基于声学定位测试的冰箱制冷剂噪声的分析与优化

钟泽 江俊 李语亭 王利亚 黄文才 胡海宏

美的集团冰箱事业部 安徽合肥 230601

1 引言

随着家用电器行业的不断发展以及用户家居环境小型化，冰箱作为家庭日常生活中最重要的家电之一，其噪声性能逐渐成为广大消费者重点关注的体验指标，影响着消费者对冰箱产品性能的整体口碑，虽然行业内对产品低噪声设计方法的研究探索从未停止，但是冰箱噪声问题仍然位于消费者投诉的前列。因此如何快速准确地对冰箱噪声源进行定位测试，确定噪声源固有属性，从而进行合理有效的冰箱噪声优化设计，就成为了冰箱噪声设计过程中的重要环节之一。

作为目前市场中的主流高端产品，风冷变频冰箱在受到众多消费者青睐的同时，其噪声性能指标也同样面临严峻的考验。本文通过对风冷变频冰箱噪声源以及消费者噪声关注问题的市场调研数据进行统计分析，将其主要噪声源划分为以下四类：（1）机械室压缩机系统噪声；（2）风机风道系统噪声；（3）制冷系统制冷剂噪声；（4）其他结构类部件动作噪声。在前期的研究中，邓向涛[1]等通过仿真计算与实验对标相结合的分析方法，为抑制冰箱机械室共振噪声等问题提供了改善方法的研究思路；黄龙春[2]等通过对风扇在冰箱整机噪声中贡献和影响的分析论证，为冰箱风道及风扇系统的静音化设计指明了基本研究方向；李语亭[3]等通过对冰箱抽屉碰撞噪声的机理分析和实验研究，得出了冰箱滑轨抽屉碰撞噪声的相关控制要点，使冰箱抽屉使用体验及开关静音效果得到显著提升。但对冰箱制冷系统制冷剂噪声的研究则相对较少，特别是如何准确的通过实验手段对冰箱制冷剂噪声的发生时间、发生位置等进行定位分析，更是难以快速实现。

根据我司2019年冰箱用户体验调研（内部资料），冰箱制冷系统运行时的制冷剂噪声位于所有用户解释类噪声（用户解释类噪声是公司内部对用户噪声投诉的一个分类：即用户投诉的产品噪声实测在标准范围内，但需要售后客服进行解释说明的）的首位。在整理的消费者投诉反馈中，多次提到冰箱使用过程中出现难以接受的制冷剂噪声，甚至影响整体噪声品质体验，因而如何进行冰箱制冷剂噪声的用户体验改善已经成为提升冰箱产品核心竞争力的未来要点之一。本文针对用户投诉较集中的某款多门风冷变频冰箱，以声学照相机可视化声学定位测试为基础，结合常规噪声运行测试以及箱体振动测试等检测手段，快速准确地得到了冰箱制冷剂噪声的运行特征，建立了一套冰箱制冷剂噪声测试评价的具体方法，并以此为基础改善了此款冰箱的制冷剂运行噪声，对后续产品设计有一定的指导意义。

2 制冷剂噪声检测方法平台的搭建

针对目前在日常测试中存在的制冷剂噪声发生时间不确定、声源位置不明确和噪声频率特性不清晰的实验痛点，单纯的主观体感测评已经难以满足对产品制冷剂噪声运行水平进行准确评价的测试需求。

将声学照相机设备引入制冷剂噪声测试评价体系中，结合冰箱噪声长运测试实现对产品制冷剂噪声发生位置和发生时间范围的准确判定，并以冰箱制冷剂噪声发生机理为理论基础，通过制冷剂噪声振动传递检测分析得出的制冷剂运行时的振动频率与噪声频率关系的对比，确定冰箱制冷剂噪声与振动的关联性，从而搭建系统化的冰箱制冷剂噪声检测方法平台（如图1），达到对冰箱制冷剂噪声的准确检测，为优化方案设计提供理论依据。

图1 冰箱制冷剂噪声检测方法示意图

3 测试分析与优化验证

3.1 制冷剂噪声与振动测试

本次测试在符合家用电冰箱测试环境标准[4]要求的半消声室中进行，针对研究中选定的此款冰箱，为明确其制冷剂噪声的具体发生时间段，测试中首先使用噪声传感器分别在测试冰箱冷藏室、冷冻室正中心位置进行长时间噪声采集，具体测试方法为：使用分辨率0.125 Hz的噪声传感器，设定采样频率范围0～2500 Hz，于测试位置正前方5 cm位置，以0.5 s为时间间隔，采集8 h冰箱运行噪声（如图2）。根据噪声运行测试结果，此款冰箱的制冷剂噪声主要集中出现在压缩机通电启动后0.5 h到1 h之间和冰箱化霜后的首个运行周期，根据冰箱运行控制，这也是整机制冷系统工作负荷最高的运行阶段。

图2 冰箱运行噪声测试示意图

确定了此款冰箱制冷剂噪声集中出现的时间段之后，为了进一步确定噪声的发生位置，本次研究通过引入声学照相机设备来实现这一测试目的。测试中，为了提高声学照相机设备采集准确度，将声学照相机放置于冰箱正后方2 m位置，设定采样频率范围500～2000 Hz，平均每秒采样5次，在第一步长运测试明确的制冷剂噪声发生时间内对冰箱进行声学定位测试（如图3）。通过对测试结果的分析，在出现制冷剂噪声时，在冰箱背面下部位置有明显声压上升情况，对比后续箱体解剖结果，可确定制冷剂噪声的发生位置为毛细管进入冷冻蒸发器的管路扩张结构位置（如图4）。

图3 声学定位测试示意图

图4 声学定位测试结果示意

在通过声学定位方法确定了制冷剂噪声发生位置后，为了找到制冷剂噪声波动值的关联因素，确定噪声发生机理及具体改善方向，测试中使用分辨率1 Hz的振动加速度传感器，设定采样频率范围0～2500 Hz，平均每秒采集20次对冰箱背部预埋换热管路位置进行振动扫描，确定制冷剂噪声与箱内管路振动的关联。通过对振动加速度的扫描测试结果分析，可以得出如下结论：1）通过声学定位测试的制冷剂噪声发生位置在出现制冷剂噪声的同时，对应的振动加速度等级会明显上升；2）对比分析制冷剂噪声与对应位置管路的振动加速度的频谱，两者的波动频率峰值基本保持一致，均为900～1400 Hz之间，且测试得出的制冷剂噪声波动数值与此位置管路振动加速度数值间存在正相关关联（如图5），为后续理论研究和改善提供了具体方向。

图5 制冷剂噪声波动与振动加速度关联分析图

3.2 发生机理分析

综合考虑冰箱实验状态和实际使用情况，忽略因为工艺制造带来的管路结构变形差异，我们将冰箱毛细管扩管位置的制冷剂运行方式简化为一个流体从小直径管道进入大直径管道的物理模型，结合流体力学相关研究[5]，设制冷剂为不可压缩的流体，根据连续性方程：

制冷剂从毛细管中流出时具有较高的瞬时速度，在进入扩管结构后由于流体的流向和流速变化导致出现制冷剂与金属管壁撞击以及与扩管中低速运行制冷剂发生内部冲击等现象，造成能量的损失，结合噪声与振动测试的数据关联性分析，制冷剂在毛细管扩管处因管径变化产生的能量损失以振动的形式通过箱体泡层传递，并最终以噪声的形式进行空气传播（如图6）。

图6 冰箱制冷剂噪声发生机理分析示意图

3.3 优化方案验证

通过以上针对冰箱制冷剂噪声振动特性与声学特性的机理分析，因为制冷剂噪声发生时的噪声波动情况与毛细管扩管处的振动幅值存在正关联关系，所以本次优化方案通过在声学定位测试确定的毛细管扩管结构位置增加橡胶配重的形式来降低管路振动，验证能否通过降低振动等级来达到优化制冷剂噪声的效果（如图7）。

图7 最终优化方案示意

如图8所示的实验验证结果，通过增加毛细管扩管处的管路配重，制冷剂噪声发生位置的管路振动下降了19.68 mm/s2，测试位置正前方5 cm位置，波动噪声值下降了3 dB(A)，达成了对此款冰箱的制冷剂噪声的实际优化。

图8 优化方案实验验证结果

图9 优化方案实测噪声频谱对比

4 结论

本文通过引入声学照相机进行声学定位测试作为研究基础，建立了噪声与振动测试结合的分析体系，快速精准地确定了冰箱制冷剂噪声的发生位置和发生时间，解决了当前测试中无法准确捕捉制冷剂噪声的测试难点，并在此基础上明确了制冷剂噪声与相关管路振动的关联，通过降低毛细管管路振动的方法进行冰箱制冷剂噪声优化。经过实验验证具有较好的优化效果，实测在测试位置正前方5 cm位置，波动噪声值下降了3 dB(A)，证实了理论分析的可行性，为后续的冰箱产品设计中的制冷剂噪声问题提供了检测技术和分析优化的具体方法。