丁龍輝 張海鵬 孫敬龍 潘毅廣

海信家電集團(tuán)股份有限公司 山東青島 266000

0 引言

冰箱作為現(xiàn)代家庭的主要家用電器之一，其噪聲水平同制冷、保鮮、節(jié)能等特性一樣，越來越受到廣大消費(fèi)者重視。除了壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲及制冷劑流動(dòng)噪聲之外，許多關(guān)鍵零部件工作切換過程中的非穩(wěn)態(tài)噪聲，也成為影響用戶使用體驗(yàn)的重要因素。大容積多功能冰箱的非穩(wěn)態(tài)噪聲可以分為以下幾種類型：（1）各種電器零部件的切換運(yùn)行噪聲（如電動(dòng)閥、電磁閥、繼電器、風(fēng)門等）；（2）多功能模塊的啟停運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲（如抽真空電機(jī)啟動(dòng)、自動(dòng)制冰機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、加濕模塊工作等）；（3）冰箱各個(gè)結(jié)構(gòu)配合部件的開合動(dòng)作噪聲（如門體開關(guān)、抽屜推拉等）；（4）風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等瞬間啟停和變速階段的非穩(wěn)態(tài)噪聲。

通過深入調(diào)查研究用戶需求和產(chǎn)品NPS反饋結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著冰箱噪聲性能的持續(xù)提升，冰箱噪聲研究不再單一追求產(chǎn)品噪聲聲功率標(biāo)稱值的持續(xù)減小，而是開始更多地針對各種非穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行改善設(shè)計(jì)。李語亭[1]等通過研究冰箱抽屜碰撞噪聲的產(chǎn)生原因，借助降低自鎖彈簧彈性系數(shù)和行程、增大滑軌摩擦、改變門封材料等手段，降低了冰箱抽屜碰撞噪聲。張海鵬[2]等針對冰箱壓縮機(jī)停機(jī)瞬間的非穩(wěn)態(tài)振動(dòng)噪聲問題，提出了減小機(jī)芯停機(jī)瞬間沖擊能量的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。江俊[3]等利用采集得到的冰箱開門噪聲信號，開展聲品質(zhì)評價(jià)方法研究，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對樣本進(jìn)行訓(xùn)練預(yù)測，并通過實(shí)驗(yàn)證明方案可行性。本文針對冰箱電動(dòng)閥非穩(wěn)態(tài)噪聲進(jìn)行改善設(shè)計(jì)研究，并利用聲品質(zhì)評價(jià)技術(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1 冰箱電動(dòng)閥工作原理及運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲

1.1 電動(dòng)閥應(yīng)用與工作原理

現(xiàn)有的大容積多功能冰箱系列繁多、控制模式多樣。因?yàn)榉诸惷鞔_的各間室具有不同的制冷溫度需求，所以普遍采用能夠自動(dòng)切換的多循環(huán)制冷系統(tǒng)[4]，如圖1所示。冰箱中冷藏、冷凍、變溫等多個(gè)間室的系統(tǒng)切換和制冷劑流量控制，采用圖1系統(tǒng)中的電動(dòng)閥來進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

圖1 多系統(tǒng)冰箱制冷循環(huán)示意圖

電動(dòng)閥的基本工作原理是按照預(yù)設(shè)的程序控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，通過內(nèi)部線圈驅(qū)動(dòng)磁轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，磁轉(zhuǎn)子再帶動(dòng)滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)。利用滑塊上設(shè)計(jì)的月牙槽來對應(yīng)打開各個(gè)閥口，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)出口管路位置處的流量切換，通過線圈各爪級與磁轉(zhuǎn)子的吸合力保持工作狀態(tài)[5]，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 冰箱電動(dòng)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

冰箱用電動(dòng)閥具有能耗小、調(diào)節(jié)控制可靠性高、抗干擾性優(yōu)異等特點(diǎn)，但實(shí)際使用過程中存在一定的振動(dòng)噪聲問題。在冰箱工作狀態(tài)調(diào)節(jié)及啟停運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，整個(gè)制冷循環(huán)系統(tǒng)的壓力和流量急劇變化，電動(dòng)閥起到直接控制作用。其中，在正常切換和零點(diǎn)復(fù)位（每隔固定時(shí)間會(huì)進(jìn)行一次復(fù)位動(dòng)作，閥體內(nèi)部滑塊機(jī)械運(yùn)動(dòng)回歸初始位置）兩種工況下，電動(dòng)閥會(huì)產(chǎn)生比較明顯的振動(dòng)噪聲表現(xiàn)，這時(shí)冰箱噪聲聲功率能夠達(dá)到40～42 dB(A)。這種非穩(wěn)態(tài)噪聲問題很容易造成產(chǎn)品主觀聲音體驗(yàn)較差，甚至?xí)鹩脩敉对V。

1.2 安裝結(jié)構(gòu)及運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲

冰箱電動(dòng)閥一般的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝固定方式如圖3所示。電動(dòng)閥下部進(jìn)出管路與制冷系統(tǒng)相連，控制各間室自動(dòng)切換；電動(dòng)閥閥體下部設(shè)計(jì)為不銹鋼固定支架，然后其外伸折彎部分通過金屬釘鉚接于安裝臂上；安裝臂上部為一體式固定端，其上預(yù)留有小孔，最后通過螺釘安裝固定到冰箱后背板上。

圖3 電動(dòng)閥安裝連接及固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在振動(dòng)噪聲領(lǐng)域的“源—路徑—接受者”模型中，對源頭進(jìn)行噪聲控制是最根本和有效的方法，對傳遞路徑進(jìn)行優(yōu)化控制也是常用手段，最終的設(shè)計(jì)又需要從接受者出發(fā)，滿足用戶直接要求，確定產(chǎn)品噪聲大小和聲品質(zhì)水平[6]。由于電動(dòng)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間狹小且部件較多，不能有效地從源頭上進(jìn)行減振降噪設(shè)計(jì)，所以本文從傳遞路徑方面開展控制改善研究。

通過分析電動(dòng)閥連接固定結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，初始設(shè)計(jì)僅從工藝安裝與管路連接方面考慮，未進(jìn)行任何減振降噪控制，目前的方案存在以下問題：

（1）電動(dòng)閥本體及其各附屬連接結(jié)構(gòu)均為不銹鋼材料，金屬鉚接和螺釘固定均為硬性接觸，對于振動(dòng)傳遞缺少控制和削弱效果，容易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲問題；

（2）電動(dòng)閥和冰箱箱體的連接和固定需要通過較長的安裝臂來實(shí)現(xiàn)，使用螺釘固定后成為懸臂結(jié)構(gòu)，這種安裝設(shè)計(jì)方式進(jìn)一步加大了電動(dòng)閥的振動(dòng)效果，容易將振動(dòng)傳遞到冰箱箱體上，造成整機(jī)的異常振動(dòng)噪聲表現(xiàn)；

（3）電動(dòng)閥本體沒有任何隔音降噪設(shè)計(jì)，內(nèi)部制冷劑壓力變化和滑塊動(dòng)作產(chǎn)生的較大噪聲直接向外傳遞，容易引起用戶噪聲投訴。

2 電動(dòng)閥噪聲改善設(shè)計(jì)方案

從噪聲控制的實(shí)際問題入手，結(jié)合現(xiàn)有冰箱電動(dòng)閥的具體安裝方式，根據(jù)切換運(yùn)轉(zhuǎn)過程中振動(dòng)噪聲的產(chǎn)生原理，從以下幾個(gè)方向進(jìn)行優(yōu)化改善設(shè)計(jì)：

（1）安裝固定結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，環(huán)形固定支架設(shè)計(jì)、安裝臂尺寸優(yōu)化等；

（2）連接位置處的隔振設(shè)計(jì)，原有硬性接觸連接的固定支架和閥體之間的隔振設(shè)計(jì)、閥體和冰箱連接固定位置的隔振設(shè)計(jì)等；

（3）安裝結(jié)構(gòu)材料替換，安裝臂及固定支架的材料采用樹脂或尼龍進(jìn)行替換，并重新設(shè)計(jì)其厚度；

（4）外部吸隔音包裹設(shè)計(jì)，采用吸隔音材料制作一體成型的柔性外殼，與固定支架配合可以完全包裹閥體，有效減弱噪聲向外輻射傳遞。

將以上多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化組合，并依據(jù)實(shí)際安裝應(yīng)用情況進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)，得到如表1所示的8種改善方案。初始設(shè)計(jì)與其中一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)對比示意如圖4所示，根據(jù)各種不同方案進(jìn)行了安裝結(jié)構(gòu)的樣件制作，開展噪聲性能測試對比驗(yàn)證。

表1 電動(dòng)閥安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

圖4 電動(dòng)閥初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案對比示意圖

3 聲品質(zhì)評價(jià)技術(shù)原理與應(yīng)用

針對裝配于冰箱整機(jī)上的電動(dòng)閥部件，目前還沒有明確的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行噪聲性能評價(jià)。冰箱整機(jī)及部分零部件主要采用計(jì)權(quán)聲壓級、聲功率等客觀指標(biāo)，但這些指標(biāo)不能全面反映人耳的主觀聲音感受。對于不同頻率、不同強(qiáng)度的聲音信號，人耳有著極其復(fù)雜的感受，僅使用單一指標(biāo)不能夠準(zhǔn)確描述用戶感受。在現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中，越來越多的行業(yè)和廠家開始使用聲品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行噪聲性能評價(jià)及改善研究。

聲品質(zhì)是指由人耳對于聲音的聽覺感知過程，并最終做出的主觀判斷。目前，國外的聲品質(zhì)研究應(yīng)用較為成熟，國內(nèi)仍處于快速發(fā)展階段。從不同行業(yè)來看，聲品質(zhì)指標(biāo)開發(fā)及評價(jià)技術(shù)在汽車行業(yè)中使用較多，是NVH設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵目標(biāo)；國外一些家電廠家也進(jìn)行過前期研究，國內(nèi)從近幾年逐漸開始相關(guān)的應(yīng)用探索及標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

3.1 聲品質(zhì)評價(jià)技術(shù)流程

聲品質(zhì)評價(jià)技術(shù)，即通過一系列主客觀聲品質(zhì)分析評價(jià)手段，綜合多個(gè)客觀參量與主觀評價(jià)結(jié)果形成映射關(guān)系，用以代表產(chǎn)品聲學(xué)特征的評價(jià)方法。針對特定型號產(chǎn)品和部件的聲學(xué)特征，其能穩(wěn)定、精確地定義所評估產(chǎn)品的某個(gè)聲音表現(xiàn)，反映用戶主觀聲音感受。聲品質(zhì)評價(jià)技術(shù)的研究流程如圖5所示：主要包括聲音信號采集、客觀心理聲學(xué)參數(shù)計(jì)算、主觀聲品質(zhì)評價(jià)試驗(yàn)、主客觀結(jié)果分析驗(yàn)證等幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

圖5 聲品質(zhì)評價(jià)技術(shù)研究流程示意圖

3.2 噪聲信號采集及客觀參數(shù)計(jì)算

電動(dòng)閥噪聲信號的采集在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，將不同改善設(shè)計(jì)方案的電動(dòng)閥樣件安裝固定于同一臺(tái)冰箱整機(jī)上，其他各種噪聲源部件均為關(guān)閉狀態(tài)；通過采用電動(dòng)閥運(yùn)轉(zhuǎn)控制儀器進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制電動(dòng)閥單獨(dú)進(jìn)行工作。針對正常切換和零點(diǎn)復(fù)位兩種工況，使用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行信號的實(shí)時(shí)采集。麥克風(fēng)傳聲器布置于距離冰箱背部電動(dòng)閥安裝位置正前方0.3 m處，采集布置現(xiàn)場如圖6所示。精確的信號采集是聲品質(zhì)評價(jià)前提，為保證聲音信號的準(zhǔn)確性，每種方案分別進(jìn)行3組噪聲信號采集，然后進(jìn)行預(yù)先回放試聽和截取處理，最終得到適用于客觀參數(shù)計(jì)算及主觀評價(jià)的噪聲時(shí)域信號樣本。

圖6 半消聲室內(nèi)電動(dòng)閥噪聲信號采集

由于人耳聽覺系統(tǒng)的復(fù)雜性，其具有多種心理聲學(xué)效應(yīng)，評價(jià)聲品質(zhì)常用的心理聲學(xué)客觀參數(shù)有：響度、尖銳度、粗糙度、波動(dòng)度等。聲音的強(qiáng)弱叫做響度（Loudness），響度描述聲音的響亮程度，表示人耳對聲音的主觀感受；尖銳度（Sharpness）描述聲音品質(zhì)評價(jià)中的音色特征，對比不同聲音的尖銳程度，是高頻能量與總能量之對比；粗糙度（Roughness）和波動(dòng)度（Fluctuation）是調(diào)制聲音產(chǎn)生的兩個(gè)不同感受，調(diào)制頻率低于20 Hz，會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)強(qiáng)度的聽覺感受，而高于20 Hz的調(diào)制頻率，就會(huì)產(chǎn)生粗糙度的聽覺感受。針對采集處理后的電動(dòng)閥噪聲信號，采用聲壓級及以上四種參數(shù)進(jìn)行計(jì)算對比。

3.3 聲品質(zhì)主觀評價(jià)試驗(yàn)

電動(dòng)閥噪聲信號的聲品質(zhì)主觀評價(jià)試驗(yàn)在專用的聲品質(zhì)評價(jià)室開展，將處理后的聲音信號通過聲品質(zhì)主觀評價(jià)系統(tǒng)進(jìn)行精確回放，并選擇經(jīng)過培訓(xùn)的聽音評價(jià)員進(jìn)行現(xiàn)場試聽評價(jià)。聲品質(zhì)主觀評價(jià)的方法主要有：等級評分法、成對比較法、語意細(xì)分法等。本文選擇等級評分法劃分為10個(gè)等級評價(jià)尺度，使用LMS Test. Lab中的Jury Testing模塊建立電動(dòng)閥的聲品質(zhì)主觀評價(jià)模板，具體試驗(yàn)實(shí)施過程如圖7所示。試驗(yàn)選擇28名評價(jià)員進(jìn)行現(xiàn)場試聽評價(jià)，利用相關(guān)系數(shù)對結(jié)果進(jìn)行分析，去除相關(guān)系數(shù)低于0.7的數(shù)據(jù)，最后將有效結(jié)果平均，得到各種不同優(yōu)化方案的主觀聲品質(zhì)評價(jià)得分。

圖7 聲品質(zhì)評價(jià)室和主觀評價(jià)模板

4 不同優(yōu)化方案聲品質(zhì)評價(jià)結(jié)果分析

根據(jù)組合設(shè)計(jì)的多種電動(dòng)閥噪聲改善方案，針對正常切換運(yùn)轉(zhuǎn)與零點(diǎn)復(fù)位兩種工況下的噪聲信號進(jìn)行了主客觀聲品質(zhì)評價(jià)，各客觀參數(shù)計(jì)算結(jié)果及主觀評價(jià)得分?jǐn)?shù)據(jù)如表2和表3所示。從表中結(jié)果分析可知，電動(dòng)閥在正常切換和零點(diǎn)復(fù)位兩種工況下，方案#7對應(yīng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)聲壓級最大，分別達(dá)到了48.29 dB(A)和49.70 dB(A)，這嚴(yán)重影響產(chǎn)品聲音性能表現(xiàn)。同時(shí)，初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的響度、粗糙度、波動(dòng)度三個(gè)客觀參數(shù)的計(jì)算結(jié)果也明顯偏高。經(jīng)過聲品質(zhì)主觀評價(jià)試驗(yàn)，在1～10分制的情況下（分?jǐn)?shù)越低越不滿意），平均得分分別僅為2.633分與2.567分，此評價(jià)結(jié)果對應(yīng)描述為“令人不安和非常反感的”聲音體驗(yàn)。

表2 電動(dòng)閥正常切換工況下的主客觀聲品質(zhì)評價(jià)結(jié)果

表3 電動(dòng)閥零點(diǎn)復(fù)位工況下的主客觀聲品質(zhì)評價(jià)結(jié)果

如果僅分析聲壓級這個(gè)評價(jià)指標(biāo)，相比初始結(jié)構(gòu)所有電動(dòng)閥改善設(shè)計(jì)方案的聲壓級均有降低。其中，方案#1安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化和#4安裝材料替換這兩種單一方式優(yōu)化，聲壓級減小較少；方案#5、#6、#8多種組合方式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其聲壓級均有明顯改善，減小到40 dB(A)左右。但是，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，例如#2對應(yīng)的設(shè)計(jì)方案，雖然聲壓級指標(biāo)有明顯下降，但主觀評價(jià)得分沒有改善，這是因?yàn)槠渌睦砺晫W(xué)指標(biāo)并未同步降低，需要綜合多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析研究。

電動(dòng)閥兩種工況下的不同改善設(shè)計(jì)方案，其主客觀聲品質(zhì)評價(jià)結(jié)果對比曲線如圖8和圖9所示。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，主觀評價(jià)得分與客觀參數(shù)中的響度、粗糙度相關(guān)性較高，隨著相應(yīng)客觀參數(shù)的減小，主觀評價(jià)得分明顯得到提高。但是，客觀參數(shù)中的尖銳度、波動(dòng)度與主觀評價(jià)結(jié)果相關(guān)性較低，并且對比不同設(shè)計(jì)方案下的尖銳度和波動(dòng)度，大小基本沒有發(fā)生變化。在電動(dòng)閥噪聲改善研究過程中，在保證聲壓級降低的情況下，需要同時(shí)優(yōu)化響度、粗糙度兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，指導(dǎo)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)。

圖8 電動(dòng)閥正常切換工況下的聲品質(zhì)評價(jià)結(jié)果對比曲線

圖9 電動(dòng)閥零點(diǎn)復(fù)位工況下的聲品質(zhì)評價(jià)結(jié)果對比曲線

對比不同設(shè)計(jì)方案的主觀評價(jià)得分發(fā)現(xiàn)，相比初始設(shè)計(jì)，各改善方案的得分均有所提高。其中，方案#8對應(yīng)的多種優(yōu)化方式組合設(shè)計(jì)，在電動(dòng)閥正常切換工況下得分達(dá)到了8.000分，主觀評價(jià)描述為“很好的聲音體驗(yàn)”；在電動(dòng)閥零點(diǎn)復(fù)位工況下的主觀評價(jià)得分也達(dá)到了6.567分，對應(yīng)描述為“可以接受的聲音體驗(yàn)”。方案#8對應(yīng)的客觀參數(shù)指標(biāo)中，聲壓級、響度、粗糙度數(shù)值也均為最低，主客觀結(jié)果表明其為優(yōu)選設(shè)計(jì)方案。方案#5和#6的主客觀評價(jià)結(jié)果也相對較好，可以結(jié)合實(shí)際安裝情況及成本作為備選方案。

以上針對電動(dòng)閥各種不同優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，開展了基于聲品質(zhì)技術(shù)的評價(jià)研究，綜合考慮各個(gè)方案的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算結(jié)果與主觀評價(jià)得分，驗(yàn)證改善方案有效，并選擇出了最優(yōu)方案。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)閥的非穩(wěn)態(tài)噪聲改善，需要采用多種方法進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，僅采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、隔振設(shè)計(jì)、材料優(yōu)化、外部吸音等任何單一控制手段，都不能達(dá)到在兩種運(yùn)行工況下有效提升電動(dòng)閥聲品質(zhì)性能的目的。

5 結(jié)論

本文通過分析冰箱電動(dòng)閥的工作原理及安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究了電動(dòng)閥工作過程中的非穩(wěn)態(tài)噪聲產(chǎn)生原因，并且針對提出的多種優(yōu)化改善方案，基于聲品質(zhì)技術(shù)進(jìn)行了主客觀評價(jià)研究，得到結(jié)論如下：

（1）冰箱電動(dòng)閥的非穩(wěn)態(tài)噪聲產(chǎn)生，是由于初始結(jié)構(gòu)缺乏減振降噪設(shè)計(jì)，通過電動(dòng)閥安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多級隔振設(shè)計(jì)、安裝材料優(yōu)化、外部吸隔音包裹等多種控制手段，可以有效解決噪聲問題；

（2）針對提出的電動(dòng)閥各種優(yōu)化改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了聲品質(zhì)客觀參數(shù)計(jì)算及主觀評價(jià)研究，其中方案#8的組合設(shè)計(jì)方案，客觀參數(shù)改善明顯且主觀評分最高，能夠滿足用戶需求；

（3）根據(jù)電動(dòng)閥的聲品質(zhì)評價(jià)研究發(fā)現(xiàn)，其主觀評價(jià)結(jié)果與聲壓級、響度、粗糙度客觀參數(shù)相關(guān)性較高；在后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，除聲壓級指標(biāo)外，需要針對響度、粗糙度進(jìn)行重點(diǎn)控制改善，提升聲品質(zhì)性能。