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1、引言
近年來，隨著科技水平的不斷提高，各種降噪技術(shù)和手段不斷應(yīng)用，制造業(yè)各品類噪音已得到明顯的控制，家用電器的噪音水平也有了更明顯的提升。電冰箱作為生活中二十四小時不斷電的家電產(chǎn)品，其噪音主要由壓縮機(jī)噪音、風(fēng)道風(fēng)扇噪音、系統(tǒng)噪音三大部分組成。已有工程師針對其噪音問題進(jìn)行了大量的研究：楊智輝[1]等通過對冰箱制冷系統(tǒng)內(nèi)部流動噪聲產(chǎn)生機(jī)理的研究，為抑制冰箱制冷系統(tǒng)內(nèi)部流動噪聲指明方向；黃龍春[2]等論證了風(fēng)扇冰箱噪聲的貢獻(xiàn)和影響, 提出了冰箱風(fēng)道系統(tǒng)及風(fēng)扇系統(tǒng)設(shè)計的基本要求；陳澎鈺[3]等采用理論計算和仿真分析手段，研究了消音器對冰箱壓機(jī)倉噪音的影響?；谶@些研究積累和技術(shù)手段，冰箱噪音不斷優(yōu)化，用戶噪音投訴持續(xù)下降。今后冰箱噪音的持續(xù)改善不能只拘泥于傳統(tǒng)三大噪音源的研究，應(yīng)更多的針對噪音細(xì)節(jié)進(jìn)行改善。
通過調(diào)研2018年冰箱用戶噪音投訴細(xì)節(jié)，發(fā)現(xiàn)除了常見的壓縮機(jī)噪音、風(fēng)機(jī)噪音以外，啟動噪音已成為不可忽視的一部分。在所有噪音負(fù)面評價中，投訴啟動噪音大的用戶已約占總投訴的20%左右。在中國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會2018年9月發(fā)布的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/CAS 320-2018《家用電冰箱非穩(wěn)定運(yùn)行噪聲評價方法》[4]中首次提出了冰箱啟動時間段噪聲限值要求：任意制冷循環(huán)中的啟動階段，啟動段噪聲值不應(yīng)高于冰箱銘牌標(biāo)稱值6dB（A）。針對冰箱啟動噪音的優(yōu)化已然成為改善用戶投訴和持續(xù)提升產(chǎn)品競爭力的重點(diǎn)。本文針對某款直冷冰箱啟動噪聲，進(jìn)行了一定的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究，得到啟動噪音相關(guān)控制要點(diǎn)，對冰箱啟動噪音的優(yōu)化設(shè)計具有一定指導(dǎo)意義。
2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法
定義啟動時間段噪音為：在規(guī)定的工況下冰箱通電或者重新啟動后60秒內(nèi)的平均聲壓級。實(shí)驗(yàn)使用某款直冷單系統(tǒng)冰箱，噪音探頭布置于壓機(jī)正后方后，后點(diǎn)正對壓機(jī)30cm、高15cm，如圖1所示。噪音采集設(shè)備使用丹麥B&K噪音探頭及配套軟件。進(jìn)行初始數(shù)據(jù)收集，采集冰箱啟動后噪音的時域及頻域數(shù)據(jù)。圖2對比了冰箱啟動后60秒與穩(wěn)定運(yùn)行時的頻域數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)啟動噪音主要在基頻、二階頻以及高頻3150Hz劣于穩(wěn)定運(yùn)行時的噪音。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法示意圖
圖2 啟動噪音與穩(wěn)定運(yùn)行噪音頻譜對比圖
3、分析和優(yōu)化
直冷冰箱噪音主要來源為壓縮機(jī)，低頻噪音主要由于振動激勵源壓縮機(jī)和底板及管路之間發(fā)生了共振，而高頻噪音則主要受到電機(jī)及閥片開閉等影響。冰箱啟動噪音與運(yùn)行穩(wěn)定噪音相比，主要差別體現(xiàn)在系統(tǒng)壓力上。由于啟動時系統(tǒng)壓力未能達(dá)到平衡，吸排氣壓差相對較大，壓縮機(jī)整體負(fù)荷偏高，導(dǎo)致壓縮機(jī)振動相應(yīng)的增大，出現(xiàn)低頻振動噪音的概率提高，共振幅值也會明顯增大。由于排氣壓力的提升，導(dǎo)致排氣閥片開閉角度與設(shè)計工況出現(xiàn)一定偏差，主要體現(xiàn)在高頻噪音3150Hz附近。因此，冰箱啟動噪音優(yōu)化主要可從以下三方面入手。
3.1 振動傳遞優(yōu)化
從壓縮機(jī)振動傳遞路徑上看，腳墊作為壓機(jī)和箱體連接的第一部件，其隔振性能對振動傳遞的優(yōu)化起著最主要的作用。根據(jù)機(jī)械振動相關(guān)理論，壓縮機(jī)腳墊系統(tǒng)可簡化為簡諧激勵力引起的有阻尼單自由度系統(tǒng)振動問題，腳墊的隔振能力主要其由輸入輸出的傳遞率來衡量，穩(wěn)態(tài)激勵下，響應(yīng)特性μ可簡化為下述公式[5]：
式中：ζ為阻尼比，ω為頻率比，可表示為ω=f/f0，f為激勵頻率，f0為固有頻率，固有頻率與質(zhì)量M、動態(tài)剛度C和阻尼K相關(guān)。在壓縮機(jī)和腳墊系統(tǒng)中，激勵頻率f及質(zhì)量M是固定的。
由上述公式可知，增加阻尼比可由有效抑制共振時的振幅，如果阻尼比足夠大，可以將響應(yīng)振動的振幅維持在一個較低的水平。因此，通過振動傳遞路徑優(yōu)化的方法改善冰箱啟動噪音，較為可行的方法是從增加腳墊阻尼比的方向入手。因此首先對腳墊的材質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，將腳墊材質(zhì)由天然橡膠改為丁基橡膠，硬度不變，提升材料屬性達(dá)到優(yōu)化目的；同時對腳墊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，如圖3所示，將腳墊原始的通孔結(jié)構(gòu)改為階梯孔結(jié)構(gòu)，通過改變結(jié)構(gòu)特性提升腳墊的阻尼效果。實(shí)驗(yàn)測得阻尼比由0.062提升至0.51。
圖3 腳墊結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后對比圖
3.2 管路固有頻率優(yōu)化
除腳墊以外，壓縮機(jī)吸排氣管路對基頻和二階頻噪音也有明顯的貢獻(xiàn)。此頻段噪音主要是由于管路共振引起。依據(jù)動力學(xué)相關(guān)理論，此類共振問題可由多自由度無阻尼系統(tǒng)的振動模型表述，其振動微分方程的一般形式可以表示為[5]：
式中：[M]為質(zhì)量矩陣，[K]為剛度矩陣。在冰箱機(jī)械室的吸排氣管路系統(tǒng)中，共振的幅值主要由管路整體的剛度決定，表現(xiàn)形式為管路固有頻率。優(yōu)化管路共振噪音，需要通過優(yōu)化其固有頻率與壓縮機(jī)激勵頻率的差值來達(dá)到。
因此，可以通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化改變管路固有頻率的方法改善冰箱啟動噪音?，F(xiàn)針對回氣管管路進(jìn)行相應(yīng)模擬分析。按照實(shí)際管路情況，建立有限元仿真模型進(jìn)行相應(yīng)分析。考慮到冰箱回氣管為薄壁型管材，且回氣管與箱體等固定連接。固采用殼單元建立回氣管路固有頻率有限元仿真分析模型，管路連接位置為固定連接，單元類型為S4R，單元大小為1mm。由計算結(jié)果可得，原始管路前三階固頻為45.2Hz、49.3Hz、57.7Hz，激勵方向分別為前后及上下方向。其中49.3Hz與壓縮機(jī)工作基頻較為接近，易出現(xiàn)部分陣型共振狀況。重新設(shè)計回氣管管路形狀，使其固有頻率避開壓縮機(jī)激勵頻率，如圖4所示。由計算結(jié)果可得，新管路前三階固頻為46.5Hz、66.3Hz、68.7Hz，激勵方向?yàn)榍昂蠹吧舷路较颍?guī)避了壓縮機(jī)工作基頻49Hz，新管路在此工作狀態(tài)下振動水平較優(yōu)。
圖4 新舊管路CAE分析對比
3.3 壓機(jī)閥片優(yōu)化
根據(jù)往復(fù)式壓縮機(jī)的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行分析，壓縮機(jī)閥片噪音主要是由壓縮機(jī)吸排氣過程中產(chǎn)生的高速高壓氣體沖擊閥片產(chǎn)生。此時氣體湍流頂開彈性閥片，相互作用中導(dǎo)致閥片振動碰撞，產(chǎn)生高頻噪音[6]。冰箱停機(jī)時，吸排氣壓力基本處于平衡狀態(tài)，當(dāng)壓縮機(jī)啟動后的一段時間吸排氣壓差會急劇增大，壓縮機(jī)排氣端高壓氣體對閥片的沖擊也會更加劇烈，高頻噪音也相對增大。針對高頻3150Hz噪音，首先考慮壓縮機(jī)閥片的優(yōu)化。這里筆者認(rèn)為通過增大閥片厚度，在壓差基本不變的情況下，閥片最大應(yīng)力和最大變形量也隨之減小，噪聲水平也會隨之降低。因此，在綜合考慮壓縮機(jī)性能等其他因素后，最終確定將排氣閥片厚度由0.154mm優(yōu)化至0.178mm。
4、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
按照上述設(shè)計方案，在某款直冷冰箱中進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時域結(jié)果圖5所示。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩臺樣機(jī)。通過優(yōu)化腳墊、回氣管路、壓機(jī)排氣閥片，冰箱啟動噪音有明顯改善。改善前后測試點(diǎn)位置啟動60秒內(nèi)平均聲壓級分別改善1.66dB和1.87dB，有較明顯的優(yōu)化效果。同時對改善前后冰箱啟動噪音頻譜進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖6所示。優(yōu)化方案實(shí)行后，在基頻50Hz、二階頻100Hz及3.15kHz～4kHz頻段幅值均有明顯下降，個別頻段單頻噪音降幅達(dá)10dB左右。實(shí)際測試結(jié)果與理論分析目標(biāo)頻率基本吻合。
圖5 優(yōu)化前后啟動噪音時域曲線
圖6 優(yōu)化前后啟動噪音頻譜對比圖
5、結(jié)論
本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，得出直冷冰箱啟動噪音主要表現(xiàn)頻段為基頻、二階頻以及高頻3150Hz頻段。其主要是由共振噪聲和閥片機(jī)械噪聲組成。通過優(yōu)化腳墊阻尼比、改變管路形狀、改善閥片厚度，可對啟動噪音進(jìn)行多維度改善。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有良好的降噪效果，證實(shí)了理論分析的結(jié)論。在后續(xù)冰箱的產(chǎn)品改善中，可以依據(jù)本文方法對冰箱啟動噪音進(jìn)行優(yōu)化，為冰箱的開發(fā)提供了相應(yīng)的設(shè)計依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊智輝, 劉益才, 劉振利. 冰箱毛細(xì)管流動噪聲的實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷與空調(diào)，2006(4): 74-76.
[2] 黃龍春, 范洪安. 無霜冰箱風(fēng)扇系統(tǒng)噪聲的治理[C]. 杭州: 2001中國家電電器技術(shù)大會論文集, 2001,119-121.
[3] 陳澎鈺, 江俊. 消音器在冰箱降噪中的研究[J]. 家電科技，2015(1): 56-57.
[4] T/CAS 320-2018, 家用電冰箱非穩(wěn)定運(yùn)行噪聲評價方法[S].
[5] 趙玫, 周海亭, 陳光冶, 朱蓓麗. 機(jī)械振動與噪聲學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社,2017: 92-93.
[6] 季曉明，孟曉宏，金濤. 往復(fù)式冰箱壓縮機(jī)噪聲分析及控制方法綜述[J]. 噪聲與振動工程控制，2007(1): 17-20.
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