空调管路振动噪声计算与评价方法研究及应用

邓培生 李越峰 邱名友

四川长虹空调研究院 四川绵阳 621000

0 引言

在当前家电产品开发设计过程中，产品的振动噪声问题是行业面临的一大难题。对空调产品来说，室外机振动噪声是影响产品可靠性和舒适性的重要因素，也是消费者购买产品时关注的核心问题，其中室外机管路振动引起的低频噪声最为常见，噪声频率范围为50 Hz～400 Hz，此频率段噪声在空气中衰减慢，难被物体吸收，传播远，甚至可穿过墙体传入室内，控制难度大[1-2]。

噪声问题的根源是由振动产生，空调室外机的主要振动噪声激励源为空调压缩机，其管路系统可看作振动源的传递路径，管路系统设计是否合理对压缩机振动具有抑制和放大作用，一般由管路振动引起的噪声在空调室外机噪声问题中概率大、占比高，针对该问题国内外众多学者、专家进行了长期、大量的研究。AHMADI等[3-4]研究了管路系统由流体引起的振动问题，建立了管路流固耦合仿真分析方法，分析了管道折弯、截面变化、流固耦合模态等对管路振动的影响；赫家宽等[5]通过对管路结构的模态进行仿真和试验，结合管路应变测试探究管路结构的危险模态及应当规避的合理频率范围；B. A. Khudayarov等[6]采用改善管路模态特性的方法调整管路结构进行振动优化；邓培生[7]采用Ansys Workbench中参数优化分析方法优化管路设计参数，降低了管路振动应力水平；尹志勇等[8]对管路系统振动噪声控制技术研究现状进行了详细分析与论述。目前各行业主要采用计算机仿真技术对管路振动进行研究，形成了较为成熟的研究方法，但振动与噪声之间的机理研究尚少，家电行业大都采用专业的噪声仿真软件进行声学仿真分析，但噪声仿真过程复杂、求解效率低，且噪声仿真结果难保证，难以达到企业实际应用要求。

因此，本文首先建立准确的振动噪声耦合仿真方法对空调管路系统振动和声辐射进行仿真研究，获取管路振动数据信息，再将有限元仿真的振动数据作为声学激励进行声辐射仿真计算，该方法可用于变频空调器全转速工况下的振动噪声评价。并在此研究基础上，进一步提出一种高效的噪声计算方法，借助计算机程序实现噪声快速计算与评价，避免了繁琐的声学仿真和网格划分尺寸的影响，并通过试验测试验证了计算方法的准确性，为管路振动噪声分析及评价提供一种新方法。

1 压缩机管路动力学仿真

1.1 有限元仿真模型建立

采用ANSYS软件对空调压缩机管路系统进行振动仿真，先对CAD模型进行前处理，抽取中间面、简化模型等，建立其压缩机、管路及橡胶底脚的动力学仿真模型，如图1所示。仿真材料参数如表1所示。对橡胶脚底面和管路端口设置固定约束，管路及压缩机焊接部位采用绑定接触设置，先进行模态计算，然后再采用模态叠加法进行谐响应分析，求解频率范围为10 Hz～400 Hz，阻尼系数为0.03，由于难以获取准确的压缩机激励载荷，本文采用1000 N·mm的单位激励载荷进行定性分析。

图1 压缩机管路有限元模型

表1 仿真材料参数

1.2 仿真结果分析

动力学仿真求解完成后，其计算结果包含了应力应变、速度、加速度、位移等数据。该款变频压缩机工作频率范围为10 Hz～100 Hz，行业内以应力值作为管路振动衡量标准，仿真需考察该频率段管路的应力水平，识别共振风险，一般管路弯位部位应力较集中，提取管路吸排气弯位处应力曲线，该套管路系统共存在25 Hz、49 Hz、88 Hz三个共振点。为验证仿真的准确性进行管路应力测试，测点布置为相应的吸排气弯位，图2给出了应力测试结果与仿真数据对比曲线，由于压缩机不同频率点激励载荷不同，而仿真输入的是一个恒定的标准激励载荷，在这里仅对共振点进行对比，结果如表2所示，可以看出仿真与实测共振频率基本一致，验证了仿真结果的可信性。应力测试试验如图3所示。

表2 仿真与实测共振频率对比

图2 仿真与实测应力曲线对比

图3 应力测试试验

2 振动噪声耦合仿真

2.1 声学仿真模型建立

应用声学软件建立压缩机管路声学仿真模型，提取结构表面网格为声学网格，如图4所示。赋予声学材料属性，声速v=340 m/s，质量密度1.225 kg/m3，将动力学分析结果的振动速度信息转移到声学网格模型，导入场点，设置声学边界，建立外部声场计算模型，如图5所示。

图4 声学网格模型

图5 外部声场计算模型

2.2 声学仿真计算

声学网格划分对声学仿真结果影响较大，本文通过不断调整网格尺寸，最终设置网格尺寸为2 mm，声学求解结果达到收敛，噪声求解范围为10 Hz～400 Hz，通过计算获得外部声场声功率曲线，如图6所示，该方法可用于管路振动噪声的定性评价和对比。

图6 外部声场声功率曲线

3 管路噪声高效计算与评价方法

3.1 管路振动与声辐射噪声理论

结构表面振动速度与噪声辐射有如下关系[9]：

式（1）中：W为辐射功率； 为声阻抗；为表面法向振动速度；s为振动表面面积；为声辐射比。

取基准声功率为W0，则声功率级为：

上述中，声辐射比 是一个重要参数，它反映了噪声辐射的有效度，与结构特征、边界条件及振动频率相关[10-11]，高频比低频更容易辐射，高于临界频率辐射比趋于1。

3.2 管路辐射噪声计算与评价方法

基于有限元仿真软件二次开发功能，采用python语言编写管路噪声计算及评价程序，程序的计算流程为：提取管路ANSYS有限元振动速度数据；利用式（1）和式（2）快速计算振动声功率曲线，式中声速取值为343.25 m/s2，空气质量密度 为1.2 kg/m3，基准声功率W0为10-12W；表面法向振动速度通过仿真数据获取，声辐射比基于声功率仿真值与程序计算值进行对比拟合确定，并应用该辐射比计算了多种管路模型以验证该辐射比的通用性。程序计算值与声学仿真值对比如图7所示，两者计算结果较一致，误差小于5%，而程序计算效率是仿真的900倍。进一步，对长期产品开发过程中的大量机型进行噪声测试数据与仿真数据对比分析，并根据噪声曲线的最大值、总体声辐射能量、噪声曲线峰值个数及对应的频率点等维度进行打分评价，统计分析得出，噪声评价得分大于65分的产品为实测评价合格。编写噪声评价程序，融入噪声计算模块中，实现噪声曲线的自动评价，得分合格的方案才能进入试制阶段。

图7 程序计算值与仿真值对比

3.3 应用算例

应用上述研究方法在管路设计阶段对管路方案进行快速的噪声预测及评估，选择较优方案进行加工试制，以提高管路设计成功率和研发效率。在产品开发过程中针对某品牌空调产品设计三种管路方案，如图8所示。先进行压缩机管路动力学仿真获取振动数据信息，再利用噪声计算程序进行快速的噪声计算及自动评价，噪声计算结果如图9所示，方案1、方案2、方案3分别得分为70分、63分、62分。为证明噪声评价方法的准确性，将三种方案进行样机加工，分别进行噪声测试，方案1噪声测试合格，而方案2和方案3噪声测试结果较差，在压缩机运行频率为80 Hz～90 Hz频率段存在低频噪声，1/3倍频程声功率级数据表现为160 Hz和200 Hz的噪声偏大，比方案1噪声大4 dB～6 dB，如图10所示，试验测试结论与噪声预测结果保持一致，证明了该噪声评价方法的有效性。

图8 三种管路设计方案

图9 噪声计算值对比

图10 噪声实测结果对比

4 结论

本文基于建立准确的压缩机管路有限元模型和声学模型，对空调管路系统振动噪声进行耦合仿真研究。通过动力学仿真可获取变频压缩机全频率段的应力、振动速度等数据，进一步将动力学仿真输出数据作为声学激励进行声辐射仿真，可计算出外部声场数据，该分析方法可用于变频空调器管路噪声计算分析。

鉴于管路噪声仿真过程繁琐、网格对声学仿真影响大、计算耗时、企业难应用等问题，本文基于振动噪声耦合仿真理论进一步提出一种高效的噪声计算方法，借助计算机程序实现噪声快速计算和自动评价，并通过噪声试验验证了该计算方法的准确性，该计算方法简单、高效，准确、具有较强的实际应用价值，突破了传统的噪声仿真方法，为管路系统振动噪声的快速预测及评价提供了一种新方法。