风冷变频冰箱噪声特征综述

2022-09-22马长州陈开松崔培培

日用电器 2022年8期

马长州余涛陈开松崔培培

（长虹美菱股份有限公司合肥 230601）

引言

近年来，随着电冰箱产品结构升级，变频技术的进步，变频冰箱的市场份额越来越多，变频冰箱正逐渐替代定频冰箱。除节能保鲜外，静音是变频冰箱另外一个主要的技术优势。变频产品的静音主要体现在压缩机中低转速稳定运行阶段，但是在用户日常使用过程中，伴随有压缩机启停、电动风门运行、电动阀运行、制冷剂回流、热胀冷缩等各种持续时间较短的非稳态噪声。此外，在压缩机、风机不同转速变化时，整机噪声的波动范围也较大。

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来解决声功率级高的问题[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。

通常认为冰箱运行是一个稳态的过程，噪声相对稳定，但是根据长时间运行监测数据来看，冰箱在不同的制冷工况下，整机噪声有较大差异。在冰箱全制冷周期[4]内，不同制冷阶段，同时存在各种持续时间不等的非稳态噪声。通过分析这些引起噪声增加的因素，获取噪声频率分布特征变化，有助于改善整机噪声使用体验。

1 压缩机噪声特征

作为冰箱中最重要的噪声源，除了压缩机本身的噪声，压缩机通过底板、管路等结构将振动传递放大，也会造成整机噪声增加。通常，在仅有压缩机运行的情况下，压缩机在1 200～4 500 rpm转速范围内运行时，冰箱整机噪声通常在32～38 dB(A)范围内。高于此值时，需要对压缩机以及压缩机与箱体底板的匹配情况进行评估。

1.1 压缩机频率特征

压缩机在单机测试中，2 000 Hz以上的高频部分通常是主要噪声源，500～1 600 Hz中频部分为次要噪声源。压缩机在装配连接到冰箱的制冷系统时，由于制冷工况差异，冰箱箱体遮挡等因素的影响，主要噪声源通常集中在中频部分，高频部分变为次要噪声源。

在稳定运行过程中压缩机的频率特征大概分三个区间，低频部分50～160 Hz、中频部分630～1 250 Hz、高频部分1 600～6 000 Hz。其中低频部分以振动噪声为主，包括压缩机本身的基频振动、压缩机与底板、管路、箱体产生的共振放大。改变底板、管路、箱体的模态，优化压缩机脚垫均可以降低低频振动噪声[5]。

中频部分以压缩机吸排气脉动、吸排气阀片噪声为主，中频部分听感明亮，同样声压级大小的情况下，听感更明显。但是从声品质的角度来说，接受度要高于低频及高频噪声异常。

高频部分以压缩机电磁噪声、转子旋转、活塞与汽缸的摩擦噪声为主，高频声音听感较尖锐，该频段噪声突出时，产品需要改进，如图1所示。

1.2 不同制冷工况下单机噪声变化

在不同冷凝温度、不同蒸发温度下，压缩机噪声会在一定范围内变化。根据测试，在冷凝温度保持30 ℃的情况下，蒸发温度从-30 ℃上升到-10 ℃时，噪声增加约6 dB（A），呈现蒸发温度越高，噪声越大的趋势（如图2）。

保持蒸发温度为-30 ℃，冷凝温度从30 ℃上升到55 ℃，噪声增加约2 dB（A），冷凝温度越高，噪声越大。冷凝温度在40 ℃以上，噪声增加不明显（如图3）。

根据测试结果分析，蒸发温度对压缩机噪声变化影响因素更大。

1.3 不同转速单机噪声变化

在同样制冷工况下，压缩机噪声随转速增加而增加，并且噪声变化梯度较大，压缩机转速3 000 rpm以上时噪声增加明显。压缩机从1 200 rpm升至4 500 rpm，压缩机噪声增加10 dB（A）以上（如图4）。

基于压缩机在不同制冷工况下的噪声变化趋势，可以通过优化压缩机转速控制的方式，规避压缩机高转速、高蒸发温度制冷工况的叠加，从而降低降温过程中整机噪声的增加幅度，改善用户使用过程中的噪声体验。使用过程中，通过规则优化规避频繁的压缩机升速，也可以降低使用过程中噪声波动范围。

2 风道系统噪声特征

随着冰箱容积的增加以及双多循环制冷系统在大容积冰箱上的应用，现在风冷冰箱的风机数量普遍在2个以上，部分多循环冰箱有多达4个风机。风道系统噪声已经成为冰箱的主要噪声源，某些制冷工况下，风道系统噪声甚至远高于压缩机噪声。冰箱的风道系统噪声以气动噪声为主，结构振动噪声为辅。从声功率级来说，风道系统噪声通常在32～40 dB（A）范围内。（指冰箱整机测试条件下，仅风扇运行时的冰箱整机噪声）

风冷冰箱的制冷风机目前普遍以离心式风机为主，离心风机单机的气动噪声主要包括旋转噪声、涡流噪声[6]。风机在装配到风道上以后，会在风路循环中产生二次噪声。风机旋转噪声呈分离谱特性，峰值频率与风机旋转频率、叶片数量密切相关。涡流噪声呈连续谱特性，以630 Hz以上的中高频为主。冰箱风道中因空气流道产生的二次噪声一是湍流直接发生，噪声频谱以中高频为主，声功率遵从六次方规律；二是气流激发风道壁面振动而发生，以中低频为主，遵从四次方规律。风机转速较高时以前者为主，转速降低后以后者为主。冰箱风道系统的二次噪声以中低频为主，主要分布在风机周围以外的风路、出风口、蒸发器侧。由于二次噪声等因素的影响，风机噪声低，不等于风道系统噪声小。在风机同等运行转速下，有效循环风量更大的风道产生的二次噪声也更大。

风扇在单机测试时表现较高的630 Hz以上频段噪声在装配冰箱整机后，由于箱体的隔声作用，下降非常明显，但是中低频段噪声下降幅度很小，部分频率段相比单风机甚至有所增加（如图5）。一方面中低频隔声作用有限，另一方面，风机在装配风道后，会产生一部分再生噪声。冰箱风道系统设计中要重点关注200～500 Hz频段的噪声。

冰箱风道系统噪声的改善有两个方向。一是通过风道流路设计优化，提高循环风量，降低风机转速的方式，降低风道系统噪声。二是在转速无法降低的情况下，通过风道结构加强，流道内加减振材料的方式，降低气流对风道结构件的激励，从而降低风道振动。此方案对于降低风机高转速运行时的风道系统噪声非常有效。

3 制冷系统噪声特征

制冷系统噪的产生主要是制冷剂在系统内循环过程中，因为毛细管节流、高低压端压力平衡、蒸发平衡等多种因素导致的噪声异常。除正常的制冷剂流动产生的流水声外，毛细管出口的喷射噪声、以及停机后因制冷剂回流在储液罐内产生的咕噜声是目前制冷系统噪声中较突出的问题。在毛细管出口与蒸发器入口间增加过渡管连接以及在出口处包裹阻尼橡胶是降低制冷剂喷射噪声的有效手段[7]。

3.1 喷射噪声特征

毛细管出口位置处产生的制冷剂喷射噪声在不同制冷工况下，噪声会有较明显差异。

降温过程，制冷剂流量大，喷射噪声明显，随着蒸发温度下降，喷射噪声逐渐降低。

正常的喷射声分布在315～400 Hz频段，如图6所示，在制冷1 h后，毛细管喷射噪声明显降低。

3.2 制冷剂回流声

压缩机停机后由于高低压端压力平衡，蒸发器内的气态制冷剂，沿蒸发器出口进入储液罐[8]，气态制冷剂从液面冒出时，会产出咕噜声。由于其频率分布与冰箱稳定运行时不同，虽然声压级不高，但人耳是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。回流声集中在停机后3～5 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7所示。

4 冰箱降温阶段的噪声特征

在制冷状态没有变化的情况下（指压缩机、风机转速保持不变），冰箱在降温段的声功率级要高于稳定运行段（指箱内温度已经达到相对稳定），降温段由于压缩机噪声、制冷系统噪声等影响，噪声波动范围通常在1～3 dB（A）。从时域上来看，在制冷一个小时内，整机噪声呈现先增加后降低的趋势（如图8）。冰箱首次通电时，制冷系统尚未建立平衡，压缩机运行功率也较低。在制冷10～20 min后，整机噪声达到峰值后，逐渐降低。通常在制冷2 h后，噪声基本稳定，此时噪声与稳定运行噪声已经非常接近。从频率分布特征上来看，降温阶段的噪声增加主要频率是315 Hz，400 Hz，630 Hz，800 Hz，1250 Hz。其中400 Hz频带是毛细管喷射噪声所引起。通过在压缩机旁布置传声器，监测降温过程中，不同频率段的声压级变化趋势，可以确定除400 Hz外的其它频率段的声压级变化，与压缩机关联性强。