冰箱噪聲性能匹配設(shè)計(jì)與改善的測試方法研究

丁龍輝 潘毅廣 孫敬龍 張海鵬 盧玉波

海信家電集團(tuán)家電研發(fā)中心 山東青島 266000

1 引言

冰箱作為現(xiàn)代家庭重要的家用電器，其噪聲性能指標(biāo)同節(jié)能、制冷、保鮮等其他特性一樣，越來越受到廣大消費(fèi)者尤其是追求高品質(zhì)生活人群的關(guān)注。冰箱產(chǎn)品自問世以來，雖然科學(xué)技術(shù)界從未停止過對其靜音技術(shù)的探索，但冰箱噪聲仍然是用戶投訴反饋?zhàn)疃嗟膯栴}之一，也是用戶選擇冰箱的重點(diǎn)關(guān)注指標(biāo)之一。

風(fēng)冷冰箱噪聲源主要包括壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)機(jī)、管路內(nèi)制冷劑流動(dòng)及其各電器件[1]。冰箱噪聲控制技術(shù)多數(shù)針對噪聲超標(biāo)情況進(jìn)行仿真計(jì)算或試驗(yàn)測試，借助聲音頻譜分析、結(jié)構(gòu)共振改善、減振降噪新材料應(yīng)用等手段解決產(chǎn)品噪聲問題[2]。仲崇明[3]等采用仿真分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，開展了冰箱往復(fù)式壓縮機(jī)振動(dòng)與噪聲預(yù)測研究。姜宏[4]等對風(fēng)道風(fēng)機(jī)流場的流動(dòng)特性和氣動(dòng)噪聲展開研究，為風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，縮短試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)間。楊智輝[5]等通過對冰箱噪聲現(xiàn)狀分析，系統(tǒng)論述冰箱制冷系統(tǒng)內(nèi)部流動(dòng)噪聲產(chǎn)生機(jī)制，提出管內(nèi)流體脈動(dòng)情況測試分析方法。

以上研究工作主要從單一噪聲源進(jìn)行原理分析和改善驗(yàn)證，未從產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)與測試角度考慮。本文通過分析整個(gè)開發(fā)過程與多種噪聲源部件的指標(biāo)要求，開發(fā)了一套測試程序，并集成于產(chǎn)品控制模塊，開展冰箱噪聲性能匹配設(shè)計(jì)與改善研究，達(dá)到提升冰箱噪聲性能的目的。

2 冰箱各部件噪聲類型及運(yùn)行控制方式

2.1 冰箱各部件噪聲類型

大容積高端冰箱均為多系統(tǒng)、多模式設(shè)計(jì)，此類冰箱產(chǎn)品制冷管路系統(tǒng)配置有多套蒸發(fā)器，且包含多種運(yùn)行模式。基于此，多系統(tǒng)、多模式設(shè)計(jì)要求冰箱壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等關(guān)鍵部件根據(jù)不同間室的制冷需求進(jìn)行判斷控制，運(yùn)轉(zhuǎn)方式較為復(fù)雜；各種噪聲部件頻繁的轉(zhuǎn)速切換與啟停、管路內(nèi)制冷劑間歇流動(dòng)和噴發(fā)及特定運(yùn)行工況下極易產(chǎn)生噪聲問題。

本文結(jié)合風(fēng)冷冰箱主要噪聲源以及用戶噪聲關(guān)注點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要分為如下幾類：

（1）壓縮機(jī)系統(tǒng)噪聲（高速運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、啟停噪聲、共振噪聲）；

（2）風(fēng)機(jī)風(fēng)道系統(tǒng)噪聲（流體氣動(dòng)噪聲、機(jī)械振動(dòng)噪聲）；

（3）制冷系統(tǒng)特有噪聲（冷媒流動(dòng)噪聲、熱脹冷縮噪聲）；

（4）其他噪聲（機(jī)構(gòu)配合的門開閉噪聲、電抗器電磁噪聲、風(fēng)門開關(guān)噪聲等）。

2.2 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制

本文從產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程的需求和測試檢驗(yàn)改善角度進(jìn)行考慮，針對噪聲問題中最為突出的壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲進(jìn)行研究分析。以某一型號(hào)的冰箱控制規(guī)則為例，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)隨環(huán)溫與工作模式不同，出現(xiàn)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速如表1、表2所示。現(xiàn)有國標(biāo)噪聲測試僅要求三個(gè)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行周期，不能涵蓋冰箱實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，為切實(shí)滿足用戶使用過程中的低噪聲體驗(yàn)，冰箱潛在的所有運(yùn)行狀態(tài)都必須進(jìn)行噪聲性能匹配控制和測試分析研究。

3 噪聲測試的控制模式設(shè)計(jì)

3.1 噪聲測試模式的流程和需求

噪聲測試控制模式開發(fā)設(shè)計(jì)實(shí)施流程如圖1所示，首先針對產(chǎn)品開展不同模式的工況測試輸入，進(jìn)行控制方法設(shè)計(jì)，然后進(jìn)入噪聲測試模式開展壓縮機(jī)自動(dòng)掃頻、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速自主調(diào)節(jié)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)風(fēng)機(jī)匹配設(shè)計(jì)、問題轉(zhuǎn)速分析改善，直至完成各部件運(yùn)行狀態(tài)下的噪聲性能確認(rèn)，最后進(jìn)行樣機(jī)整機(jī)噪聲檢驗(yàn)和結(jié)果判斷輸出。

表3以某一產(chǎn)品控制方式為例，列舉冰箱各種模式及關(guān)鍵噪聲部件的運(yùn)行工況，分析實(shí)際工作中出現(xiàn)的所有運(yùn)行轉(zhuǎn)速檔位，結(jié)合運(yùn)行工況及振動(dòng)噪聲設(shè)計(jì)測試過程，提出具體控制要求。

3.2 噪聲測試模式控制方法

根據(jù)噪聲測試模式的各種設(shè)計(jì)需求，編寫對應(yīng)控制程序，直接導(dǎo)入該型號(hào)產(chǎn)品現(xiàn)有主控板與顯示板，控制模式進(jìn)入與實(shí)際測試過程中的具體操作方式與分類如下。通過顯示板組合按鍵進(jìn)入，斷電或進(jìn)入噪聲測試控制模式2h后無操作自動(dòng)退出。

3.2.1 變頻壓縮機(jī)自動(dòng)掃頻調(diào)節(jié)控制

（1）進(jìn)入方式：通過組合鍵進(jìn)入測試模式，將顯示板調(diào)為顯示11，無按鍵操作10s后即進(jìn)入壓縮機(jī)自動(dòng)掃頻模式。

（2）掃頻過程：進(jìn)入自動(dòng)掃頻后風(fēng)機(jī)不運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖2所示，壓縮機(jī)前2min為停機(jī)狀態(tài)，然后根據(jù)主控板提前設(shè)定的控制程序，從1200rpm按照設(shè)計(jì)條件進(jìn)行升速運(yùn)轉(zhuǎn)，一直達(dá)到4500rpm，然后再從最高轉(zhuǎn)速按照同樣速率進(jìn)行降速運(yùn)轉(zhuǎn)到1200rpm，直至停機(jī)狀態(tài)。

表1 某型號(hào)產(chǎn)品壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)則

表2 某型號(hào)產(chǎn)品風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制規(guī)則

表3 運(yùn)行工況列表及對應(yīng)噪聲測試控制需求

圖1 冰箱噪聲測試模式控制方法的實(shí)施流程圖

表4 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方式對應(yīng)說明

圖2 整機(jī)壓縮機(jī)掃頻測試的運(yùn)行控制方式

圖3 噪聲測試控制模塊及實(shí)際現(xiàn)場操作

圖4 整機(jī)掃頻振動(dòng)噪聲水平測試結(jié)果對比

3.2.2 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制

（1）進(jìn)入方式：通過組合鍵進(jìn)入測試模式，將顯示板調(diào)為顯示12，無按鍵操作10s后即進(jìn)入。

（2）設(shè)置方式：進(jìn)入此模式后，顯示板顯示00，此時(shí)按冷藏調(diào)溫鍵，顯示的第一位數(shù)字按照0-1-0循環(huán)顯示，其中0代表設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，1代表設(shè)置壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，按冷藏調(diào)溫鍵使第一位數(shù)字為0，再按冷凍調(diào)溫鍵，第二位數(shù)字按照0-1-2-0循環(huán)顯示；壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)，按冷藏調(diào)溫鍵使第一位數(shù)字為1，再按冷凍調(diào)溫鍵，第二位數(shù)字按照0-1-2-3-4-5-6-0循環(huán)顯示。詳細(xì)控制對應(yīng)關(guān)系如表4所示。

3.2.3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速自主調(diào)節(jié)控制

（1）進(jìn)入方式：通過組合鍵進(jìn)入測試模式，將顯示板調(diào)為顯示13，無按鍵操作10s后即進(jìn)入壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速自主調(diào)節(jié)模式，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速詳細(xì)控制。

（2）控制方式：通過顯示屏上的數(shù)字對應(yīng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)不同轉(zhuǎn)速，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速=（顯示屏閃爍數(shù)字+40）*30。例如，顯示屏閃爍數(shù)字為00，則對應(yīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速1200rpm；顯示屏閃爍數(shù)字為30，則對應(yīng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速2100rpm。可以定位分析掃頻發(fā)現(xiàn)的問題轉(zhuǎn)速進(jìn)行工況復(fù)現(xiàn)，并調(diào)節(jié)不同轉(zhuǎn)速開展改善分析。

4 測試結(jié)果對比分析研究

4.1 測試控制模式實(shí)施過程

利用開發(fā)的冰箱噪聲測試控制模式，結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)度開展某一型號(hào)冰箱產(chǎn)品噪聲測試評審及分析改善研究。使用樣機(jī)自帶主控板、顯示板導(dǎo)入控制模式并進(jìn)行實(shí)際操作，如圖3所示。

4.2 結(jié)果對比分析驗(yàn)證

4.2.1 兩種測試方案掃頻對比

傳統(tǒng)測試方法為外接調(diào)頻儀器調(diào)節(jié)，針對兩種不同方案進(jìn)行整機(jī)掃頻測試結(jié)果對比分析。結(jié)果如圖4所示，兩種方法均能得到壓縮機(jī)升速及降速過程中的振動(dòng)噪聲變化曲線。通過曲線可以初步進(jìn)行問題頻率段識(shí)別，為產(chǎn)品轉(zhuǎn)速匹配設(shè)計(jì)、優(yōu)化整機(jī)噪聲性能提供指導(dǎo)。相比傳統(tǒng)測試方案,內(nèi)置新增噪聲控制方法的結(jié)果更加穩(wěn)定有效，且不受儀器采集時(shí)間與現(xiàn)場設(shè)備情況限制。根據(jù)掃頻結(jié)果發(fā)現(xiàn)，壓縮機(jī)在啟停過程中產(chǎn)生較大瞬時(shí)噪聲，可以通過啟停策略進(jìn)行預(yù)先調(diào)整控制。還可以看到，在2700rpm～2900rpm轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)振動(dòng)噪聲偏大，不滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求，需要開展問題轉(zhuǎn)速定位及匹配選擇。

4.2.2 壓縮機(jī)噪聲問題頻段分析

應(yīng)用新增噪聲測試方法的轉(zhuǎn)速自主調(diào)節(jié)功能，開展冰箱問題頻率段振動(dòng)噪聲分析研究，如圖5所示。根據(jù)掃頻結(jié)果可以得到壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速2800rpm時(shí)整機(jī)噪聲最大，達(dá)到43.18dB，可以判斷在此轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，存在異常噪聲問題。通過程序控制自主調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，避開問題轉(zhuǎn)速區(qū)間進(jìn)行優(yōu)化選擇，在滿足產(chǎn)品制冷性能與能耗要求的基礎(chǔ)上，分別設(shè)置為2700rpm和2850rpm，噪聲值均有明顯減小，分別為40.34dB和40.95dB，從噪聲頻譜上進(jìn)行分析，80Hz～100Hz部分有顯著改善。

4.2.3 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)匹配測試驗(yàn)證

應(yīng)用新增噪聲測試方法的壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)控制功能，調(diào)節(jié)不同工況下出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速匹配情況，開展現(xiàn)有控制程序的噪聲性能測試驗(yàn)證。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)在改善問題頻段情況下，優(yōu)化組合設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，產(chǎn)品噪聲滿足設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)要求。如圖6所示，整機(jī)噪聲均小于41dB，在保證制冷性能與能耗要求情況下，根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品各模式運(yùn)行需求及產(chǎn)品噪聲標(biāo)稱值，能夠快速選擇轉(zhuǎn)速進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品振動(dòng)噪聲性能競爭力。

4.2.4 噪聲測試耗時(shí)對比

除了在開發(fā)設(shè)計(jì)階段與產(chǎn)品噪聲改善過程中應(yīng)用，也可以推廣進(jìn)行冰箱用戶模式整周期、各運(yùn)行模式噪聲測試，快速判斷產(chǎn)品是否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)[6]及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，用于工廠噪聲性能質(zhì)量檢測判斷。經(jīng)過樣機(jī)對比分析發(fā)現(xiàn)，在保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下，通過控制冰箱各運(yùn)行模式切換，避免重復(fù)無用的測試周期，可以減少測試耗時(shí)，提高測試效率。原有方法與新設(shè)計(jì)噪聲測試控制模式的測試時(shí)長對比如表5和表6所示，單臺(tái)樣機(jī)的測試耗時(shí)可以從約13h～14h減少為5h～6h。

5 結(jié)論

本文通過分析產(chǎn)品開發(fā)流程與關(guān)鍵噪聲部件的工作運(yùn)轉(zhuǎn)方式，研究用于冰箱噪聲性能匹配設(shè)計(jì)與改善的測試控制模式。本文設(shè)計(jì)的測試控制程序相比傳統(tǒng)測試方法具有如下特點(diǎn)：

圖5 產(chǎn)品問題轉(zhuǎn)速噪聲分析及改善

圖6 壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速的匹配噪聲測試

表5 原有測試方法流程及測試時(shí)長

表6 噪聲測試控制模式流程及測試時(shí)長

（1）能夠在保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性的情況下提高效率，且有良好的穩(wěn)定性和通用性；

（2）應(yīng)用這種內(nèi)置控制模式進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)，優(yōu)選設(shè)計(jì)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速，避免了異常噪聲問題；

（3）開展多工況匹配組合測試驗(yàn)證，保證了產(chǎn)品噪聲性能；進(jìn)一步擴(kuò)展應(yīng)用于產(chǎn)品質(zhì)量檢測，縮短測試流程耗時(shí)。