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1、引言

近年來，隨著科技水平的不斷提高，各種降噪技術和手段不斷應用，制造業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品，其噪音主要由壓縮機噪音、風道風扇噪音、系統噪音三大部分組成。已有工程師針對其噪音問題進行了大量的研究：楊智輝[1]等通過對冰箱制冷系統內部流動噪聲產生機理的研究，為抑制冰箱制冷系統內部流動噪聲指明方向；黃龍春[2]等論證了風扇冰箱噪聲的貢獻和影響, 提出了冰箱風道系統及風扇系統設計的基本要求；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倉噪音的影響。基于這些研究積累和技術手段，冰箱噪音不斷優化，用戶噪音投訴持續下降。今后冰箱噪音的持續改善不能只拘泥于傳統三大噪音源的研究，應更多的針對噪音細節進行改善。

通過調研2018年冰箱用戶噪音投訴細節，發現除了常見的壓縮機噪音、風機噪音以外，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。在中國標準化協會2018年9月發布的團體標準T/CAS 320-2018《家用電冰箱非穩定運行噪聲評價方法》[4]中首次提出了冰箱啟動時間段噪聲限值要求：任意制冷循環中的啟動階段，啟動段噪聲值不應高于冰箱銘牌標稱值6dB（A）。針對冰箱啟動噪音的優化已然成為改善用戶投訴和持續提升產品競爭力的重點。本文針對某款直冷冰箱啟動噪聲，進行了一定的理論分析及實驗研究，得到啟動噪音相關控制要點，對冰箱啟動噪音的優化設計具有一定指導意義。

2、實驗設備和方法

定義啟動時間段噪音為：在規定的工況下冰箱通電或者重新啟動后60秒內的平均聲壓級。實驗使用某款直冷單系統冰箱，噪音探頭布置于壓機正后方后，后點正對壓機30cm、高15cm，如圖1所示。噪音采集設備使用丹麥B&K噪音探頭及配套軟件。進行初始數據收集，采集冰箱啟動后噪音的時域及頻域數據。圖2對比了冰箱啟動后60秒與穩定運行時的頻域數據，可以發現啟動噪音主要在基頻、二階頻以及高頻3150Hz劣于穩定運行時的噪音。

圖1 實驗裝置和實驗方法示意圖

圖2 啟動噪音與穩定運行噪音頻譜對比圖

3、分析和優化

直冷冰箱噪音主要來源為壓縮機，低頻噪音主要由于振動激勵源壓縮機和底板及管路之間發生了共振，而高頻噪音則主要受到電機及閥片開閉等影響。冰箱啟動噪音與運行穩定噪音相比，主要差別體現在系統壓力上。由于啟動時系統壓力未能達到平衡，吸排氣壓差相對較大，壓縮機整體負荷偏高，導致壓縮機振動相應的增大，出現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，導致排氣閥片開閉角度與設計工況出現一定偏差，主要體現在高頻噪音3150Hz附近。因此，冰箱啟動噪音優化主要可從以下三方面入手。

3.1 振動傳遞優化

從壓縮機振動傳遞路徑上看，腳墊作為壓機和箱體連接的第一部件，其隔振性能對振動傳遞的優化起著最主要的作用。根據機械振動相關理論，壓縮機腳墊系統可簡化為簡諧激勵力引起的有阻尼單自由度系統振動問題，腳墊的隔振能力主要其由輸入輸出的傳遞率來衡量，穩態激勵下，響應特性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，固有頻率與質量M、動態剛度C和阻尼K相關。在壓縮機和腳墊系統中，激勵頻率f及質量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進行優化，將腳墊材質由天然橡膠改為丁基橡膠，硬度不變，提升材料屬性達到優化目的；同時對腳墊的內部結構進行改善，如圖3所示，將腳墊原始的通孔結構改為階梯孔結構，通過改變結構特性提升腳墊的阻尼效果。實驗測得阻尼比由0.062提升至0.51。

圖3 腳墊結構優化前后對比圖

3.2 管路固有頻率優化

除腳墊以外，壓縮機吸排氣管路對基頻和二階頻噪音也有明顯的貢獻。此頻段噪音主要是由于管路共振引起。依據動力學相關理論，此類共振問題可由多自由度無阻尼系統的振動模型表述，其振動微分方程的一般形式可以表示為[5]：

式中：[M]為質量矩陣，[K]為剛度矩陣。在冰箱機械室的吸排氣管路系統中，共振的幅值主要由管路整體的剛度決定，表現形式為管路固有頻率。優化管路共振噪音，需要通過優化其固有頻率與壓縮機激勵頻率的差值來達到。

因此，可以通過結構優化改變管路固有頻率的方法改善冰箱啟動噪音。現針對回氣管管路進行相應模擬分析。按照實際管路情況，建立有限元仿真模型進行相應分析。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與壓縮機工作基頻較為接近，易出現部分陣型共振狀況。重新設計回氣管管路形狀，使其固有頻率避開壓縮機激勵頻率，如圖4所示。由計算結果可得，新管路前三階固頻為46.5Hz、66.3Hz、68.7Hz，激勵方向為前后及上下方向，規避了壓縮機工作基頻49Hz，新管路在此工作狀態下振動水平較優。

圖4 新舊管路CAE分析對比

3.3 壓機閥片優化

根據往復式壓縮機的運行機理進行分析，壓縮機閥片噪音主要是由壓縮機吸排氣過程中產生的高速高壓氣體沖擊閥片產生。此時氣體湍流頂開彈性閥片，相互作用中導致閥片振動碰撞，產生高頻噪音[6]。冰箱停機時，吸排氣壓力基本處于平衡狀態，當壓縮機啟動后的一段時間吸排氣壓差會急劇增大，壓縮機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，首先考慮壓縮機閥片的優化。這里筆者認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，在綜合考慮壓縮機性能等其他因素后，最終確定將排氣閥片厚度由0.154mm優化至0.178mm。

4、實驗數據分析

按照上述設計方案，在某款直冷冰箱中進行對比實驗，實驗時域結果圖5所示。實驗驗證兩臺樣機。通過優化腳墊、回氣管路、壓機排氣閥片，冰箱啟動噪音有明顯改善。改善前后測試點位置啟動60秒內平均聲壓級分別改善1.66dB和1.87dB，有較明顯的優化效果。同時對改善前后冰箱啟動噪音頻譜進行對比分析，結果如圖6所示。優化方案實行后，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10dB左右。實際測試結果與理論分析目標頻率基本吻合。

圖5 優化前后啟動噪音時域曲線

圖6 優化前后啟動噪音頻譜對比圖

5、結論

本文通過理論分析和實驗研究，得出直冷冰箱啟動噪音主要表現頻段為基頻、二階頻以及高頻3150Hz頻段。其主要是由共振噪聲和閥片機械噪聲組成。通過優化腳墊阻尼比、改變管路形狀、改善閥片厚度，可對啟動噪音進行多維度改善。經過實驗驗證有良好的降噪效果，證實了理論分析的結論。在后續冰箱的產品改善中，可以依據本文方法對冰箱啟動噪音進行優化，為冰箱的開發提供了相應的設計依據。

參考文獻

[1] 楊智輝, 劉益才, 劉振利. 冰箱毛細管流動噪聲的實驗研究[J].制冷與空調，2006(4): 74-76.

[2] 黃龍春, 范洪安. 無霜冰箱風扇系統噪聲的治理[C]. 杭州: 2001中國家電電器技術大會論文集, 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, 家用電冰箱非穩定運行噪聲評價方法[S].

[5] 趙玫, 周海亭, 陳光冶, 朱蓓麗. 機械振動與噪聲學[M]. 北京:科學出版社,2017: 92-93.

[6] 季曉明，孟曉宏，金濤. 往復式冰箱壓縮機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.