冰箱电动阀噪声改善设计及声品质评价研究

2022-04-14丁龙辉张海鹏孙敬龙潘毅广

家电科技 2022年2期

丁龙辉张海鹏孙敬龙潘毅广

海信家电集团股份有限公司山东青岛 266000

0 引言

冰箱作为现代家庭的主要家用电器之一，其噪声水平同制冷、保鲜、节能等特性一样，越来越受到广大消费者重视。除了压缩机运转噪声、风机运转噪声及制冷剂流动噪声之外，许多关键零部件工作切换过程中的非稳态噪声，也成为影响用户使用体验的重要因素。大容积多功能冰箱的非稳态噪声可以分为以下几种类型：（1）各种电器零部件的切换运行噪声（如电动阀、电磁阀、继电器、风门等）；（2）多功能模块的启停运转噪声（如抽真空电机启动、自动制冰机运转、加湿模块工作等）；（3）冰箱各个结构配合部件的开合动作噪声（如门体开关、抽屉推拉等）；（4）风机、压缩机等瞬间启停和变速阶段的非稳态噪声。

通过深入调查研究用户需求和产品NPS反馈结果发现，随着冰箱噪声性能的持续提升，冰箱噪声研究不再单一追求产品噪声声功率标称值的持续减小，而是开始更多地针对各种非稳态噪声进行改善设计。李语亭[1]等通过研究冰箱抽屉碰撞噪声的产生原因，借助降低自锁弹簧弹性系数和行程、增大滑轨摩擦、改变门封材料等手段，降低了冰箱抽屉碰撞噪声。张海鹏[2]等针对冰箱压缩机停机瞬间的非稳态振动噪声问题，提出了减小机芯停机瞬间冲击能量的优化设计方案，并进行实验研究。江俊[3]等利用采集得到的冰箱开门噪声信号，开展声品质评价方法研究，使用神经网络模型对样本进行训练预测，并通过实验证明方案可行性。本文针对冰箱电动阀非稳态噪声进行改善设计研究，并利用声品质评价技术进行分析验证。

1 冰箱电动阀工作原理及运转噪声

1.1 电动阀应用与工作原理

现有的大容积多功能冰箱系列繁多、控制模式多样。因为分类明确的各间室具有不同的制冷温度需求，所以普遍采用能够自动切换的多循环制冷系统[4]，如图1所示。冰箱中冷藏、冷冻、变温等多个间室的系统切换和制冷剂流量控制，采用图1系统中的电动阀来进行动态调节实现。

图1 多系统冰箱制冷循环示意图

电动阀的基本工作原理是按照预设的程序控制步进电机运转，通过内部线圈驱动磁转子运动，磁转子再带动滑块转动。利用滑块上设计的月牙槽来对应打开各个阀口，从而实现进出口管路位置处的流量切换，通过线圈各爪级与磁转子的吸合力保持工作状态[5]，其内部结构示意如图2所示。

图2 冰箱电动阀内部结构示意图

冰箱用电动阀具有能耗小、调节控制可靠性高、抗干扰性优异等特点，但实际使用过程中存在一定的振动噪声问题。在冰箱工作状态调节及启停运转过程中，整个制冷循环系统的压力和流量急剧变化，电动阀起到直接控制作用。其中，在正常切换和零点复位（每隔固定时间会进行一次复位动作，阀体内部滑块机械运动回归初始位置）两种工况下，电动阀会产生比较明显的振动噪声表现，这时冰箱噪声声功率能够达到40～42 dB(A)。这种非稳态噪声问题很容易造成产品主观声音体验较差，甚至会引起用户投诉。

1.2 安装结构及运转噪声

冰箱电动阀一般的结构设计及安装固定方式如图3所示。电动阀下部进出管路与制冷系统相连，控制各间室自动切换；电动阀阀体下部设计为不锈钢固定支架，然后其外伸折弯部分通过金属钉铆接于安装臂上；安装臂上部为一体式固定端，其上预留有小孔，最后通过螺钉安装固定到冰箱后背板上。

图3 电动阀安装连接及固定结构设计

在振动噪声领域的“源—路径—接受者”模型中，对源头进行噪声控制是最根本和有效的方法，对传递路径进行优化控制也是常用手段，最终的设计又需要从接受者出发，满足用户直接要求，确定产品噪声大小和声品质水平[6]。由于电动阀内部结构复杂、空间狭小且部件较多，不能有效地从源头上进行减振降噪设计，所以本文从传递路径方面开展控制改善研究。

通过分析电动阀连接固定结构发现，初始设计仅从工艺安装与管路连接方面考虑，未进行任何减振降噪控制，目前的方案存在以下问题：

（1）电动阀本体及其各附属连接结构均为不锈钢材料，金属铆接和螺钉固定均为硬性接触，对于振动传递缺少控制和削弱效果，容易产生振动噪声问题；

（2）电动阀和冰箱箱体的连接和固定需要通过较长的安装臂来实现，使用螺钉固定后成为悬臂结构，这种安装设计方式进一步加大了电动阀的振动效果，容易将振动传递到冰箱箱体上，造成整机的异常振动噪声表现；

（3）电动阀本体没有任何隔音降噪设计，内部制冷剂压力变化和滑块动作产生的较大噪声直接向外传递，容易引起用户噪声投诉。

2 电动阀噪声改善设计方案

从噪声控制的实际问题入手，结合现有冰箱电动阀的具体安装方式，根据切换运转过程中振动噪声的产生原理，从以下几个方向进行优化改善设计：

（1）安装固定结构的优化，环形固定支架设计、安装臂尺寸优化等；

（2）连接位置处的隔振设计，原有硬性接触连接的固定支架和阀体之间的隔振设计、阀体和冰箱连接固定位置的隔振设计等；

（3）安装结构材料替换，安装臂及固定支架的材料采用树脂或尼龙进行替换，并重新设计其厚度；

（4）外部吸隔音包裹设计，采用吸隔音材料制作一体成型的柔性外壳，与固定支架配合可以完全包裹阀体，有效减弱噪声向外辐射传递。

将以上多种设计方案进行优化组合，并依据实际安装应用情况进行匹配设计，得到如表1所示的8种改善方案。初始设计与其中一种优化设计方案的结构对比示意如图4所示，根据各种不同方案进行了安装结构的样件制作，开展噪声性能测试对比验证。

表1 电动阀安装结构优化设计方案

图4 电动阀初始结构设计与优化方案对比示意图

3 声品质评价技术原理与应用

针对装配于冰箱整机上的电动阀部件，目前还没有明确的技术指标进行噪声性能评价。冰箱整机及部分零部件主要采用计权声压级、声功率等客观指标，但这些指标不能全面反映人耳的主观声音感受。对于不同频率、不同强度的声音信号，人耳有着极其复杂的感受，仅使用单一指标不能够准确描述用户感受。在现代产品设计开发中，越来越多的行业和厂家开始使用声品质指标进行噪声性能评价及改善研究。

声品质是指由人耳对于声音的听觉感知过程，并最终做出的主观判断。目前，国外的声品质研究应用较为成熟，国内仍处于快速发展阶段。从不同行业来看，声品质指标开发及评价技术在汽车行业中使用较多，是NVH设计中的关键目标；国外一些家电厂家也进行过前期研究，国内从近几年逐渐开始相关的应用探索及标准制定工作。

3.1 声品质评价技术流程

声品质评价技术，即通过一系列主客观声品质分析评价手段，综合多个客观参量与主观评价结果形成映射关系，用以代表产品声学特征的评价方法。针对特定型号产品和部件的声学特征，其能稳定、精确地定义所评估产品的某个声音表现，反映用户主观声音感受。声品质评价技术的研究流程如图5所示：主要包括声音信号采集、客观心理声学参数计算、主观声品质评价试验、主客观结果分析验证等几个关键步骤。

图5 声品质评价技术研究流程示意图

3.2 噪声信号采集及客观参数计算

电动阀噪声信号的采集在半消声室内进行，将不同改善设计方案的电动阀样件安装固定于同一台冰箱整机上，其他各种噪声源部件均为关闭状态；通过采用电动阀运转控制仪器进行调节，控制电动阀单独进行工作。针对正常切换和零点复位两种工况，使用LMS数据采集系统进行信号的实时采集。麦克风传声器布置于距离冰箱背部电动阀安装位置正前方0.3 m处，采集布置现场如图6所示。精确的信号采集是声品质评价前提，为保证声音信号的准确性，每种方案分别进行3组噪声信号采集，然后进行预先回放试听和截取处理，最终得到适用于客观参数计算及主观评价的噪声时域信号样本。

图6 半消声室内电动阀噪声信号采集

由于人耳听觉系统的复杂性，其具有多种心理声学效应，评价声品质常用的心理声学客观参数有：响度、尖锐度、粗糙度、波动度等。声音的强弱叫做响度（Loudness），响度描述声音的响亮程度，表示人耳对声音的主观感受；尖锐度（Sharpness）描述声音品质评价中的音色特征，对比不同声音的尖锐程度，是高频能量与总能量之对比；粗糙度（Roughness）和波动度（Fluctuation）是调制声音产生的两个不同感受，调制频率低于20 Hz，会产生波动强度的听觉感受，而高于20 Hz的调制频率，就会产生粗糙度的听觉感受。针对采集处理后的电动阀噪声信号，采用声压级及以上四种参数进行计算对比。

3.3 声品质主观评价试验

电动阀噪声信号的声品质主观评价试验在专用的声品质评价室开展，将处理后的声音信号通过声品质主观评价系统进行精确回放，并选择经过培训的听音评价员进行现场试听评价。声品质主观评价的方法主要有：等级评分法、成对比较法、语意细分法等。本文选择等级评分法划分为10个等级评价尺度，使用LMS Test. Lab中的Jury Testing模块建立电动阀的声品质主观评价模板，具体试验实施过程如图7所示。试验选择28名评价员进行现场试听评价，利用相关系数对结果进行分析，去除相关系数低于0.7的数据，最后将有效结果平均，得到各种不同优化方案的主观声品质评价得分。

图7 声品质评价室和主观评价模板

4 不同优化方案声品质评价结果分析

根据组合设计的多种电动阀噪声改善方案，针对正常切换运转与零点复位两种工况下的噪声信号进行了主客观声品质评价，各客观参数计算结果及主观评价得分数据如表2和表3所示。从表中结果分析可知，电动阀在正常切换和零点复位两种工况下，方案#7对应的初始结构设计声压级最大，分别达到了48.29 dB(A)和49.70 dB(A)，这严重影响产品声音性能表现。同时，初始结构设计方案的响度、粗糙度、波动度三个客观参数的计算结果也明显偏高。经过声品质主观评价试验，在1～10分制的情况下（分数越低越不满意），平均得分分别仅为2.633分与2.567分，此评价结果对应描述为“令人不安和非常反感的”声音体验。

表2 电动阀正常切换工况下的主客观声品质评价结果

表3 电动阀零点复位工况下的主客观声品质评价结果

如果仅分析声压级这个评价指标，相比初始结构所有电动阀改善设计方案的声压级均有降低。其中，方案#1安装结构优化和#4安装材料替换这两种单一方式优化，声压级减小较少；方案#5、#6、#8多种组合方式的结构设计，其声压级均有明显改善，减小到40 dB(A)左右。但是，进一步分析发现，例如#2对应的设计方案，虽然声压级指标有明显下降，但主观评价得分没有改善，这是因为其他心理声学指标并未同步降低，需要综合多个指标进行分析研究。

电动阀两种工况下的不同改善设计方案，其主客观声品质评价结果对比曲线如图8和图9所示。通过对比分析发现，主观评价得分与客观参数中的响度、粗糙度相关性较高，随着相应客观参数的减小，主观评价得分明显得到提高。但是，客观参数中的尖锐度、波动度与主观评价结果相关性较低，并且对比不同设计方案下的尖锐度和波动度，大小基本没有发生变化。在电动阀噪声改善研究过程中，在保证声压级降低的情况下，需要同时优化响度、粗糙度两个关键参数指标，指导产品开发设计。

图8 电动阀正常切换工况下的声品质评价结果对比曲线

图9 电动阀零点复位工况下的声品质评价结果对比曲线

对比不同设计方案的主观评价得分发现，相比初始设计，各改善方案的得分均有所提高。其中，方案#8对应的多种优化方式组合设计，在电动阀正常切换工况下得分达到了8.000分，主观评价描述为“很好的声音体验”；在电动阀零点复位工况下的主观评价得分也达到了6.567分，对应描述为“可以接受的声音体验”。方案#8对应的客观参数指标中，声压级、响度、粗糙度数值也均为最低，主客观结果表明其为优选设计方案。方案#5和#6的主客观评价结果也相对较好，可以结合实际安装情况及成本作为备选方案。

以上针对电动阀各种不同优化设计方案，开展了基于声品质技术的评价研究，综合考虑各个方案的关键参数计算结果与主观评价得分，验证改善方案有效，并选择出了最优方案。经过对比分析发现，电动阀的非稳态噪声改善，需要采用多种方法进行组合设计，仅采用结构优化、隔振设计、材料优化、外部吸音等任何单一控制手段，都不能达到在两种运行工况下有效提升电动阀声品质性能的目的。