冰箱的主动降噪系统及其控制方法的研究

周 斌 万春旭 汪劲松

（长虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

冰箱是保持恒定低温的一种制冷设备，也是一种使食物或其他物品保持恒定低温冷态的民用产品。箱体内有压缩机、制冰机用以结冰的柜或箱，带有制冷装置的储藏箱。而在冰箱工作时往往会产生噪音，噪音主要是来自压缩机运行时产生的，对人们的生活休息造成了一定影响，特别是在晚上，影响人们的休息。

1 主动降噪系统的拓扑设计

本文所研究的主动降噪系统，包括噪音采集单元、降噪前声音检测单元、降噪振动单元、反馈检测单元和噪音处理单元。其中噪音处理单元分别与噪音采集单元、降噪前声音检测单元、降噪振动单元和反馈检测单元电性连接；噪音采集单元、降噪前声音检测单元和反馈检测单元均将采集到的噪音波形及噪音音量数据传输给噪音处理单元；噪音处理单元将降噪振动控制信号传输给降噪振动单元。主动降噪系统的拓扑图见图1所示。

噪音采集单元设置在冰箱压缩机舱室内，用于监测压缩机实时噪音波形及噪音音量；同时降噪前声音检测单元、降噪振动单元和反馈检测单元均设置在压缩机舱室向外传播噪音的通道内；降噪振动单元设置在通道中间位置，降噪振动单元通过反向振动抵消噪音振动；降噪前声音检测单元设置在降噪振动单元与噪音采集单元之间，且降噪前声音检测单元设置在靠近降噪振动单元的位置，降噪前声音检测单元用于检测通道中间位置噪音波形及噪音音量；反馈单元设置在通道出口处，用于检测通道出口处噪音的波形及噪音音量。

图1 主动降噪系统的拓扑图

其中，噪音处理单元包括微处理器并且集成在冰箱的控制模块中。并且反馈检测单元之间设置有隔音板。

2 主动降噪系统的控制步骤

用于冰箱的主动降噪系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：噪音采集单元采集压缩机舱室内的噪音波形和噪音音量，并将噪音波形信号和噪音音量信号数据传输给噪音处理单元；

步骤二：降噪前声音检测单元检测通道中间位置的噪音波形和噪音音量，并将噪音波形信号和噪音音量信号数据传输给噪音处理单元；

步骤三：噪音处理单元根据两次检测到的噪音音频信号进行匹配对比，并根据相同的噪音波形部分实时确定通道内的噪音音量衰减系数，并计算声音从噪音采集单元传输至降噪前声音检测单元的迟滞时间；

步骤四：设置噪音从通道内输出的音量大小的阈值，噪音处理单元根据步骤三中中获得的衰减系数，调整降噪振动单元的振动幅度，并根据迟滞时间调整降噪振动单元振动的相位差；噪音处理单元将对降噪振动单元的控制信息传输给降噪振动单元；

步骤五：降噪振动单元根据接收到的降噪振动单元控制信息进行振动；

步骤六：反馈检测单元检测实时噪音音量，并将噪音音量信息传输给噪音处理单元；噪音处理单元根据反馈检测单元提供的噪音音量信息调整降噪振动单元的振动幅度。

其中，噪音处理单元传输给降噪振动单元的控制信息还包括降噪振动单元的振动波形，振动波形与降噪振动单元所要消除的噪音波形相反。

3 主动降噪系统的控制方法

冰箱的主动降噪系统及其控制方法如图2所示。

设噪音采集单元采集到的噪音音量为a 分贝、降噪前声音检测单元采集到的噪音音量为b分贝、阈值设置为d 、迟滞时间为t 、衰减系数为k、隔音板对声音的衰减系数为l、则降噪振动单元所需降噪的振动幅度所产生的音量为x，则有：

4 试验数据分析

本文选取长虹美菱股份有限公司某款单系统十字对开门冰箱一台，冰箱处于空载运行下，环境温度为25 ℃，冰箱上部为冷藏室，温度范围为2 ℃到8 ℃，下部为冷冻室，温度范围为-16 ℃到-24 ℃。其中一台为不做主动降噪系统的设计，另外一台为主动降噪系统的设计。

分别测试3种情况，分别如下所示：

1）压缩机和风机组合运行噪声，分如下三种运行状态组合：①冷藏制冷，变温不制冷，冷冻制冷；②冷藏单独化霜，变温和冷冻制冷；③冷藏云保湿运行，冷冻单独制冷；

2）单独扫频测试压缩机噪声，风机全部关闭；

图2 冰箱的主动降噪系统及其控制方法

3）单独扫频测试冷藏风机噪声，其余风机、压缩机全部关闭。

不做主动降噪系统的设计常规冰箱运行噪声测试数据以及做主动降噪系统的设计冰箱运行噪声测试数据如表格1-3所示。

下列表1-表3为不做主动降噪系统的设计常规冰箱运行噪声测试数据：表1为常规压缩机和风机组合运行噪声测试数据；表2为常规单独扫频测试压缩机噪声测试数据；表3为常规单独扫频测试冷藏风机噪声测试数据。

表1 常规压缩机和风机组合运行噪声测试数据

表2 常规单独扫频测试压缩机噪声测试数据

表4-表6为做主动降噪系统的设计冰箱运行噪声测试数据：表4为压缩机和风机组合运行噪声测试数据；表5为单独扫频测试压缩机噪声测试数据；表6为单独扫频测试冷藏风机噪声测试数据。

由上述表格分析可知：基于主动降噪系统的设计冰箱其噪音效果，在压缩机和风机组合运行噪声，单独扫频测试压缩机噪声，风机全部关闭以及单独扫频测试冷藏风机噪声，其余风机、压缩机全部关闭这三种情况下都有较大改善。

表3 常规单独扫频测试冷藏风机噪声测试数据

表4 主动降噪系统的设计运行压缩机和风机组合运行噪声测试数据

本文通过在噪音传播的通道中间位置和噪音的起点设置降噪前声音检测单元和噪音采集单元确定噪音的声音波形、音量和实时通道内的空气对于声音的衰减效率，综合通道内的空气对于噪音的衰减效果，再通过降噪振动单元根据噪音在管道内传播的时间延时，与噪音波形相反振动，达到中和噪音的目的，由于振动本身会向两个方向同时产生声波，因此为了防止降噪振动单元的衍生声波，在通道的出口处设置隔音板和反馈检测单元，反馈检测单元检测经过隔音板吸收后的噪音音量，当超出先设置好的阈值时，及时给降噪处理单元反馈信息，调整降噪振动单元的振动幅度，对降噪进行精确控制。

表5 主动降噪系统的设计单独扫频测试压缩机噪声测试数据

表6 主动降噪系统的设计单独扫频冷藏风机噪声测试数据

5 总结

综上所述，本文通过噪音采集单元和降噪前声音检测单元收集冰箱的噪音信息，并根据噪音信息控制降噪振动单元进行反向振动，达到对冰箱进行主动降噪的目的，通过反馈检测单元检测降噪效果并进行反馈，提高噪音处理单元对降噪振动单元控制的精准度。