風(fēng)冷變頻冰箱噪聲特征綜述

馬長州 余 濤 陳開松 崔培培

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

近年來，隨著電冰箱產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級，變頻技術(shù)的進(jìn)步，變頻冰箱的市場份額越來越多，變頻冰箱正逐漸替代定頻冰箱。除節(jié)能保鮮外，靜音是變頻冰箱另外一個主要的技術(shù)優(yōu)勢。變頻產(chǎn)品的靜音主要體現(xiàn)在壓縮機(jī)中低轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行階段，但是在用戶日常使用過程中，伴隨有壓縮機(jī)啟停、電動風(fēng)門運(yùn)行、電動閥運(yùn)行、制冷劑回流、熱脹冷縮等各種持續(xù)時間較短的非穩(wěn)態(tài)噪聲。此外，在壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速變化時，整機(jī)噪聲的波動范圍也較大。

冰箱的噪聲控制主要是針對噪聲超標(biāo)情況進(jìn)行測試分析，借助頻譜分析、結(jié)構(gòu)共振改善、減振吸聲材料應(yīng)用等方法來解決聲功率級高的問題[1]。丁龍輝[2]等提出一種噪聲測試程序，通過程序自動運(yùn)行壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)組合運(yùn)行模式，快速評價各種運(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)計開發(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)行過程中的異常噪聲也越來越受到關(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、評價方法等，通過非穩(wěn)定運(yùn)行噪聲測試，評價冰箱噪聲水平。

通常認(rèn)為冰箱運(yùn)行是一個穩(wěn)態(tài)的過程，噪聲相對穩(wěn)定，但是根據(jù)長時間運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，冰箱在不同的制冷工況下，整機(jī)噪聲有較大差異。在冰箱全制冷周期[4]內(nèi)，不同制冷階段，同時存在各種持續(xù)時間不等的非穩(wěn)態(tài)噪聲。通過分析這些引起噪聲增加的因素，獲取噪聲頻率分布特征變化，有助于改善整機(jī)噪聲使用體驗。

1 壓縮機(jī)噪聲特征

作為冰箱中最重要的噪聲源，除了壓縮機(jī)本身的噪聲，壓縮機(jī)通過底板、管路等結(jié)構(gòu)將振動傳遞放大，也會造成整機(jī)噪聲增加。通常，在僅有壓縮機(jī)運(yùn)行的情況下，壓縮機(jī)在1 200～4 500 rpm轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運(yùn)行時，冰箱整機(jī)噪聲通常在32～38 dB(A)范圍內(nèi)。高于此值時，需要對壓縮機(jī)以及壓縮機(jī)與箱體底板的匹配情況進(jìn)行評估。

1.1 壓縮機(jī)頻率特征

壓縮機(jī)在單機(jī)測試中，2 000 Hz以上的高頻部分通常是主要噪聲源，500～1 600 Hz中頻部分為次要噪聲源。壓縮機(jī)在裝配連接到冰箱的制冷系統(tǒng)時，由于制冷工況差異，冰箱箱體遮擋等因素的影響，主要噪聲源通常集中在中頻部分，高頻部分變?yōu)榇我肼曉础?/p>

在穩(wěn)定運(yùn)行過程中壓縮機(jī)的頻率特征大概分三個區(qū)間，低頻部分50～160 Hz、中頻部分630～1 250 Hz、高頻部分1 600～6 000 Hz。其中低頻部分以振動噪聲為主，包括壓縮機(jī)本身的基頻振動、壓縮機(jī)與底板、管路、箱體產(chǎn)生的共振放大。改變底板、管路、箱體的模態(tài)，優(yōu)化壓縮機(jī)腳墊均可以降低低頻振動噪聲[5]。

中頻部分以壓縮機(jī)吸排氣脈動、吸排氣閥片噪聲為主，中頻部分聽感明亮，同樣聲壓級大小的情況下，聽感更明顯。但是從聲品質(zhì)的角度來說，接受度要高于低頻及高頻噪聲異常。

高頻部分以壓縮機(jī)電磁噪聲、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)、活塞與汽缸的摩擦噪聲為主，高頻聲音聽感較尖銳，該頻段噪聲突出時，產(chǎn)品需要改進(jìn)，如圖1所示。

1.2 不同制冷工況下單機(jī)噪聲變化

在不同冷凝溫度、不同蒸發(fā)溫度下，壓縮機(jī)噪聲會在一定范圍內(nèi)變化。根據(jù)測試，在冷凝溫度保持30 ℃的情況下，蒸發(fā)溫度從-30 ℃上升到-10 ℃時，噪聲增加約6 dB（A），呈現(xiàn)蒸發(fā)溫度越高，噪聲越大的趨勢（如圖2）。

保持蒸發(fā)溫度為-30 ℃，冷凝溫度從30 ℃上升到55 ℃，噪聲增加約2 dB（A），冷凝溫度越高，噪聲越大。冷凝溫度在40 ℃以上，噪聲增加不明顯（如圖3）。

根據(jù)測試結(jié)果分析，蒸發(fā)溫度對壓縮機(jī)噪聲變化影響因素更大。

1.3 不同轉(zhuǎn)速單機(jī)噪聲變化

在同樣制冷工況下，壓縮機(jī)噪聲隨轉(zhuǎn)速增加而增加，并且噪聲變化梯度較大，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 rpm以上時噪聲增加明顯。壓縮機(jī)從1 200 rpm升至4 500 rpm，壓縮機(jī)噪聲增加10 dB（A）以上（如圖4）。

基于壓縮機(jī)在不同制冷工況下的噪聲變化趨勢，可以通過優(yōu)化壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制的方式，規(guī)避壓縮機(jī)高轉(zhuǎn)速、高蒸發(fā)溫度制冷工況的疊加，從而降低降溫過程中整機(jī)噪聲的增加幅度，改善用戶使用過程中的噪聲體驗。使用過程中，通過規(guī)則優(yōu)化規(guī)避頻繁的壓縮機(jī)升速，也可以降低使用過程中噪聲波動范圍。

2 風(fēng)道系統(tǒng)噪聲特征

隨著冰箱容積的增加以及雙多循環(huán)制冷系統(tǒng)在大容積冰箱上的應(yīng)用，現(xiàn)在風(fēng)冷冰箱的風(fēng)機(jī)數(shù)量普遍在2個以上，部分多循環(huán)冰箱有多達(dá)4個風(fēng)機(jī)。風(fēng)道系統(tǒng)噪聲已經(jīng)成為冰箱的主要噪聲源，某些制冷工況下，風(fēng)道系統(tǒng)噪聲甚至遠(yuǎn)高于壓縮機(jī)噪聲。冰箱的風(fēng)道系統(tǒng)噪聲以氣動噪聲為主，結(jié)構(gòu)振動噪聲為輔。從聲功率級來說，風(fēng)道系統(tǒng)噪聲通常在32～40 dB（A）范圍內(nèi)。（指冰箱整機(jī)測試條件下，僅風(fēng)扇運(yùn)行時的冰箱整機(jī)噪聲）

風(fēng)冷冰箱的制冷風(fēng)機(jī)目前普遍以離心式風(fēng)機(jī)為主，離心風(fēng)機(jī)單機(jī)的氣動噪聲主要包括旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲[6]。風(fēng)機(jī)在裝配到風(fēng)道上以后，會在風(fēng)路循環(huán)中產(chǎn)生二次噪聲。風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲呈分離譜特性，峰值頻率與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率、葉片數(shù)量密切相關(guān)。渦流噪聲呈連續(xù)譜特性，以630 Hz以上的中高頻為主。冰箱風(fēng)道中因空氣流道產(chǎn)生的二次噪聲一是湍流直接發(fā)生，噪聲頻譜以中高頻為主，聲功率遵從六次方規(guī)律；二是氣流激發(fā)風(fēng)道壁面振動而發(fā)生，以中低頻為主，遵從四次方規(guī)律。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高時以前者為主，轉(zhuǎn)速降低后以后者為主。冰箱風(fēng)道系統(tǒng)的二次噪聲以中低頻為主，主要分布在風(fēng)機(jī)周圍以外的風(fēng)路、出風(fēng)口、蒸發(fā)器側(cè)。由于二次噪聲等因素的影響，風(fēng)機(jī)噪聲低，不等于風(fēng)道系統(tǒng)噪聲小。在風(fēng)機(jī)同等運(yùn)行轉(zhuǎn)速下，有效循環(huán)風(fēng)量更大的風(fēng)道產(chǎn)生的二次噪聲也更大。

風(fēng)扇在單機(jī)測試時表現(xiàn)較高的630 Hz以上頻段噪聲在裝配冰箱整機(jī)后，由于箱體的隔聲作用，下降非常明顯，但是中低頻段噪聲下降幅度很小，部分頻率段相比單風(fēng)機(jī)甚至有所增加（如圖5）。一方面中低頻隔聲作用有限，另一方面，風(fēng)機(jī)在裝配風(fēng)道后，會產(chǎn)生一部分再生噪聲。冰箱風(fēng)道系統(tǒng)設(shè)計中要重點關(guān)注200～500 Hz頻段的噪聲。

冰箱風(fēng)道系統(tǒng)噪聲的改善有兩個方向。一是通過風(fēng)道流路設(shè)計優(yōu)化，提高循環(huán)風(fēng)量，降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方式，降低風(fēng)道系統(tǒng)噪聲。二是在轉(zhuǎn)速無法降低的情況下，通過風(fēng)道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)，流道內(nèi)加減振材料的方式，降低氣流對風(fēng)道結(jié)構(gòu)件的激勵，從而降低風(fēng)道振動。此方案對于降低風(fēng)機(jī)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時的風(fēng)道系統(tǒng)噪聲非常有效。

3 制冷系統(tǒng)噪聲特征

制冷系統(tǒng)噪的產(chǎn)生主要是制冷劑在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)過程中，因為毛細(xì)管節(jié)流、高低壓端壓力平衡、蒸發(fā)平衡等多種因素導(dǎo)致的噪聲異常。除正常的制冷劑流動產(chǎn)生的流水聲外，毛細(xì)管出口的噴射噪聲、以及停機(jī)后因制冷劑回流在儲液罐內(nèi)產(chǎn)生的咕嚕聲是目前制冷系統(tǒng)噪聲中較突出的問題。在毛細(xì)管出口與蒸發(fā)器入口間增加過渡管連接以及在出口處包裹阻尼橡膠是降低制冷劑噴射噪聲的有效手段[7]。

3.1 噴射噪聲特征

毛細(xì)管出口位置處產(chǎn)生的制冷劑噴射噪聲在不同制冷工況下，噪聲會有較明顯差異。

降溫過程，制冷劑流量大，噴射噪聲明顯，隨著蒸發(fā)溫度下降，噴射噪聲逐漸降低。

正常的噴射聲分布在315～400 Hz頻段，如圖6所示，在制冷1 h后，毛細(xì)管噴射噪聲明顯降低。

3.2 制冷劑回流聲

壓縮機(jī)停機(jī)后由于高低壓端壓力平衡，蒸發(fā)器內(nèi)的氣態(tài)制冷劑，沿蒸發(fā)器出口進(jìn)入儲液罐[8]，氣態(tài)制冷劑從液面冒出時，會產(chǎn)出咕嚕聲。由于其頻率分布與冰箱穩(wěn)定運(yùn)行時不同，雖然聲壓級不高，但人耳是可以明顯感知到噪聲的變化，用戶對此類噪聲的投訴也集中在背景噪聲比較低的夜間。回流聲集中在停機(jī)后3～5 min出現(xiàn)，隨著停機(jī)時間的延長，出現(xiàn)頻率及噪聲大小均呈降低的趨勢，如圖7所示。

4 冰箱降溫階段的噪聲特征

在制冷狀態(tài)沒有變化的情況下（指壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變），冰箱在降溫段的聲功率級要高于穩(wěn)定運(yùn)行段（指箱內(nèi)溫度已經(jīng)達(dá)到相對穩(wěn)定），降溫段由于壓縮機(jī)噪聲、制冷系統(tǒng)噪聲等影響，噪聲波動范圍通常在1～3 dB（A）。從時域上來看，在制冷一個小時內(nèi)，整機(jī)噪聲呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢（如圖8）。冰箱首次通電時，制冷系統(tǒng)尚未建立平衡，壓縮機(jī)運(yùn)行功率也較低。在制冷10～20 min后，整機(jī)噪聲達(dá)到峰值后，逐漸降低。通常在制冷2 h后，噪聲基本穩(wěn)定，此時噪聲與穩(wěn)定運(yùn)行噪聲已經(jīng)非常接近。從頻率分布特征上來看，降溫階段的噪聲增加主要頻率是315 Hz，400 Hz，630 Hz，800 Hz，1250 Hz。其中400 Hz頻帶是毛細(xì)管噴射噪聲所引起。通過在壓縮機(jī)旁布置傳聲器，監(jiān)測降溫過程中，不同頻率段的聲壓級變化趨勢，可以確定除400 Hz外的其它頻率段的聲壓級變化，與壓縮機(jī)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)。

5 結(jié)論

本文對風(fēng)冷變頻冰箱的各個噪聲源進(jìn)行噪聲特征分析，總結(jié)了每個噪聲源的噪聲變化規(guī)律、頻率分布特征。雖然整機(jī)噪聲影響因素多，且互相影響，互相制約。但是對每個聲源的獨(dú)立分析結(jié)論，給整機(jī)降噪提供了解決方向。風(fēng)冷變頻冰箱的風(fēng)道系統(tǒng)噪聲在某些工況下已經(jīng)成為冰箱的主要噪聲源，風(fēng)道系統(tǒng)的氣動噪聲降低仍是目前的難點。

壓縮機(jī)噪聲大小與制冷工況，轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，整機(jī)匹配上要重點關(guān)注壓縮機(jī)與箱體是否存在異常共振的情況，通過轉(zhuǎn)速規(guī)則的優(yōu)化，可以降低使用過程中的噪聲增加幅度。