定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)拍頻聲分析與改善

葉容君 陳濤 尹詩(shī)華

廣東美芝制冷設(shè)備有限公司 廣東順德 528300

1 引言

當(dāng)前家用空調(diào)市場(chǎng)主要有定速、變頻兩大類旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，性能、成本、噪聲是衡量壓縮機(jī)好壞的三大重要指標(biāo)。定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)用電機(jī)一般都是異步電機(jī)，即轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度和定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的角速度不同步，存在轉(zhuǎn)速差，所以在定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中存在與轉(zhuǎn)速差有關(guān)的拍頻振動(dòng)或噪聲[1]。趙小龍、章力源等[2]詳細(xì)分析了異步電機(jī)產(chǎn)生拍頻振動(dòng)的機(jī)理以及在診斷電機(jī)故障中的應(yīng)用；趙晴、賈民平等[3]通過(guò)對(duì)回轉(zhuǎn)式機(jī)械中拍頻振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，求得拍頻附近譜線的綜合幅值以確定拍頻故障報(bào)警閾限。單建奮[4]對(duì)轉(zhuǎn)差法、轉(zhuǎn)差頻率法及轉(zhuǎn)差線圈法三種方法測(cè)試異步電機(jī)轉(zhuǎn)差率的測(cè)試精度分析得出轉(zhuǎn)差率越小，轉(zhuǎn)差線圈測(cè)試法測(cè)試精度越高的結(jié)論。

本文針對(duì)某型號(hào)存在明顯嗡嗡聲現(xiàn)象的定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)，進(jìn)行分析和改善，以期提升該空調(diào)系統(tǒng)外機(jī)的聲品質(zhì)。

2 拍頻振動(dòng)和噪聲的現(xiàn)象

2.1 問(wèn)題描述

某客戶采用我司某型號(hào)壓縮機(jī)開發(fā)北美向單冷機(jī)系統(tǒng)過(guò)程中，反饋開機(jī)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)有明顯的、時(shí)高時(shí)低的嗡嗡聲，主觀聽感差，嚴(yán)重影響該空調(diào)系統(tǒng)外機(jī)的聲品質(zhì)。對(duì)室外機(jī)噪聲及壓縮機(jī)振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，具體的測(cè)試步驟及方法如下：

a) 測(cè)試工況為（室內(nèi)：干球27℃/濕球-；室外：干球30℃/濕球-），內(nèi)機(jī)開制冷17℃高風(fēng)穩(wěn)定運(yùn)行半小時(shí)以上；

b) 采用西門子便攜式型號(hào)SC-XS06-E硬件數(shù)據(jù)采集前端、GRAS 46AE型號(hào)聲級(jí)計(jì)、PCB 356A32型號(hào)ICP振動(dòng)傳感器，軟件是西門子LMS test. lab；其中聲級(jí)計(jì)放在距離外機(jī)右側(cè)板中心0.5 m處測(cè)試噪聲；完成噪聲采集后，拆開外機(jī)面板和壓縮機(jī)隔音棉對(duì)壓縮機(jī)本體振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試。

室外機(jī)靠近壓縮機(jī)側(cè)噪聲測(cè)試時(shí)域信號(hào)如圖1所示，時(shí)域信號(hào)特征表明該信號(hào)含有一定的調(diào)制成分，時(shí)域信號(hào)的1/3倍頻程譜和傅里葉變換線譜分別如圖2、圖3所示。從圖2中可知，在125 Hz、160 Hz、200 Hz處存在明顯的噪聲峰值，具體對(duì)應(yīng)FFT線譜頻率成分是116 Hz、120 Hz、174 Hz、178 Hz（如圖3）。對(duì)圖1的噪聲原始時(shí)域信號(hào)進(jìn)行低通和帶阻濾波分析，確認(rèn)影響主觀聽感的嗡嗡聲的問(wèn)題頻段是174 Hz、178 Hz，且174 Hz/178 Hz對(duì)應(yīng)的噪聲峰值分別是57 dB/61 dB，頻率相近且噪聲峰值大小相近，所以基本可判斷該嗡嗡聲是174 Hz和178 Hz拍頻振動(dòng)導(dǎo)致的拍頻噪聲。

圖1 噪聲信號(hào)時(shí)域圖

圖2 噪聲信號(hào)1/3倍頻程圖

2.2 拍頻現(xiàn)象

當(dāng)兩個(gè)幅值和頻率相近的簡(jiǎn)諧波進(jìn)行疊加時(shí)，會(huì)出現(xiàn)幅值忽高忽低的現(xiàn)象，也就是所謂的“拍”現(xiàn)象。假設(shè)信號(hào)y是由兩個(gè)頻率相近的簡(jiǎn)諧波信號(hào)y1和y2疊加而成，則：

圖3 噪聲信號(hào)FFT譜線圖

圖4 壓縮機(jī)振動(dòng)測(cè)試布置點(diǎn)示意圖

其中：A1、A2是振動(dòng)幅值，t為時(shí)間，ω是轉(zhuǎn)頻，Δω相對(duì)ω而言是一個(gè)微小分量，則：

由式（4）可知，信號(hào)y是由兩部分組成，其中第一部分和第二部分都是拍頻振動(dòng)，僅振動(dòng)幅值大小不同，則疊加后的信號(hào)y也是一種拍頻振動(dòng)。

3 嗡嗡聲理論分析及改善

3.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)噪聲理論分析

相關(guān)研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射噪聲的聲功率與振動(dòng)表面法向速度均方值滿足如下關(guān)系：

其中：W為表面輻射聲功率；σ為聲輻射效率；ρ為聲輻射場(chǎng)中媒質(zhì)密度；c為聲輻射場(chǎng)中媒質(zhì)聲速；ρc為媒質(zhì)的特性阻抗；s為振動(dòng)聲源的表面積；為振動(dòng)表面法向速度均方值。聲輻射效率σ(0≤σ≤1)[5]反映了結(jié)構(gòu)振動(dòng)輻射聲音的能力，它與結(jié)構(gòu)的形狀、材質(zhì)、質(zhì)量等因素有關(guān)，對(duì)于復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)振動(dòng)聲源，很難有具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

假設(shè)結(jié)構(gòu)聲源簡(jiǎn)諧波振動(dòng)，則振動(dòng)位移x、速度v、加速度a表達(dá)式分別為：

則聲輻射功率W與振動(dòng)位移、速度、加速度的關(guān)系表達(dá)式為：

由以上表達(dá)式可知，結(jié)構(gòu)振動(dòng)與輻射聲功率有如下基本規(guī)律：（1）相同振動(dòng)表面積的輻射聲源，相同振幅則振動(dòng)頻率越高輻射的聲功率越大；（2）相同振動(dòng)表面積的輻射聲源，相同振動(dòng)頻率則振幅越大輻射的聲功率越大；（3）相同振幅、相同振動(dòng)頻率的輻射聲源，振動(dòng)聲源的表面積越大則輻射的聲功率越大。

3.2 嗡嗡聲激勵(lì)源分析

對(duì)搭載系統(tǒng)的壓縮機(jī)本體（圖4中點(diǎn)1/2/3）、儲(chǔ)液器回轉(zhuǎn)上中下（圖4中點(diǎn)5/6/7）、儲(chǔ)液器徑向上中下（圖4中點(diǎn)8/9/10）、儲(chǔ)液器頂部（圖4中點(diǎn)4）位置布置振動(dòng)加速度傳感器進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試點(diǎn)基頻及倍頻振動(dòng)值大小如表1、表2所示。從測(cè)試數(shù)據(jù)可知，壓縮機(jī)本體和儲(chǔ)液器上均存在174 Hz和178 Hz的振動(dòng)，振動(dòng)峰值基本在0.5 m/s2～2.5 m/s2之間，說(shuō)明壓縮機(jī)本身存在174 Hz和178 Hz的振動(dòng)激勵(lì)源。

表1 本體部測(cè)點(diǎn)基頻及倍頻振動(dòng)值大小

表2 儲(chǔ)液器部測(cè)點(diǎn)基頻及倍頻振動(dòng)值大小

該定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)主要由異步電機(jī)和機(jī)械部?jī)纱蟛考M成。而在異步電機(jī)中，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度與定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度是異步的，有一較小的差異存在。這一差異與電機(jī)的轉(zhuǎn)差有關(guān)，所以在異步電機(jī)中總是存在與轉(zhuǎn)差有關(guān)的拍頻振動(dòng)，且拍頻頻率f2滿足如下關(guān)系：

其中：f為電網(wǎng)供電頻率；s為轉(zhuǎn)差率，且是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率。

已知該空調(diào)產(chǎn)品目標(biāo)銷售市場(chǎng)為北美，電網(wǎng)的供電頻率f=60 Hz，從表1、表2中振動(dòng)信號(hào)可知壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)頻率f1=58 Hz，則轉(zhuǎn)差率，拍頻頻率f2=4 Hz。故產(chǎn)生嗡嗡聲的兩個(gè)頻率成分是壓縮機(jī)轉(zhuǎn)頻的三倍頻174 Hz以及三倍頻與拍頻頻率f2發(fā)生調(diào)制現(xiàn)象產(chǎn)生178 Hz。

拍頻振動(dòng)在定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中普遍存在，從前文的振動(dòng)與噪聲理論分析知，這種低頻振動(dòng)主要影響壓縮機(jī)中異步電機(jī)的振動(dòng)大小，而噪聲的能量很小，在A計(jì)權(quán)的噪聲級(jí)中幾乎可以忽略不計(jì)。搭載系統(tǒng)后產(chǎn)生影響主觀聽感的明顯嗡嗡聲，與系統(tǒng)鈑金面板的輻射面積有一定的相關(guān)性。對(duì)系統(tǒng)外機(jī)的鈑金面板進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)后面板在174 Hz/178 Hz頻段存在明顯振動(dòng)峰值。振動(dòng)幅值大小（如圖5）與壓縮機(jī)本體振動(dòng)相當(dāng)，說(shuō)明系統(tǒng)管路對(duì)該頻段振動(dòng)無(wú)衰減作用。

圖5 后面板振動(dòng)測(cè)試頻譜

圖6 系統(tǒng)吸排氣管道示意圖

3.3 嗡嗡聲問(wèn)題的整改

已知后面板的振動(dòng)傳遞路徑為：壓縮機(jī)—系統(tǒng)管道—后面板，用有限元分析軟件ANSYS Workbench對(duì)該空調(diào)系統(tǒng)的回氣管道和排氣管道（系統(tǒng)吸排氣管路示意圖如圖6）進(jìn)行約束模態(tài)仿真分析[6]，過(guò)程如下：

a) 仿真模型建立：在三維軟件中將壓縮機(jī)簡(jiǎn)化為剛體，吸排氣管為銅，材料參數(shù)壓縮機(jī)為鋼材料，密度ρ=7850 kg/m3、泊松比u=0.33、彈性模量E=2.1×1011N/m2，銅材料密度ρ=8940 kg/m3，泊松比u=0.34、彈性模量E=1.23×1011N/m2。

b) 網(wǎng)格劃分：在ANSYS Workbench中modal模塊中采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行劃分。

c) 邊界條件的設(shè)定：排氣管一端與壓縮機(jī)排氣口采用綁定（bonded）約束、另一端（與換熱器連接）采用固定約束（fixed support）；回氣管一端與壓縮機(jī)回氣口采用綁定（bonded）約束、另一端（與低壓閥連接）采用固定約束（fixed support）。

d) 仿真模態(tài)求解。

仿真求解前六階的模態(tài)頻率和振型，計(jì)算結(jié)果見表3。其中排氣管道第三階模態(tài)頻率178 Hz，由共振原理知，拍頻頻率174 Hz/178 Hz在第三階共振區(qū)內(nèi)。通過(guò)對(duì)排氣管優(yōu)化（優(yōu)化方案：排氣管豎直長(zhǎng)度優(yōu)化+第三階共振節(jié)點(diǎn)彎位的角度優(yōu)化），優(yōu)化后仿真模態(tài)頻率計(jì)算結(jié)果如表3，振型計(jì)算對(duì)比如圖7所示，第三階模態(tài)頻率升高到206 Hz，基本錯(cuò)開了拍頻頻率。

表3 管道結(jié)構(gòu)前6階固有頻率值

圖7 排氣管優(yōu)化前后第三階振型對(duì)比

通過(guò)對(duì)排氣管優(yōu)化后的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證改善效果，排氣管優(yōu)化前后的后面板振動(dòng)（如圖8所示）和靠近壓縮機(jī)側(cè)噪聲測(cè)試頻譜對(duì)比（如圖9所示）。

排氣管優(yōu)化后的樣機(jī)后面板振動(dòng)在174 Hz、178 Hz頻段的振動(dòng)幅值改善明顯，靠近壓縮機(jī)側(cè)噪聲在該頻段上噪聲值大幅度降低，噪聲頻譜無(wú)明顯峰值，主觀聽感上無(wú)嗡嗡聲。

圖8 后面板振動(dòng)對(duì)比

圖9 噪聲信號(hào)1/3倍頻程譜對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)分析得出，該空調(diào)系統(tǒng)嗡嗡聲是壓縮機(jī)的拍頻振動(dòng)（174 Hz/178 Hz）與系統(tǒng)排氣管道第三階模態(tài)頻率共振放大導(dǎo)致系統(tǒng)后面板振動(dòng)輻射拍頻噪聲。最終通過(guò)對(duì)排氣管優(yōu)化改變其固有頻率，從而與壓縮機(jī)拍頻振動(dòng)頻率錯(cuò)開，消除了嗡嗡聲。

異步電機(jī)由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度與定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)角速度存在轉(zhuǎn)速差導(dǎo)致拍頻振動(dòng)，從電機(jī)本身出發(fā)去減小這種拍頻振動(dòng)就必須消除諸如轉(zhuǎn)子加工及安裝的偏心、轉(zhuǎn)軸彎曲、轉(zhuǎn)子的不平衡等引起的轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心。

本文對(duì)定速旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)搭載空調(diào)系統(tǒng)后產(chǎn)生的拍頻噪聲機(jī)理進(jìn)行分析及改善，可為后續(xù)定速機(jī)型開發(fā)提供參考。