基于聲學定位測試的冰箱制冷劑噪聲的分析與優化

鐘澤 江俊 李語亭 王利亞 黃文才 胡海宏

美的集團冰箱事業部 安徽合肥 230601

1 引言

隨著家用電器行業的不斷發展以及用戶家居環境小型化，冰箱作為家庭日常生活中最重要的家電之一，其噪聲性能逐漸成為廣大消費者重點關注的體驗指標，影響著消費者對冰箱產品性能的整體口碑，雖然行業內對產品低噪聲設計方法的研究探索從未停止，但是冰箱噪聲問題仍然位于消費者投訴的前列。因此如何快速準確地對冰箱噪聲源進行定位測試，確定噪聲源固有屬性，從而進行合理有效的冰箱噪聲優化設計，就成為了冰箱噪聲設計過程中的重要環節之一。

作為目前市場中的主流高端產品，風冷變頻冰箱在受到眾多消費者青睞的同時，其噪聲性能指標也同樣面臨嚴峻的考驗。本文通過對風冷變頻冰箱噪聲源以及消費者噪聲關注問題的市場調研數據進行統計分析，將其主要噪聲源劃分為以下四類：（1）機械室壓縮機系統噪聲；（2）風機風道系統噪聲；（3）制冷系統制冷劑噪聲；（4）其他結構類部件動作噪聲。在前期的研究中，鄧向濤[1]等通過仿真計算與實驗對標相結合的分析方法，為抑制冰箱機械室共振噪聲等問題提供了改善方法的研究思路；黃龍春[2]等通過對風扇在冰箱整機噪聲中貢獻和影響的分析論證，為冰箱風道及風扇系統的靜音化設計指明了基本研究方向；李語亭[3]等通過對冰箱抽屜碰撞噪聲的機理分析和實驗研究，得出了冰箱滑軌抽屜碰撞噪聲的相關控制要點，使冰箱抽屜使用體驗及開關靜音效果得到顯著提升。但對冰箱制冷系統制冷劑噪聲的研究則相對較少，特別是如何準確的通過實驗手段對冰箱制冷劑噪聲的發生時間、發生位置等進行定位分析，更是難以快速實現。

根據我司2019年冰箱用戶體驗調研（內部資料），冰箱制冷系統運行時的制冷劑噪聲位于所有用戶解釋類噪聲（用戶解釋類噪聲是公司內部對用戶噪聲投訴的一個分類：即用戶投訴的產品噪聲實測在標準范圍內，但需要售后客服進行解釋說明的）的首位。在整理的消費者投訴反饋中，多次提到冰箱使用過程中出現難以接受的制冷劑噪聲，甚至影響整體噪聲品質體驗，因而如何進行冰箱制冷劑噪聲的用戶體驗改善已經成為提升冰箱產品核心競爭力的未來要點之一。本文針對用戶投訴較集中的某款多門風冷變頻冰箱，以聲學照相機可視化聲學定位測試為基礎，結合常規噪聲運行測試以及箱體振動測試等檢測手段，快速準確地得到了冰箱制冷劑噪聲的運行特征，建立了一套冰箱制冷劑噪聲測試評價的具體方法，并以此為基礎改善了此款冰箱的制冷劑運行噪聲，對后續產品設計有一定的指導意義。

2 制冷劑噪聲檢測方法平臺的搭建

針對目前在日常測試中存在的制冷劑噪聲發生時間不確定、聲源位置不明確和噪聲頻率特性不清晰的實驗痛點，單純的主觀體感測評已經難以滿足對產品制冷劑噪聲運行水平進行準確評價的測試需求。

將聲學照相機設備引入制冷劑噪聲測試評價體系中，結合冰箱噪聲長運測試實現對產品制冷劑噪聲發生位置和發生時間范圍的準確判定，并以冰箱制冷劑噪聲發生機理為理論基礎，通過制冷劑噪聲振動傳遞檢測分析得出的制冷劑運行時的振動頻率與噪聲頻率關系的對比，確定冰箱制冷劑噪聲與振動的關聯性，從而搭建系統化的冰箱制冷劑噪聲檢測方法平臺（如圖1），達到對冰箱制冷劑噪聲的準確檢測，為優化方案設計提供理論依據。

圖1 冰箱制冷劑噪聲檢測方法示意圖

3 測試分析與優化驗證

3.1 制冷劑噪聲與振動測試

本次測試在符合家用電冰箱測試環境標準[4]要求的半消聲室中進行，針對研究中選定的此款冰箱，為明確其制冷劑噪聲的具體發生時間段，測試中首先使用噪聲傳感器分別在測試冰箱冷藏室、冷凍室正中心位置進行長時間噪聲采集，具體測試方法為：使用分辨率0.125 Hz的噪聲傳感器，設定采樣頻率范圍0～2500 Hz，于測試位置正前方5 cm位置，以0.5 s為時間間隔，采集8 h冰箱運行噪聲（如圖2）。根據噪聲運行測試結果，此款冰箱的制冷劑噪聲主要集中出現在壓縮機通電啟動后0.5 h到1 h之間和冰箱化霜后的首個運行周期，根據冰箱運行控制，這也是整機制冷系統工作負荷最高的運行階段。

圖2 冰箱運行噪聲測試示意圖

確定了此款冰箱制冷劑噪聲集中出現的時間段之后，為了進一步確定噪聲的發生位置，本次研究通過引入聲學照相機設備來實現這一測試目的。測試中，為了提高聲學照相機設備采集準確度，將聲學照相機放置于冰箱正后方2 m位置，設定采樣頻率范圍500～2000 Hz，平均每秒采樣5次，在第一步長運測試明確的制冷劑噪聲發生時間內對冰箱進行聲學定位測試（如圖3）。通過對測試結果的分析，在出現制冷劑噪聲時，在冰箱背面下部位置有明顯聲壓上升情況，對比后續箱體解剖結果，可確定制冷劑噪聲的發生位置為毛細管進入冷凍蒸發器的管路擴張結構位置（如圖4）。

圖3 聲學定位測試示意圖

圖4 聲學定位測試結果示意

在通過聲學定位方法確定了制冷劑噪聲發生位置后，為了找到制冷劑噪聲波動值的關聯因素，確定噪聲發生機理及具體改善方向，測試中使用分辨率1 Hz的振動加速度傳感器，設定采樣頻率范圍0～2500 Hz，平均每秒采集20次對冰箱背部預埋換熱管路位置進行振動掃描，確定制冷劑噪聲與箱內管路振動的關聯。通過對振動加速度的掃描測試結果分析，可以得出如下結論：1）通過聲學定位測試的制冷劑噪聲發生位置在出現制冷劑噪聲的同時，對應的振動加速度等級會明顯上升；2）對比分析制冷劑噪聲與對應位置管路的振動加速度的頻譜，兩者的波動頻率峰值基本保持一致，均為900～1400 Hz之間，且測試得出的制冷劑噪聲波動數值與此位置管路振動加速度數值間存在正相關關聯（如圖5），為后續理論研究和改善提供了具體方向。

圖5 制冷劑噪聲波動與振動加速度關聯分析圖

3.2 發生機理分析

綜合考慮冰箱實驗狀態和實際使用情況，忽略因為工藝制造帶來的管路結構變形差異，我們將冰箱毛細管擴管位置的制冷劑運行方式簡化為一個流體從小直徑管道進入大直徑管道的物理模型，結合流體力學相關研究[5]，設制冷劑為不可壓縮的流體，根據連續性方程：

制冷劑從毛細管中流出時具有較高的瞬時速度，在進入擴管結構后由于流體的流向和流速變化導致出現制冷劑與金屬管壁撞擊以及與擴管中低速運行制冷劑發生內部沖擊等現象，造成能量的損失，結合噪聲與振動測試的數據關聯性分析，制冷劑在毛細管擴管處因管徑變化產生的能量損失以振動的形式通過箱體泡層傳遞，并最終以噪聲的形式進行空氣傳播（如圖6）。

圖6 冰箱制冷劑噪聲發生機理分析示意圖

3.3 優化方案驗證

通過以上針對冰箱制冷劑噪聲振動特性與聲學特性的機理分析，因為制冷劑噪聲發生時的噪聲波動情況與毛細管擴管處的振動幅值存在正關聯關系，所以本次優化方案通過在聲學定位測試確定的毛細管擴管結構位置增加橡膠配重的形式來降低管路振動，驗證能否通過降低振動等級來達到優化制冷劑噪聲的效果（如圖7）。

圖7 最終優化方案示意

如圖8所示的實驗驗證結果，通過增加毛細管擴管處的管路配重，制冷劑噪聲發生位置的管路振動下降了19.68 mm/s2，測試位置正前方5 cm位置，波動噪聲值下降了3 dB(A)，達成了對此款冰箱的制冷劑噪聲的實際優化。

圖8 優化方案實驗驗證結果

圖9 優化方案實測噪聲頻譜對比

4 結論

本文通過引入聲學照相機進行聲學定位測試作為研究基礎，建立了噪聲與振動測試結合的分析體系，快速精準地確定了冰箱制冷劑噪聲的發生位置和發生時間，解決了當前測試中無法準確捕捉制冷劑噪聲的測試難點，并在此基礎上明確了制冷劑噪聲與相關管路振動的關聯，通過降低毛細管管路振動的方法進行冰箱制冷劑噪聲優化。經過實驗驗證具有較好的優化效果，實測在測試位置正前方5 cm位置，波動噪聲值下降了3 dB(A)，證實了理論分析的可行性，為后續的冰箱產品設計中的制冷劑噪聲問題提供了檢測技術和分析優化的具體方法。