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聲學(xué)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(xué)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(zhǔn)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(jī)異常嘯叫聲進(jìn)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(dǎo)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(jī)異常嘯叫聲進(jìn)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(xué)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(xué)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(jìn)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(jìn)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(xué)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(xué)刷和基于聲全息的相控陣列聲學(xué)照相機(jī)等產(chǎn)品。聲學(xué)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(xué)照相機(jī)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(xué)照相機(jī)無法區(qū)分，而聲學(xué)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(xì)的結(jié)果。基于以上特性，本文選用基于聲強法的聲學(xué)刷對空調(diào)噪聲進(jìn)行聲源定位技術(shù)研究。

聲學(xué)刷主要由測試手柄、聲強探頭、追蹤攝像機(jī)、測試處理軟件和坐標(biāo)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(xué)跟蹤技術(shù)的結(jié)合，三維坐標(biāo)跟蹤攝像機(jī)通過捕捉坐標(biāo)參考板將物理空間坐標(biāo)與軟件模型坐標(biāo)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(dāng)前坐標(biāo)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(dāng)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(xué)刷噪聲源定位設(shè)備組成

聲學(xué)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(dǎo)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(xué)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(jī)嘯叫噪聲源定位

3.1 問題點
某型號掛機(jī)開發(fā)過程中，貫流風(fēng)道通風(fēng)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(dǎo)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(xué)刷三維聲場聲強掃描測試
待被測樣機(jī)穩(wěn)定運行后，使用西門子LMS Soundbrush聲學(xué)刷設(shè)備在半消聲室中對問題樣機(jī)進(jìn)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(xué)刷噪聲源定位測試現(xiàn)場

待樣機(jī)穩(wěn)定運行后，對樣機(jī)拆除面板外罩和拆除面板外罩+拆除電裝盒兩種狀態(tài)進(jìn)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(jī)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(jī)器內(nèi)部的傳遞路徑：①從電機(jī)出軸端發(fā)出通過風(fēng)道和蒸發(fā)器間隙向左上方的傳遞；②從電機(jī)位置發(fā)出，經(jīng)過電機(jī)罩和電裝盒的間隙向上、向前的傳遞；③從電機(jī)體發(fā)出經(jīng)過電裝盒和底座的間隙向右的傳遞；當(dāng)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(fēng)扇驅(qū)動電機(jī)部位發(fā)出，結(jié)合直流電機(jī)電磁激勵頻率特征分析，可以確定該嘯叫聲是直流電機(jī)電磁噪聲。直流電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)風(fēng)扇葉片數(shù)為35片，轉(zhuǎn)速為960rpm，驅(qū)動電機(jī)為8極12槽無刷直流電機(jī)。該樣機(jī)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(jī)電磁激勵造成的，但是還不能具體確定異常噪聲是由電機(jī)本體振動輻射引起的，還是由于電機(jī)隔震設(shè)計不合理，導(dǎo)致電磁振動激勵傳遞到電機(jī)護(hù)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(jī)本體和電機(jī)罩振動進(jìn)行振動測試，測試電機(jī)本體和電機(jī)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(jìn)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(yuǎn)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(jī)本體的振動遠(yuǎn)大于電機(jī)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(jī)本體振動輻射出，與電機(jī)的隔震設(shè)計和電機(jī)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(xué)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(jī)嘯叫噪聲源進(jìn)行研究分析，得出如下結(jié)論：
（1）本文中空調(diào)樣機(jī)的嘯叫聲是無刷直流電機(jī)的電磁噪聲，主要原因是由電機(jī)本體振動輻射引起的，與電機(jī)的隔震設(shè)計和電機(jī)護(hù)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計無關(guān)。
（2）本文采用的聲學(xué)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(biāo) 郝玉密 趙希楓

參考文獻(xiàn)
[1] 陳心昭. 噪聲源識別技術(shù)的進(jìn)展[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)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(jī)機(jī)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