呂劍喬 張建潤(rùn)

（東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京211189）

冰箱作為家電領(lǐng)域重要的產(chǎn)品，其使用過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲一直是設(shè)計(jì)人員研究的重點(diǎn)之一，噪聲特性的好壞直接影響消費(fèi)者對(duì)于冰箱的選擇。目前冰箱行業(yè)的噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是A 計(jì)權(quán)聲壓級(jí)或者A 計(jì)權(quán)聲功率級(jí)，針對(duì)冰箱噪聲的研究也主要為降低其整機(jī)聲功率，而在生產(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，聲功率相近的兩種冰箱在消費(fèi)者調(diào)查問(wèn)卷中呈現(xiàn)出不一樣的評(píng)價(jià)，因此A 計(jì)權(quán)聲功率級(jí)這一傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)已經(jīng)不能作為評(píng)價(jià)冰箱聲學(xué)特性的唯一指標(biāo)[1-3]。聲品質(zhì)作為近年來(lái)應(yīng)用聲學(xué)的研究熱點(diǎn)，能夠解決A 計(jì)權(quán)聲功率在冰箱聲學(xué)評(píng)價(jià)中的局限性問(wèn)題。聲品質(zhì)的完整定義由Blauert[4-5]提出：“聲品質(zhì)是指在特定的技術(shù)目標(biāo)或任務(wù)內(nèi)涵中聲音的適宜性。聲品質(zhì)定義中的‘聲’并不是指聲波這樣一個(gè)物理事件，而是指人耳的聽(tīng)覺(jué)感知，‘品質(zhì)’是指由人耳對(duì)聲音事件的聽(tīng)覺(jué)感知過(guò)程，并最終做出的主觀判斷”。聲品質(zhì)的概念更強(qiáng)調(diào)人們對(duì)聲音判斷的主觀性。

風(fēng)冷式電冰箱聲品質(zhì)研究的意義就是從消費(fèi)者的實(shí)際感覺(jué)出發(fā)，了解消費(fèi)者對(duì)于冰箱產(chǎn)品的聽(tīng)覺(jué)感受，從而在設(shè)計(jì)階段改善產(chǎn)品的聲學(xué)特性，提高消費(fèi)者滿意度。

1 評(píng)價(jià)原理與測(cè)試系統(tǒng)

1.1 聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)原理

響度(loudness)表示聲音的能量強(qiáng)度，響度的感覺(jué)主要是將被測(cè)聲音和標(biāo)準(zhǔn)聲音比較大小，在聲音變化的過(guò)程中找到變化關(guān)系。心理聲學(xué)中經(jīng)常使用1kHz 的純音來(lái)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)量?？傢懚萅是特征響度N（z）對(duì)臨界頻帶的積分，即:

其中N(z)為在一個(gè)臨界頻帶（Bark）內(nèi)的特征響度，單位為soneGF/Bark。

根據(jù)與響度定義相似的臨界頻帶定義法，將其他聲品質(zhì)特性加以定量描述。抖晃度是調(diào)制頻率20Hz 以下的聲音感受變化率，粗糙度是高頻帶下調(diào)制帶來(lái)的聲音感受變化率，聲音頻譜的包絡(luò)結(jié)構(gòu)形成的銳感為尖銳度。至此，冰箱的主要聲品質(zhì)參數(shù)與人聽(tīng)覺(jué)聯(lián)系到一起。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試儀器：Head Acoustic 數(shù)字人工頭、HEAD 聲品質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)。

測(cè)試對(duì)象：某型號(hào)風(fēng)冷式冰箱。

測(cè)試地點(diǎn)：滿足ISO-3745 和GB-6682 的半消聲室。

人工頭的位置位于冰箱的前部面和后部面中間位置向外1000mm 處、人工頭雙耳傳感器的高度為800mm，如圖1 所示。

圖1 Head Acoustic 數(shù)字人工頭布置方案

2 聲品質(zhì)客觀測(cè)試結(jié)果分析

Head recorder 采集了噪聲信號(hào)以后，使用ArtemiS 對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，可以得到冰箱聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)所使用的各項(xiàng)心理聲學(xué)參量的測(cè)量值。測(cè)試結(jié)果如圖2 所示，心理聲學(xué)參量數(shù)值如表1 所示。

根據(jù)圖表可知，在響度方面，2～4Bark 和8～9Bark 產(chǎn)生了最多的響度特征，相應(yīng)頻率范圍為100Hz～400Hz 和840～1000Hz；再結(jié)合前面噪聲測(cè)試結(jié)果可知，此范圍內(nèi)噪聲主要有壓縮機(jī)及配管結(jié)構(gòu)聲、冷凝器中冷卻介質(zhì)在管中的流致噪聲、冷凝器用風(fēng)扇和冷藏室冷凍室用風(fēng)扇的氣動(dòng)噪聲。而且左耳響度水平較大，因此風(fēng)冷冰箱的噪聲響度主要受壓縮機(jī)的影響。

在尖銳度方面，在冰箱測(cè)試聲音信號(hào)存在明顯的刺耳成分，即存在尖銳度峰值，而且左耳尖銳度水平較大，在整個(gè)時(shí)域尺度上，左耳尖銳度曲線始終高于右耳尖銳度。根據(jù)前面測(cè)試結(jié)果可知，風(fēng)冷冰箱左側(cè)噪聲主要來(lái)源于壓縮機(jī)振動(dòng)輻射噪聲，且在高頻范圍內(nèi)僅存在壓縮機(jī)非線性激發(fā)出的噪聲。因此，風(fēng)冷冰箱的噪聲尖銳度水平主要取決于左側(cè)的壓縮機(jī)，與理論相符合。

在粗糙度方面，對(duì)該風(fēng)冷冰箱粗糙度值貢獻(xiàn)較大的噪聲頻帶集 中 5～9Bark 峰 值 頻 率 位 于 7.5～9Bark， 對(duì) 應(yīng) 頻 率 為700Hz～1080Hz。主要噪聲源是壓縮機(jī)振動(dòng)、冷凝器內(nèi)部流致噪聲和風(fēng)扇氣動(dòng)噪聲。

臨界頻帶為2～5Bark 的噪聲極大影響了冰箱整機(jī)噪聲抖晃度，峰值頻率位于2～3Bark，相應(yīng)范圍為150Hz～250Hz。根據(jù)前面測(cè)試結(jié)果可知，該范圍內(nèi)噪聲主要有壓縮機(jī)及其電容噪聲、冷凝器工作噪聲以及風(fēng)冷系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在峰值臨界頻帶處左耳抖晃度高于右耳的抖晃度，因此風(fēng)冷冰箱噪聲的抖晃度受左側(cè)壓縮機(jī)噪聲影響更多。

圖2 冰箱噪聲信號(hào)的評(píng)價(jià)參數(shù)

表1 左右兩耳心理聲學(xué)參量數(shù)值大小

表2 男性（18～60 歲）立姿眼高

冰箱聲品質(zhì)測(cè)試分析有助于聲學(xué)設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步定位噪聲改善位置，以便于聲品質(zhì)的改善。

3 采樣點(diǎn)位置選取方法分析

在目前的聲品質(zhì)試驗(yàn)中，采樣點(diǎn)往往都以聲強(qiáng)測(cè)試為樣本進(jìn)行選擇，這種選取方式不符合聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)特點(diǎn)——按照使用者的使用情景進(jìn)行評(píng)價(jià)，因此確定采樣點(diǎn)的位置是聲品質(zhì)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在汽車領(lǐng)域，采集車內(nèi)噪聲樣本時(shí)，通常是在駕駛員靠近窗戶一側(cè)位置放置傳聲器來(lái)測(cè)量耳朵響應(yīng)，也可使用模擬人工頭聲學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，其分辨率非常高，記錄的聲音基本接近駕駛員在座位處聽(tīng)到的聲音。

冰箱在使用過(guò)程中，使用者的位置隨使用情況的變化而變化，在不同位置的聲學(xué)感受也隨之變化。因此，冰箱聲品質(zhì)樣本的采樣點(diǎn)選擇需要根據(jù)具體情況而定。而采樣點(diǎn)位置的選擇，依據(jù)人機(jī)工程學(xué)的原理，根據(jù)《GB 10000-1988 中國(guó)成年人人體尺寸》中所給出的數(shù)據(jù)，通過(guò)不同使用情況下的人體尺寸來(lái)確定采樣點(diǎn)與冰箱的距離。

冰箱按使用過(guò)程可分為以下幾種情況：

（1）站姿面對(duì)冰箱正面，冰箱門由關(guān)閉到打開(kāi)。這種情況對(duì)應(yīng)于冰箱開(kāi)門過(guò)程；

（2）站姿面對(duì)冰箱正面，冰箱門常開(kāi)。對(duì)應(yīng)于冰箱門開(kāi)的使用過(guò)程；

（3）站姿面對(duì)冰箱正面，冰箱門由打開(kāi)到關(guān)閉。對(duì)應(yīng)于冰箱關(guān)門過(guò)程；

（4）站姿面對(duì)/側(cè)對(duì)冰箱正面，冰箱門常閉。對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)離冰箱站姿；

（5）坐姿且方位不限，冰箱門常閉。對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)離冰箱坐姿。

GB 10000-1988 中國(guó)成年人人體尺寸中給出了不同人體部位高度尺寸，由于眼部和耳部的高度基本相同，故采用眼高尺寸作為采樣點(diǎn)高度尺寸，具體如表2 所示[6]。

由于性別差異，男性和女性在立姿眼高和坐姿眼高方面存在不同，立姿眼高最大差值約為100mm，坐姿眼高最大差值約為50mm。由于個(gè)體差異，不同人的立姿眼高和坐姿眼高均不同，最大值與最小值差值約為250mm。

根據(jù)以上差異，針對(duì)如何選取采樣點(diǎn)高度有以下方法：

（1）選擇系列高度作為采樣高度進(jìn)行采樣。在主觀評(píng)價(jià)過(guò)程中，根據(jù)被調(diào)查者的身高，選取不同身高區(qū)間的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

（2）通過(guò)預(yù)先的主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，排除最大差值對(duì)于主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，從而選擇高度的中位數(shù)作為采樣點(diǎn)高度。

同理，采樣點(diǎn)距離冰箱面的距離可通過(guò)臂長(zhǎng)來(lái)確定，由臂長(zhǎng)確定的采樣點(diǎn)位置是符合冰箱的聲學(xué)使用情景的，在上述位置進(jìn)行測(cè)量，能準(zhǔn)確反映出使用者的主觀感受。

4 結(jié)論

本文以某型號(hào)冰箱壓縮機(jī)室為研究對(duì)象，將聲品質(zhì)理論和冰箱聲學(xué)問(wèn)題相結(jié)合，對(duì)冰箱進(jìn)行了聲品質(zhì)測(cè)試，得到了該型號(hào)冰箱聲品質(zhì)的特性。試驗(yàn)主要得到以下結(jié)論：

4.1 風(fēng)冷冰箱的噪聲響度主要受壓縮機(jī)的影響；

4.2 噪聲尖銳度水平主要取決于左側(cè)的壓縮機(jī)；

4.3 粗糙度主要取決于壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)聲、冷凝器噪聲及風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪聲倍頻；

4.4 抖晃度主要受壓縮機(jī)影響。

在測(cè)量了冰箱的聲品質(zhì)客觀參量的同時(shí)，提出了一種基于人機(jī)工程學(xué)的新的采樣點(diǎn)選取方法，以期更符合冰箱的實(shí)際聲學(xué)使用環(huán)境，從而更加貼近聽(tīng)者的主觀感受。

綜上所述，冰箱將來(lái)的聲品質(zhì)提升措施應(yīng)主要集中在壓縮機(jī)的聲品質(zhì)優(yōu)化。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和測(cè)試分析方法可有效指導(dǎo)將來(lái)的聲品質(zhì)優(yōu)化工作，有著獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。