冰箱拍頻振動和噪聲的研究及改善

陳澎鈺 江 俊 呂金水 彭 勇

（美的制冷集團冰箱事業部研發中心 安徽合肥 230601）

冰箱拍頻振動和噪聲的研究及改善

陳澎鈺 江 俊 呂金水 彭 勇

（美的制冷集團冰箱事業部研發中心 安徽合肥 230601）

某型號冰箱開發過程中發現周期性波動噪聲，對整機聲品質產生嚴重影響。分析發現該異常噪聲主要由壓縮機拍頻振動引發底板共振導致，針對該問題提出了改善方案，經驗證主觀感受及客觀評價均取得了良好的效果。

冰箱；拍頻振動；共振；波動強度

1 引言

隨著生活水平的不斷提高，產品噪聲水平逐漸成為衡量產品品質的重要指標。經過多年的研究發展，目前冰箱噪聲值已大幅降低，難以再有突破性的進展。越來越多的廠家轉而關注冰箱的噪聲舒適度，噪音舒適度及聲品質的優劣正逐漸成為評價冰箱噪聲的重要依據。

2 問題描述

某型號冰箱開發過程中，進行噪聲評價時發現樣機存在顯著的連續周期性波動異常“嗡嗡”聲，耳感舒適度較差。對該異常噪聲進行初步分析，發現冰箱后側機械室噪聲波動最為明顯。對該位置噪聲進行測試分析，傳感器位置如圖1所示。

測得噪聲時域數據如圖2所示，從圖中可看出噪聲波動明顯，波動幅值達3.5dB左右，波動周期為0.5s左右。

為了對該異常噪聲進行精確量化評價，利用聲品質客觀指標進行分析。聲品質客觀指標主要有響度、尖銳度、粗糙度、波動強度等，其中波動強度和粗糙度都與窄帶噪聲受到幅值調制程度有關。

研究表明，如果調制頻率低于15Hz，人耳就能跟蹤“調制”，即感受到幅值的變化—波動強度。波動強度的單位為Vacil。規定1kHz，60dB的純音，受到4Hz，100%的調制為1Vacil。波動強度常用的計算公式：

其中：N'—臨界頻帶內的特征響度；fmod—調制頻率；f0—4Hz。

由于該異常噪聲波動頻率在2Hz左右，符合

波動強度的分析范圍，所以使用B&K聲品質分析軟件對波動強度進行分析。

圖2 冰箱后點噪聲時域圖

圖3 冰箱后點噪聲波動強度圖

圖4 壓縮機振動時域圖

圖5 壓縮機振動頻譜圖

圖6 底板振動頻譜圖

分析結果圖3所示，該噪聲波動強度為0.59 Vacil，在第1（中心頻率50Hz，帶寬100Hz）、第2（中心頻率100Hz，帶寬100Hz）臨界帶之間波動強度明顯偏高。

3 原因分析

由于該噪聲波動頻率極低，而壓縮機、風機、冷媒噴射口等噪聲源均不會產生出現如此低頻波動的異常噪聲。因此推測該異常波動噪聲可能是由某一部件拍頻振動引起。

根據上述推斷對主要振動部件壓縮機進行振動測試（測點置于壓縮機銘牌位置，測試方向為殼體法向）。測試結果如圖4、5所示，壓縮機振動存在明顯的周期性波動，且波動周期與噪聲波動周期一致，而兩個相鄰峰值頻率分別為98Hz和100Hz。

從測試結果可以看出，壓縮機存在較為明顯的拍振現象。其中98Hz為壓縮機振動二倍頻，拍振頻率為2Hz。公式（2）為異步電機拍振頻率計算公式：

其中：fn—拍頻頻率；f1—交流電頻率（50Hz）；S—轉差率；p—極對數。

由于該壓縮機基頻為49Hz、p=1，所以：

計算結果與測試結果完全吻合，由此分析該型號樣機的異常噪聲是由壓縮機拍頻振動引起。但對匹配該壓縮機的其他型號冰箱進行對比驗證時，未發現明顯的噪聲波動現象，由此推斷可能是該機型其他部件在壓縮機激勵下產生共振對拍頻振動起到放大作用，導致異常噪聲在該機型上表現突出。

根據上述推斷對壓縮機主要接觸部件底板進行振動測試，測試結果如圖6所示，對比底板及壓縮機振動頻譜可以看出，在拍振頻率段底板對壓縮機振動產生顯著的放大作用。

為明確底板對拍振產生放大作用的原因，對底板模態進行仿真分析。分析得出該機型壓縮機底板二階模態頻率為104.33Hz，與壓縮機振動二次諧波極為相近。

綜合上述測試及分析結果，最終確定該機型異常波動噪聲是由壓縮機拍頻振動引發底板共振所致。（如圖7所示）

圖1 傳聲器位置示意圖

圖8 改善后冰箱后點噪聲時域圖

圖9 改善后底板振動頻譜圖

圖10 改善后冰箱后點噪聲波動強度圖

圖7 底板二階模態振型圖

4 改善方案設計

針對上述分析結果，提出如下改善方案：（1）優化底板結構使固有頻率偏離壓縮機拍振頻率；（2）優化壓縮機減振墊，提高減振效率，減小底板振動。

由于更改底板結構成本較高，周期較長，而優化減振墊方案改動相對較小，同時考慮到標準化因素，難以在結構方面做出重大改善，所以最終實施方案為采用3M公司研發的高阻尼橡膠材料替換目前使用的常規橡膠減振材料。

有阻尼受迫振動動力學方程為非齊次方程：

方程特解即穩態響應：

對方程（3）進行變換得：

即：

則：

其中：A—振幅；F0—激振力幅值；k—剛度；ω0—系統無阻尼固有頻率；ξ—阻尼比。

由于該樣機底板在拍振頻率發生共振，所以假設ω≈ω0，則：

從公式（8）可以看出，在其他參數不變的條件下，增大系統阻尼系數即可有效降低振動。

本次改善方案所用3M高阻尼減振材料阻尼系數達1.2以上，比目前使用的減振材料阻尼系數高出4倍以上。根據理論計算結果應該可以產生較為明顯的改善效果。

5 方案驗證

采用優化方案后對冰箱進行全面對比測試，測試結果如圖8、9、10所示。冰箱后點噪聲波動值降低至1.5dB左右；底板拍振頻率處振動峰值降至0.1m/s2以下，降幅達50%以上；噪聲波動強度降至0.34Vacil，降低42%；改善效果顯著。

6 結論

本文通過對某款冰箱周期性異常波動噪聲進行測試、分析及改善，得出如下結論：

（1）周期性波動噪聲是由壓縮機拍頻振動引發底板共振所致；

（2）周期性波動噪聲對冰箱聲品質，尤其是波動強度影響較大；

（3）通過采用新型高阻尼減振材料，可有效降低拍頻振動，避免異常噪聲。

[1] 趙小龍，章力源. 論拍頻振動和噪聲在電動機質量診斷中的應用. 防爆電機. 2013年第4期第48卷

[2] 蘭江華，黃輝，胡余生. 移動空調嗡嗡聲現象分析與機理研究. 家電噪聲控制技術

[3] 趙晴，賈民平，黃躍光，方開榮. 回轉機械振動中的拍頻分析. 東南大學學報(自然科學版).2003年5月

The research and optimization on beating phenomenon and noise of refrigerator

CHEN Pengyu JIANG Jun LV Jinshui PENG Yong
(Refrigerator Division, Midea Refrigeration Group Hefei 230601)

One periodic waving noise is detected in development stage of refrigerator, which affects noise quality of refrigerator severely. This noise is generated by the beating from compressor which can result in resonance on bottom plate. One optimized solution was proposed, which satisfies user experience and objective criteria.

Refrigerator; Phenomenon of beating; Resonance; Fluctuation strength