（机械设计及理论专业论文）家用空调器减振降噪研究.pdf

上海交通大学博士后研究报告 摘要 本文以广东科龙电器股份有限公司家用空调器产品为研究对象， 研究了其振动与噪声特性。 主要研究内容如下： 空调器压缩机及其配管是家用空调器室外机的主要振动与噪声 源，研究其振动特性具有重要意义。用有限元分析的方法研究了空调 器配管的振动特性，通过大型商业有限元软件a n s y s 对配管系统进行 了模态分析，分析其各阶固有频率汉振型，这些结果对空调器的结构 设计具有指导意义。 针对广东科龙空调器公司生产过程中出现的柜机后面板的异常音 问题，进行了大量的试验研究。研究结果表明，柜机后面板风扇电机 安装位置处4 0 0 h z 的振动是异常音的主要来源。这个分析结果对柜机 后面板异常音问题的整改具有重要意义。 空调器的噪声影响因素很多，准确确定空调器的噪声源对降低空 调器的噪声具有重要意义。基于神经网络具有良好模式识别能力这一 特性，对空调器噪声源的识别方法进行了探讨。 空调器室外机的振动越来越引起人们的关注，本文对家用空调器 室外机的振动进行了试验研究。 微型电机也是家用空调器的一个重要噪声、振动来源。本文最后 一章对微型电机的振动与噪声进行了研究，在分析微型电机振动、噪 上海交通大学博士后研究报告 声根源的基础上，对电机振动与噪声问题给出了解决方案。工程实例 表明这些解决方案对微型电机的减振与降噪具有积极的作用。 关键词：空调器，振动与噪声，减振与降噪，有限元分析，电机 上海交通大学博士后研究报告 t h ev i b r a t i o na n dn o i s eo fr o o ma i rc o n d i t i o n e rw e r em a i n l ys t u d i e d t h ec o m p r c s s o ra n dp i p e ss y s t e mw e r et h em a i ns o u r c eo fv i b r a t i o n a n dn o i s ei no u t d o o ru n i t t h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p r e s s o ra n d p i p e ss y s t e mw e r es t u d i e du s i n gf i n i t ee l e m e m sm e t h o d ，a n dt h em o d a l a n a l y s i si sp e r f o r m e du s i n ga n a s y s t h em o d a lp a r a m e t e r sa n dm o d a l s h a p e sw e r eo b t a i n e db ys i m u l a t i o n ，a n dt h em o d a la n a l y s i sr e s u l t sc a l lb e h e l p f u lt ot h es t r u c t u r a ld e s i g no fa i rc o n d i t i o n e r t h ea b n o r m a ln o i s eo fr e a rp l a n ew a sa l s os t u d i e db ye x p e r i m e n t s t h en o i s el e v e lo ft h i sn o i s ei sn o tv e r yh i g hb u ti ti sn o ta c c e p t a b l e t h e e x p e r i m e n t sr e s u l t s s h o w e dt h a tt h en o i s ew a sm a i n l yc a u s e db yt h e v i b r a t i o no f4 0 0 h zn e a rt h ee l e c t r i c a lm o t o ri nt h er e a rp l a n e i t i si m p o r t a n tt od e t e r m i n et h er o o tc a u s eo fn o i s e t h ei n d e n t a t i o n m e t h o do fa i rc o n d i t i o n e rn o i s er e s o u r c ew a ss t u d i c db yu s i n gn e u r a l n e t w o r k t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h ev a l i d a t i o no ft h i sm e t h o d a n dt h ev i b r a t i o no fo u t d o o ru n i tw a sa l s os t u d i e db ye x p e r i m e n t si nt h i s p a p e r t h ee l e c t r i e a lm o t o rw a sa l s oan o i s ea n dv i b r a t i o nc a u s eo fa i r c o n d i t i o n e r s 1 1 l en o i s ea n dv i b r a t i o no fe l e c t r i c a lm o t o rw a ss t u d i e di nt h e 上海交通大学博士后研究报告 l a s tc h a p t e r e l e c t r o m a g n e tn o i s ea n dm e c h a n i cn o i s ew e r et h em a i nc a u s e o fm o t o rn o i s e t h em a i nt e s ta n da n a l y s i sm e t h o df o rm o t o rn o i s e p r o b l e m sw e r ei n t r o d u c e da n dt h es o l u t i o nw a sa l s og i v e ni nt h el a s t t h e e n g i n e e r i n gc a s e ss h o w e dt h e s es o l u t i o n sa r e h e l p f u l f o rt h en o i s e r e d u c t i o n k e y w o r d s ：a i rc o n d i t i o n e r , n o i s ea n dv i b r a t i o n ，n o i s er e d u c t i o n ，f e a m e t h o d ，e l e c t r i c a lm o t o r 上海交通大学博士后研究报告 符号表 固有频率 频率 弹性矩阵 形状函数矩阵 应变矩阵 刚度矩阵 质量矩阵 阻尼矩阵 激励力 模态向量 z 方向振动速度 y 方向振动速度 z 方向振动速度 电源频率 电机转子槽数 磁场极对数 电机力波频率 电机转速 换向器槽数 w d 口 k m c f 矿 k 巧 圪 五 乃 p 五 乙 上海交通大学博士后研究报告 第一章绪论 1 1 研究背景 随着社会的进步和发展，人们生活水平的提高，空调已步入千家万户， 成为一种与人们生活息息相关的家用电器。一方面，随着空调器的普及， 空调器在使用过程中出现的种种缺点也越来越被广大的消费者所认识。消 费者对空调器的要求越来越高，与质量相关的问题也变的日渐突出，尤其 是空调器振动与噪音问题，也越来越受到消费者的关注。直接影响着各种 空调器产品品牌在市场上的美誉度。另一方面，随着消费者对空调的使用 的增多，了解的深入，消费者在今后选购空调时也越来越理性，更多的去 关注空调的性价比，关注空调的健康。 人们在使用空调时都希望获得一个安静舒适的室内环境。与此同时， 空调器室外机的振动与噪声也成为社会噪声污染的一个重要污染源，室外 机的振动与噪声也愈来愈得到人们的关注。 广东科龙电器股份有限公司是国内著名的家电制造商，其产品在市场 上具有良好的信誉。2 0 0 3 年广东科龙电器股份有限公司博士后科研工作 站挂牌成立，就家用空调器的振动噪声研究方向与上海交通大学联合招收 博士后。基于以上背景，以科龙空调公司的家用空调器为研究对象，对空 调器的振动与噪声及异常音等问题进行了比较系统的研究，本文就是对上 述研究的总结。 1 2 研究现状 高等院校、科研院所和家电企业的科技人员对家用空调器的振动、噪 声问题进行了比较系统深入的研究，也取得了一定的研究成果。 家用空调器的噪声主要有压缩机及管路系统、风扇及支承系统等振动 引起的机械噪声，气流噪声及电磁噪声等。研究的方法也有理论分析、数 上海交通大学博士后研究报告 值仿真及实验等几种。 1 2 1 压缩机及配管系统的研究 压缩机及配管系统的振动是空调器室外机的主要振动、噪声来源，而 空调器的室外机对环境噪声有较大的影响。很多学者和研究人员对空调器 的压缩机及配管系统进行了系统的研究，取得了一系列的成果，包括理论 分析、仿真及实验等几个方面。 文献【1 】用有限元分析的方法研究了空调器配管系统的振动特性，对 系统进行了模态分析，对配管系统的振动原因进行分析，提出了几个改进 的模型并给出了计算的结果。文献【2 】将选频隔振的思想应用于空调器压 缩机的减振研究中，在对空调器进行动态分析的基础上，应用选频隔振思 想对空调器压缩机进行隔振设计，使空调器的振动状况得到明显的改善， 取得良好的减振降噪效果。文献【3 】将有限元分析方法和优化方法相结合 并进行结构灵敏度分析，对空调器配管和压缩机安装座进行优化设计，其 试验表明了这种方法在空调减振降噪上的有效性。o k u t s u 等1 4 】从分析空调 配管的振动和应力出发，对空调器的振动与噪声进行了研究。文献【5 】提 出了一种在管路增加周期性支承来减小振动的思路。 阻尼减振技术也是常用的一种减振手段，文献【6 】对空调器压缩机进 行了阻尼减振研究，分析了压缩机振动、噪声的主要来源，确立了振动的 危险模态，验证了阻尼减振的效果，并对阻尼最优化作了探讨。文献7 】 对阻尼技术在窗式空调器减振中的应用进行了研究，通过功率谱及相干函 数分析发现，空调器机壳振动对标准点噪声贡献比较大，用有限元和试验 相结合的方法确定了空调器机壳前十阶固有频率和模态振型，发现机壳在 压缩机的激励下发生共振，用阻尼处理后振动得到抑制，噪声有所下降。 文献【8 】对空调器噪声的控制和测试进行了分析，为噪声的分类对策 奠定基础。文献 9 】采用频谱分析的方法对某一型号的窗式空调器的主要 振动源和噪声源进行诊断，结果显示空调器的薄板构件对振动、噪声有较 上海交通大学搏士后研究报告 大影响，并对薄板结构进行阻尼处理，使振动量有较大的降低，同时是噪 声指标也有较大的降低。 作为一种旋转机械，空调器压缩机是空调器室外机一个主要的振动来 源，它与空调器外壳之间的连接会将压缩机的振动传递到空调器的外壳 上，从而引起外壳的振动与辐射噪声，为此需要在压缩机和外壳之间加减 振装置，文献 1 0 1 介绍了空调系统常用的减振基础结构形式和减振器的构 造与特点，讨论并指出常用减振器的适用范围和应用中应该注意的事项。 文献1 1 1 1 从功率流的角度研究了空调器中压缩机振动的传递规律，通过多 维功率流研究了压缩机振动的传递途径。还有很多文献对压缩机及管路系 统进行了详细的研列伽2 1 1 。 、 家用空调器室外机的安装对空调器噪声的影响也很大。庄表中阎对 家用电器的减振降噪安装垫块做了研究，b o r z y m 2 3 2 4 1 也对空调器的安装 问题进行了研究。 1 2 2 风道的研究 对于分体空调器而言，其室内机噪声的主要影响因素就是风道。空调 器风道性能的好坏不仅影响空调器的换热性能，还极大的影响空调器的噪 声指标，文献 2 5 1 对涉及风道的一些专利技术作了综述，并在专利分析的 基础上提出了一些有利于降低噪声的风道设计指导性原则。 文献 2 6 1 对窗式空调器的风道作了研究，在分析降低风道气流噪声机 理的基础上，研究了流速与噪声两者的关系，并研究了装置分流板对噪声 的影响，得到了最佳分流板位置的方案，进一步降低了窗式空调器的噪声。 文献【2 7 】对分体空调器室内机的静音化设计进行了比较全面的研究， 对空调器室内机送风系统噪声、电磁噪声、蒸发器冷媒声音及摩擦声音进 行了研究并提出一些静音化设计的方案。 文献【2 8 】综合分析了家用空调器噪声产生的原因，针对空调器气流噪 声、机械噪声和电磁噪声等噪声来源分析了常用的降噪方法，并介绍了一 上海交通大学博士后研究报告 些近些年来新发展的一些空调器降噪新技术和新方法。 由于风道及其核心部件风扇对噪声的影响很大，针对风道减振降噪的 研究成果还有很多，这些成果大多综合分析各个风道各个因素的影响并给 出一些减振降噪的措施或建议 2 9 - 3 2 】。 1 2 3 空调器声音质量研究 大量的研究发现，人们对声音的感受不仅仅受声音强度的影响，同时 也受声音质量的影响，同样强度的声音会因声音质量的不同而给人带来感 受上的很大不同。改善空调器噪声的音质也会在相当程度上提高空调器的 舒适性。 但是，声音质量的研究是建立在人耳对声音主观感受的基础之上的， 因此对声音质量尚没有很全面的量化评价指标。在家电行业尤其是家用空 调器行业，声音质量的研究还处于刚刚起步的阶段，还有大量的研究工作 需要去做。文献 3 3 - - 3 4 1 用主观判别法对空调器的音质进行故障诊断，并 提出了一种消声器的优化设计方案。 1 2 4 微型电机振动噪声研究 微型电机也是家用空调器的一个振动噪声源。家用空调器上广泛应用 了一些微型电机，比如风扇电机，室内机风向控制电机等。这些电机的振 动和噪声也会对空调器整体的振动噪声有较大影响，故对微型电机振动噪 声的研究对空调器的减振降噪具有重要意义。 文献专著 3 5 】【3 6 对电机的振动和噪声进行了较为系统的研究，从理 论上对电机的振动和噪声进行了分析与研究。李宝库的系列论文【3 6 4 2 】 对直流微型电机的振动与噪声进行了详细的分析与研究，对微型直流电机 转子、外壳、端盖等部件对电机噪声的影响做了较为详细的论述。 文献 3 6 - - 4 2 从不同的角度对电机的振动与噪声问题进行了研究与 探讨，对电机振动与噪声的机理做了分析，这些成果对电机振动噪声问题 的解决无疑具有参考意义。 上海交通大学博士后研究报告 1 3 本文主要研究内容 通过上述一些研究成果的综述可以看出，在家用空调器的振动噪声问 题上已经有了一系列的研究成果，但空调器的噪声仍然是影响空调器舒适 性和品质的一个重要指标，为了进一步降低空调器的噪声还有大量的工作 要做。 为进一步降低空调器的噪声，提高空调器的质量品质和舒适性，本文 的主要研究内容有以下几个方面： 1 1 空调器压缩机及其配管是家用空调器室外机的主要振动与噪声 源，研究其振动特性具有重要意义。用有限元分析的方法研究了 空调器配管的振动特性，通过大型商业有限元分析软件a n s y s 对配 管系统进行了模态分析，分析其各阶固有频率及振型，这些结果 对空调器的结构设计具有指导意义。 2 ) 针对广东科龙空调公司生产中遇到的柜机后面板的异常音问题， 进行了大量的实验研究。研究结果表明，柜机后面板风扇电机安 装位置处4 0 0 h z 的振动是异常音的主要来源。这个分析结果对柜 机后面板异常音问题的整改有重要意义。 3 ) 空调器的噪音影响因素很多，准确确定空调器的噪声源对降低空 调器的噪声具有重要意义。基于神经网络具有良好模式识别能力 这一特性，对空调器噪声源的识别方法进行了探讨。 们空调器室外机的振动越来越引起人们的关注，室外机的振动在有 些时候会引起较大的噪声，本文对家用空调器室外机的振动进行 了实验研究。 5 ) 对微型电机的振动和噪声问题进行了较为系统的研究，对解决由电 机引起的振动噪声问题具有指导意义。对微型电机振动噪声的原 因进行了分析与研究，对每种原因给出了解决方案。工程实例表 明这些解决方案对解决电机的振动与噪声有指导和帮助作用。 上海交通大学博士后研究报告 第二章空调器配管系统的有限元分析 2 1 数值模拟技术及其工程应用 许多工程分析问题，如固体力学中的应力场分析、结构振动特性分析 等，都可以归结为在给定边界条件下求解其振动方程( 常微分方程或偏微 分方程) 的问题。但能用解析方法求出精确解的只是方程性质比较简单且 几何边界相当规则的少数问题。对于大多数的工程技术问题，由于物体的 几何形状比较复杂或者问题的某些特征是非线性的，则很少有解析界。这 类问题的解决通常有两种方法，一种是引入简化假设，将方程和边界条件 简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态的解，这种方法只有在有 限的情况下是可行的，因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的 解。另一种方法就是人们在广泛吸收现代数学、力学理论的基础上，借助 于现代科学技术的产物一计算机来获得满足工程需要的数值解，这就是数 值模拟技术，数值模拟技术是现代工程学形成和发展的重要推动力之一。 目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元 法、离散单元法和有限差分法等，上述几种方法各有优缺点，但就其实用 性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。有限元的主要思想就是将 问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点连接，单元内部的待 求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值求得。由于单元形状简单， 易于由平衡关系或能量关系建立节点量之间的方程式，然后将各个单元方 程组合在一起形成总体代数方程组，计如边界条件后即可对方程组求解， 单元划分的越细，计算结果就越精确。 有限单元法的基本思想早在4 0 年代初就有人提出，但真正用于工程 则是在电子计算机出现以后，“有限单元法”这一名称是美国的c l o u g h 于1 9 6 0 年首先提出的，有限单元法这个概念由最初的弹性力学平面问题 扩展到空间问题、板壳问题等复杂问题。 6 上海交通大学博士后研究报告 数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到广泛的应用，目前国际上 较大型的面向工程的有限元软件有a n s y s 、n a s t r a n 等。这些软件大 多用f o r t r a n 语言编写，规模达几万条甚至几十万条，其功能越来越 完善，不仅包含多种条件下的有限元分析程序而且带有功能强大的前处理 和后处理程序。由于有限元通用程序使用方便、计算精度高，其计算结果 已经成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。以a n s y s 为代表的 工程数值模拟软件，即有限元分析软件，不断吸取计算方法和计算机技术 的最新进展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已经成为 现代工程问题必不可少的有力工具。 2 2 结构动力学问题的有限单元法 2 2 1 有限单元法简介 有限元法是最近二，三十年发展起来的一门数值分析技术，是借助于 高速数字电子计算机解场问题的近似计算方法。它不仅可以分析结构静力 问题，还可以分析结构振动问题以及动态响应问题，即在动载荷下物体的 应力、变形问题。有限元法运用离散的概念，使整个问题由整体连续到分 段连续，由整体解析转化为分段解析，从而使数值法与解析法相互结合， 相互渗透，形成一种新的数值计算方法。也就是说，把整个求解算域离散 成为有限个分段，而每一个分段内运用变分法，即利用与原问题中微分方 程相等价的变分原理来进行推导，从而使原问题的微分方程组退化到代数 联立方程组，使问题归结为解线性方程组，由此得到数值解答。 有限元法实际上是古典变分法的一种变体和发展，其基本思想离 散化的观点早在四十年代就已经提出来了。可是，由于当时高速数字计算 机尚未发展成熟，这一观点也就没有引起人们的重视。到五十年代初，英 国的一位航空系教授阿吉里斯和他合作者打破了十年沉默的局面，使有限 元法成功地应用于结构分析问题。与此同时，美国教授克劳夫运用三角形 单元对飞机结构进行计算，并在1 9 6 0 年首先提出了“有限元法”的名字。 上海交通大学博士后研究报告 此后的十年是有限元法在国际上蓬勃发展的十年。六十年代中后期，数学 家开始介入对有限元法的研究，促使有限元法有了坚实的数学基础。我国 著名计算数学家冯康早在1 9 5 6 年就发表了研究论文，这比美国数学家从 事有限元研究还要早。1 9 6 5 年英国教授辛克维茨及其合作者宣布，有限 元法可应用于所有场的问题，因为有关场的问题能够化成变分的形式。从 此以后，遂把有限元法的应用推广到更广阔的范围。 有限元法首先应用于航空工程，由于其方法的有效性，迅速被推广应 用于造船，机械，动力，建筑和核子等工程部门。并从固体力学领域扩展 到流体力学，传热学，电磁学，声学和振动学等领域，近三十年来，有限 元法随着高速数字电子计算机的发展而得以迅速发展，几乎所有工程问题 上许多分支都是有限元法的潜在使用范围。 2 2 2 结构动力学的有关理论基础 动力学问题的有限元法，首先将物体离散为有限个数的单元体，每个 单元的刚度矩阵、质量矩阵及阻尼矩阵可分别由下式得到： k 。：f b 7 d b d v 少 m e c n l , o n a v ( 2 - - 1 ) , j r c 。：f n 7 例d y j ， 其中，b 为应变矩阵，为形状函数矩阵，d 为弹性矩阵，一般说来， 阻尼系数，与频率有关，常用的方法是采用瑞利阻尼，则有c - 刎。+ , a k 。 单元的刚度矩阵k t 、质量矩阵膨。和阻尼矩阵c 。按照一定规则组成整个结 构的刚度矩阵k 、质量矩阵m 和阻尼矩阵c 。于是整个结构的动力学方程 可以得到 z 矛+ c x + k x 。f( 2 2 ) 其频域形式为 上海交通大学j 尊士后研究报告 ”尉 。沪5 ， 上海交通大学博士后研究报告 ( j k 一2 m + j o j c ) c q = f ( ) ( 2 - - 8 ) 当结构做无阻尼自由振动时，上式成为 僻一e 0 2 m ) 勉= 0 ( 2 - - 9 ) 或者 对第r 阶模态，则有 衅一砸) 痧一0 ( k w ；m ) q b re b 0 对上式两边左乘，可得 假一e o ；m ) q b r 一0 ( 2 - - 1 0 ) 同样对第s 阶模态亦可以写出 ( k w ；m ) q b , 一0 将上式转置，并右乘以，得 僻一m t 溉一0 ( 2 1 1 ) 由于矩阵k 、肘为对称阵，他们的转置矩阵与原矩阵相等，即有 k 一k 。膨。m 因此，式( 2 1 0 ) 与式( 2 1 1 ) 相减可以得到 伽：一：? 诤0 m 争，一0 ( 2 - - 1 2 ) 在一般情况下，第r 阶模态频率与第s ( ，s ) 阶模态频率不相等( 非重 根情况) ， ；一； 则由式( 2 1 2 ) ，可以得到 1 0 上海交通大学博士后研究报告 咖：m 牵r t 00如(2-13) 代入式( 2 1 0 ) ，同样可以得到 融一0 ( r s ) ( 2 - - 1 4 ) 对于，。s 的特殊情况，式( 2 1 3 ) 和式( 2 1 4 ) 不再成立，此时由 式( 2 一l o ) 可得 矿融一衫矿 ( 2 1 5 ) 令融- 耳( 2 1 6 ) 抛- m ， ( 2 1 7 ) 式中墨，m ，分别为第r 阶模态刚度及模态质量。它们已经不再是矩 阵，而是一个确定的数。它们与模态有关，不同模态有不同的模态刚度和 模态质量，他们是模态参数。对于一定模态，模态刚度与模态质量的数值 不是唯一的，它们与模态向量的归一化方法有关。 由式( 2 1 5 ) 、式( 2 1 6 ) 及式( 2 - - 1 7 ) 可以得到 咖等( 2 - - 1 8 ) 式( 2 1 5 ) 到式( 2 - - 1 8 ) 指出了一个很重要的模态特性，即模态正 交性。振动理论指出，一个无阻尼系统的各阶模态称为主模态，各阶模态 向量所张成的空间成为主空间，其相应的模态坐标称为主坐标。 对式( 2 9 ) 左乘币t ，并考虑到上述正交条件，可得 圣僻一2 m ) 咖q - 0 进一步可以得到 ( 髟一2 m ，) q - 0 ( 2 1 9 ) 式中墨及m ，均为对角矩阵，显然上式为非耦合方程，方程中的坐标为模 1 1 上海交通大学博士后研究报告 态坐标q ，参数为模态参数k ，、m ，这样方程( 2 - - 1 9 ) 的求解就比较方 便了。 对于比例阻尼系统，其运动方程( 2 1 9 ) 中的阻尼满足以下条件 c1a m + 胚( 2 2 0 ) 2 3 家用空调器配管的动力学分析 2 3 1 家用空调器动力学分析概述 家用空调器的压缩机配管系统是空调器室外机主要的振动源和噪声 源。详细研究配管系统的动力学特性对减小空调器振动、降低空调器的噪 声无疑会有积极的意义。 借助成熟的大型商用有限元分析软件a n s y s ，可以对空调器的配管 系统进行模态分析，在此基础之上还可以进行配管系统的谐响应分析和瞬 态响应分析。 模态分析用于确定设计的结构或机器部件的振动特性( 固有频率和振 型) ，模态分析是其他更详细动力学分析的起点和基础。通过模态分析， 可以使结构设计避免共振或按特定的频率进行振动，还可以使设计工程师 认识到对于不同类型的动力载荷结构是如何响应的。 谐响应分析用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续的周 期响应( 谐响应) ，以及确定线性结构城市随时间按正弦( 简谐) 规律变 化的载荷时稳态响应的一种技术。这种分析技术只计算结构的稳态受迫振 动，发生在激励开始时的瞬态振动不在谐响应分析中考虑。谐响应分析同 模态分析一样都是线性分析，但可以分析有预应力的结构。 瞬态动力学分析( 亦称时间历程分析) 是用于确定承受任意随时间变 化载荷的结构的动力学响应的一种方法。可以用瞬态动力学分析确定结构 在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的随意组合作用下的随时间变化的位移、 上海交通大学博士后研究报告 应力、应变及力。载荷和时间的相关性使得分析时必须考虑到惯性力和阻 尼力的作用。 2 3 2 空调器配管系统的模态分析 上一节对动力学分析的基本理论一模态分析和有限单元法做了简单 的介绍，本节在此基础上对空调器室外机的配管进行模态分析。通过模态 分析可以对配管系统的动态特性有更深入的了解，为空调器振动噪声问题 的解决、分析提供思路和指导，可以有效避免目前生产中存在的解决方案 的盲目性。 科龙空调公司的小箱体室外机振动噪声问题比较突出，图2 1 是用 于小箱体中的配管结构图，由于空调器结构空间的限制，这个配管设计的 比较复杂，在实际中出现过较多的振动噪声问题。 图2 一l 小箱体配管图 上海交通大学博士后研究报告 本节以科龙空调公司的小箱体配管为分析对象，进行模态分析。进行 模态分析的目的是研究配管系统的振动特性，得到空调器配管系统的分析 空调器工作时产生振动的主要原因，为配管的设计提供依据；研究管路减 振块对配管振动特性的影响，寻找减振块的最佳安装位置与质量。 从图2 1 可以看到，室外机小箱体的配管系统主要由一个四通阀、 排气管及回气管组成，由上图可以清晰看到回气管结构比较复杂，工作时 由于管内气体的压力脉动激励及压缩机的旋转振动激励很可能会引起回 气管的振动问题，从而可能引发配管系统的噪声，影响配管系统的寿命和 可靠性，故而需要研究配管系统的振动特性，分析其各阶模态频率及振型， 在此基础上结合激励的性质分析、研究配管的振动问题。 在u g 环境中建立配管的三维实体模型，然后导入有限元前处理软件 h y p e r m e s h 中进行有限元网格划分，划分后的有限元网格模型如图2 1 所示，划分好的有限元网格模型导入有限元分析软件a n s y s 进行有限元 分析计算，分析计算是用的材料特性参数如表2 1 所列。 表2 1 有限元分析材料参数表 参数 部件材料 杨氏模量密度泊松比 配管铜 2 0 0 x 1 0 1 1p a8 3 0 0k g m 30 3 5 四通阀钢2 1 0 x 1 0 1 1p a7 8 0 0k g m 3o 3 对小箱体配管系统作模态分析，在配管与箱体连接的部分施加位移约 束，分析得到其前7 阶模态频率如表及振型如表2 2 所列。相应的振型 如图2 2 至图2 8 所示。 表2 2 小箱体配管系统前7 阶模态频率 i阶次1234567 i 频率z ) 1 4 5 01 9 3 02 3 6 52 9 0 44 9 8 75 6 4 3 7 8 6 4 1 4 上海交通大学博士后研究报告 一阶模态为排气管摆动，可能引起排气管与四通阀焊接处应力偏大。 图2 2 配管一阶模态振型( 1 4 5 0 h z ) 第二阶模态振型是排气管的扭动带动四通阀一起摆动。 图2 3 配管二阶模态振型( 1 9 3 0 i - i z ) 上海交通大学博士后研究报告 第三阶模态振型主要是排气管自身的扭转振动。 图2 4 配管三阶模态振型( 1 3 6 5 r i z ) 第四阶模态振型主要是回气管自身的扭转振动。 图2 5 配管第四阶模态振型( 2 9 0 4 嘲 上海交通大学博士后研究报告 第五阶模态振型主要是两根短管在水平面内的相对摆动。 图2 6 配管第五阶模态振型( 4 9 8 7 h z ) 第六阶模态振型是回气管的大幅摆动。 图2 - - 7 配管第六阶模态振型( 5 6 4 3 h z ) 上海交通大学博士后研究报告 小。 第七阶模态振型是回气管自身的大幅扭转振动。 图2 8 配管第七阶模态振型( 3 8 6 他) 更高阶的模态不再一一列出，因为高阶模态在振动中占的比重已经很 2 3 3 配管模态分析结果在设计中的应用 从上面的模态分析结果可以清楚的看出配管各阶模态的频率及对应 的模态振型。结合模态分析的结果，分析空调器各种运行工况下激励源的 频率，就可以有针对性地分析与解决问题。 上述模态分析的对象为一振动噪声较大的室外机配管结构，与压缩机 转速对应的频率为4 8 1 - 1 z ，与配管系统的第五阶模态频率4 9 8 7 h z 非常接 近，故该室外机的振动噪声大可能是由于该阶的共振引起的。在生产实际 中，根据有限元分析的结果，对管路结构进行了局部修改，避开了该阶模 态频率，对该室外机的振动噪声有很好的改善。 1 8 上海交通大学博士后研究报告 各种空调器配管的设计不尽相同，但都可以用上面的分析方法进行分 析。如果在空调器设计的初期就可以考虑到这些因素，那么就可以大大减 小空调器出现振动噪音问题的几率，从而提高空调器的质量品质。 上海交通大学博士后研究报告 第三章空调器柜机异常音研究 2 0 0 4 年科龙柜式空调器接到很多用户投诉噪音问题，经分析确认是 柜机后面板产生的一种低频异常音。为了寻找异常音产生的原因，我们同 科龙空调公司的工程师在上海交通大学振动、冲击与噪声国家重点实验室 进行了大量的实验研究以期找到异常音产生的原因，为空调器异常音问题 整改提供参考与解决方案。 3 1 振动测试的基本方法 大多数实际的振动噪声问题总是和结构的共振现象相关联。固有频率 是反映一个结构动态特性的重要参数，空调器的振动问题与空调器结构的 固有频率有密切的关系，同时固有频率的测试也是一个基本振动试验。固 有频率的测试一般有两种方法：一个是锤击法，另一个是扫频法。 用锤击法产生一种脉冲激励信号是一种简便的常用激励法。它尤其适 用于中、小型和低阻尼结构的激励。力锤的构造如图3 1 所示。锤击时， 项帽与试验结构发生冲击接触，传递给结构的冲击力近乎为半正弦形。为 了控制脉冲宽度， 通常配有几种材料 的顶帽供选用，同 时，还备有一个附 加质量，必要时可 以加在力锤的末 端。 锤击法测系统 的固有频率简便可 行，用一个脉冲锤 图3 - 1 力锤结构示意图 上海交通大学博士后研究报告 敲击被测系统，测量敲击后系统的响应信号进行频谱分析即可得到系统的 固有频率。但是这种方法所得结果的准确性与操作者的经验有很大的关 系，不合理的操作可能会使得结果产生较大的误差。 锤击法测试系统频率响应函数的示意图如图3 2 所示。 图3 2 锤击法测试频率响应函数框图 扫频法测系统的固有频率可以得到较为精确的结果，但所需的仪器较 多，且需要较长的测试时间，测试成本较高。它的基本过程就是：由信号 发生器控制激振器，对被测系统施加从低到高不同频率的激励力，测量系 统的响应即可得到系统的频率响应函数。 扫频法测试系统频率响应函数的示意图如图3 3 所示。 图3 3 扫频法测试频率响应函数框图 上海交通大学博士后研究报告 3 2 锤击法测试柜机后面板频率响应函数 试验时以后面板风扇电机安装位置处为测试对象，用锤击法测试后面 板的固有频率。试验过程中采用激光测振仪测试后面板的振动信号，与加 速度传感器相比较激光测量没有附加质量的影响，可以获得更为精确的结 果。 首先考虑脉冲锤的激励位置。风扇和电机的振动通过电机安装螺钉传 递到后面板上，所以选择螺钉作为激励位置应该是合适的。为了验证上述 观点的正确性并比较不同激励位置所得结果的不同，进行以下试验。 试验时为了研究不同激励位置对结果的影响，在柜机后面板上选取了 五个不同点作为激励位置，分别为风扇电机的四个安装螺钉和后面板的左 上角位置，五个激励位置示意图如下图3 4 所示。 4 图3 4 锤击位置示意图 测试时分别锤击上图所示五个位置，分别得到五个后面板的频响函数 曲线。图3 5 至图3 9 分别是7 1 柜机后面板在五个位置分别锤击获得 的频率响应曲线。 上海交通大学博士后研究报告 图3 - - 5 位置1 激励下的频率响应曲线 图3 6 位置2 激励的频率响应曲线 图3 7 位置3 激励的频率响应曲线 上海交通大学博士后研究报告 图3 8 位置4 激励的频率响应曲线 图3 9 位置5 激励的频率响应曲线 比较上述五个曲线可以看出，在不同位置激励时频率响应函数虽然有 一些细微的差别，但在一些关键频率上是一致的即从上述五个图中均可以 得到系统相同的一阶固有频率值。为了表述的方便，我们以下的试验均采 用在2 号激励位置施加锤击激励。 试验中共测试了三个后面板的频率响应函数，分别是5 0 柜机后面板 和两个7 1 柜机后面板。图3 - - 1 0 是5 0 柜机后面板的频率响应曲线，从图 上可以看出此后面板的一阶固有频率为2 0 5 1 h z 。 上海交通大学博士后研究报告 图3 1 05 0 柜机后面板频率响应曲线 图3 1 l 为7 l 柜机后面板电机安装位置处的频率响应函数曲线，从 曲线上可以看出7 1 柜机后面板的一阶固有频率为2 0 5 1 h z ，但在一阶固 有频率附近有一个较小的峰值，其大小为3 0 2 7 h z ，其产生的机理尚待研 究，二阶固有频率大约在4 2 0 1 - 1 z 附近。 图3 1 17 1 柜机后面板频率响应曲线 另一种结构的7 1 柜机后面板( 风扇电机安装处没有中间小园盘) 测 试结果如图3 1 2 所示。、 上海交通大学博士后研究报告 图3 1 27 l 柜机后面板频率响应曲线 从图上看出，这种结构的一阶固有频率为1 7 5 8 h z ，二阶固有频率为 2 0 2 i - z 左右。与第一种结构比较，一、二阶固有频率均显著降低。 3 3 空调器运行状态下后面板的振动测试 上面一节对三种结构的空调器柜机后面板的固有频率进行了测试，为 了进一步分析空调器异常音的产生原因，对运行状态中的空调器柜机后面 板进行了测试。 在空调器运行状态下对5 0 柜机和7 1 柜机后面板的振动进行测试，这 个试验的主要目的是分析柜机后面板在运行时的振动信号频谱，研究室内 机异常音产生的可能原因，为异常音问题的整改提供参考与依据。 图3 1 35 0 柜机高风速下的振动频谱 上海交通大学博士后研究报告 图3 一1 45 0 柜机低风速f 的振动频谱 图3 1 3 为高风速时5 0 柜机电机安装螺钉( 3 号位置) 的振动信号 频谱图，图3 一1 4 为低风速时5 0 柜机电机安装螺钉( 3 号位置) 的振动 信号频谱图。 比较上述两个图形，可以得到如下结论：除了前两个低频成分外，其 余高频成分基本一致。风扇电机安装螺钉处的振动变化不明显，下面着重 研究电机安装圆心处的振动特性。 为研究5 0 柜机后面板电机中心处的振动，测试了如下三种情况下后 面板电机中心处的振动：后面板风扇电机安装位置附近无附加质量、附加 质量为1 4 克和附加质量为6 8 克。 图3 1 5 无附加质量时风扇电机安装中心位置处振动的频谱 5 0 柜机低风速下运转时，后面板有轻微的异常音，但不是很明显。 不加附加质量时，风扇电机安装中心位置处振动的频谱如图3 一1 5 所示。 上海交通大学博士后研究报告 从图上可以看到，除了低频成分的振动外，振动主要集中在5 0 0 h z 和 5 2 4 h z ，但峰值最高的5 0 0 h z 处的振动速度值只有0 0 5 m m s 。 在后面板风扇电机安装位置附近施加一个质量为1 4 克的附加质量 后，异常音非常明显，此时的振动信号频谱变化如图3 1 6 所示。从图上 看，出现了一个很大的振动分量，其频率为4 0 0 h z ，振动幅值为0 1 l m s 。 图3 1 6 风扇电机安装中心位置处振动的频谱( 1 4 克附加质量) 将附加质量加大到6 8 克，此时异常音消失，测试得到振动信号的频 谱改变为如图3 1 7 所示。从上图看出，5 0 0 h z 和4 0 0 h z 的频率成分消 失，除了低频的振动外，剩余的大多是交流电源引起的工频及其倍频成分。 图3 1 7 风扇电机安装中心位置处振动的频谱( 6 8 克附加质量) 比较上述三种工况可以得出如下结论：异常音的产生主要是由后面板 上海交通大学博士后研究报告 的4 0 0 h z 振动信号引起的，与5 0 0 h z 的振动信号也可能有一定联系但需 要进一步的分析来确定。 3 4 空调器柜机异常音问题解决方案探讨 通过上述试验研究，初步得出空调器柜机后面板异常音的产生原因， 可以采取下列方案解决异常音问题： 1 柜机后面板的异常音主要是有由后面板4 0 0 h z 的振动信号引起， 解决这个问题的关键在于减小或者消除4 0 0 h z 的振动； 2 现有产品可以用增加附加质量的方法解决，但最合适的附加质量 大小需要进一步的试验确定； 3 改变风扇电机安装位置处的结构：改进结构设计一方面可以改变 质量分布，另一方面可以改变结构的局部刚度，都可以避免空调 器运行时4 0 0 h z 及5 0 0 h z 振动的产生； 4 可以考虑在风扇电机和柜机后面板之间加减振装置，改变风扇电 机的振动传递到后面板的振动特性，具体措施可以在风扇电机安 装螺钉上加橡胶减振垫和减振套。 上海交通大学博士后研究报告 第四章空调器噪声源识别方法研究 解决噪声问题，首先要进行噪声源识别。空调上一般有多个噪声源， 通过测量分析，将他们按照对总声压级的贡献大小进行排队，然后针对主 要噪声源采取措施，才能取得良好的效果。 神经网络作为一种新的方法体系，具有分布并行处理，非线性映射， 自适应学习和鲁棒容错等特性，使得它在模式识别、控制优化、智能信息 处理以及故障诊断等方面有广泛的应用。空调器不同部件所产生的噪声状 态，可以作为不同的模式用神经网络的模式识别能力来识别空调器的主要 噪声源。基于以上思想，本文利用神经网络作为工具对空调器噪声源的识 别方法进行了分析与探讨。 4 1 常用噪声源识别方法 传统的噪声源识别方法主要有主观评价法、分部运转法、表面强度法、 表面速度测量法、近场测量法等几种，下面对这些方法作简单的介绍。 ( 1 ) 主观评价法 有经验的技术人员用耳朵听，可以初步区别空调器上个部件噪声源的 频率范围、强度大小及指向，可以作为进一步分析的参考。 ( 2 ) 分部运转法 在可能的情况下将机械上需要识别的部件脱开，单独运转，分别测量 然后进行比较。 ( 3 ) 铅包覆法 用铅板和玻璃棉( 或矿渣棉) 将机器包覆起来，然后每次分别暴露出 一个部件进行测量。铅板厚度为1 - 1 5 m m ，起隔声作用；玻璃棉厚度为 2 5 5 0 m m ，作为吸声材料。将机器全部包覆以后将得到l o 1 5 d b 降噪量， 上海交通大学博士后研究报告 这样在做部件测量时本底噪声可忽略不计。每次分别暴露一个部件表面， 按照i s o 标准在消声室或混响室测量各部件辐射的声功率，然后进行比 较。这是机器噪声源识别的一个传统方法。它在中、高频率能得到很好的 识别精度。在2 5 0 h z 以下包覆层发生共振，隔声性能下降，测量精度受到 很大影响。同时该方法十分麻烦。 ( 4 ) 近场测量法 传声器至声源表面距离很近，分别靠近各个噪声源进行声压级测量。 这种方法适用于在大尺度机器( 各个噪声源相互距离较远) 上对于中、高 频率噪声的分析。分析结果对于强噪声源的识别较为有效。 ( 5 ) 表面速度测量法 理论分析表明，振动平板辐射的声功率与其表面振动的均方速度成正 比。分别估算或测量出各部件表面的均方速度，就可按照上式计算各部件 辐射的声功率。关键问题是需要准确地求出各种结构表面的声辐射效率， 而这方面已有相当多的研究论文发表。如果掌握了各种形状结构声辐射系 数的资料，同时在设计阶段预测出机器结构表面的振动大小，那么，根据 表面速度法原理在机器未造好之前就能对各个表面辐射的声功率进行预 报。因此，机器结构表面的声一振关系是一个重要的研究课题。 ( 6 ) 时间历程分析法 将由传声器经测量放大器的交流信号输出或声级计的交流信号输出 接至记忆示波器的第一通道显示，第二通道为由被测量的机械触发的信号 脉冲。经两个通道信号的对比，可以找出噪声峰值与机械动作之间的联系， 识别主要噪声源。对于发出脉冲噪声的机械如冲床或柴油机，这种方法很 有价值。 ( 7 ) 相干分析法 将噪声源信号作为整个系统的输入