阻尼減振原理在吹脹蒸發器噪音改善中的應用

張亞虎 方忠誠 彭勇 任偉 徐德林

(美的冰箱技術研發中心 安徽合肥 230601)

1 引言

噪聲已成為衡量冰箱品質的一個重要指標，已受到生產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小于45dB（A），風冷冰箱應小于47dB（A）；容積大于250L的直冷冰箱聲功率級應小于48dB(A)，風冷冰箱應小于50dB（A）[1]。然而由于消費者生活質量的不斷提高，這一標準受到嚴重的挑戰，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，由于壓縮機噪聲產生機理較為復雜，控制難度較大，降噪成本較大，一直是困擾生產廠家的難題。制冷劑在管路的流動噪聲主要是由于制冷劑在系統中不斷循環，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氣管和回氣管受到壓縮機的激振和冷媒的壓迫，產生振動繼而引發相關管路連帶振動以致產生噪聲。而吹脹式冰箱的管路振動噪聲因其自身的結構特性，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

現有的吹脹式冰箱的毛細管大多采用如圖1所示的纏繞方式，毛細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，還可以減少毛細管出口氣態制冷劑比例，從而在一定程度上降低壓縮機的能耗。但是，由于毛細管和回氣管內冷媒的流動方向相反，導致兩管內流體運動產生劇烈振動，發出低頻噪聲，另外毛細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，導致周期性的發聲。

針對此種管路振動引發的噪聲問題，本文采用在毛細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，將毛細管與回氣管纏繞部位的管路看作整個振動系統的主振系K1—m1，即質量為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上的彈簧質量系統（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，根據牛頓運動定律，可建立系統的振動微分方程[3]：

轉化為矩陣形式如下：

由式（3）可以得出，系統在激勵力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，達到減振的目的，也就是說阻尼膠塊在整個振動系統中充當減振器的作用。在理想狀態下，當激勵頻率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，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。冰箱穩定運行后，連續采集冰箱一段時間的聲壓數據，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的前點平均聲壓級為34.5dB，后點平均聲壓級為55.4dB。隨后導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。經分析，這三個頻帶正處于管路振動的頻率范圍內，考慮用阻尼膠塊將毛細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。

穩定運行后，連續采集冰箱一段時間的聲壓數據，前、后點聲壓歷程曲線如圖7所示，經平均處理后，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，從而進一步說明了阻尼膠塊對管路減振降噪的效果。

4 結論

吹脹式冰箱毛細管與回氣管的緊密纏繞可以有效實現其充分換熱，減少毛細管出口氣態制冷劑比例，但由于兩管內冷媒流動方向相反產生振動，導致冰箱噪聲加大。本文從減振原理出發，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，在冰箱的設計和生產中可大力推廣。

[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研究[J].工業技術.2012,8 (3):15-18

[3]杜功煥.聲學基礎[M].南京大學出版社.2001