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摘要：为了研究空调室外机噪声源信号传递到目标点的路径及其传递特性，以某型号家用空调室外机作为研究对象，利用工况传递路径分析方法，通过测量空调室外机不同工况下参考点和目标点处的振动和噪声，对空调室外机的噪声传递路径进行了分析，计算出了空调室外机噪声传递路径的传递特性函数，得到了各噪声源对空调室外机噪声的贡献率，为降低空调室外机的噪声提供了科学依据。
关键词：空调室外机，噪声贡献量，工况传递路径
Study of noise contribution to air-conditioning outdoor unit based on operational transfer path analysis method
Liu Yantao Fan Qiang（Guangdong Midea refrigeration equipment Co.，Ltd， Foshan 528311， China）
Abstract：Some air-conditioning outdoor unit is given as an example to identify the paths and transfer characteristics of the noise sources. Firstly， the path reference points and target points of the air-conditioning outdoor unit noise were determined based on the noise sources and the corresponding transfer paths. Then， the vibration or noise at these path reference points and target points was measured from operational data under different work conditions. Based on these measured data， the transfer matrix was calculated to describe the transfer characteristics of the paths between references and targets. Finally， the contribution of the noise sources were estimated， which is useful to give some reasonable suggestion for noise reduction.
Keywords：Air-conditioning outdoor unit；noise contribution；operational transfer path analysis
1 引言
随着人们对空调噪声要求的逐渐提高，空调噪声水平已经与制冷（热）量、能效比一起成为消费者选择空调的三大指标。因此，降低空调噪声对于提高空调的竞争力具有重要意义。空调噪声分为室内机噪声和室外机噪声，室外机噪声相比于室内机噪声，具有声压级高、异音多的特点，而且噪声贡献源及传递路径复杂，导致分析和控制困难。因此，降低空调室外机噪声成为空调降噪的瓶颈问题。
降低空调室外机噪声的首要任务是辨识出主要的噪声源及其传递路径，如果主要噪声源得不到有效控制，对次要噪声源及其传递路径采取再多的措施都是无济于事[1]。工况传递路径分析（Operational Transfer Path Analysis， OTPA）[2][3][4]通过计算各传递路径对目标点噪声的贡献量，可以判断出各路径输入的激励能量在目标点噪声中所占的比例，辨识出传递路径上对目标点噪声起主导作用的环节，为降低目标点的噪声提供科学依据，从而可以有的放矢地对噪声的传递路径进行改进，将结构的噪声控制在预定的目标范围内。
本文利用工况传递路径分析方法，结合某型号空调室外机，对空调室外机的噪声传递路径进行分析。首先确定空调室外机的主要噪声源，然后计算并分析噪声激励源到室外机噪声目标点的传递特性，并辨识出传递路径上对目标点噪声起主导作用的环节，最后对各噪声激励源在目标点噪声中的贡献率进行计算和分析，为降低空调室外机噪声、制定最优化的降噪方案提供科学依据。
2 OTPA方法介绍
工况传递路径分析（OTPA）是对传统路径分析（TPA）的改进。该方法利用参考激励替换原有激励载荷的概念，只需获得系统在工作状态下目标点和参考点的响应，即可实现对激励源和传递路径的识别及量化。OTPA方法相对传统TPA方法来说更加简便快速，只需要采集運行工况数据，不需要进行传递函数的测量，因此极大地减少了测试和建模时间[5][6][7]。
将在不同工况下测得的空调室外机目标点处的响应信号Y和参考点处的响应信号X，代入传递路径计算公式，可计算出信号由参考点代表的激励源传递到目标点的传递特性矩阵，对应的传递路径计算公式为[8]
3 空调室外机噪声激励源分析
目标点噪声根据传播途径可分为结构噪声和空气噪声两大类。空气声（空气传声）指声源产生的声音通过空气传到壁板结构上，引起壁板振动而向目标点声场辐射的声能；结构声（结构传声）指动力装置或其它结构部件产生的振动，通过结构传递，作用于结构本身引起壁板振动而向目标点辐射的声能。
空调室外机噪声主要由压缩机噪声、风轮气动噪声、钣金结构噪声、配管系统噪声以及电机噪声组成。压缩机噪声为空气声，其噪声源为压缩机内部的流体脉动噪声、机械噪声和电磁噪声等，以压缩机壳体振动的形式向外辐射空气声，该噪声透过隔音棉以及钣金结构，传递到室外机噪声目标点，如图1中红色曲线所示。 风轮气动噪声为空气声，其噪声源为风轮旋转噪声、涡流噪声和排气噪声等，通过空气、钣金结构以及风罩等，传递到室外机噪声目标点，如图1中蓝色曲线所示。
钣金结构噪声为结构声，其主要激励源为压缩机、风机以及配管的激励。压缩机激励主要通过压缩机脚垫和配管，将振动传递到底盘，进而传递到其他钣金结构。风机激励首先传递到电机支架，然后由电机支架传递到底盘、顶盖和冷凝器，进而传递到其他钣金结构；风机激励还有一部分以风载荷的形式传递到出风罩及前面板。这两种风机激励主要集中在风机转速对应的频率附近，对钣金结构噪声影响较小，可以忽略。作为钣金结构振动的主要激励源之一，配管结构的振动激励通过低压阀传递到右围板、通过阀冷传递到冷凝器，进而传递到其他钣金结构。这些激励源引起钣金结构振动，进而向外辐射噪声。这些噪声直接传递到室外机噪声目标点，如图1中绿色曲线所示。
配管系统以及电机主要通过将振动传递到钣金结构，进而向室外机噪声目标点辐射噪声。配管系统以及电机本身辐射的空气噪声与压缩机噪声、风机噪声及钣金结构噪声相比较小，如图1中黑色及棕色曲线所示。因此，本文识别的空调室外机噪声激励源主要有压缩机噪声、风机噪声、压缩机脚垫处的振动激励、低压阀连接管处的振动激励以及阀冷连接管处的振动激励等6个激励源。
4 空调室外机噪声贡献量计算
4.1 实验布置
本文选择空调室外机正前某典型位置作为空调室外机噪声目标点。根据OTPA选择噪声激励参考点的原则以及空调室外机6个主要噪声激励源特点，确定出噪声传递路径中激励参考点的位置，具体的实验布置如图2所示。
利用朗德公司提供的24通道信号采集系统，对空调室外机制冷及制热工况下压缩机不同工作频率时目标点和参考点处的信号进行采集。
4.2 结果分析
将测得目标点和参考点处的响应信号代入工况传递路径计算公式（1），计算出各参考点响应与空调室外机正前测点处噪声间的传递特性曲线，如图3所示。
从图3可以看出，空调室外机6个噪声激励源参考点响应对室外机正前目标点处噪声的传递率大体分布在50dBA/g ～ 80dBA/g间（g为重力加速度值）。传递率越大，相同振动信号贡献的噪声越大。可根据计算出的传递特性曲线优化各噪声激励源的激励频率，使其激励频率落在传递特性曲线的特定区间，从而使各参考点具有合适的噪声贡献率，降低室外机的总噪声。
根据工况传递路径分析方法，利用计算出的传递路径传递函数和制冷工况（压缩机工作频率为92Hz）下测得的各参考点处的响应信号，拟合出压缩机正前目标点处的总噪声如图4所示。由图4可以看出，拟合到的目标点处的噪声与实际测得的噪声曲线吻合度非常高。
将特定工况下测得的各参考点处响应信号Xw代入式（2），可计算出参考点代表的各噪声激励源对目标点g处噪声的贡献量。此处选择典型工况“制冷工况压缩机工作频率为92 Hz”为例，介绍基于工况传递路径法的空调室外机噪声贡献量计算。将典型工况下测得的各参考点处响应信号代入式（2），计算出6个噪声激励源对空调室外机正前测点处噪声的贡献量，如图5所示。
由图5可以看出，制冷工况压缩机工作频率为92Hz时，空调室外机前面目标点处的主要噪声在低于1000Hz的频率范围，主要与压缩机储液罐辐射噪声、压缩机本体辐射噪声以及低压阀连接管处的激励有关。在1000Hz～1500Hz频率范围，主要与压缩机底脚传递的激励以及压缩机本体辐射噪声有关。全频段的底噪主要与风轮系统噪声有关。
由图6可以看出，制冷工况压缩机工作频率为92Hz时，空调室外机前面目标点80Hz处的噪声主要与风轮系统噪声有关。这是由于风轮电机转速为800rpm，具有3个叶片，对应的风轮旋转噪声的基频为40Hz，2倍频为80 Hz。因此，80Hz处的噪声中风轮旋转噪声为主要贡献源。只有通过降低风轮系统噪声才能有效降低该频率范围的噪聲。
由图7可以看出，制冷工况压缩机工作频率为92Hz时，空调室外机前面目标点367Hz附近的噪声主要与压缩机储液罐辐射噪声有关。可通过减小压缩机储液罐辐射噪声的方式减小该频率范围的噪声。
由图8可以看出，制冷工况压缩机工作频率为92Hz时，空调室外机前面目标点1192 Hz附近的噪声主要与压缩机底脚传递的激励有关。可通过降低传递到底盘上该频率范围的振动、增大底盘刚度的方式降低该频率范围的噪声。
5 结论
本文利用工况传递路径分析方法，计算出了空调噪声激励源与空调目标测点噪声间的传递特性。并利用得到的传递特性，计算出了各噪声激励源对空调室外机目标点噪声的具体贡献量。最后以典型工况为例，分析了空调室外机正前目标点3个问题频率附近的主噪声源，并制定出了针对性的解决方案。
参考文献
[1]马大猷. 噪声与振动控制工程手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2002.
[2]D. Klerk， A. Ossipov. Operational transfer path analysis： Theory， guidelines and tire noise application. Mechanical Systems and Signal Processing， 2010， 24（7）： 1950-1962.
[3]李传兵， 王彬星， 李宏成. 运行工况传递路径分析识别车内声源. 噪声与振动控制， 2013， （02）： 77-81.
[4]袁旻旻， A. Shen， 鲁帆， 等. 高速列车运行工况下噪声传递路径及声源贡献量分析. 振动与冲击， 2013， 32（21）： 189-196.
[5]伍先俊， 吕亚东， 隋富生. 工况传递路径分析法原理及其应用. 噪声与振动控制， 2014， 34（01）： 28-31.
[6]余雄鹰， 闵福江， 文伟， 等. 轮胎/路面噪声的结构传递路径分析. 汽车工程， 2013， 35（11）： 1030-1034.
[7]金鹏， 王彦， 江克峰， 等. 工况传递路径分析方法在车辆噪声振动问题中的应用研究. 汽车技术， 2009， （12）： 37-39.
[8]G. Sitter， C. Devriendt， et al. Operational transfer path analysis. Mechanical Systems and Signal Processing， 2010， 24（2）： 416-431.
关键词：空调室外机，噪声贡献量，工况传递路径
Study of noise contribution to air-conditioning outdoor unit based on operational transfer path analysis method
Liu Yantao Fan Qiang（Guangdong Midea refrigeration equipment Co.，Ltd， Foshan 528311， China）
Abstract：Some air-conditioning outdoor unit is given as an example to identify the paths and transfer characteristics of the noise sources. Firstly， the path reference points and target points of the air-conditioning outdoor unit noise were determined based on the noise sources and the corresponding transfer paths. Then， the vibration or noise at these path reference points and target points was measured from operational data under different work conditions. Based on these measured data， the transfer matrix was calculated to describe the transfer characteristics of the paths between references and targets. Finally， the contribution of the noise sources were estimated， which is useful to give some reasonable suggestion for noise reduction.
Keywords：Air-conditioning outdoor unit；noise contribution；operational transfer path analysis
1 引言
随着人们对空调噪声要求的逐渐提高，空调噪声水平已经与制冷（热）量、能效比一起成为消费者选择空调的三大指标。因此，降低空调噪声对于提高空调的竞争力具有重要意义。空调噪声分为室内机噪声和室外机噪声，室外机噪声相比于室内机噪声，具有声压级高、异音多的特点，而且噪声贡献源及传递路径复杂，导致分析和控制困难。因此，降低空调室外机噪声成为空调降噪的瓶颈问题。
降低空调室外机噪声的首要任务是辨识出主要的噪声源及其传递路径，如果主要噪声源得不到有效控制，对次要噪声源及其传递路径采取再多的措施都是无济于事[1]。工况传递路径分析（Operational Transfer Path Analysis， OTPA）[2][3][4]通过计算各传递路径对目标点噪声的贡献量，可以判断出各路径输入的激励能量在目标点噪声中所占的比例，辨识出传递路径上对目标点噪声起主导作用的环节，为降低目标点的噪声提供科学依据，从而可以有的放矢地对噪声的传递路径进行改进，将结构的噪声控制在预定的目标范围内。
本文利用工况传递路径分析方法，结合某型号空调室外机，对空调室外机的噪声传递路径进行分析。首先确定空调室外机的主要噪声源，然后计算并分析噪声激励源到室外机噪声目标点的传递特性，并辨识出传递路径上对目标点噪声起主导作用的环节，最后对各噪声激励源在目标点噪声中的贡献率进行计算和分析，为降低空调室外机噪声、制定最优化的降噪方案提供科学依据。
2 OTPA方法介绍
工况传递路径分析（OTPA）是对传统路径分析（TPA）的改进。该方法利用参考激励替换原有激励载荷的概念，只需获得系统在工作状态下目标点和参考点的响应，即可实现对激励源和传递路径的识别及量化。OTPA方法相对传统TPA方法来说更加简便快速，只需要采集運行工况数据，不需要进行传递函数的测量，因此极大地减少了测试和建模时间[5][6][7]。
将在不同工况下测得的空调室外机目标点处的响应信号Y和参考点处的响应信号X，代入传递路径计算公式，可计算出信号由参考点代表的激励源传递到目标点的传递特性矩阵，对应的传递路径计算公式为[8]
3 空调室外机噪声激励源分析
目标点噪声根据传播途径可分为结构噪声和空气噪声两大类。空气声（空气传声）指声源产生的声音通过空气传到壁板结构上，引起壁板振动而向目标点声场辐射的声能；结构声（结构传声）指动力装置或其它结构部件产生的振动，通过结构传递，作用于结构本身引起壁板振动而向目标点辐射的声能。
空调室外机噪声主要由压缩机噪声、风轮气动噪声、钣金结构噪声、配管系统噪声以及电机噪声组成。压缩机噪声为空气声，其噪声源为压缩机内部的流体脉动噪声、机械噪声和电磁噪声等，以压缩机壳体振动的形式向外辐射空气声，该噪声透过隔音棉以及钣金结构，传递到室外机噪声目标点，如图1中红色曲线所示。 风轮气动噪声为空气声，其噪声源为风轮旋转噪声、涡流噪声和排气噪声等，通过空气、钣金结构以及风罩等，传递到室外机噪声目标点，如图1中蓝色曲线所示。
钣金结构噪声为结构声，其主要激励源为压缩机、风机以及配管的激励。压缩机激励主要通过压缩机脚垫和配管，将振动传递到底盘，进而传递到其他钣金结构。风机激励首先传递到电机支架，然后由电机支架传递到底盘、顶盖和冷凝器，进而传递到其他钣金结构；风机激励还有一部分以风载荷的形式传递到出风罩及前面板。这两种风机激励主要集中在风机转速对应的频率附近，对钣金结构噪声影响较小，可以忽略。作为钣金结构振动的主要激励源之一，配管结构的振动激励通过低压阀传递到右围板、通过阀冷传递到冷凝器，进而传递到其他钣金结构。这些激励源引起钣金结构振动，进而向外辐射噪声。这些噪声直接传递到室外机噪声目标点，如图1中绿色曲线所示。
配管系统以及电机主要通过将振动传递到钣金结构，进而向室外机噪声目标点辐射噪声。配管系统以及电机本身辐射的空气噪声与压缩机噪声、风机噪声及钣金结构噪声相比较小，如图1中黑色及棕色曲线所示。因此，本文识别的空调室外机噪声激励源主要有压缩机噪声、风机噪声、压缩机脚垫处的振动激励、低压阀连接管处的振动激励以及阀冷连接管处的振动激励等6个激励源。
4 空调室外机噪声贡献量计算
4.1 实验布置
本文选择空调室外机正前某典型位置作为空调室外机噪声目标点。根据OTPA选择噪声激励参考点的原则以及空调室外机6个主要噪声激励源特点，确定出噪声传递路径中激励参考点的位置，具体的实验布置如图2所示。
利用朗德公司提供的24通道信号采集系统，对空调室外机制冷及制热工况下压缩机不同工作频率时目标点和参考点处的信号进行采集。
4.2 结果分析
将测得目标点和参考点处的响应信号代入工况传递路径计算公式（1），计算出各参考点响应与空调室外机正前测点处噪声间的传递特性曲线，如图3所示。
从图3可以看出，空调室外机6个噪声激励源参考点响应对室外机正前目标点处噪声的传递率大体分布在50dBA/g ～ 80dBA/g间（g为重力加速度值）。传递率越大，相同振动信号贡献的噪声越大。可根据计算出的传递特性曲线优化各噪声激励源的激励频率，使其激励频率落在传递特性曲线的特定区间，从而使各参考点具有合适的噪声贡献率，降低室外机的总噪声。
根据工况传递路径分析方法，利用计算出的传递路径传递函数和制冷工况（压缩机工作频率为92Hz）下测得的各参考点处的响应信号，拟合出压缩机正前目标点处的总噪声如图4所示。由图4可以看出，拟合到的目标点处的噪声与实际测得的噪声曲线吻合度非常高。
将特定工况下测得的各参考点处响应信号Xw代入式（2），可计算出参考点代表的各噪声激励源对目标点g处噪声的贡献量。此处选择典型工况“制冷工况压缩机工作频率为92 Hz”为例，介绍基于工况传递路径法的空调室外机噪声贡献量计算。将典型工况下测得的各参考点处响应信号代入式（2），计算出6个噪声激励源对空调室外机正前测点处噪声的贡献量，如图5所示。
由图5可以看出，制冷工况压缩机工作频率为92Hz时，空调室外机前面目标点处的主要噪声在低于1000Hz的频率范围，主要与压缩机储液罐辐射噪声、压缩机本体辐射噪声以及低压阀连接管处的激励有关。在1000Hz～1500Hz频率范围，主要与压缩机底脚传递的激励以及压缩机本体辐射噪声有关。全频段的底噪主要与风轮系统噪声有关。
由图6可以看出，制冷工况压缩机工作频率为92Hz时，空调室外机前面目标点80Hz处的噪声主要与风轮系统噪声有关。这是由于风轮电机转速为800rpm，具有3个叶片，对应的风轮旋转噪声的基频为40Hz，2倍频为80 Hz。因此，80Hz处的噪声中风轮旋转噪声为主要贡献源。只有通过降低风轮系统噪声才能有效降低该频率范围的噪聲。
由图7可以看出，制冷工况压缩机工作频率为92Hz时，空调室外机前面目标点367Hz附近的噪声主要与压缩机储液罐辐射噪声有关。可通过减小压缩机储液罐辐射噪声的方式减小该频率范围的噪声。
由图8可以看出，制冷工况压缩机工作频率为92Hz时，空调室外机前面目标点1192 Hz附近的噪声主要与压缩机底脚传递的激励有关。可通过降低传递到底盘上该频率范围的振动、增大底盘刚度的方式降低该频率范围的噪声。
5 结论
本文利用工况传递路径分析方法，计算出了空调噪声激励源与空调目标测点噪声间的传递特性。并利用得到的传递特性，计算出了各噪声激励源对空调室外机目标点噪声的具体贡献量。最后以典型工况为例，分析了空调室外机正前目标点3个问题频率附近的主噪声源，并制定出了针对性的解决方案。
参考文献
[1]马大猷. 噪声与振动控制工程手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2002.
[2]D. Klerk， A. Ossipov. Operational transfer path analysis： Theory， guidelines and tire noise application. Mechanical Systems and Signal Processing， 2010， 24（7）： 1950-1962.
[3]李传兵， 王彬星， 李宏成. 运行工况传递路径分析识别车内声源. 噪声与振动控制， 2013， （02）： 77-81.
[4]袁旻旻， A. Shen， 鲁帆， 等. 高速列车运行工况下噪声传递路径及声源贡献量分析. 振动与冲击， 2013， 32（21）： 189-196.
[5]伍先俊， 吕亚东， 隋富生. 工况传递路径分析法原理及其应用. 噪声与振动控制， 2014， 34（01）： 28-31.
[6]余雄鹰， 闵福江， 文伟， 等. 轮胎/路面噪声的结构传递路径分析. 汽车工程， 2013， 35（11）： 1030-1034.
[7]金鹏， 王彦， 江克峰， 等. 工况传递路径分析方法在车辆噪声振动问题中的应用研究. 汽车技术， 2009， （12）： 37-39.
[8]G. Sitter， C. Devriendt， et al. Operational transfer path analysis. Mechanical Systems and Signal Processing， 2010， 24（2）： 416-431.