空調(diào)風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及控制途徑

　　1、引言

　　目前大部分中央空調(diào)組合機(jī)組末端用的空調(diào)離心通風(fēng)機(jī)，噪聲都不盡理想。例如：

　　雙吸多翼前傾風(fēng)機(jī)、雙吸機(jī)翼后傾風(fēng)機(jī)、雙吸單板圓弧后傾風(fēng)機(jī)等安裝在空調(diào)組合機(jī)組末端，在沒(méi)有特殊處理或無(wú)隔聲裝置的情況下，在距風(fēng)機(jī)出風(fēng)口出1m左右測(cè)得的噪聲一般可達(dá)90~110dB(A)，有些高壓、大流量的空調(diào)離心風(fēng)機(jī)，噪聲甚至達(dá)120~130dB(A)。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO)建議：在工業(yè)廠區(qū)內(nèi)，噪聲要求不超過(guò)85dB(A)。

　　在公共建筑、飯店、賓館、精密儀器儀表等領(lǐng)地，噪聲要求不超過(guò)75dB(A)。根據(jù)人們對(duì)噪聲所能承受的程度，距離風(fēng)機(jī)最近住宅區(qū)，白天要求噪聲不超過(guò)50~60dB(A)，晚上要求噪聲不超過(guò)40~45dB(A)。

　　因此，對(duì)于當(dāng)今較為普及的中央空調(diào)組合機(jī)組末端用的空調(diào)離心通風(fēng)風(fēng)機(jī)噪聲的產(chǎn)生要進(jìn)行深入研究，識(shí)別噪聲源，從而實(shí)現(xiàn)噪聲的有效控制是有意義的。

　　2、空調(diào)風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理分析

　　2.1空調(diào)風(fēng)機(jī)的機(jī)械噪聲

　　一般說(shuō)來(lái)，空調(diào)風(fēng)機(jī)大部分采用雙進(jìn)風(fēng)形式，風(fēng)機(jī)的軸及軸上的葉輪等零件都較重，各生產(chǎn)廠家事先經(jīng)過(guò)較嚴(yán)格的平衡（靜平衡和動(dòng)平衡）試驗(yàn)后才投入使用。但風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速一般較高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn)后，會(huì)產(chǎn)生多種機(jī)械噪聲。

　?。?）葉輪磨損不均勻或因風(fēng)壓導(dǎo)致零件的變形，使整個(gè)轉(zhuǎn)子不平衡而產(chǎn)生的噪聲。

　?。?）軸承在運(yùn)行后由于磨損，與軸相互產(chǎn)生的噪聲。

　?。?）由于安裝不良或各零件聯(lián)接松動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。

　?。?）葉輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)體某一部分共振而產(chǎn)生的噪聲。

　　2.2電機(jī)噪聲

　　在空調(diào)的整個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)中，電機(jī)是其中一個(gè)重要組成部分，但一般風(fēng)機(jī)的生產(chǎn)廠家采用的電機(jī)均由電機(jī)生產(chǎn)廠家提供，風(fēng)機(jī)生產(chǎn)廠家不一般不作電機(jī)內(nèi)部處理，但電機(jī)的噪聲種類繁多，本文簡(jiǎn)述如下：

　?。?）軸承本身精度不夠而產(chǎn)生的軸承噪聲；

　?。?)徑向交變的電磁力激發(fā)的電磁噪聲；

　?。?)換向器整流子碳刷摩擦導(dǎo)電環(huán)而產(chǎn)生的摩擦噪聲；

　?。?）整流子的打擊噪聲；

　?。?）由于某些部件振動(dòng)使自己的固有頻率與激勵(lì)頻率產(chǎn)生共振，形成很強(qiáng)的窄帶噪聲；

　?。?）轉(zhuǎn)子不平衡或電磁力軸向分量產(chǎn)生的軸向串動(dòng)聲；

　?。?）電機(jī)冷卻風(fēng)扇產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲。

　　2.3風(fēng)機(jī)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

　　當(dāng)多個(gè)葉片的風(fēng)機(jī)葉輪繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)氣流不斷施加作用力，作用力的平均部分對(duì)應(yīng)于維持氣流運(yùn)動(dòng)的推力，而其交變部分則對(duì)應(yīng)于生產(chǎn)氣流噪聲的激發(fā)力。

　?。?）旋轉(zhuǎn)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理旋轉(zhuǎn)噪聲又稱葉片噪聲，或稱離散頻率噪聲。

　　葉片繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，風(fēng)機(jī)葉片相對(duì)于氣流運(yùn)動(dòng)，迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)所受壓力不同。在旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片通道出口處沿周向的氣動(dòng)壓力機(jī)與氣流速度都有很大變化，旋轉(zhuǎn)的葉片通道掠過(guò)較窄的蝸舌處，就會(huì)出現(xiàn)周期性的壓力和速度脈動(dòng)，從而產(chǎn)生噪聲。葉片在自由空間旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)于葉片鄰近的某固定空間位置來(lái)說(shuō)，每當(dāng)一個(gè)葉片通過(guò)時(shí)，空氣受到葉片及其壓力場(chǎng)的激勵(lì)，壓力就會(huì)起伏變化一次，旋轉(zhuǎn)的葉片不斷地逐個(gè)通過(guò)，相應(yīng)逐個(gè)地產(chǎn)生脈沖，向周圍輻射噪聲。

　　在給定空間位置產(chǎn)生的壓力,并不按正弦規(guī)律隨時(shí)間變化,而是按脈沖形式。除基頻外還有許多諧波成分，其頻率為基頻的整數(shù)倍。如果壓力脈沖很尖銳，在聲頻范圍內(nèi)可以有許多諧波成分。旋轉(zhuǎn)噪聲的頻率為：

　　f=inz/60

　　式中:n每分鐘的轉(zhuǎn)速

　　z葉片數(shù)

　　i頻率諧波序號(hào),i=1時(shí)頻率為基頻

　　由式(1)可以看出,若將葉片數(shù)增加1倍而轉(zhuǎn)速保持不變時(shí),由于基頻增加1倍,原來(lái)的奇次諧波成分被取消,假定各諧波成分的強(qiáng)度近似相同,理論上旋轉(zhuǎn)噪聲的強(qiáng)度將降低一般。即使壓力脈沖不很尖銳，葉片數(shù)的增多對(duì)降低噪聲也是有利的。

　　旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓與風(fēng)機(jī)的功率成正比，而與葉輪的半徑成反比。所以，當(dāng)功率與葉片尖端的圓周速度給定時(shí)，從降低噪聲的角度應(yīng)盡量使葉輪半徑大一些。葉片尖端的圓周速度對(duì)旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓非常敏感，隨圓周速度的提高，旋轉(zhuǎn)噪聲的聲功率迅速地增加。

　　（2）渦旋噪聲產(chǎn)生的機(jī)理

　　渦旋噪聲又稱渦流噪聲，或稱紊流噪聲。風(fēng)機(jī)葉片相對(duì)于氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣流受到葉片阻擋即繞流時(shí)，沿葉片表面的流線會(huì)在背面脫體，從而形成一個(gè)陰影區(qū)。在該區(qū)內(nèi)的氣體一般處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，并不隨氣流向下游方向運(yùn)動(dòng)，而該區(qū)與氣流間的邊界是不聞穩(wěn)定的，氣流通過(guò)切向粘滯力而產(chǎn)生卷吸作用，帶動(dòng)靜止的氣體運(yùn)動(dòng)，在背面的分叉點(diǎn)附近形成了渦旋胚，并逐漸成長(zhǎng)，渦旋的范圍越來(lái)越大，到一定程度后渦旋胚就從葉片背面滑脫，而隨氣流向下游運(yùn)動(dòng)。當(dāng)渦旋胚滑脫時(shí)，在該區(qū)另一側(cè)分叉點(diǎn)附件形成新的渦旋胚，從而開(kāi)始同上相似的過(guò)程。

　　此類推,渦旋在葉片上側(cè)不斷地形成、發(fā)展和滑脫，產(chǎn)生一系列順流而下的漩渦。由于渦旋的中心與邊緣的壓力是不相同的，因此在渦旋脫體的過(guò)程中，渦流分裂，使氣體發(fā)生擾動(dòng)，葉片受到交變氣體擾動(dòng)作用力。形成氣流的壓縮與稀疏過(guò)，從而向周圍輻射聲波，生產(chǎn)渦旋噪聲。渦旋噪聲的頻率為；

　　fm=iβv/L

　　式中β斯特勞哈爾(Struuhal)系數(shù),β=0.14~0.2，一般隨雷諾數(shù)的增加而緩慢地增加，計(jì)算一般可取β=0.185

　　v氣流與葉片的相對(duì)速度

　　L葉片正表明的寬度在垂直于速度平面上的投影

　　i頻率諧波號(hào)

　　由式(2)可知,渦旋噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對(duì)速度,而旋轉(zhuǎn)葉片的圓周速度則隨著與圓心的距離而變化.從圓心到圓周,速度連續(xù)變化.葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的渦旋噪聲就具有連續(xù)的噪聲頻譜,頻帶寬度也將隨雷諾數(shù)的提高而緩慢地增大。從聲源特性說(shuō)，渦旋噪聲屬偶極子源，聲功率與偶極子源振速幅值vm的平方成正比,與波數(shù)k的4次方成正比,因此渦旋噪聲的聲功率按流速v的6次方規(guī)律變化。

　　實(shí)際空調(diào)中使用的各種系列離心風(fēng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)噪聲與渦旋噪聲總是同時(shí)存在。若葉片尖端的圓周速度相應(yīng)的馬赫數(shù)小于0.4，渦旋噪聲則占主導(dǎo)地位，若葉片尖端的圓周速度相應(yīng)的馬赫數(shù)大于0.4，旋轉(zhuǎn)噪聲則占主打地位。

　　3、空調(diào)風(fēng)機(jī)噪聲的控制途徑

　　3.1機(jī)械噪聲的控制

　　正常運(yùn)行的空調(diào)機(jī)組中的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，機(jī)械噪聲相對(duì)于氣體動(dòng)力噪聲和電機(jī)噪聲來(lái)說(shuō)，相對(duì)較小，在混合噪聲中，機(jī)械噪聲可以忽略不計(jì)。

　　3.2電機(jī)噪聲的控制

　　在設(shè)計(jì)制造或選用電機(jī)時(shí)要側(cè)重考慮降低電機(jī)噪聲，在使用電機(jī)時(shí)則要側(cè)重考慮控制電機(jī)噪聲。

　?。?）葉片聲和笛聲的控制葉片不平衡或葉片與導(dǎo)風(fēng)圈的間隙大小，只需校正或調(diào)整即可；若葉片與風(fēng)道溝共振產(chǎn)生笛聲，須改變?nèi)~片數(shù)，葉片最好采用質(zhì)數(shù)片。

　?。?)適當(dāng)減小風(fēng)扇直徑,合理選擇風(fēng)扇尺寸參數(shù),可降低風(fēng)扇渦旋噪聲。

　?。?)電磁噪聲在低頻段與電機(jī)剛度有關(guān),高頻段與槽配合有關(guān)。若出現(xiàn)電網(wǎng)頻率的低頻電磁聲，說(shuō)明電機(jī)定子有偏心、氣隙不均勻，應(yīng)返修改進(jìn)；若負(fù)載出現(xiàn)兩倍滑差頻率的噪聲，說(shuō)明轉(zhuǎn)子有缺陷，應(yīng)更新或返修。

　　（4)采用消聲隔聲措施以消聲為主的常用于小型電機(jī)，以隔聲為主的常用于大型電機(jī)。一要注意電機(jī)的散熱,二要注意消聲罩的隔振與減振。

　　3.3風(fēng)機(jī)噪聲的控制

　　空調(diào)組合機(jī)組末端的通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的噪聲源,沿風(fēng)機(jī)的各個(gè)方向向外傳播。

　　對(duì)于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)廠家，既要保證整個(gè)系統(tǒng)的低噪聲，又要保證風(fēng)機(jī)的高效率。我公司目前研制開(kāi)發(fā)的KHF系列風(fēng)機(jī)就是基于上述觀點(diǎn)而設(shè)計(jì)的，主要用于組合機(jī)組配套。

　　（1）機(jī)殼處的噪聲控制

　　在風(fēng)機(jī)殼內(nèi)側(cè)固定一層穿孔板，其穿孔率約為20%，內(nèi)襯一種超細(xì)玻璃棉，作為吸聲材料，其密度為15~20kg/m3,整個(gè)襯墊厚度為50~100mm。可以有效減小音調(diào)強(qiáng)度和隨機(jī)噪聲。

　　此方法筆者在寧波一家風(fēng)機(jī)公司工作時(shí),應(yīng)客戶降低噪聲的要求而設(shè)計(jì)并制作過(guò)一批,計(jì)6臺(tái),機(jī)號(hào)為KHF-900、KHF-1000。件1和件7為1.5mm鍍鋅板,件4為1.0mm鍍鋅板,件3、件5和件6為0.8mm穿孔網(wǎng)板,件4為1.0mm鍍鋅板,件3、件5和件6為0.8mm穿孔網(wǎng)板，穿孔率為20%中間填充工業(yè)用超細(xì)玻璃棉。經(jīng)前后性能對(duì)比，由于穿孔板的摩擦系數(shù)比普通鍍鋅板略高，風(fēng)機(jī)流量下降1.2%~2.5%，內(nèi)功率也同時(shí)降低1.4%~1.8%，其噪聲降低8~10dB(A)。也可以做成雙層微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)，層與層之間間隙為60mm,通過(guò)氣流的一層穿孔率為20%,另一層為2%,夾層中間不加填料,經(jīng)測(cè)試,性能與上述方法基本相同。如果空調(diào)箱內(nèi)的空間足夠，也可以將襯墊貼附在整個(gè)機(jī)殼的外側(cè)，其降噪的效果也較為明顯。

　?。?）進(jìn)、出風(fēng)口處噪聲控制

　　經(jīng)測(cè)試，空調(diào)風(fēng)機(jī)在進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口，其噪聲最大。一般方法是利用聲的阻抗失配原理，在進(jìn)風(fēng)口前和出風(fēng)口后安裝吸聲式消聲裝置來(lái)減低風(fēng)機(jī)噪聲。

　　在進(jìn)風(fēng)口位于機(jī)殼內(nèi)部的外圍，設(shè)計(jì)防渦旋的整流結(jié)構(gòu)。

　　葉輪中葉片出風(fēng)口的尺寸大于進(jìn)風(fēng)口位于前盤處的尺寸，氣流在風(fēng)室中流動(dòng)，在進(jìn)風(fēng)口圓弧段會(huì)形成許多小股團(tuán)的渦旋，與機(jī)殼、進(jìn)風(fēng)口發(fā)生多次沖擊而后脫離，因連續(xù)多次的沖擊而向周圍輻射噪聲。增設(shè)整流圈和擋板，能有效防止氣流在進(jìn)風(fēng)口旁形成渦旋，卡門渦街、二次流生的噪聲有明顯降低在KHF系列風(fēng)機(jī)中，經(jīng)同比性能測(cè)試，不僅噪聲降低6~8dB(A),且風(fēng)量、全壓也增加2%~4%，風(fēng)機(jī)效率也有所提高。

　　在出風(fēng)口處，除安裝消聲器外，還可以設(shè)置吸聲板來(lái)降低噪聲，這種方法也可應(yīng)用在進(jìn)風(fēng)口處。

　?。?）蝸舌結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

　　由于存在著葉片尾跡，在葉輪出口處的切向速度分布曲線呈現(xiàn)明顯的最大值和最小值。蝸殼尖端半徑的大小及蝸舌與葉輪外徑的間距大小出風(fēng)口處的噪聲影響較大。在KHF系列風(fēng)機(jī)蝸舌板的設(shè)計(jì)中，除選擇適當(dāng)?shù)奈伾嗉舛税霃胶臀伾嗯c葉輪外徑的間距外，并對(duì)蝸舌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。一種方法是在風(fēng)舌的內(nèi)側(cè)固定一層穿孔板，內(nèi)襯一種超細(xì)玻璃棉作為吸聲材料，其結(jié)構(gòu)與前面的機(jī)殼襯層相似。另一種方法是改變蝸舌的邊緣。一般風(fēng)機(jī)蝸舌的邊緣是平行于主軸，讓葉輪流出的周向不均勻的氣流同時(shí)作用在蝸舌上，使蝸舌受到很大的脈沖力而向外輻射較強(qiáng)的噪聲?，F(xiàn)改用的蝸舌板，蝸舌邊緣線與主軸傾斜，其傾斜的程度根據(jù)葉片的氣動(dòng)模型計(jì)算出葉片出風(fēng)口處風(fēng)速的切線方向，讓兩個(gè)葉片出來(lái)的氣流同時(shí)作用在蝸舌上。在KHF系列風(fēng)機(jī)中，蝸舌邊緣與主軸的傾斜角為18度,使作用在蝸舌上的脈沖氣流相互錯(cuò)開(kāi),減少蝸舌上的脈沖力,有效降低風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)噪聲。

　?。?）葉輪氣體流道的改進(jìn)在KHF系列風(fēng)機(jī)葉輪的設(shè)計(jì)中

　　葉輪的進(jìn)口速度和葉輪中的減速程度，是特別值得關(guān)注的問(wèn)題。降低葉輪中的減速程度，是特別值得關(guān)注的問(wèn)題。降低葉輪中的進(jìn)口速度和增大葉輪中的減速程度，可使葉輪中的進(jìn)口速度減小，減少流動(dòng)損失，提高葉輪的流動(dòng)效率，還可以有效地降低噪聲。為此，將葉片設(shè)計(jì)為后掠式扭曲葉片。

　　采用后掠式扭曲葉片，葉片在出風(fēng)口處適度前傾，在進(jìn)風(fēng)部位后掠，可以避免流道的急劇擴(kuò)張，防止氣流嚴(yán)重分離，讓葉片背面產(chǎn)生的紊流附面層和分解層所形成的渦旋胚以最快的速度解體，從而提高了氣流在葉道中的流動(dòng)效率,也減少了渦旋所產(chǎn)生的噪聲。經(jīng)同型號(hào)風(fēng)機(jī)性能測(cè)試比價(jià)，KHF系列風(fēng)機(jī)的效率提高了3%~5%，噪聲同時(shí)下降8~10dB(A),尤其在大風(fēng)量區(qū),效率高,噪聲低,其氣動(dòng)性能在國(guó)內(nèi)外同類型風(fēng)機(jī)中趨于先頭地位,是空調(diào)組合機(jī)組中理想配套風(fēng)機(jī)。

　　4、結(jié)束語(yǔ)

　　風(fēng)機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的是一個(gè)非常復(fù)雜的噪聲源，要通過(guò)對(duì)噪聲的測(cè)量、分析、診斷技術(shù)等來(lái)確定主要噪聲源，依據(jù)輕重緩急的原則，采取幾項(xiàng)合理的治理措施，才會(huì)有良好的效果。目前，空調(diào)組合機(jī)組主要安裝在工業(yè)區(qū)和人口集中的住宅區(qū)，其中風(fēng)機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲是組合機(jī)組中的主要噪聲，有效控制風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中噪聲的產(chǎn)生、傳播，可以減輕周圍環(huán)境的噪聲污染，提高人們的生活質(zhì)量。