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聲學刷噪聲源識別技術(shù)在空調(diào)器上的應(yīng)用研究
發(fā)表時間:2020-11-13 14:12:13
1、引言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和空調(diào)器產(chǎn)品的普及，用戶對空調(diào)產(chǎn)品噪聲方面的要求越來越高，不但要求產(chǎn)品的噪聲總值要小，而且聲音聽起來不能使人煩擾，這就要求在開發(fā)過程中不僅要降低產(chǎn)品的噪聲值，而且還要提升產(chǎn)品的聲品質(zhì)。異常噪聲會極大地降低產(chǎn)品的聲品質(zhì)和用戶體驗，為解決異常噪聲，噪聲源和傳遞路徑的識別變得尤為重要。

目前噪聲源識別與定位的方法有很多，常用的方法有：傳統(tǒng)識別方法、時域分析法、頻域分析法、時頻分析與小波分析法、聲強測量法、聲全息法和波束形成法等[1-2]，每一種方法都有其優(yōu)點和局限性。為準確識別和定位噪聲源，工程實踐中經(jīng)常是多種方法綜合應(yīng)用。蘭江華等[3]采用覆蓋法和近場測試法等傳統(tǒng)識別方法對空調(diào)室外機異常嘯叫聲進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該嘯叫聲來自于管路焊接時在接頭內(nèi)部產(chǎn)生焊瘤導致的冷媒?jīng)_擊聲。郝玉密[4]等采用倒頻譜分析、調(diào)制譜分析等手段對空調(diào)室外機異常嘯叫聲進行研究，識別出該嘯叫聲來源于冷凝器與前面板的間隙造成的氣流嘯叫聲，并提出改善方案。林澤安等[5]通過比較聲強法與普通方法的測量結(jié)果，證明聲強測量法在空調(diào)噪聲測試中具有足夠高的精度，有很高的實用價值。本文主要研究噪聲濾波診斷技術(shù)和聲學刷噪聲源定位技術(shù)在空調(diào)異常噪聲源定位識別中的應(yīng)用。

2、噪聲濾波診斷技術(shù)及聲學刷聲源定位技術(shù)

2.1 噪聲濾波診斷技術(shù)
噪聲濾波診斷技術(shù)是將噪聲測試采集到的聲壓信號進行快速傅里葉變換（FFT），得到噪聲頻譜圖，即可以得到噪聲的頻率成分。通過商業(yè)軟件的數(shù)字濾波器（低通、高通、帶通和帶阻等）對測試信號進行濾波處理，然后通過回放對比即可以識別出異常噪聲的頻率帶分布。如圖1為某品牌商業(yè)噪聲濾波診斷設(shè)備及軟件分析界面。

圖1 某品牌商業(yè)噪聲濾波診斷設(shè)備及軟件分析界面

2.2 聲學刷聲源定位技術(shù)
目前行業(yè)上可實現(xiàn)聲場可視化的聲源定位技術(shù)主要有基于聲強法聲學刷和基于聲全息的相控陣列聲學照相機等產(chǎn)品。聲學刷的優(yōu)勢是其結(jié)果是三維的，可以識別出聲音傳播的空間方向，對噪聲源的定位更直觀；另外對于一兩百赫茲的低頻噪聲，聲學照相機的空間分辨率不夠，由于空調(diào)產(chǎn)品尺寸較小，不同聲源之間距離很近，聲學照相機無法區(qū)分，而聲學刷的空間分辨率不受頻率限制，主要取決于探頭移動速度，若探頭移動足夠慢，在局部可以獲得非常精細的結(jié)果?；谝陨咸匦?，本文選用基于聲強法的聲學刷對空調(diào)噪聲進行聲源定位技術(shù)研究。

聲學刷主要由測試手柄、聲強探頭、追蹤攝像機、測試處理軟件和坐標參考板等部分組成，如圖2所示。其技術(shù)核心是三維聲強測試技術(shù)與光學跟蹤技術(shù)的結(jié)合，三維坐標跟蹤攝像機通過捕捉坐標參考板將物理空間坐標與軟件模型坐標結(jié)合對應(yīng)起來，通過捕捉測試手柄上的有色彩球來追蹤測試手柄的當前坐標位置，測試手柄內(nèi)置陀螺儀可以實時反饋三維聲強探頭的空間位置。從而實現(xiàn)當在測試對象周圍以任何方向和位置自由移動探頭時，經(jīng)過后處理分析會在屏幕上以三維可視化的方式顯示聲場。

圖2 西門子LMS聲學刷噪聲源定位設(shè)備組成

聲學刷使用的聲強探頭是一個4個相位和幅值匹配的傳聲器組成的P-P探頭（聲壓-聲壓探頭，Pressure-Pressure Probe），如圖3所示。聲強I是矢量（有大小和方向），可以表示為該點的瞬時聲壓p(t)與質(zhì)點瞬時速度v(t)的矢量乘積，如下式：


圖3 P-P聲強探頭

聲壓可直接由傳感器得到，測量兩點的聲壓后用積分方法從聲壓梯度中導出質(zhì)點速度vi：


式中：ρ為空氣密度，r為兩傳聲器之間的距離。由于聲學刷設(shè)備可同時測得聲場的聲壓P、質(zhì)點速度v和聲強I，在后處理中可以顯示聲壓P、質(zhì)點速度v和聲強I的空間分布。

3、空調(diào)器噪聲源識別案例

——某型號掛機嘯叫噪聲源定位

3.1 問題點
某型號掛機開發(fā)過程中，貫流風道通風運行時出現(xiàn)“偶～偶～”嘯叫聲，主觀評價不合格，噪聲頻譜如圖4所示，通過噪聲濾波回放診斷，確定此嘯叫聲為766Hz的噪聲峰值導致，如圖5所示。

圖4 原始噪聲頻譜

圖5 濾波后的噪聲頻譜

3.2 測試分析
3.2.1 聲學刷三維聲場聲強掃描測試
待被測樣機穩(wěn)定運行后，使用西門子LMS Soundbrush聲學刷設(shè)備在半消聲室中對問題樣機進行聲源定位測試，設(shè)備現(xiàn)場布置如圖6所示。

圖6 LMS Sound brush聲學刷噪聲源定位測試現(xiàn)場

待樣機穩(wěn)定運行后，對樣機拆除面板外罩和拆除面板外罩+拆除電裝盒兩種狀態(tài)進行聲場掃描測試，數(shù)據(jù)后處理僅顯示750Hz～800Hz頻率段的聲場。如圖7為兩種不同工況下的測試分析結(jié)果，僅拆除面板外罩測試時，異常噪聲主要有三個傳播方向：在蒸發(fā)器中部向左上方傳播、在電機罩位置向上傳播和在電裝盒右下方位置向右下方傳播，分別對應(yīng)著異常嘯叫噪聲在機器內(nèi)部的傳遞路徑：①從電機出軸端發(fā)出通過風道和蒸發(fā)器間隙向左上方的傳遞；②從電機位置發(fā)出，經(jīng)過電機罩和電裝盒的間隙向上、向前的傳遞；③從電機體發(fā)出經(jīng)過電裝盒和底座的間隙向右的傳遞；當再拆除電裝盒時，沒有了電裝盒的反射作用，②、③兩條傳遞路徑合成了一條向右傳播主路徑，如圖7d所示。

圖7 兩種不同工況下的測試分析結(jié)果

通過以上測試分析可以看出該異常噪聲是由于風扇驅(qū)動電機部位發(fā)出，結(jié)合直流電機電磁激勵頻率特征分析，可以確定該嘯叫聲是直流電機電磁噪聲。直流電機電磁噪聲是由于永磁體和有槽的電樞鐵心的相互作用，產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，造成振動激勵輻射出的噪聲[6]。它的產(chǎn)生來自于永磁體與電樞齒之間的切向力，使永磁電動機的轉(zhuǎn)子有一種沿著某一特定方向與定子對齊的趨勢，試圖將轉(zhuǎn)子定位在某些位置，由此趨勢產(chǎn)生的一種振蕩轉(zhuǎn)矩，其基頻特征頻率為：


式中，n為電機轉(zhuǎn)速，N為定轉(zhuǎn)子極對數(shù)和槽數(shù)的最小公倍數(shù)。該問題樣機風扇葉片數(shù)為35片，轉(zhuǎn)速為960rpm，驅(qū)動電機為8極12槽無刷直流電機。該樣機的嘯叫聲頻率與公式（3）相對應(yīng)，其中N取48。通過以上測試分析，我們可以判斷出該嘯叫聲是由于直流無刷電機電磁激勵造成的，但是還不能具體確定異常噪聲是由電機本體振動輻射引起的，還是由于電機隔震設(shè)計不合理，導致電磁振動激勵傳遞到電機護罩等塑料件引起振動輻射發(fā)出。

3.2.2 核心部件聲振耦合對比分析
使用西門子LMS SCADAS Mobile數(shù)采前端連接PCB壓電式三軸加速傳感器對電機本體和電機罩振動進行振動測試，測試電機本體和電機罩在軸向、周向和徑向三個方向的振動加速度，測試位置如圖8所示。

圖8 振動測試位置

將測得的加速度信號進行1次積分得到振動速度信號，再通過FFT分析得到振動速度頻譜，如圖9所示，嘯叫噪聲對應(yīng)頻率（766Hz）的振動幅值遠大于其他頻率的幅值。將三個位置的振動速度峰值對比如圖10所示，可看出電機本體的振動遠大于電機罩的振動。又因為結(jié)構(gòu)件的振動噪聲輻射功率正比于結(jié)構(gòu)表面振動速度，因此可以確定嘯叫異常噪聲主要是由電機本體振動輻射出，與電機的隔震設(shè)計和電機罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計無關(guān)。

圖9 振動頻譜

圖10 不同位置的振動對比

4、結(jié)論

本文采用濾波診斷、聲學刷掃描測試和聲振耦合對比分析等方法，對空調(diào)室內(nèi)機嘯叫噪聲源進行研究分析，得出如下結(jié)論：
（1）本文中空調(diào)樣機的嘯叫聲是無刷直流電機的電磁噪聲，主要原因是由電機本體振動輻射引起的，與電機的隔震設(shè)計和電機護罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計無關(guān)。
（2）本文采用的聲學刷噪聲源定位識別技術(shù)對后續(xù)異常噪音分析具有很大的借鑒意義。


本文作者
海信（山東）空調(diào)有限公司 朱標 郝玉密 趙希楓

參考文獻
[1] 陳心昭. 噪聲源識別技術(shù)的進展[J]. 合肥工業(yè)大學學報(自然科學版), 2009(05): 7-12.
[2] 胡伊賢, 李舜酩, 張袁元, 等. 車輛噪聲源識別方法綜述[J]. 噪聲與振動控制, 2012(05): 11-15,20.
[ 3 ] 蘭江華. 空調(diào)異常嘯叫聲聲源識別與分析[J] . 家電科技,2010(05): 66-68.
[4] 郝玉密, 趙可可, 徐超, 等. 空調(diào)噪聲分析方法研究和探討[C].中國家用電器技術(shù)大會論文集, 2016.
[5] 林澤安, 班琦, 單磊, 等. 聲強測量法在汽車空調(diào)噪聲測量中的應(yīng)用[J]. 制冷與空調(diào), 2006, 6(03): 30-32.
[6] 宋秋生. 降低無刷直流電機機械噪聲的方法[J]. 科技信息,2017(04): 235-236.

來源：《家電科技》2020年第五期