变频冰箱全制冷周期降噪方案研究

马长州 魏邦福 陈开松 崔培培

长虹美菱股份有限公司 安徽合肥 230601

1 引言

近年来，变频冰箱已逐步成为市场上的主流产品。变频冰箱最大的技术优势是节能、保鲜、静音，但是从近几年的售后反馈来看，部分变频产品的噪声投诉率反而会高于普通定频产品。一方面，由于变频压缩机转速是变化的，可能存在部分转速下压缩机与冰箱整机共振等噪声问题，整机降噪设计难度增大；另一方面，消费者对变频产品的低噪声期望值更高，但是变频冰箱在某些工况运行时其噪声可能高于定频产品。

风冷冰箱的噪声控制主要是针对噪声超标情况进行测试分析，借助频谱分析、结构共振改善、减振吸声材料应用等方法解决噪声问题[1]。丁龙辉[2]等提出一种噪声测试程序，通过程序自动运行压缩机、风机组合运行模式，快速评价各种运行转速组合下的噪声，筛查可能出现的异常共振噪声，提高了变频冰箱噪声设计开发效率。除了要降低冰箱稳定运行条件下的噪声，冰箱运行过程中的异常噪声也越来越受到关注。江俊[3]等介绍了家用电冰箱非稳定运行噪声组成、评价方法等，通过非稳定运行噪声测试，评价冰箱噪声水平。

在用户真实的使用场景下，在完整的制冷周期内，除稳态运行噪声外，变频冰箱在压缩机、风机升降速、压缩机启停、风门切换、电动阀切换、停机等过程中均可能产生各种持续时间不等的异常噪声。本文主要通过监测变频冰箱全制冷周期内的声功率（声压）级的变化规律，开展噪声测试分析，对降温阶段、稳定制冷阶段、停机阶段等不同制冷阶段产生的各种异常噪声进行分析及降噪优化方案探索。

2 冰箱噪声测量标准

冰箱声功率级的测量，依据的是国家标准GB/T 8059-2016《家用和类似用途制冷器具》[4]。该标准关于冰箱噪声的计算方法如下：

声压级测量从运行阶段开始后1 min至运行阶段结束。为了确定最终的结果应进行三个连续稳定运行。最终结果为三次测量的对数平均值。如果，任何两个测量结果的偏差超过2 dB(A)，则应进行三个额外的测量，最终结果为六次测量的对数平均值。

现行的测试方法，测量计算的是冰箱稳定运行后，几个完整运行周期内测量结果的对数平均值。测量过程中短时的噪声突然增加对测量结果影响较小。但是此类噪声明显会高于稳定运行阶段噪声，会使用户使用体验较差。

另一方面，现有的变频冰箱达到稳定运行条件后，压缩机、风机运行转速一般不会再变化。但是在用户实际使用过程中，由于环温、开关门、制冷负荷等条件变化，压缩机、风机等转速会不断变化。整机噪声也会随转速的变化而波动。

对于变频冰箱，现有的冰箱噪声测试标准，测量结果不能完全反映冰箱整机真实的噪声变化。作为冰箱生产企业，在变频冰箱设计过程中，需要充分考虑冰箱不同运行条件下的整机噪声变化。使产品不仅满足标准要求，也可在用户真实使用工况下，减少全制冷周期内的各类异常噪声，从而降低市场噪声投诉率。

3 变频冰箱全制冷周期运行过程分析

在变频冰箱全制冷周期内，制冷的不同阶段产生的噪声变化可以划分为以下四阶段:（1）冰箱降温阶段噪声；（2）稳定运行阶段噪声；（3）压缩机、风机升降速产生的噪声波动；（4）停机过程中整机噪声波动。

3.1 箱体初次降温阶段噪声

如图1所示，某型号冰箱首次上电后连续100 min内的声功率级变化数据，在压缩机、风机转速均没有变化的情况下，在40 min～50 min时，声功率级出现约2 dB(A)的增加，随着箱内温度的降低，整机噪声呈下降趋势。并且在降温过程中出现无规律的热胀冷缩炸裂的声音，瞬时声功率级超过40 dB(A)，前50 min内热胀冷缩的声音出现次数明显高于后50 min出现次数。

图1 冰箱降温过程整机声功率级变化

总体来看，在高冷凝温度、高蒸发温度工况下，压缩机单机噪声会增加，随着蒸发温度降低，制冷负荷降低，压缩机噪声减小。根据多台样机测试结果，不同类型产品出现峰值的阶段有差异，根本原因还需要进一步研究。

除制冷工况的影响，变频压缩机的噪声随转速降低而降低。通过规避高转速、高制冷负荷工况叠加，在冰箱首次降温前1到2小时内，让压缩机以低速运行，待蒸发温度降低后，压缩机再升速，对比改进前后，降温过程中的最大噪声降低1.8 dB(A)，如图2所示。

图2 压缩机不同转速控制降温过程噪声

进一步对比25度环温冰箱整机降温速度，箱内温度达到相同温度时，两种控制规则下时间仅相差不到10 min，降温前期的低转速运行对整机降温速度影响较小，如图3所示。

图3 25度环温降温速度对比

3.2 稳定运行阶段噪声

在压缩机、风机转速不变的情况下，该阶段的噪声波动主要是压缩机启停噪声、电动风门运行噪声、电动旋转阀运行噪声、制冷系统噪声、热胀冷缩噪声等。此类噪声波动一般持续时间约为几秒到几十秒不等，对用户使用体验有着非常重要的影响。

3.2.1 压缩机启动噪声[5]

压缩机启动瞬时峰值噪声受停机时间、制冷系统高低压端压差等因素影响，平衡时间长，启动阶段的瞬时峰值噪声相对较小。启动瞬间产生的峰值噪声，主要是压缩机自身振动及其带动的管路振动传递出的机械振动噪声，主要噪声频率一般分布在200 Hz以下。启动后1 min内持续性的噪声，主要来自制冷剂的吸排气脉动噪声，一般为630 Hz、800 Hz排气脉动噪声大，250 Hz、315 Hz、400 Hz吸气脉动噪声大，如图4所示。2 min～3 min后，高低压端建立稳定的压差，压缩机进入稳定运行阶段。

图4 压缩机启动过程声压级及频率分布

对于变频压缩机，启动阶段的振动噪声可以从转速控制规则方面开展优化工作，如：启动惯量、启动扭矩、启动阶段的上油转速等参数调整。对于吸排气脉动噪声，通过优化压缩机内部吸排气结构等方法可实现较好的改善效果。

3.2.2 风门运行噪声

风冷冰箱中，电动风门负责风量分配，根据不同间室的制冷需求，每隔一段时间风门会执行开启、关闭动作。冰箱企业在设计中考虑可靠性要求，当风门长时间保持一种状态时，风门会执行一次复位动作（打开、关闭），防止风门被冻住。单风门一次开启或关闭动作一般需要6～10秒。双风门一个完整的开启或关闭动作需要持续6～30秒不等。风门齿轮箱内部结构如图5所示。正常情况下，风门运行噪声小于35 dB(A)（距离风门100 mm处测得声压级大小）。其频率分布如图6所示，主要声源：步进电机1 kHz～10 kHz 高频噪声；次要声源：齿轮箱内齿轮转动的80 Hz低频振动噪声。

图5 风门齿轮箱内部结构

图6 单风门噪声频率分布

笔者通过大量的测试发现，同一型号风门与冰箱风道装配后，进行冰箱整机测试时，在只运行风门的情况下，噪声频率分布与单风门明显不同。如图7所示，图7a）对开门冰箱及图7b）法式多门冰箱，风道设计使用的是同一型号风门，单机噪声相当。但是在整机测试中，风门运行时的主要噪声源均变至500 Hz以下，且声压级大小有明显差别。分析来源于风门动作时，齿轮振动通过风道、箱体传递放大。我司现有的风门装配结构，在只运行风门的情况下，整机噪声普遍在35 dB(A)～38 dB(A)，个别异常情况下，噪声甚至可能超过40 dB(A)。

图7 整机测试中风门运行噪声典型频率分布

风门运行噪声的主要优化方向：风门与风道装配结构优化，隔离振源，减小齿轮传动噪声放大；密封设计与减振设计综合考虑，风门与风道应避免过松或过紧的装配尺寸。如图8所示，通过优化风门与风道装配尺寸，增加减振海绵设计。冰箱整机测试状态下，风门运行噪声可实现小于32 dB(A)的目标。这时，风门与压缩机、风机的叠加噪声基本可以忽略。

图8 风门、风道装配结构优化示意

3.2.3 制冷系统噪声

制冷剂流动、喷射等噪声随冰箱制冷系统工况变化，降温阶段蒸发温度高，大流量情况下，制冷系统噪声通常会变大。毛细管出口喷射噪声频率分布如图9所示，主要噪声分布在250 Hz～400 Hz，500 Hz～2000 Hz两个频率段[6]。通过对毛细管出口处加丁基橡胶减震处理，250 Hz、315 Hz噪声降低明显。制冷系统噪声出现异常时，可以从工艺、零件符合性等方面进行排查，差异化因素较多。

图9 毛细管出口喷射噪声频率分布

压缩机停机后的制冷系统噪声，主要噪声来自储液罐位置，其次是高低压端压力平衡带来的制冷剂流水声。从声功率级上来说，其大小一般低于稳定运行阶段的噪声。但是由于其频率分布与冰箱稳定运行时不同，人耳可以明显感知到噪声的变化，用户对此类噪声的投诉也集中在背景噪声比较低的夜间。一般集中在停机后3 min～5 min出现，随着停机时间的延长，出现频率及噪声大小均呈降低的趋势，如图10所示。

图10 停机过程声压级变化及峰值时刻频率分布

3.3 压缩机、风机升降速噪声

压缩机、风机双变频目前已经成为市场上变频冰箱的标准配置，产品设计阶段，需要对每个使用到的转速进行详细测试评估。通过测试排查压缩机在不同转速下是否与箱体共振，风机与风道是否在某些转速下存在耦合共振，从设计端避开异常噪声频率（转速）段。对于压缩机升降速过程中有短时异常共振的转速，建议在变频压缩机驱动端予以规避。即，在升速、降速过程中，尽量缩短在共振转速下的运行时间。如图11、图12所示为冰箱冷冻风机、冷凝器风机不同转速下整机声功率级波动范围。

图11 冷冻风机不同转速下整机声功率级波动范围

图12 冷凝器风机不同转速下整机声功率级波动范围

此外，目前市场上的多循环产品也越来越多，比如带外置冷凝器风扇的三循环产品，有1个压缩机、3个制冷风机、1个冷凝风机，共计5个噪声源。

在冰箱制冷的不同阶段，存在多种组合运行模式。如图13所示为某三循环冰箱一个制冷周期内的声功率级变化。

图13 三循环冰箱一个制冷周期内噪声变化

冷藏制冷阶段（0～20 min），该阶段冷藏风机、冷冻风机、冷凝风机、压缩机运行，整机噪声约34.5 dB(A)。

变温制冷阶段（20 min～23 min），该阶段变温、冷冻、冷凝风机、压缩机同时运行，整机噪声增加至35.3 dB(A)。

冷冻单独制冷阶段（23 min～34 min），该阶段冷冻、冷凝风机、压缩机同时运行，整机噪声约34 dB(A)。

不同的转速组合、不同的声源数量可能引起整机噪声较大的变化。设计中需要充分考虑冰箱在一个制冷周期内的噪声波动范围。

4 结论

在变频冰箱的设计中，除了采用标准测试方法评估冰箱稳定运行的声功率级外，还需要充分考虑到标准测试以外的各种运行工况噪声及非稳态运行噪声，通过声压监测的方式获取冰箱全制冷周期内的噪声波动范围、频率分布，指导产品降噪设计。基本原则是：持续时间长，瞬时声压级高、出现频率高的噪声需要优先进行降噪设计。

（1）冰箱降温过程中整机噪声随着蒸发温度降低，制冷负荷降低，压缩机噪声、制冷系统噪声逐渐减小。通过规避高转速、高制冷负荷工况叠加，优化降温过程压缩机转速控制，可以有效降低降温过程冰箱整机最大噪声。

（2）通过优化风门与风道装配结构，风门运行噪声可降低超过2 dB(A)，整机状态下，风门运行噪声小于32 dB(A)。

（3）多循环冰箱由于存在多种声源组合，产品设计中同时需要考虑不同转速组合时，整机噪声波动范围，避免用户实际使用中，不同制冷阶段噪声忽大忽小，使用体验差。

（4）笔者在进行冰箱降温阶段噪声对比测试中发现，在压缩机、风机转速都不变的情况下，整机噪声增加的幅度，持续的时间段每次测试都有差别。与环境温度、冷凝温度、蒸发温度等多种因素相关，建议冰箱生产企业与压缩机生产企业开展联合研究工作，指导整机噪声改进方向。