赫家寬 黃寬橢 王曉妮 周 蕾

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

冰箱噪聲包括壓縮機噪聲、風扇噪聲、冷媒流動噪聲以及其他結(jié)構(gòu)輻射的噪聲，在冰箱開發(fā)過程中時常遇到壓縮機高轉(zhuǎn)速運行時，出現(xiàn)轟鳴聲的現(xiàn)象，使人感覺十分壓抑，甚至導(dǎo)致噪聲值超過標準值。冰箱的低頻轟鳴聲噪聲產(chǎn)生原因可能為結(jié)構(gòu)噪聲，也可能為結(jié)構(gòu)與聲腔耦合產(chǎn)生，本文針對某款冰箱的轟鳴聲問題進行分析，從“激勵源-傳遞路徑-響應(yīng)”的分析思路，主要針對激勵源（壓縮機）和傳遞路徑（底板、外殼、內(nèi)壁、空腔）進行測試和分析，研究該轟鳴聲產(chǎn)生原因，并提出整改優(yōu)化方案。

1 冰箱傳遞路徑測試

LMS傳遞路徑分析可以提供系統(tǒng)的解決方案，作為一種全面分析振動噪聲問題的方法，有助于對振動噪聲問題進行故障診斷。傳遞路徑分析法的基本原理為，假設(shè)樣機受m個激勵力作用，每一激勵力都有x、y、z三個方向分量，每一激勵力分量對應(yīng)著n個特定的傳遞路徑，那么這個激勵力分量和對應(yīng)的某個傳遞路徑就產(chǎn)生一個系統(tǒng)響應(yīng)分量。若以冷凍室內(nèi)聲壓作為系統(tǒng)響應(yīng)，在線性系統(tǒng)的假設(shè)基礎(chǔ)上，這個由于壓縮機結(jié)構(gòu)力輸入產(chǎn)生的聲壓可表示為：

式中：

Pmnk—響應(yīng)；

Hmnk(ω)—傳遞函數(shù)；

Fmnk(ω)—激勵力。

如圖1所示，忽略冰箱壓縮機吸氣管和排氣管的影響，只考慮四個膠墊的激勵，即b1～b4，每個激勵點包括三個方向，共12條傳遞路徑。在冷凍室內(nèi)布置麥克風即為目標點。此外還需在底板、外殼、冷凍室內(nèi)壁等處布置加速度傳感器作為指示點，即b5～b24，用于載荷識別。測試b1～b4的振動激勵、b1～b4至冷凍室麥克風的傳遞函數(shù)及麥克風的響應(yīng)等數(shù)據(jù)，進行傳遞路徑分析。

圖1 傳遞路徑測試示意圖

以b2x路徑為例分析其響應(yīng)與激勵和傳遞函數(shù)的關(guān)系，從圖2看出3131 轉(zhuǎn)時的響應(yīng)聲壓較大，該轉(zhuǎn)速下的激勵有明顯的突出峰，但傳遞函數(shù)沒有明顯的峰，所以該轉(zhuǎn)速聲壓較大的原因主要為壓縮機激勵引起。傳遞函數(shù)曲線在24 Hz有明顯的峰，但是響應(yīng)并不大，可見壓縮機激勵為主要因素。

圖2 b2x路徑的激勵-傳遞函數(shù)-響應(yīng)曲線

2 冰箱壓縮機振動與噪聲特性

通過傳遞路徑的分析可知，壓縮機激勵與轟鳴聲有較強關(guān)聯(lián)，為此測試壓縮機的振動特性。壓縮機單體在不同轉(zhuǎn)速下的振動如圖3所示，可看出壓縮機在低轉(zhuǎn)速振動較小，均在0.8 m/s2以下，但是3 000 轉(zhuǎn)以上的高轉(zhuǎn)速下振動顯著增大，最大達到1.2 m/s2。

圖3 壓縮機單體不同轉(zhuǎn)速下振動

對整機上的壓縮機振動頻譜進行測試，如圖4，壓縮機設(shè)定轉(zhuǎn)速為3 840 轉(zhuǎn)，其激勵頻率主要為壓縮機1倍頻，與低頻噪聲頻率一致。且由于為臥式活塞壓縮機，其橫向振動（X/Y）大于豎直（Z）振動。進一步說明低頻轟鳴聲與壓縮機激勵有較大關(guān)聯(lián)。

圖4 壓縮機3 840 轉(zhuǎn)的振動頻譜圖

3 空腔模態(tài)分析

試驗中發(fā)現(xiàn)該轟鳴聲主要由冰箱空腔直接發(fā)出，圖5為轟鳴聲噪聲頻譜圖，所以進一步分析其空腔模態(tài)特性。

圖5 轟鳴聲噪聲頻譜圖

利用ANSYS軟件進行空腔模態(tài)仿真計算，見圖6空腔模態(tài)振型，前6階計算結(jié)果如表1。第一階24.2 Hz，振型為下箱體的振動（此計算結(jié)果與傳遞函數(shù)24 Hz處的峰值相符），其他均在200 Hz以上。轟鳴聲出現(xiàn)的壓縮機頻率范圍為50～70 Hz間，該范圍內(nèi)雖不存在明顯的共振空腔模態(tài)。但根據(jù)模態(tài)疊加原理，聲響應(yīng)將主要以第一階形式波動，若激勵較大，同樣會在冷凍室形成駐波，從而輻射出較大轟鳴聲，試驗現(xiàn)象也體現(xiàn)為冷凍箱噪聲較大，因此，聲腔模態(tài)與該低頻聲有較大相關(guān)性。

圖6 空腔模態(tài)振型

表1 空腔模態(tài)頻率

綜上，冰箱產(chǎn)生轟鳴聲的機理為壓縮機在高頻段（50～70 Hz）產(chǎn)生較大的振動，冰箱壓縮機為活塞往復(fù)式壓縮機，因而徑向振動大，該振動通過壓縮機膠墊、襯套、底板、冰箱外殼等路徑傳遞到箱體內(nèi)部，激勵頻率與空腔第一階模態(tài)最為接近，結(jié)構(gòu)與空腔產(chǎn)生耦合作用，引起聲腔的空氣波動主要呈現(xiàn)該階振型的形式，即冷凍箱內(nèi)產(chǎn)生較大的聲壓，從而產(chǎn)生低頻轟鳴聲。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)轟鳴聲產(chǎn)生機理，該轟鳴聲主要由于壓縮機激勵引起，并通過空腔放大導(dǎo)致轟鳴聲的產(chǎn)生。由于一般冰箱容積大小基本確定，其空腔形狀不易更改，而壓縮機很多為外購，內(nèi)部結(jié)構(gòu)整改難度大，故主要從壓縮機減振方面進行優(yōu)化。

減振膠圈的隔振能力可以用傳遞率衡量，即響應(yīng)幅值與輸入幅值的比值，該傳遞率為頻率比的函數(shù)，忽略阻尼時可用下式表示：

式中：

T—在f下輸入振動的傳遞率；

r——頻率比值，r=f/fn；

f—振動輸入頻率，Hz；

fn—系統(tǒng)固有頻率。

傳遞率公式（2）可用圖7中的曲線表示，輸入振動的隔離在頻率比時開始，高于此頻率后，才起到隔振作用[1]。

圖7 傳遞率曲線

隔振體系的固有振動頻率可用下式表示：

可簡化成

式中：

K—動態(tài)回彈速率，N/mm；

g—質(zhì)量常數(shù)，9 800 mm/s2；

W—體系重量，N。

設(shè)定輸入振動頻率f=50 Hz時的傳遞率目標為T=20 %，這個值等價于80 %的隔離，這個值等價于80 %的隔離，根據(jù)以上公式（2）和公式（4）進行減振膠墊優(yōu)化。

優(yōu)化前后的減振膠墊如圖8所示，有效支撐高度由10 mm改為15 mm，承載面積由506 mm2改為336.8 mm2，上部內(nèi)徑由10 mm改為11 mm。膠墊的下部振動變形較小，因此將膠墊與襯套的配合位置設(shè)計在下部，保證膠墊軸心與螺栓軸心對齊，從而實現(xiàn)徑向定位。上部孔徑及軸向高度與襯套保持一定間隙，防止振動通過襯套傳遞到底板。

圖8 減振膠圈結(jié)構(gòu)圖

減振膠墊結(jié)構(gòu)經(jīng)過優(yōu)化，冰箱高轉(zhuǎn)速下的噪聲得到明顯改善，例如壓縮機3 840 轉(zhuǎn)的噪聲峰值從35 dBA降低為22 dBA，現(xiàn)場體驗轟鳴聲有明顯的降低，見圖9。

圖9 優(yōu)化前后噪音頻譜圖

5 結(jié)論

本文通過傳遞路徑測試手段，對冰箱壓縮機振動傳遞情況進行了分析，并結(jié)合有限元法進行了聲腔模態(tài)仿真計算，研究了冰箱轟鳴聲產(chǎn)生機理，并提出了改進方案，得出了以下幾點：

1）冰箱轟鳴聲主要與壓縮機1倍頻激勵較大有關(guān)，在高轉(zhuǎn)速較為明顯。

2）冰箱內(nèi)部空腔存在低頻模態(tài)，對應(yīng)冷凍室振型，振動激勵較大時容易在冷凍室內(nèi)形成駐波。

3）設(shè)定20 %的傳遞率目標，對壓縮機減振結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，冰箱轟鳴聲可以得到明顯改善。