阻尼減振原理在吹脹蒸發(fā)器噪音改善中的應(yīng)用

張亞虎 方忠誠 彭勇 任偉 徐德林

(美的冰箱技術(shù)研發(fā)中心 安徽合肥 230601)

1 引言

噪聲已成為衡量冰箱品質(zhì)的一個重要指標(biāo)，已受到生產(chǎn)廠家和消費者的日益重視，2004年12月頒布的GB 19606-2004《家用和類似用途電器噪聲限值》對冰箱的噪聲值作了限定：容積小于250L的直冷冰箱噪聲聲功率級應(yīng)小于45dB（A），風(fēng)冷冰箱應(yīng)小于47dB（A）；容積大于250L的直冷冰箱聲功率級應(yīng)小于48dB(A)，風(fēng)冷冰箱應(yīng)小于50dB（A）[1]。然而由于消費者生活質(zhì)量的不斷提高，這一標(biāo)準(zhǔn)受到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，消費者對噪聲問題的投訴率日益上升。

一般來說，冰箱的三大主要噪聲源包括壓縮機噪聲、制冷劑在管路的流動噪聲以及制冷管路的振動噪聲[2]。壓縮機噪聲主要包括進(jìn)排氣的氣流脈動、電機電磁聲及機械振動等引起的噪聲，由于壓縮機噪聲產(chǎn)生機理較為復(fù)雜，控制難度較大，降噪成本較大，一直是困擾生產(chǎn)廠家的難題。制冷劑在管路的流動噪聲主要是由于制冷劑在系統(tǒng)中不斷循環(huán)，在壓力、溫度等因素變化的情況下所引起的噪聲。管路振動噪聲則是由于壓縮機進(jìn)氣管和回氣管受到壓縮機的激振和冷媒的壓迫，產(chǎn)生振動繼而引發(fā)相關(guān)管路連帶振動以致產(chǎn)生噪聲。而吹脹式冰箱的管路振動噪聲因其自身的結(jié)構(gòu)特性，相比其他冰箱尤其明顯。本文就吹脹式冰箱管路振動噪聲大的原因，深入分析，運用阻尼減振原理，提出了加載阻尼膠塊的方案，降噪效果明顯。

2 阻尼減振原理

現(xiàn)有的吹脹式冰箱的毛細(xì)管大多采用如圖1所示的纏繞方式，毛細(xì)管與回氣管的緊密纏繞，使得兩管能夠充分的換熱，不僅可以有效防止管路凝露，還可以減少毛細(xì)管出口氣態(tài)制冷劑比例，從而在一定程度上降低壓縮機的能耗。但是，由于毛細(xì)管和回氣管內(nèi)冷媒的流動方向相反，導(dǎo)致兩管內(nèi)流體運動產(chǎn)生劇烈振動，發(fā)出低頻噪聲，另外毛細(xì)管的流量一般低于壓縮機的排氣量，從而引起回氣管有吸氣脈動，導(dǎo)致周期性的發(fā)聲。

針對此種管路振動引發(fā)的噪聲問題，本文采用在毛細(xì)管與回氣管纏繞的管路部位添加阻尼膠塊的方法，減弱管路的強迫振動，降低噪聲。阻尼膠塊減振原理如圖2所示，將毛細(xì)管與回氣管纏繞部位的管路看作整個振動系統(tǒng)的主振系K1—m1，即質(zhì)量為m1的物塊（管路），作用在剛度為K1的彈性元件上，m2和k2表示附加在主振系K1—m1上的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)（阻尼膠塊），主振系K1—m1在激勵力F=F0sinωt的作用下做強迫運動。

由此，根據(jù)牛頓運動定律，可建立系統(tǒng)的振動微分方程[3]：

轉(zhuǎn)化為矩陣形式如下：

由式（3）可以得出，系統(tǒng)在激勵力F的作用下做強迫振動時，阻尼膠塊以做與激振力方向相反的運動，從而阻礙管路m1的運動，達(dá)到減振的目的，也就是說阻尼膠塊在整個振動系統(tǒng)中充當(dāng)減振器的作用。在理想狀態(tài)下，當(dāng)激勵頻率ω等于阻尼膠塊的固有頻率時，管路m1此時保持靜止不動。這就是阻尼膠塊在管路減振中的基本原理。

3 實驗驗證

將尺寸為0.47m×0.43m×0.48m的某小型冰箱放置于背景噪聲為18dB的半消聲室內(nèi)，如圖3所示，前測點距離冰箱正面中心1m處，高度為冰箱高度的一半，后測點正對壓縮機0.1m，高度為0.15m。冰箱穩(wěn)定運行后，連續(xù)采集冰箱一段時間的聲壓數(shù)據(jù)，聲壓歷程曲線如圖4所示，平均處理后，得到冰箱這段時間內(nèi)的前點平均聲壓級為34.5dB，后點平均聲壓級為55.4dB。隨后導(dǎo)出冰箱前后測點的聲壓頻譜圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，冰箱的噪聲值在頻帶315Hz、400Hz、500Hz處最大，分別達(dá)到50dB、49.9dB、43.2dB，這是整機噪聲大的主要原因，降低這幾個頻帶的聲壓級，就能顯著降低整機的總聲壓級。經(jīng)分析，這三個頻帶正處于管路振動的頻率范圍內(nèi)，考慮用阻尼膠塊將毛細(xì)管與回氣管緊密包裹，如圖6所示，測試此時冰箱前后測點的聲壓值。

穩(wěn)定運行后，連續(xù)采集冰箱一段時間的聲壓數(shù)據(jù)，前、后點聲壓歷程曲線如圖7所示，經(jīng)平均處理后，得出改善后的冰箱前點平均聲壓級為29.2 dB，后點平均聲壓級為47.4dB。

由此，通過在毛細(xì)管與回氣管纏繞處加載阻尼膠塊的方法，使冰箱前點噪聲降低了5.3dB，后點噪聲降低了8dB，降噪效果明顯。導(dǎo)出改善前后冰箱前、后點的頻譜對比圖如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以清楚地看到，前點和后點的聲壓均在315Hz、400Hz、500Hz三個頻帶處得到明顯改善，而其他頻帶聲壓值變化不明顯，從而進(jìn)一步說明了阻尼膠塊對管路減振降噪的效果。

4 結(jié)論

吹脹式冰箱毛細(xì)管與回氣管的緊密纏繞可以有效實現(xiàn)其充分換熱，減少毛細(xì)管出口氣態(tài)制冷劑比例，但由于兩管內(nèi)冷媒流動方向相反產(chǎn)生振動，導(dǎo)致冰箱噪聲加大。本文從減振原理出發(fā)，在兩管的纏繞處加載阻尼膠塊，有效地降低了管路的振動，冰箱整機噪聲明顯下降。這種方法簡便易行、效果明顯且成本低廉，在冰箱的設(shè)計和生產(chǎn)中可大力推廣。

[1]GB 19606-2004《家用和類似用途電器噪聲限值》

[2]李康.家用電冰箱降低噪聲技術(shù)研究[J].工業(yè)技術(shù).2012,8 (3):15-18

[3]杜功煥.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].南京大學(xué)出版社.2001