冰箱拍频振动和噪声的研究及改善

陈澎钰 江 俊 吕金水 彭 勇

（美的制冷集团冰箱事业部研发中心 安徽合肥 230601）

冰箱拍频振动和噪声的研究及改善

陈澎钰 江 俊 吕金水 彭 勇

（美的制冷集团冰箱事业部研发中心 安徽合肥 230601）

某型号冰箱开发过程中发现周期性波动噪声，对整机声品质产生严重影响。分析发现该异常噪声主要由压缩机拍频振动引发底板共振导致，针对该问题提出了改善方案，经验证主观感受及客观评价均取得了良好的效果。

冰箱；拍频振动；共振；波动强度

1 引言

随着生活水平的不断提高，产品噪声水平逐渐成为衡量产品品质的重要指标。经过多年的研究发展，目前冰箱噪声值已大幅降低，难以再有突破性的进展。越来越多的厂家转而关注冰箱的噪声舒适度，噪音舒适度及声品质的优劣正逐渐成为评价冰箱噪声的重要依据。

2 问题描述

某型号冰箱开发过程中，进行噪声评价时发现样机存在显著的连续周期性波动异常“嗡嗡”声，耳感舒适度较差。对该异常噪声进行初步分析，发现冰箱后侧机械室噪声波动最为明显。对该位置噪声进行测试分析，传感器位置如图1所示。

测得噪声时域数据如图2所示，从图中可看出噪声波动明显，波动幅值达3.5dB左右，波动周期为0.5s左右。

为了对该异常噪声进行精确量化评价，利用声品质客观指标进行分析。声品质客观指标主要有响度、尖锐度、粗糙度、波动强度等，其中波动强度和粗糙度都与窄带噪声受到幅值调制程度有关。

研究表明，如果调制频率低于15Hz，人耳就能跟踪“调制”，即感受到幅值的变化—波动强度。波动强度的单位为Vacil。规定1kHz，60dB的纯音，受到4Hz，100%的调制为1Vacil。波动强度常用的计算公式：

其中：N'—临界频带内的特征响度；fmod—调制频率；f0—4Hz。

由于该异常噪声波动频率在2Hz左右，符合

波动强度的分析范围，所以使用B&K声品质分析软件对波动强度进行分析。

图2 冰箱后点噪声时域图

图3 冰箱后点噪声波动强度图

图4 压缩机振动时域图

图5 压缩机振动频谱图

图6 底板振动频谱图

分析结果图3所示，该噪声波动强度为0.59 Vacil，在第1（中心频率50Hz，带宽100Hz）、第2（中心频率100Hz，带宽100Hz）临界带之间波动强度明显偏高。

3 原因分析

由于该噪声波动频率极低，而压缩机、风机、冷媒喷射口等噪声源均不会产生出现如此低频波动的异常噪声。因此推测该异常波动噪声可能是由某一部件拍频振动引起。

根据上述推断对主要振动部件压缩机进行振动测试（测点置于压缩机铭牌位置，测试方向为壳体法向）。测试结果如图4、5所示，压缩机振动存在明显的周期性波动，且波动周期与噪声波动周期一致，而两个相邻峰值频率分别为98Hz和100Hz。

从测试结果可以看出，压缩机存在较为明显的拍振现象。其中98Hz为压缩机振动二倍频，拍振频率为2Hz。公式（2）为异步电机拍振频率计算公式：

其中：fn—拍频频率；f1—交流电频率（50Hz）；S—转差率；p—极对数。

由于该压缩机基频为49Hz、p=1，所以：

计算结果与测试结果完全吻合，由此分析该型号样机的异常噪声是由压缩机拍频振动引起。但对匹配该压缩机的其他型号冰箱进行对比验证时，未发现明显的噪声波动现象，由此推断可能是该机型其他部件在压缩机激励下产生共振对拍频振动起到放大作用，导致异常噪声在该机型上表现突出。

根据上述推断对压缩机主要接触部件底板进行振动测试，测试结果如图6所示，对比底板及压缩机振动频谱可以看出，在拍振频率段底板对压缩机振动产生显著的放大作用。

为明确底板对拍振产生放大作用的原因，对底板模态进行仿真分析。分析得出该机型压缩机底板二阶模态频率为104.33Hz，与压缩机振动二次谐波极为相近。

综合上述测试及分析结果，最终确定该机型异常波动噪声是由压缩机拍频振动引发底板共振所致。（如图7所示）

图1 传声器位置示意图

图8 改善后冰箱后点噪声时域图

图9 改善后底板振动频谱图

图10 改善后冰箱后点噪声波动强度图

图7 底板二阶模态振型图

4 改善方案设计

针对上述分析结果，提出如下改善方案：（1）优化底板结构使固有频率偏离压缩机拍振频率；（2）优化压缩机减振垫，提高减振效率，减小底板振动。

由于更改底板结构成本较高，周期较长，而优化减振垫方案改动相对较小，同时考虑到标准化因素，难以在结构方面做出重大改善，所以最终实施方案为采用3M公司研发的高阻尼橡胶材料替换目前使用的常规橡胶减振材料。

有阻尼受迫振动动力学方程为非齐次方程：

方程特解即稳态响应：

对方程（3）进行变换得：

即：

则：

其中：A—振幅；F0—激振力幅值；k—刚度；ω0—系统无阻尼固有频率；ξ—阻尼比。

由于该样机底板在拍振频率发生共振，所以假设ω≈ω0，则：

从公式（8）可以看出，在其他参数不变的条件下，增大系统阻尼系数即可有效降低振动。

本次改善方案所用3M高阻尼减振材料阻尼系数达1.2以上，比目前使用的减振材料阻尼系数高出4倍以上。根据理论计算结果应该可以产生较为明显的改善效果。

5 方案验证

采用优化方案后对冰箱进行全面对比测试，测试结果如图8、9、10所示。冰箱后点噪声波动值降低至1.5dB左右；底板拍振频率处振动峰值降至0.1m/s2以下，降幅达50%以上；噪声波动强度降至0.34Vacil，降低42%；改善效果显著。

6 结论

本文通过对某款冰箱周期性异常波动噪声进行测试、分析及改善，得出如下结论：

（1）周期性波动噪声是由压缩机拍频振动引发底板共振所致；

（2）周期性波动噪声对冰箱声品质，尤其是波动强度影响较大；

（3）通过采用新型高阻尼减振材料，可有效降低拍频振动，避免异常噪声。

[1] 赵小龙，章力源. 论拍频振动和噪声在电动机质量诊断中的应用. 防爆电机. 2013年第4期第48卷

[2] 兰江华，黄辉，胡余生. 移动空调嗡嗡声现象分析与机理研究. 家电噪声控制技术

[3] 赵晴，贾民平，黄跃光，方开荣. 回转机械振动中的拍频分析. 东南大学学报(自然科学版).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