空調(diào)風機噪聲的產(chǎn)生機理及控制途徑

　　1、引言

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

　　雙吸多翼前傾風機、雙吸機翼后傾風機、雙吸單板圓弧后傾風機等安裝在空調(diào)組合機組末端，在沒有特殊處理或無隔聲裝置的情況下，在距風機出風口出1m左右測得的噪聲一般可達90~110dB(A)，有些高壓、大流量的空調(diào)離心風機，噪聲甚至達120~130dB(A)。根據(jù)國際標準化組織（ISO)建議：在工業(yè)廠區(qū)內(nèi)，噪聲要求不超過85dB(A)。

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

　　因此，對于當今較為普及的中央空調(diào)組合機組末端用的空調(diào)離心通風風機噪聲的產(chǎn)生要進行深入研究，識別噪聲源，從而實現(xiàn)噪聲的有效控制是有意義的。

　　2、空調(diào)風機噪聲產(chǎn)生的機理分析

　　2.1空調(diào)風機的機械噪聲

　　一般說來，空調(diào)風機大部分采用雙進風形式，風機的軸及軸上的葉輪等零件都較重，各生產(chǎn)廠家事先經(jīng)過較嚴格的平衡（靜平衡和動平衡）試驗后才投入使用。但風機轉(zhuǎn)速一般較高，經(jīng)過一段時間的運轉(zhuǎn)后，會產(chǎn)生多種機械噪聲。

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

　?。?）軸承在運行后由于磨損，與軸相互產(chǎn)生的噪聲。

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

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

　　2.2電機噪聲

　　在空調(diào)的整個通風系統(tǒng)中，電機是其中一個重要組成部分，但一般風機的生產(chǎn)廠家采用的電機均由電機生產(chǎn)廠家提供，風機生產(chǎn)廠家不一般不作電機內(nèi)部處理，但電機的噪聲種類繁多，本文簡述如下：

　?。?）軸承本身精度不夠而產(chǎn)生的軸承噪聲；

　　（2)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電環(huán)而產(chǎn)生的摩擦噪聲；

　　（4）整流子的打擊噪聲；

　　（5）由于某些部件振動使自己的固有頻率與激勵頻率產(chǎn)生共振，形成很強的窄帶噪聲；

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

　?。?）電機冷卻風扇產(chǎn)生的空氣動力噪聲。

　　2.3風機噪聲產(chǎn)生的機理

　　當多個葉片的風機葉輪繞軸旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)的葉片對氣流不斷施加作用力，作用力的平均部分對應于維持氣流運動的推力，而其交變部分則對應于生產(chǎn)氣流噪聲的激發(fā)力。

　?。?）旋轉(zhuǎn)噪聲產(chǎn)生的機理旋轉(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，風機葉片相對于氣流運動，迎風側與背風側所受壓力不同。在旋轉(zhuǎn)葉輪的葉片通道出口處沿周向的氣動壓力機與氣流速度都有很大變化，旋轉(zhuǎn)的葉片通道掠過較窄的蝸舌處，就會出現(xiàn)周期性的壓力和速度脈動，從而產(chǎn)生噪聲。葉片在自由空間旋轉(zhuǎn)時，對于葉片鄰近的某固定空間位置來說，每當一個葉片通過時，空氣受到葉片及其壓力場的激勵，壓力就會起伏變化一次，旋轉(zhuǎn)的葉片不斷地逐個通過，相應逐個地產(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,i=1時頻率為基頻

　　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,由于基頻增加1倍,原來的奇次諧波成分被取消,假定各諧波成分的強度近似相同,理論上旋轉(zhuǎn)噪聲的強度將降低一般。即使壓力脈沖不很尖銳，葉片數(shù)的增多對降低噪聲也是有利的。

　　旋轉(zhuǎn)噪聲的聲壓與風機的功率成正比，而與葉輪的半徑成反比。所以，當功率與葉片尖端的圓周速度給定時，從降低噪聲的角度應盡量使葉輪半徑大一些。葉片尖端的圓周速度對旋轉(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。

　?。?）渦旋噪聲產(chǎn)生的機理

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

　　此類推,渦旋在葉片上側不斷地形成、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程中，渦流分裂，使氣體發(fā)生擾動，葉片受到交變氣體擾動作用力。形成氣流的壓縮與稀疏過，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，計算一般可取β=0.185

　　v氣流與葉片的相對速度

　　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

　　由式(2)可知,渦旋噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對速度,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，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。

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

　　3、空調(diào)風機噪聲的控制途徑

　　3.1機械噪聲的控制

　　正常運行的空調(diào)機組中的風機系統(tǒng)，機械噪聲相對于氣體動力噪聲和電機噪聲來說，相對較小，在混合噪聲中，機械噪聲可以忽略不計。

　　3.2電機噪聲的控制

　　在設計制造或選用電機時要側重考慮降低電機噪聲，在使用電機時則要側重考慮控制電機噪聲。

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

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

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

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

　　3.3風機噪聲的控制

　　空調(diào)組合機組末端的通風系統(tǒng)是一個非常復雜的噪聲源,沿風機的各個方向向外傳播。

　　對于風機設計、生產(chǎn)廠家，既要保證整個系統(tǒng)的低噪聲，又要保證風機的高效率。我公司目前研制開發(fā)的KHF系列風機就是基于上述觀點而設計的，主要用于組合機組配套。

　?。?）機殼處的噪聲控制

　　在風機殼內(nèi)側固定一層穿孔板，其穿孔率約為20%，內(nèi)襯一種超細玻璃棉，作為吸聲材料，其密度為15~20kg/m3,整個襯墊厚度為50~100mm?？梢杂行p小音調(diào)強度和隨機噪聲。

　　此方法筆者在寧波一家風機公司工作時,應客戶降低噪聲的要求而設計并制作過一批,計6臺,機號為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)用超細玻璃棉。經(jīng)前后性能對比，由于穿孔板的摩擦系數(shù)比普通鍍鋅板略高，風機流量下降1.2%~2.5%，內(nèi)功率也同時降低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構，層與層之間間隙為60mm,通過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機殼的外側，其降噪的效果也較為明顯。

　　（2）進、出風口處噪聲控制

　　經(jīng)測試，空調(diào)風機在進風口與出風口，其噪聲最大。一般方法是利用聲的阻抗失配原理，在進風口前和出風口后安裝吸聲式消聲裝置來減低風機噪聲。

　　在進風口位于機殼內(nèi)部的外圍，設計防渦旋的整流結構。

　　葉輪中葉片出風口的尺寸大于進風口位于前盤處的尺寸，氣流在風室中流動，在進風口圓弧段會形成許多小股團的渦旋，與機殼、進風口發(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。增設整流圈和擋板，能有效防止氣流在進風口旁形成渦旋，卡門渦街、二次流生的噪聲有明顯降低在KHF系列風機中，經(jīng)同比性能測試，不僅噪聲降低6~8dB(A),且風量、全壓也增加2%~4%，風機效率也有所提高。

　　在出風口處，除安裝消聲器外，還可以設置吸聲板來降低噪聲，這種方法也可應用在進風口處。

　　（3）蝸舌結構的改進

　　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口處的噪聲影響較大。在KHF系列風機蝸舌板的設計中，除選擇適當?shù)奈伾嗉舛税霃胶臀伾嗯c葉輪外徑的間距外，并對蝸舌結構進行了改進。一種方法是在風舌的內(nèi)側固定一層穿孔板，內(nèi)襯一種超細玻璃棉作為吸聲材料，其結構與前面的機殼襯層相似。另一種方法是改變蝸舌的邊緣。一般風機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作用在蝸舌上，使蝸舌受到很大的脈沖力而向外輻射較強的噪聲?，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)葉片的氣動模型計算出葉片出風口處風速的切線方向，讓兩個葉片出來的氣流同時作用在蝸舌上。在KHF系列風機中，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開,減少蝸舌上的脈沖力,有效降低風機的旋轉(zhuǎn)噪聲。

　　（4）葉輪氣體流道的改進在KHF系列風機葉輪的設計中

　　葉輪的進口速度和葉輪中的減速程度，是特別值得關注的問題。降低葉輪中的減速程度，是特別值得關注的問題。降低葉輪中的進口速度和增大葉輪中的減速程度，可使葉輪中的進口速度減小，減少流動損失，提高葉輪的流動效率，還可以有效地降低噪聲。為此，將葉片設計為后掠式扭曲葉片。

　　采用后掠式扭曲葉片，葉片在出風口處適度前傾，在進風部位后掠，可以避免流道的急劇擴張，防止氣流嚴重分離，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效率,也減少了渦旋所產(chǎn)生的噪聲。經(jīng)同型號風機性能測試比價，KHF系列風機的效率提高了3%~5%，噪聲同時下降8~10dB(A),尤其在大風量區(qū),效率高,噪聲低,其氣動性能在國內(nèi)外同類型風機中趨于先頭地位,是空調(diào)組合機組中理想配套風機。

　　4、結束語

　　風機系統(tǒng)產(chǎn)生的是一個非常復雜的噪聲源，要通過對噪聲的測量、分析、診斷技術等來確定主要噪聲源，依據(jù)輕重緩急的原則，采取幾項合理的治理措施，才會有良好的效果。目前，空調(diào)組合機組主要安裝在工業(yè)區(qū)和人口集中的住宅區(qū)，其中風機系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲是組合機組中的主要噪聲，有效控制風機系統(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。