振动噪音优化

空调室外机异常振动噪音优化

王伟戈贺德志唐旭杰刘忠民

（广东科龙空调器有限公司，528303）

摘要：产品开发中发现一款室外机振动大，由于室外机振动超标或低频异音问题时有发生，且整改难度较大，对产品开发有较大影响。针对此室外机振动问题，运用模态分析方法对室外机钣金件固有振动特性进行分析，通过试验和仿真结合的方法发现问题根源，并提出经济有效地解决方案。

关键词：空调室外机模态分析异常噪音

The abnormal vibration and noise optimization of a

Air-conditioner outdoor unit

Wang Weige, He Dezhi,Tang Xujie, Liu Zhongmin

(Guangdong Kelon Air Conditioner Co., Ltd., 528303)

Abstract：Aimed at the abnormal vibration and noise of a air-conditioner outdoor unit, the modal of the outdoor unit was studied by CAE and test method. It indicated that the second order modal of the side panel is just the reason of the vibration and noise. An optimization design of the side panel was made based on modal analysis. The experiments indicated that the abnormal vibration and noise was eliminated.

Keywords：Outdoor unit, modal analysis, abnormal noise

1 引言

某款空调室外机初次设计时侧板厚度为0.6mm，在产品开发过程中发现其侧板振动大并产生低频异常噪音。经产品工程师改进，侧板厚度改为0.8mm，振动和异常噪音问题得到基本解决,但是产品成本增加约2.4元/套。

影响钣金件振动的根源在于压缩机和风扇电机的振动，正常情况下以压缩机为主。而压缩机激励特性是很难改变，而钣金件的设计是否合理就在于其固有频率是否避开压缩机的激励频率。增加钣金件的厚度能够提高零件的刚度及固有频率，但是会造成产品成本的提高。而改变钣金件的固有频率的方式还可以从改变钣金件的结构方式上，在总体尺寸不能改变的前提下，加强筋的设计就非常重要。合理的加强筋设计可有效提高钣金件的固有频率，从而有效避免共振。本项目用模态分析的方法，在不增加空调室外机钣金件厚度的前提下，通过合理的加强筋设计提高钣金件固有频率，达到降低振动、消除异常噪音的目的。

2振动噪音测试

针对此室外机振动噪音问题，选择振动噪音较大的一款机型进行分析整改。对装配不同厚度侧板的空调室外机进行了振动噪音测试，结果如下表所示：

1.两种厚度侧板噪音对比

噪音值dB(A)

侧板厚度mm 前面 左侧 右侧

0.6 57.5 57.2 56.6

0.8 56.8 56.3 56.0

表2.两种厚度侧板室外机振动对比

振动加速m/s^2

侧板厚度mm 顶板1 顶板2 前板 侧板 侧板后部

0.6 9.9 9.1 2.7 3.6 8.6

0.8 5.1 2.6 2.9 3.0 2.1

由噪音测试结果可知，0.6mm较0.8mm侧板在噪音值上大0.6~1 dB(A)。通过噪音频谱对比分析可知0.6mm侧板噪音频谱差异主要表现在100Hz中心频带噪音显著增大，较两侧频带分别高13和9 dB(A)，异常噪音突出，表现为低频的“嗡嗡”声。0.6mm侧板较0.8mm 侧板噪音在100Hz中心频带高15.1 dB(A)。通过噪音FFT线谱分析，可进一步了解到0.6mm 侧板异常噪音频率为96.8Hz。最能反映其异常噪音的压缩机侧面1m处作为噪音1/3倍频程噪音频谱和FFT线谱如下图所示：

图1. 0.6mm侧板室外机噪音频

谱图

由室外机振动测试结果可知，0.6mm 较0.8mm 侧板室外机，侧板后部、顶板2、顶板1振动加速度分别增加4.1、3.5和1.9倍。两种厚度侧板后部振动加速度频谱图如图所示：

由侧板振动频谱图可知，0.6mm 侧板振动在96Hz 突出，幅值达到8.1m/s^2，为0.8mm 侧板的13.5倍。这正是室外机振动超标的主要原因，而这个振动频率与异常噪音频率吻合，正好是压缩机激励频率的2倍频。可以初步判定，室外机钣金件共振是室外机振动超标和异常噪音的根源。

图4 0.6mm 厚侧板室外机 后板振动加速度

图5 0.8mm 厚侧板室外机 后板振动加速度

图3. 0.6mm 侧板室外机噪音FFT 频

谱图

3室外机钣金件模态分析

3.1模态分析方法理论基础

模态分析是机械和结构动力学中一种极为重要的分析方法。模态分析的经典定义是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解偶，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数【1】。

根据机械振动理论，对于一个具有n自由度的稳定离散线性定常振动系统，

可用如下常系数线性微分方程描述【2】：

...

M x C x Kx f

++=

式中M、C、K分别为系统的质量、阻尼及刚度矩阵，

...

x x x

、、分别为各离散质量的n

维位移、速度、加速度向量，f为n维激振力向量。

对于一个线性振动系统来说，当它按自身某一阶固有频率作自由谐振时，整个系统将具有确定的振动形态简称振型或模态，描述这种振动形态的向量称为振型向量或模态向量。通过模态方程的解耦可以求解出结构的固有频率、模态振型、模态阻尼等参数。这些结果反映了结构的刚度、强度等信息，并将刚度薄弱位置反映出来。通过优化设计提高结构的固有频率，减小模态振型的最大应变就可达到提升结构刚度的目的。

明确了异常低频噪音的根源为侧板后部共振引起，那么进一步需要明确侧板的模态信息。获取模态的方法有两种：1.实验模态分析；2.数值模态分析。实验模态分析可快速获取零部件的固有频率、阻尼比和固有振型信息，但是必须在零部件加工出来后才能测试。数值模态分析可在设计图纸阶段就可以进行模态分析，并针对存在的问题进行优化设计，但是数值模拟在边界条件处理上需要一些假设，这往往会影响模态结果的准确性，同时数值模拟不能获取零部件的阻尼信息。所以两种方法需要相互配合使用，通过实验模态结果修正数值模拟的边界条件以提高数值模态分析的精度，从而更好地在设计阶段指导零部件优化工作。

3.2实验模态分析

对两种壁厚的室外机侧板后部进行了实验模态测试，测试结果如所示：

1.频响函数结果

如图6所示，红色为0.6mm薄板(0.6mm)频响函数，绿色为厚板(0.8mm)频响函数，从图中可以看出，厚板固有频率整体向右偏移了15Hz左右。说明了增加钣金件厚度可有效提高其刚度和固有频率。