變頻冰箱全制冷周期降噪方案研究

馬長(zhǎng)州 魏邦福 陳開(kāi)松 崔培培

長(zhǎng)虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

近年來(lái)，變頻冰箱已逐步成為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。變頻冰箱最大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是節(jié)能、保鮮、靜音，但是從近幾年的售后反饋來(lái)看，部分變頻產(chǎn)品的噪聲投訴率反而會(huì)高于普通定頻產(chǎn)品。一方面，由于變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的，可能存在部分轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)與冰箱整機(jī)共振等噪聲問(wèn)題，整機(jī)降噪設(shè)計(jì)難度增大；另一方面，消費(fèi)者對(duì)變頻產(chǎn)品的低噪聲期望值更高，但是變頻冰箱在某些工況運(yùn)行時(shí)其噪聲可能高于定頻產(chǎn)品。

風(fēng)冷冰箱的噪聲控制主要是針對(duì)噪聲超標(biāo)情況進(jìn)行測(cè)試分析，借助頻譜分析、結(jié)構(gòu)共振改善、減振吸聲材料應(yīng)用等方法解決噪聲問(wèn)題[1]。丁龍輝[2]等提出一種噪聲測(cè)試程序，通過(guò)程序自動(dòng)運(yùn)行壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)組合運(yùn)行模式，快速評(píng)價(jià)各種運(yùn)行轉(zhuǎn)速組合下的噪聲，篩查可能出現(xiàn)的異常共振噪聲，提高了變頻冰箱噪聲設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率。除了要降低冰箱穩(wěn)定運(yùn)行條件下的噪聲，冰箱運(yùn)行過(guò)程中的異常噪聲也越來(lái)越受到關(guān)注。江俊[3]等介紹了家用電冰箱非穩(wěn)定運(yùn)行噪聲組成、評(píng)價(jià)方法等，通過(guò)非穩(wěn)定運(yùn)行噪聲測(cè)試，評(píng)價(jià)冰箱噪聲水平。

在用戶真實(shí)的使用場(chǎng)景下，在完整的制冷周期內(nèi)，除穩(wěn)態(tài)運(yùn)行噪聲外，變頻冰箱在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)升降速、壓縮機(jī)啟停、風(fēng)門切換、電動(dòng)閥切換、停機(jī)等過(guò)程中均可能產(chǎn)生各種持續(xù)時(shí)間不等的異常噪聲。本文主要通過(guò)監(jiān)測(cè)變頻冰箱全制冷周期內(nèi)的聲功率（聲壓）級(jí)的變化規(guī)律，開(kāi)展噪聲測(cè)試分析，對(duì)降溫階段、穩(wěn)定制冷階段、停機(jī)階段等不同制冷階段產(chǎn)生的各種異常噪聲進(jìn)行分析及降噪優(yōu)化方案探索。

2 冰箱噪聲測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

冰箱聲功率級(jí)的測(cè)量，依據(jù)的是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8059-2016《家用和類似用途制冷器具》[4]。該標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于冰箱噪聲的計(jì)算方法如下：

聲壓級(jí)測(cè)量從運(yùn)行階段開(kāi)始后1 min至運(yùn)行階段結(jié)束。為了確定最終的結(jié)果應(yīng)進(jìn)行三個(gè)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。最終結(jié)果為三次測(cè)量的對(duì)數(shù)平均值。如果，任何兩個(gè)測(cè)量結(jié)果的偏差超過(guò)2 dB(A)，則應(yīng)進(jìn)行三個(gè)額外的測(cè)量，最終結(jié)果為六次測(cè)量的對(duì)數(shù)平均值。

現(xiàn)行的測(cè)試方法，測(cè)量計(jì)算的是冰箱穩(wěn)定運(yùn)行后，幾個(gè)完整運(yùn)行周期內(nèi)測(cè)量結(jié)果的對(duì)數(shù)平均值。測(cè)量過(guò)程中短時(shí)的噪聲突然增加對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較小。但是此類噪聲明顯會(huì)高于穩(wěn)定運(yùn)行階段噪聲，會(huì)使用戶使用體驗(yàn)較差。

另一方面，現(xiàn)有的變頻冰箱達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行條件后，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速一般不會(huì)再變化。但是在用戶實(shí)際使用過(guò)程中，由于環(huán)溫、開(kāi)關(guān)門、制冷負(fù)荷等條件變化，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)速會(huì)不斷變化。整機(jī)噪聲也會(huì)隨轉(zhuǎn)速的變化而波動(dòng)。

對(duì)于變頻冰箱，現(xiàn)有的冰箱噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果不能完全反映冰箱整機(jī)真實(shí)的噪聲變化。作為冰箱生產(chǎn)企業(yè)，在變頻冰箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要充分考慮冰箱不同運(yùn)行條件下的整機(jī)噪聲變化。使產(chǎn)品不僅滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，也可在用戶真實(shí)使用工況下，減少全制冷周期內(nèi)的各類異常噪聲，從而降低市場(chǎng)噪聲投訴率。

3 變頻冰箱全制冷周期運(yùn)行過(guò)程分析

在變頻冰箱全制冷周期內(nèi)，制冷的不同階段產(chǎn)生的噪聲變化可以劃分為以下四階段:（1）冰箱降溫階段噪聲；（2）穩(wěn)定運(yùn)行階段噪聲；（3）壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)升降速產(chǎn)生的噪聲波動(dòng)；（4）停機(jī)過(guò)程中整機(jī)噪聲波動(dòng)。

3.1 箱體初次降溫階段噪聲

如圖1所示，某型號(hào)冰箱首次上電后連續(xù)100 min內(nèi)的聲功率級(jí)變化數(shù)據(jù)，在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速均沒(méi)有變化的情況下，在40 min～50 min時(shí)，聲功率級(jí)出現(xiàn)約2 dB(A)的增加，隨著箱內(nèi)溫度的降低，整機(jī)噪聲呈下降趨勢(shì)。并且在降溫過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)規(guī)律的熱脹冷縮炸裂的聲音，瞬時(shí)聲功率級(jí)超過(guò)40 dB(A)，前50 min內(nèi)熱脹冷縮的聲音出現(xiàn)次數(shù)明顯高于后50 min出現(xiàn)次數(shù)。

圖1 冰箱降溫過(guò)程整機(jī)聲功率級(jí)變化

總體來(lái)看，在高冷凝溫度、高蒸發(fā)溫度工況下，壓縮機(jī)單機(jī)噪聲會(huì)增加，隨著蒸發(fā)溫度降低，制冷負(fù)荷降低，壓縮機(jī)噪聲減小。根據(jù)多臺(tái)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果，不同類型產(chǎn)品出現(xiàn)峰值的階段有差異，根本原因還需要進(jìn)一步研究。

除制冷工況的影響，變頻壓縮機(jī)的噪聲隨轉(zhuǎn)速降低而降低。通過(guò)規(guī)避高轉(zhuǎn)速、高制冷負(fù)荷工況疊加，在冰箱首次降溫前1到2小時(shí)內(nèi)，讓壓縮機(jī)以低速運(yùn)行，待蒸發(fā)溫度降低后，壓縮機(jī)再升速，對(duì)比改進(jìn)前后，降溫過(guò)程中的最大噪聲降低1.8 dB(A)，如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速控制降溫過(guò)程噪聲

進(jìn)一步對(duì)比25度環(huán)溫冰箱整機(jī)降溫速度，箱內(nèi)溫度達(dá)到相同溫度時(shí)，兩種控制規(guī)則下時(shí)間僅相差不到10 min，降溫前期的低轉(zhuǎn)速運(yùn)行對(duì)整機(jī)降溫速度影響較小，如圖3所示。

圖3 25度環(huán)溫降溫速度對(duì)比

3.2 穩(wěn)定運(yùn)行階段噪聲

在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，該階段的噪聲波動(dòng)主要是壓縮機(jī)啟停噪聲、電動(dòng)風(fēng)門運(yùn)行噪聲、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥運(yùn)行噪聲、制冷系統(tǒng)噪聲、熱脹冷縮噪聲等。此類噪聲波動(dòng)一般持續(xù)時(shí)間約為幾秒到幾十秒不等，對(duì)用戶使用體驗(yàn)有著非常重要的影響。

3.2.1 壓縮機(jī)啟動(dòng)噪聲[5]

壓縮機(jī)啟動(dòng)瞬時(shí)峰值噪聲受停機(jī)時(shí)間、制冷系統(tǒng)高低壓端壓差等因素影響，平衡時(shí)間長(zhǎng)，啟動(dòng)階段的瞬時(shí)峰值噪聲相對(duì)較小。啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的峰值噪聲，主要是壓縮機(jī)自身振動(dòng)及其帶動(dòng)的管路振動(dòng)傳遞出的機(jī)械振動(dòng)噪聲，主要噪聲頻率一般分布在200 Hz以下。啟動(dòng)后1 min內(nèi)持續(xù)性的噪聲，主要來(lái)自制冷劑的吸排氣脈動(dòng)噪聲，一般為630 Hz、800 Hz排氣脈動(dòng)噪聲大，250 Hz、315 Hz、400 Hz吸氣脈動(dòng)噪聲大，如圖4所示。2 min～3 min后，高低壓端建立穩(wěn)定的壓差，壓縮機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

圖4 壓縮機(jī)啟動(dòng)過(guò)程聲壓級(jí)及頻率分布

對(duì)于變頻壓縮機(jī)，啟動(dòng)階段的振動(dòng)噪聲可以從轉(zhuǎn)速控制規(guī)則方面開(kāi)展優(yōu)化工作，如：?jiǎn)?dòng)慣量、啟動(dòng)扭矩、啟動(dòng)階段的上油轉(zhuǎn)速等參數(shù)調(diào)整。對(duì)于吸排氣脈動(dòng)噪聲，通過(guò)優(yōu)化壓縮機(jī)內(nèi)部吸排氣結(jié)構(gòu)等方法可實(shí)現(xiàn)較好的改善效果。

3.2.2 風(fēng)門運(yùn)行噪聲

風(fēng)冷冰箱中，電動(dòng)風(fēng)門負(fù)責(zé)風(fēng)量分配，根據(jù)不同間室的制冷需求，每隔一段時(shí)間風(fēng)門會(huì)執(zhí)行開(kāi)啟、關(guān)閉動(dòng)作。冰箱企業(yè)在設(shè)計(jì)中考慮可靠性要求，當(dāng)風(fēng)門長(zhǎng)時(shí)間保持一種狀態(tài)時(shí)，風(fēng)門會(huì)執(zhí)行一次復(fù)位動(dòng)作（打開(kāi)、關(guān)閉），防止風(fēng)門被凍住。單風(fēng)門一次開(kāi)啟或關(guān)閉動(dòng)作一般需要6～10秒。雙風(fēng)門一個(gè)完整的開(kāi)啟或關(guān)閉動(dòng)作需要持續(xù)6～30秒不等。風(fēng)門齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。正常情況下，風(fēng)門運(yùn)行噪聲小于35 dB(A)（距離風(fēng)門100 mm處測(cè)得聲壓級(jí)大?。?。其頻率分布如圖6所示，主要聲源：步進(jìn)電機(jī)1 kHz～10 kHz 高頻噪聲；次要聲源：齒輪箱內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的80 Hz低頻振動(dòng)噪聲。

圖5 風(fēng)門齒輪箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 單風(fēng)門噪聲頻率分布

筆者通過(guò)大量的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，同一型號(hào)風(fēng)門與冰箱風(fēng)道裝配后，進(jìn)行冰箱整機(jī)測(cè)試時(shí)，在只運(yùn)行風(fēng)門的情況下，噪聲頻率分布與單風(fēng)門明顯不同。如圖7所示，圖7a）對(duì)開(kāi)門冰箱及圖7b）法式多門冰箱，風(fēng)道設(shè)計(jì)使用的是同一型號(hào)風(fēng)門，單機(jī)噪聲相當(dāng)。但是在整機(jī)測(cè)試中，風(fēng)門運(yùn)行時(shí)的主要噪聲源均變至500 Hz以下，且聲壓級(jí)大小有明顯差別。分析來(lái)源于風(fēng)門動(dòng)作時(shí)，齒輪振動(dòng)通過(guò)風(fēng)道、箱體傳遞放大。我司現(xiàn)有的風(fēng)門裝配結(jié)構(gòu)，在只運(yùn)行風(fēng)門的情況下，整機(jī)噪聲普遍在35 dB(A)～38 dB(A)，個(gè)別異常情況下，噪聲甚至可能超過(guò)40 dB(A)。

圖7 整機(jī)測(cè)試中風(fēng)門運(yùn)行噪聲典型頻率分布

風(fēng)門運(yùn)行噪聲的主要優(yōu)化方向：風(fēng)門與風(fēng)道裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)化，隔離振源，減小齒輪傳動(dòng)噪聲放大；密封設(shè)計(jì)與減振設(shè)計(jì)綜合考慮，風(fēng)門與風(fēng)道應(yīng)避免過(guò)松或過(guò)緊的裝配尺寸。如圖8所示，通過(guò)優(yōu)化風(fēng)門與風(fēng)道裝配尺寸，增加減振海綿設(shè)計(jì)。冰箱整機(jī)測(cè)試狀態(tài)下，風(fēng)門運(yùn)行噪聲可實(shí)現(xiàn)小于32 dB(A)的目標(biāo)。這時(shí)，風(fēng)門與壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)的疊加噪聲基本可以忽略。

圖8 風(fēng)門、風(fēng)道裝配結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意

3.2.3 制冷系統(tǒng)噪聲

制冷劑流動(dòng)、噴射等噪聲隨冰箱制冷系統(tǒng)工況變化，降溫階段蒸發(fā)溫度高，大流量情況下，制冷系統(tǒng)噪聲通常會(huì)變大。毛細(xì)管出口噴射噪聲頻率分布如圖9所示，主要噪聲分布在250 Hz～400 Hz，500 Hz～2000 Hz兩個(gè)頻率段[6]。通過(guò)對(duì)毛細(xì)管出口處加丁基橡膠減震處理，250 Hz、315 Hz噪聲降低明顯。制冷系統(tǒng)噪聲出現(xiàn)異常時(shí)，可以從工藝、零件符合性等方面進(jìn)行排查，差異化因素較多。

圖9 毛細(xì)管出口噴射噪聲頻率分布

壓縮機(jī)停機(jī)后的制冷系統(tǒng)噪聲，主要噪聲來(lái)自儲(chǔ)液罐位置，其次是高低壓端壓力平衡帶來(lái)的制冷劑流水聲。從聲功率級(jí)上來(lái)說(shuō)，其大小一般低于穩(wěn)定運(yùn)行階段的噪聲。但是由于其頻率分布與冰箱穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)不同，人耳可以明顯感知到噪聲的變化，用戶對(duì)此類噪聲的投訴也集中在背景噪聲比較低的夜間。一般集中在停機(jī)后3 min～5 min出現(xiàn)，隨著停機(jī)時(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)頻率及噪聲大小均呈降低的趨勢(shì)，如圖10所示。

圖10 停機(jī)過(guò)程聲壓級(jí)變化及峰值時(shí)刻頻率分布

3.3 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)升降速噪聲

壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)雙變頻目前已經(jīng)成為市場(chǎng)上變頻冰箱的標(biāo)準(zhǔn)配置，產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)每個(gè)使用到的轉(zhuǎn)速進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試評(píng)估。通過(guò)測(cè)試排查壓縮機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下是否與箱體共振，風(fēng)機(jī)與風(fēng)道是否在某些轉(zhuǎn)速下存在耦合共振，從設(shè)計(jì)端避開(kāi)異常噪聲頻率（轉(zhuǎn)速）段。對(duì)于壓縮機(jī)升降速過(guò)程中有短時(shí)異常共振的轉(zhuǎn)速，建議在變頻壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)端予以規(guī)避。即，在升速、降速過(guò)程中，盡量縮短在共振轉(zhuǎn)速下的運(yùn)行時(shí)間。如圖11、圖12所示為冰箱冷凍風(fēng)機(jī)、冷凝器風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下整機(jī)聲功率級(jí)波動(dòng)范圍。

圖11 冷凍風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下整機(jī)聲功率級(jí)波動(dòng)范圍

圖12 冷凝器風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下整機(jī)聲功率級(jí)波動(dòng)范圍

此外，目前市場(chǎng)上的多循環(huán)產(chǎn)品也越來(lái)越多，比如帶外置冷凝器風(fēng)扇的三循環(huán)產(chǎn)品，有1個(gè)壓縮機(jī)、3個(gè)制冷風(fēng)機(jī)、1個(gè)冷凝風(fēng)機(jī)，共計(jì)5個(gè)噪聲源。

在冰箱制冷的不同階段，存在多種組合運(yùn)行模式。如圖13所示為某三循環(huán)冰箱一個(gè)制冷周期內(nèi)的聲功率級(jí)變化。

圖13 三循環(huán)冰箱一個(gè)制冷周期內(nèi)噪聲變化

冷藏制冷階段（0～20 min），該階段冷藏風(fēng)機(jī)、冷凍風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)運(yùn)行，整機(jī)噪聲約34.5 dB(A)。

變溫制冷階段（20 min～23 min），該階段變溫、冷凍、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行，整機(jī)噪聲增加至35.3 dB(A)。

冷凍單獨(dú)制冷階段（23 min～34 min），該階段冷凍、冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)行，整機(jī)噪聲約34 dB(A)。

不同的轉(zhuǎn)速組合、不同的聲源數(shù)量可能引起整機(jī)噪聲較大的變化。設(shè)計(jì)中需要充分考慮冰箱在一個(gè)制冷周期內(nèi)的噪聲波動(dòng)范圍。

4 結(jié)論

在變頻冰箱的設(shè)計(jì)中，除了采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法評(píng)估冰箱穩(wěn)定運(yùn)行的聲功率級(jí)外，還需要充分考慮到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試以外的各種運(yùn)行工況噪聲及非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行噪聲，通過(guò)聲壓監(jiān)測(cè)的方式獲取冰箱全制冷周期內(nèi)的噪聲波動(dòng)范圍、頻率分布，指導(dǎo)產(chǎn)品降噪設(shè)計(jì)?；驹瓌t是：持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，瞬時(shí)聲壓級(jí)高、出現(xiàn)頻率高的噪聲需要優(yōu)先進(jìn)行降噪設(shè)計(jì)。

（1）冰箱降溫過(guò)程中整機(jī)噪聲隨著蒸發(fā)溫度降低，制冷負(fù)荷降低，壓縮機(jī)噪聲、制冷系統(tǒng)噪聲逐漸減小。通過(guò)規(guī)避高轉(zhuǎn)速、高制冷負(fù)荷工況疊加，優(yōu)化降溫過(guò)程壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制，可以有效降低降溫過(guò)程冰箱整機(jī)最大噪聲。

（2）通過(guò)優(yōu)化風(fēng)門與風(fēng)道裝配結(jié)構(gòu)，風(fēng)門運(yùn)行噪聲可降低超過(guò)2 dB(A)，整機(jī)狀態(tài)下，風(fēng)門運(yùn)行噪聲小于32 dB(A)。

（3）多循環(huán)冰箱由于存在多種聲源組合，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中同時(shí)需要考慮不同轉(zhuǎn)速組合時(shí)，整機(jī)噪聲波動(dòng)范圍，避免用戶實(shí)際使用中，不同制冷階段噪聲忽大忽小，使用體驗(yàn)差。

（4）筆者在進(jìn)行冰箱降溫階段噪聲對(duì)比測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速都不變的情況下，整機(jī)噪聲增加的幅度，持續(xù)的時(shí)間段每次測(cè)試都有差別。與環(huán)境溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度等多種因素相關(guān)，建議冰箱生產(chǎn)企業(yè)與壓縮機(jī)生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)展聯(lián)合研究工作，指導(dǎo)整機(jī)噪聲改進(jìn)方向。