1、引言
随着科学技术的发展和空调器产品的普及，用户对空调产品噪声方面的要求越来越高，不但要求产品的噪声总值要小，而且声音听起来不能使人烦扰，这就要求在开发过程中不仅要降低产品的噪声值，而且还要提升产品的声品质。异常噪声会极大地降低产品的声品质和用户体验，为解决异常噪声，噪声源和传递路径的识别变得尤为重要。
目前噪声源识别与定位的方法有很多，常用的方法有：传统识别方法、时域分析法、频域分析法、时频分析与小波分析法、声强测量法、声全息法和波束形成法等[1-2]，每一种方法都有其优点和局限性。为准确识别和定位噪声源，工程实践中经常是多种方法综合应用。兰江华等[3]采用覆盖法和近场测试法等传统识别方法对空调室外机异常啸叫声进行研究，结果发现该啸叫声来自于管路焊接时在接头内部产生焊瘤导致的冷媒冲击声。郝玉密[4]等采用倒频谱分析、调制谱分析等手段对空调室外机异常啸叫声进行研究，识别出该啸叫声来源于冷凝器与前面板的间隙造成的气流啸叫声，并提出改善方案。林泽安等[5]通过比较声强法与普通方法的测量结果，证明声强测量法在空调噪声测试中具有足够高的精度，有很高的实用价值。本文主要研究噪声滤波诊断技术和声学刷噪声源定位技术在空调异常噪声源定位识别中的应用。
2、噪声滤波诊断技术及声学刷声源定位技术
2.1 噪声滤波诊断技术
噪声滤波诊断技术是将噪声测试采集到的声压信号进行快速傅里叶变换（FFT），得到噪声频谱图，即可以得到噪声的频率成分。通过商业软件的数字滤波器（低通、高通、带通和带阻等）对测试信号进行滤波处理，然后通过回放对比即可以识别出异常噪声的频率带分布。如图1为某品牌商业噪声滤波诊断设备及软件分析界面。
图1 某品牌商业噪声滤波诊断设备及软件分析界面
2.2 声学刷声源定位技术
目前行业上可实现声场可视化的声源定位技术主要有基于声强法声学刷和基于声全息的相控阵列声学照相机等产品。声学刷的优势是其结果是三维的，可以识别出声音传播的空间方向，对噪声源的定位更直观；另外对于一两百赫兹的低频噪声，声学照相机的空间分辨率不够，由于空调产品尺寸较小，不同声源之间距离很近，声学照相机无法区分，而声学刷的空间分辨率不受频率限制，主要取决于探头移动速度，若探头移动足够慢，在局部可以获得非常精细的结果。基于以上特性，本文选用基于声强法的声学刷对空调噪声进行声源定位技术研究。
声学刷主要由测试手柄、声强探头、追踪摄像机、测试处理软件和坐标参考板等部分组成，如图2所示。其技术核心是三维声强测试技术与光学跟踪技术的结合，三维坐标跟踪摄像机通过捕捉坐标参考板将物理空间坐标与软件模型坐标结合对应起来，通过捕捉测试手柄上的有色彩球来追踪测试手柄的当前坐标位置，测试手柄内置陀螺仪可以实时反馈三维声强探头的空间位置。从而实现当在测试对象周围以任何方向和位置自由移动探头时，经过后处理分析会在屏幕上以三维可视化的方式显示声场。
图2 西门子LMS声学刷噪声源定位设备组成
声学刷使用的声强探头是一个4个相位和幅值匹配的传声器组成的P-P探头（声压-声压探头，Pressure-Pressure Probe），如图3所示。声强I是矢量（有大小和方向），可以表示为该点的瞬时声压p(t)与质点瞬时速度v(t)的矢量乘积，如下式：
图3 P-P声强探头
声压可直接由传感器得到，测量两点的声压后用积分方法从声压梯度中导出质点速度vi：
式中：ρ为空气密度，r为两传声器之间的距离。由于声学刷设备可同时测得声场的声压P、质点速度v和声强I，在后处理中可以显示声压P、质点速度v和声强I的空间分布。
3、空调器噪声源识别案例
——某型号挂机啸叫噪声源定位
3.1 问题点
某型号挂机开发过程中，贯流风道通风运行时出现“偶～偶～”啸叫声，主观评价不合格，噪声频谱如图4所示，通过噪声滤波回放诊断，确定此啸叫声为766Hz的噪声峰值导致，如图5所示。
图4 原始噪声频谱
图5 滤波后的噪声频谱
3.2 测试分析
3.2.1 声学刷三维声场声强扫描测试
待被测样机稳定运行后，使用西门子LMS Soundbrush声学刷设备在半消声室中对问题样机进行声源定位测试，设备现场布置如图6所示。
图6 LMS Sound brush声学刷噪声源定位测试现场
待样机稳定运行后，对样机拆除面板外罩和拆除面板外罩+拆除电装盒两种状态进行声场扫描测试，数据后处理仅显示750Hz～800Hz频率段的声场。如图7为两种不同工况下的测试分析结果，仅拆除面板外罩测试时，异常噪声主要有三个传播方向：在蒸发器中部向左上方传播、在电机罩位置向上传播和在电装盒右下方位置向右下方传播，分别对应着异常啸叫噪声在机器内部的传递路径：①从电机出轴端发出通过风道和蒸发器间隙向左上方的传递；②从电机位置发出，经过电机罩和电装盒的间隙向上、向前的传递；③从电机体发出经过电装盒和底座的间隙向右的传递；当再拆除电装盒时，没有了电装盒的反射作用，②、③两条传递路径合成了一条向右传播主路径，如图7d所示。
图7 两种不同工况下的测试分析结果
通过以上测试分析可以看出该异常噪声是由于风扇驱动电机部位发出，结合直流电机电磁激励频率特征分析，可以确定该啸叫声是直流电机电磁噪声。直流电机电磁噪声是由于永磁体和有槽的电枢铁心的相互作用，产生齿槽转矩，造成振动激励辐射出的噪声[6]。它的产生来自于永磁体与电枢齿之间的切向力，使永磁电动机的转子有一种沿着某一特定方向与定子对齐的趋势，试图将转子定位在某些位置，由此趋势产生的一种振荡转矩，其基频特征频率为：
式中，n为电机转速，N为定转子极对数和槽数的最小公倍数。该问题样机风扇叶片数为35片，转速为960rpm，驱动电机为8极12槽无刷直流电机。该样机的啸叫声频率与公式（3）相对应，其中N取48。通过以上测试分析，我们可以判断出该啸叫声是由于直流无刷电机电磁激励造成的，但是还不能具体确定异常噪声是由电机本体振动辐射引起的，还是由于电机隔震设计不合理，导致电磁振动激励传递到电机护罩等塑料件引起振动辐射发出。
3.2.2 核心部件声振耦合对比分析
使用西门子LMS SCADAS Mobile数采前端连接PCB压电式三轴加速传感器对电机本体和电机罩振动进行振动测试，测试电机本体和电机罩在轴向、周向和径向三个方向的振动加速度，测试位置如图8所示。
图8 振动测试位置
将测得的加速度信号进行1次积分得到振动速度信号，再通过FFT分析得到振动速度频谱，如图9所示，啸叫噪声对应频率（766Hz）的振动幅值远大于其他频率的幅值。将三个位置的振动速度峰值对比如图10所示，可看出电机本体的振动远大于电机罩的振动。又因为结构件的振动噪声辐射功率正比于结构表面振动速度，因此可以确定啸叫异常噪声主要是由电机本体振动辐射出，与电机的隔震设计和电机罩的结构设计无关。
图9 振动频谱
图10 不同位置的振动对比
4、结论
本文采用滤波诊断、声学刷扫描测试和声振耦合对比分析等方法，对空调室内机啸叫噪声源进行研究分析，得出如下结论：
（1）本文中空调样机的啸叫声是无刷直流电机的电磁噪声，主要原因是由电机本体振动辐射引起的，与电机的隔震设计和电机护罩的结构设计无关。
（2）本文采用的声学刷噪声源定位识别技术对后续异常噪音分析具有很大的借鉴意义。
本文作者
海信（山东）空调有限公司 朱标 郝玉密 赵希枫
参考文献
[1] 陈心昭. 噪声源识别技术的进展[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2009(05): 7-12.
[2] 胡伊贤, 李舜酩, 张袁元, 等. 车辆噪声源识别方法综述[J]. 噪声与振动控制, 2012(05): 11-15,20.
[ 3 ] 兰江华. 空调异常啸叫声声源识别与分析[J] . 家电科技,2010(05): 66-68.
[4] 郝玉密, 赵可可, 徐超, 等. 空调噪声分析方法研究和探讨[C].中国家用电器技术大会论文集, 2016.
[5] 林泽安, 班琦, 单磊, 等. 声强测量法在汽车空调噪声测量中的应用[J]. 制冷与空调, 2006, 6(03): 30-32.
[6] 宋秋生. 降低无刷直流电机机械噪声的方法[J]. 科技信息,2017(04): 235-236.
来源：《家电科技》2020年第五期
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