转速随电压变化略有波动，高速为680r/min 左右，低速为 560r/min 左右。采用 B&K 3560 多通道分析仪进行声压级测量，声压级频谱测量用带宽很细的 1/24 倍频程，因而可测定离散噪声。每个测点信号的采集时间为 30s ，可得到稳定的平均声压级。考虑到该机说明书上的标准安装方法为螺栓连接，先采用了螺栓固定于横截面为1m×1m，高 3m 的钢架上（以下简称刚性连接），如图1a 所示。声场测量时东、南、西、北 4 个方向均有相同形式的 4 个测点，布置时沿与该机轴心线夹角分别为30°和45°距离分别为1m和2m，见图1b）。
3 实测结果与噪声源分析 3
对空调室内机东南西北 4 个方向、2 种转速的声场测量表明，对高低 2 种转速，4个方向的4 个测点声压级的频谱曲线除了少数频谱外，极大多数频谱曲线基本重合，如图 2 所示。
这说明该室内机四周的声场对轴心线具有较好的对称性，因此可以认为该室内机声场是对称的。为简单又不失一般性起见，以下分析均以室内机北向测点的频谱数据进行分析，图 3 即为北向距中轴线45°
和1m 处的声压级频谱，图中说明，R为刚性连接，H、L分别表示为高、低转速，N 为北向， 45°和 1m表示为测点在 45°线和 1m 距离处。结合图3 噪声频谱主要特征并进一步对噪声源识别和分析，可得如下结论。
3.1 风舌噪声
无论是低速或是高速频谱曲线上均有 2 个最突出的峰值。其中一个峰值频率在转速为693 r/min 时为 80.6 Hz，在低转速 569 r/min 时为65.9Hz。风舌噪声又称叶片通过频率噪声，其频率用 BPF表示，其计算公式如下：
其中 n 为风机转速（r/min）,Z 为叶片数,k =1,2,3… 表示 k 阶叶片通过频率，通常 1 阶叶片通过频率噪声值最高，随着阶次增高很快下降 。本机叶轮的叶片数为7，据此算出高、低速时1阶叶片的通过频率为80.9和66.4Hz，而上述峰值频率的测试值则分别相差 0.3dB和 0.5dB,属于测量误差，而且其峰值随转速的下降而急剧下降，所以可以肯定，这就是风舌噪声。
3.2 结构振动噪声
在图 3 中，无论是高速或是低速均明显有另一个更强的，峰值频率为 101Hz 的噪声，该离散噪声的声压级高到几乎能接近整机的线性声压级。首先，由于其频率和转速无关，和其声压级值随转速下降而下降得很少，可以确定它不是气动噪声，很可能是结构振动噪声，因此将螺栓连接变为柔性的绳索固定连接方式（以下简称柔性连接），并在改变连接方式后，在同样风机转速下，对同一测点进行声压对比试验。图 4 所示为刚性和柔性连接时 ，转速为 693 r/min 测点为 30 °1m 处的 声压级频谱，明显看出，柔性连接时的 101Hz 峰值频率仍然存在，但其声压级由刚性连接时的 52dB 降到 45dB ，说明它的强度与结构刚度有关，确实是结构振动噪声。值得指出的是，同一转速而连接方式不同时， 80Hz 左右的噪声依然存在，且其强度变化很小，再次说明了是风舌噪声。为了确定其机械结构振动噪声的来源，对室内机测试了一阶共振频率，其值为 70Hz，离 101Hz 很远，排除了共振的可能。由于测试时的交流电源频率为 50Hz，而 101Hz 恰好是它的倍频，估计有电磁激励的可能， 为此，通过变频器将电源频率改变为 55Hz、60Hz，然后再进行同样的声压级频谱测量以便比较。图 4给出了50Hz，55Hz 和 60Hz 电源频率下，柔性连接时北面距中轴线 45 °和1m 处的声压级频谱。显然，随交流电频率的改变，电机转速也相应变化，风舌噪声频率也随之变化，但其峰值仍然存在，如电源频率为 55Hz 时，对应转速为 715 r/min ，其叶片通过频
率为 83.4Hz，实测风舌噪声频率为 83Hz ，然而发现：原来对应于 50Hz 电源频率的 101Hz 的峰值噪声移到110Hz；而电源频率改为 60Hz 时，这一峰值出现在 120Hz 处，其峰值频率均恰好为电源频率的倍频，而这噪声峰值对应于不同的电源频率又有很大变化。由此确认：该离散噪声不是电机本身的电磁噪声，而是 由交电磁场激励的结构振动噪声 。
[4]
3.3 中低频宽带噪声
由图 3 可知，该室内机的噪声除有 2 个很强的离散噪声外，还有 100 ～ 600Hz 的中低频宽带噪声，这是由气流湍流和漩涡流动引起的，厂方原来强调，这可能来源于换热器。为此在整机拆除了换热器后又进行了同样的测试，结果如图 6 所示。 拆除换热器后风舌噪声峰值明显降低，显然这是因为叶轮与机壳的距离增大，即风舌间隙变大的结果。同时还发现，拆除后宽频噪声频谱形状与未拆前极为相似，只是其声压级值平均提高了约 5dB 。说明这个宽带噪声是由风机引起的，而不是换热器。否则拆除换热器后不仅频谱形状应变化，而且总体声压级也应下降。拆除后总体声压级增加的理由是：拆除后整机阻力减少，流量增大，低速时增加 22.5 ％，高速时增加 31.5 ％，大大偏离了风机的设计工况，这不仅使叶轮内的流动情况变坏，而且叶轮出口流道也大大改变，流动情况也变坏，因此整机的比声压级大为提高，导致总声压级也提高。
4 结论
本文通过对某名牌空调室内机噪声分析，识别出主要噪声源是风机的风舌噪声、电磁激励引起的结构振动噪声和风机内流动引起的宽带噪声，换热器噪声，电机噪声不是主要声源。本文给出的测试和分析方法以及结论对空调室内机噪声的识别有普遍意义。
参 考 文 献
[1] Malcolm J. Crocker. Identification of noise sources on a residential split-system
air-conditioner using sound intensity measurements. Applied Acoustics, 2004( 65): 545 – 558.
[2] Neise.W. Fan Noise-Generation Mechanism and Control methods. Proceedings of the 1988
Interational Congress on Noise Control Engineering (INTER-NOISE’88), France: 1988. 767-776.
[3] 单希壮 . 空调器室内柜机噪声的空气动力学分析 . 噪声与振动控制 , 2000(3).
[4] Seybert AF. Crocker MJ. Moore Jwetal. Reducing the noise of a residential air conditioner. Noise Control Eng,1973,1(2):79–85.
空调室内机噪声源的识别与分析
张建、李嵩、黄东涛/清华大学
李孝宽/北京市劳动保护研究所
Identification and Analysis of Noise Sources for Indoor Unit of Air Conditioner
摘要：介绍了某名牌空调室内机的声场测量方法，并通过对其噪声源进行的分析，识别出风舌噪声、结构振动噪声和宽带噪声，并对其分别进行了说明。 关键词：空调机 室内机 噪声源 识别
Abstract: Aiming at a well known air conditioner a measure method of the sound field is given and analyzed the noise source. The volute tongue noise structure vibration noise and broadband noise identified and explained. Key words: Indoor unit of air conditioner Noise source Identification Analysis
1 引言
噪声正日益成为备受关注的环境污染问题之一，民用空调室内机的噪声直接影响着人们的身心健康， 是消费者关心的问题，降低空调机噪声已成为厂家新产品开发时攻关的技术热点。首先必须得对现有的空调室内机的噪声源进行识别，即对整机进行声场测量和噪声分析，识别出主要声源的位置、性质和频率特征，并分析其发声机制，从而有针对性的进行改进噪声设计，并提出相应的降噪措施[1]。
空调室内机结构复杂，在不大的空间内有电机，风机 叶轮 ， 制冷系统（冷却管和换热器） ，机壳以及各种辅助部件，如支架、挡板等，因而空调室内机噪声源多、又很相近，且噪声源性质复杂 ， 可分为气动力噪声，机械振动噪声和电磁噪声等，其中气动力噪声主要来源于风机和换热器，又可分为由风机叶片和机壳相互作用的风舌离散噪声和湍流及涡流引起的宽带噪声等，这些噪声源又很相近，所以噪声源识别有相当难度。 [2]
2 试验设备和测试方法
以某名牌空调室内机为对象进行了声学测量。试验在半消声室进行，半消声室净空尺寸 7.6×6.9× 4.9m（L×W×H），截止频率为 70Hz。该室内机设计工况，分高、低两种转速，为此，实测也分别在两种转速下进行，实际转速随电压变化略有波动，高速为680r/min 左右，低速为 560r/min 左右。采用 B&K 3560 多通道分析仪进行声压级测量，声压级频谱测量用带宽很细的 1/24 倍频程，因而可测定离散噪声。每个测点信号的采集时间为 30s ，可得到稳定的平均声压级。考虑到该机说明书上的标准安装方法为螺栓连接，先采用了螺栓固定于横截面为1m×1m，高 3m 的钢架上（以下简称刚性连接），如图1a 所示。声场测量时东、南、西、北 4 个方向均有相同形式的 4 个测点，布置时沿与该机轴心线夹角分别为30°和45°距离分别为1m和2m，见图1b）。
3 实测结果与噪声源分析 3
对空调室内机东南西北 4 个方向、2 种转速的声场测量表明，对高低 2 种转速，4个方向的4 个测点声压级的频谱曲线除了少数频谱外，极大多数频谱曲线基本重合，如图 2 所示。
这说明该室内机四周的声场对轴心线具有较好的对称性，因此可以认为该室内机声场是对称的。为简单又不失一般性起见，以下分析均以室内机北向测点的频谱数据进行分析，图 3 即为北向距中轴线45°
和1m 处的声压级频谱，图中说明，R为刚性连接，H、L分别表示为高、低转速，N 为北向， 45°和 1m表示为测点在 45°线和 1m 距离处。结合图3 噪声频谱主要特征并进一步对噪声源识别和分析，可得如下结论。
3.1 风舌噪声
无论是低速或是高速频谱曲线上均有 2 个最突出的峰值。其中一个峰值频率在转速为693 r/min 时为 80.6 Hz，在低转速 569 r/min 时为65.9Hz。风舌噪声又称叶片通过频率噪声，其频率用 BPF表示，其计算公式如下：
其中 n 为风机转速（r/min）,Z 为叶片数,k =1,2,3… 表示 k 阶叶片通过频率，通常 1 阶叶片通过频率噪声值最高，随着阶次增高很快下降 。本机叶轮的叶片数为7，据此算出高、低速时1阶叶片的通过频率为80.9和66.4Hz，而上述峰值频率的测试值则分别相差 0.3dB和 0.5dB,属于测量误差，而且其峰值随转速的下降而急剧下降，所以可以肯定，这就是风舌噪声。
3.2 结构振动噪声
在图 3 中，无论是高速或是低速均明显有另一个更强的，峰值频率为 101Hz 的噪声，该离散噪声的声压级高到几乎能接近整机的线性声压级。首先，由于其频率和转速无关，和其声压级值随转速下降而下降得很少，可以确定它不是气动噪声，很可能是结构振动噪声，因此将螺栓连接变为柔性的绳索固定连接方式（以下简称柔性连接），并在改变连接方式后，在同样风机转速下，对同一测点进行声压对比试验。图 4 所示为刚性和柔性连接时 ，转速为 693 r/min 测点为 30 °1m 处的 声压级频谱，明显看出，柔性连接时的 101Hz 峰值频率仍然存在，但其声压级由刚性连接时的 52dB 降到 45dB ，说明它的强度与结构刚度有关，确实是结构振动噪声。值得指出的是，同一转速而连接方式不同时， 80Hz 左右的噪声依然存在，且其强度变化很小，再次说明了是风舌噪声。为了确定其机械结构振动噪声的来源，对室内机测试了一阶共振频率，其值为 70Hz，离 101Hz 很远，排除了共振的可能。由于测试时的交流电源频率为 50Hz，而 101Hz 恰好是它的倍频，估计有电磁激励的可能， 为此，通过变频器将电源频率改变为 55Hz、60Hz，然后再进行同样的声压级频谱测量以便比较。图 4给出了50Hz，55Hz 和 60Hz 电源频率下，柔性连接时北面距中轴线 45 °和1m 处的声压级频谱。显然，随交流电频率的改变，电机转速也相应变化，风舌噪声频率也随之变化，但其峰值仍然存在，如电源频率为 55Hz 时，对应转速为 715 r/min ，其叶片通过频
率为 83.4Hz，实测风舌噪声频率为 83Hz ，然而发现：原来对应于 50Hz 电源频率的 101Hz 的峰值噪声移到110Hz；而电源频率改为 60Hz 时，这一峰值出现在 120Hz 处，其峰值频率均恰好为电源频率的倍频，而这噪声峰值对应于不同的电源频率又有很大变化。由此确认：该离散噪声不是电机本身的电磁噪声，而是 由交电磁场激励的结构振动噪声 。
[4]
3.3 中低频宽带噪声
由图 3 可知，该室内机的噪声除有 2 个很强的离散噪声外，还有 100 ～ 600Hz 的中低频宽带噪声，这是由气流湍流和漩涡流动引起的，厂方原来强调，这可能来源于换热器。为此在整机拆除了换热器后又进行了同样的测试，结果如图 6 所示。 拆除换热器后风舌噪声峰值明显降低，显然这是因为叶轮与机壳的距离增大，即风舌间隙变大的结果。同时还发现，拆除后宽频噪声频谱形状与未拆前极为相似，只是其声压级值平均提高了约 5dB 。说明这个宽带噪声是由风机引起的，而不是换热器。否则拆除换热器后不仅频谱形状应变化，而且总体声压级也应下降。拆除后总体声压级增加的理由是：拆除后整机阻力减少，流量增大，低速时增加 22.5 ％，高速时增加 31.5 ％，大大偏离了风机的设计工况，这不仅使叶轮内的流动情况变坏，而且叶轮出口流道也大大改变，流动情况也变坏，因此整机的比声压级大为提高，导致总声压级也提高。
4 结论
本文通过对某名牌空调室内机噪声分析，识别出主要噪声源是风机的风舌噪声、电磁激励引起的结构振动噪声和风机内流动引起的宽带噪声，换热器噪声，电机噪声不是主要声源。本文给出的测试和分析方法以及结论对空调室内机噪声的识别有普遍意义。
参 考 文 献
[1] Malcolm J. Crocker. Identification of noise sources on a residential split-system
air-conditioner using sound intensity measurements. Applied Acoustics, 2004( 65): 545 – 558.
[2] Neise.W. Fan Noise-Generation Mechanism and Control methods. Proceedings of the 1988
Interational Congress on Noise Control Engineering (INTER-NOISE’88), France: 1988. 767-776.
[3] 单希壮 . 空调器室内柜机噪声的空气动力学分析 . 噪声与振动控制 , 2000(3).
[4] Seybert AF. Crocker MJ. Moore Jwetal. Reducing the noise of a residential air conditioner. Noise Control Eng,1973,1(2):79–85.