空调室外机低频噪声改善研究

文智明，张荣婷，谷欢欢

珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070

摘要：为改善某空调室外机低频噪声问题。通过室外机及压缩机试验与仿真分析，定位其产生原因是压缩机分液器摆动模态被激发共振，并通过“分液器—吸气管路—面板”路径振动传递所引起。通过灵敏度仿真分析，研究了不同结构参数对该阶模态的影响。最后，通过优化压缩机分液器支架提升了该阶模态频率以避免被激发。使用该方案后，压缩机单机振动峰值降低约30m/s²，室外机低频噪声峰值降低约13dBA，听感改善明显。

关键词：空调 低频噪声 压缩机 模态 共振

1前言

随着生活水平的提高，用户对空调运行时声音听感的要求越来越高。家用空调室外机一般安装于靠近卧式的空调安装位，室外机噪声容易传递至卧室引起用户不适，尤其是穿透力较强的低频嗡嗡声^[1]。

文献[2]研究了空调器风扇电机二、四倍频低频噪声问题，从电磁学原理分析其产生的机理，探讨在开发设计上的解决方案。文献[3]以某型空调器开发过程中出现的空心墙体低频“嗡嗡”噪声现象为案例，通过优化压缩机减振系统，最终降低墙体传振、改善噪声品质。压缩机、风机是空调室外机的两大主要噪声源，分别通过噪声直接辐射（空气声）和振动传递噪声（结构声）影响室外机噪声^[4]，均有可能引起室外机低频“嗡嗡”声。

因此，要改善室外机低频声，就要先定位出其产生机理，才能有的放矢，解决问题。

2低频噪声特性及产生原因

2.1低频噪声特性

在半消声室中，对某型家用空调室外机在额定制冷工况下进行噪声测试。该空调室外机在压缩机运行频率30-40Hz区间，出现频率为压缩机运行频率6倍的噪声峰值，听感呈现明显的低频“嗡嗡”声，如图1所示。

(a) 噪声频谱 (b) 1/3 倍频程谱

图1 压缩机34Hz运行频率下室外机噪声频谱

2.2低频噪声峰值产生原因

针对该低频“嗡嗡”声问题，笔者做了进一步的试验与仿真分析以确定其产生机理。

1）根据噪声峰值频率特性，可以确定引起低频“嗡嗡”声的源头是压缩机；但是，还需要确定该噪声峰值是压缩机噪声直接辐射的“空气声”，还是通过振动传递引起的“结构声”；

2）通过进一步的室外机振动试验，确定压缩机分液器上振动最大，见图2（a）所示；进一步，改变与压缩机分液器相连的管路连接状态进行对比试验，峰值降低15dB，确认了该异常噪声主要是通过路径“分液器-吸气管路-面板”振动传递引起的“结构声”，见图2(b)所示；

3）通过对压缩机进行模态仿真与试验，可以进一步明确，该款压缩机在200Hz附近存在分液器沿压缩机壳体切向摆动的模态，见图3所示。

汇总以上分析，可以定位该室外机低频“嗡嗡”声的产生机理是：压缩机分液器局部摆动模态在一定运行频率下处于共振状态，振动通过“分液器-吸气管路-面板”路径传递，产生低频噪声峰值。

1. (b)

图2 室外机在压缩机运行频率34Hz时振动、噪声频谱对比

（a）室外机振动频谱、（b）管路与面板连接状态改变前、后噪声频谱对比

(a) 仿真结果 (b) 试验结果

图3 压缩机模态仿真与试验分析

3低频噪声改善措施研究

3.1改善措施分析

根据以上机理分析，从“源—路径—响应”的角度，要改善噪声响应，则可以从以下两个方面考虑：

1. 改善激励源：可以从两个方面着手，①解决压缩机分液器低频共振问题，降低分液器振动，避免通过管路系统传递放大；②屏蔽对应压缩机运行频率点，避免压缩机在产生共振的频率点附近运行；

2. 改善传递路径：即优化压缩机分液器到面板之间的管路系统，避免管路系统与压缩机产生共振耦合，放大噪声。

综上分析，两个大方向均能解决该室外机的低频“嗡嗡”声问题，本着从“源头”解决问题的思路，决定通过改善压缩机分液器振动来解决该噪声问题。而解决压缩机分液器低频共振问题，较为可行的方案是提升该阶模态频率，避免被激发共振。

3.2分液器切向摆动模态影响因素分析

为了找到有效的提升模态频率方案，对压缩机分液器与壳体连接相关的结构参数进行了灵敏度分析，结果如表1所示。从灵敏度分析结果看：1）参数1~5对该阶模态频率起正影响，即参数值越大，模态频率越大；参数6起负影响，即参数值越大，模态频率越小，符合常规认识；2）从灵敏数值看，参数5、1对该阶模态影响较灵敏，但是参数5为吸气管2的壁厚，一般为1-2mm厚，较难改进实施。因此需要从分液器支架（参数1）的改进优化来提升该阶模态频率。

表1 分液器切向摆动模态频率灵敏度分析结果

设计变量	灵敏度	单位
参数1	2.1994E+01	Hz/mm
参数2	6.6295E-01	Hz/mm
参数3	8.5020E-02	Hz/Mpa
参数4	1.0686E+01	Hz/mm
参数5	2.6743E+01	Hz/mm
参数6	-1.3074E+01	Hz/mm

注（参照图4）：参数1—分液器支架厚度；参数2—分液器压板厚度；参数3—橡胶垫弹性模量；

参数4—为吸气管1壁厚；参数5—为吸气管2壁厚；参数6—为分液器筒体壁厚。

图4 分液器与压缩机壳体连接结构示意

3.3最终改进方案

考虑该款压缩机在室外机中最高运行频率为80Hz，分液器切向摆动模态频率要提升到480Hz（6×80=480Hz）以上。而从3.2节中灵敏度分析看，如果仅通过改变支架厚度（增加1mm厚度，提升22Hz），将难以取得较大的改善。因此，本文从改进分液器支架结构以提升其支撑刚度的角度，提出了图5（b）所示双层分液器支方案。仿真结果如图6所示，分液器切向摆动模态频率提升到588Hz，效果明显，可以避开6倍频激励。

(a) 原方案 (b) 改进方案

图5 分液器支架改进方案示意

图6 分液器支架改进后切向摆动模态仿真结果

4改进方案验证

为验证以上方案的改善效果，分别对改进前、后的方案进行了压缩机单机及室外机振动噪声测试对比。

图7（a）对比了方案改进前、后压缩机分液器切向振动峰值的改善效果，可见，在压缩机运行频率范围内改进方案振动较为平稳，没有出现共振现象，振动最大降低30m/s²以上，效果显著。

图7（b）对比了在另一台室外机中分别使用原方案和改进方案压缩机前、后的噪声频谱对比，可以看到引起低频“嗡嗡”声的200Hz附近噪声峰值降低了13dBA，且现场听感改善明显。

（a）压缩机单机振动对比 （b）室外机噪声频谱对比

图7 改善效果对比

结束语：针对某空调室外机低频“嗡嗡”声问题，通过试验与仿真分析定位其由压缩机分液器发生共振，并通过吸气管路传递放大。从“源—路径—响应”的角度分析了改善措施，最终确定对压缩机单机优化改进以降低“源头”的振动。通过压缩机单机与室外机振动噪声对比测试验证，改进方案效果显著：压缩机单机振动降低30m/s²以上，室外机低频噪声峰值降低13dBA，听感改善明显。

参考文献:

1. 禹旭光,余南阳,都剑. 空调系统中的低频噪声[J]. 制冷与空调(四川),2006,(1)：97-100.

2. 严英仕,彭伟新. 房间空调器二倍频、四倍频噪音难题解决方案[J]. 制冷,2014,33(3)：1-6.

3. 李晓阳,陈伟,梁鑫. 空调器室外机墙体传振分析及其改善措施[J]. 制冷与空调,2020,20(8)：33-37.

4. 文智明,张荣婷,谷欢欢. 基于工况传递路径分析方法的空调器室外机噪声源识别[J]. 制冷与空调,2021,21(2)：20-24.

5. Wen Zhiming, Zhang Rongting, Zhang Yaosi, etc. (2016). Research on low frequency vibration of rotary compressor. Proceedings of the 23^rd International Compressor Engineering Conference at Purdue: 1322:p1-10.

作者简介:文智明，男，1986年生，工程师。主要研究方向为机电产品噪声振动与控制研究。E-mail:[e-mail]。