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1、引言

隨著生活水平的日益提高，人們對于冰箱的噪音水平要求也越來越高，冰箱產品的噪音水平越來越成為衡量產品性能的關鍵指標。

冰箱噪音的主要激勵源為機械室、風機、制冷管路系統等，其中冰箱機械室包括壓縮機、橡膠墊、底板、冷凝器、吸排氣管等，冰箱壓縮機[1]通過吸排氣為制冷循環提供能量輸入，是冰箱機械室的主要振源，壓縮機的振動通過吸排氣管路、腳墊底板、冷媒等路徑傳遞到箱體上，產生噪聲輻射。冰箱機械室的振動、噪音水平，直接決定了冰箱噪音表現。本文以某款冰箱機械室共振問題的噪音改善為例，綜合運用仿真分析、實驗對標等方法，成功解決了冰箱低頻噪音大的問題，為冰箱機械室共振等問題的解決提供了方案。

2、機械室共振噪音問題分析

冰箱機械室共振噪音問題，是冰箱固體噪音的主要來源之一，且冰箱機械室共振噪音問題常表現為箱體及附件的“嗡嗡聲”，用戶體驗較差。

機械室共振主要激勵源為壓縮機，壓縮機通過橡膠墊安裝在壓縮機安裝板上，壓縮機上部通過吸氣、排氣管路與冰箱箱體相連，如圖1所示。

圖1 機械室部件裝配圖

壓縮機內部電機的簡諧運動帶動曲柄連桿結構，產生簡諧激勵，通過振動傳遞及內部聲場輻射激勵傳遞到壓機殼體[2]，產生振動輻射噪音。壓縮機殼體振動激勵主要通過兩條路徑傳遞到箱體上：（1）壓縮機—腳墊—底板—箱體，壓縮機殼體振動通過金屬支架傳遞到橡膠墊上，橡膠墊與底板通過螺釘相連，底板將振動傳遞到箱體上；（2）壓縮機—管路—箱體，壓縮機殼體振動通過金屬管路傳遞到箱體上，產生箱體噪音輻射。

簡化壓縮機的連接狀態，將壓縮機殼體振動作為主要研究對象，簡化壓機殼體與箱體的管路連接結構，通過剛度、阻尼等效原理，簡化為壓縮機殼體振動的等效剛度、阻尼，又考慮到壓縮機殼體與橡膠墊及底板的強連接，壓縮機殼體的振動可簡化為X、Y、Z三個方向的單自由度系統振動，如圖2所示。

圖2 壓縮機Z方向單自由度系統振動

其中Z方向單自由度系統振動的剛度K、阻尼C，為Z方向上壓縮機橡膠墊及管路系統的等效剛度及等效阻尼。同理可得，壓縮機X、Y方向單自由度系統振動等效剛度及等效阻尼，分別建立壓縮機X、Y、Z三個方向等效振動系統。

由結構動力學相關理論可得，Z方向有阻尼單自由度系統簡諧振動方程為：

其中：m為壓縮機質量；c，k為壓縮機振動系統Z方向等效阻尼系數及等效剛度系數；F為壓縮機內簡諧激勵力幅值；p為壓縮機內簡諧激勵力頻率。

則壓縮機振動系統Z方向壓縮機殼體振動幅值為：

其中：

c為壓縮機等效阻尼系數，k為壓縮機等效剛度系數。

由上式可知，冰箱機械室壓縮機Z方向的振動狀態，與壓縮機Z方向的等效固有頻率直接相關，在ν=1兩側附件為共振區，ηd較大，共振現象明顯，在遠離共振區的地方，ηd較小，共振現象較弱。

但是壓縮機Z方向等效固有頻率，由壓縮機Z方向等剛度系數、等效阻尼系數共同決定，其中的等效剛度與管路空間結構、橡膠墊材質結構、底板材質結構有關，等效阻尼與橡膠墊材質結構、底板材質結構等有關，相關影響因素較多。

3、機械室共振問題仿真分析

下面以我司某款冰箱的機械室結構仿真分析優化為例，具體說明機械室共振問題的解決方法。

我司某款冰箱在實際使用中出現噪音較大問題，通過掃頻實驗，在壓縮機不同工作頻率下測量冰箱機械室噪音頻譜，發現各工作頻率下冰箱整體低頻噪音較大，且在51Hz等頻率下冰箱噪音存在突變，51Hz工作頻率下冰箱噪音1/3倍頻程測試結果如圖3所示。

圖3 51Hz冰箱噪音1/3倍頻程頻譜圖

從噪音頻譜可得，在51Hz工作頻率下冰箱基頻噪音偏大，具體集中在50Hz、200Hz等頻段，冰箱機械室存在明顯共振現象。運用仿真分析方法，分析冰箱機械室共振問題，考慮冰箱機械室部件相關裝配條件，建立冰箱機械室振動有限元分析模型。

壓縮機底板采用殼單元，單元大小為2mm，單元類型S4R，網格總數為58928個，滾輪采用六面體單元，單元類型為C3D8R，網格總數為5488個，接水盤采用殼單元，網格大小為2mm，單元類型為S4R，網格總數為28640個，管路系統采用殼單元，單元大小為1mm，單元類型S4R，網格總數為29057個，壓縮機殼體采用殼單元，單元大小為3mm，單元類型S4R，網格總數為10268個，橡膠墊采用四面體單元，單元大小為1mm，單元類型C3D4，網格總數為138236個。

簡化壓縮機內部結構，在壓縮機重心位置施加質量點配重，簡化連接問題，在壓縮機、配管、底板、腳墊等位置使用rib2剛接，考慮橡膠墊材料阻尼等參數影響，根據相關實驗采用瑞雷阻尼模型建立橡膠墊阻尼耗散模型[3]，在壓縮機底板滾輪位置、底板與側壁連接位置及管路與箱體連接位置，施加固定約束，如圖4所示。

圖4 冰箱機械室有限元分析模型

可得現有結構冰箱機械室固有頻率及陣型分析結果如圖5所示。

圖5 機械室模態分析結果

機械室固有頻率與壓縮機工作頻率51Hz、63Hz十分接近，現有機械室結構存在共振風險。

4、機械室共振問題仿真優化

根據上述分析結果可得，機械室壓縮機X、Z方向固有頻率存在明顯共振問題，為降低冰箱低頻共振噪音，進行冰箱機械室共振問題仿真優化。

考慮到冰箱機械室固頻與管路空間結構、橡膠墊材質結構、底板材質結構等關鍵因素密切相關，綜合考慮安裝工藝、方案可行性等，結合上述關鍵因素提出冰箱機械室共振問題改善優化方案[4]，見表1所列。

根據機械室部件改善方案計算結果可以得到：

（1）優化管路結構，改善管路X、Y、Z三方向的剛度，對機械室固頻影響較大，其中X方向固頻降低6.6Hz，Z方向固頻降低1.5Hz，改善效果明顯；

（2）優化底板結構，底板加厚25%，對機械室固頻影響較大，其中X方向固頻增高1.9Hz，Z方向固頻增加4.6Hz，改善效果明顯；

（3）優化底板材質，底板板材彈性模量增加50%，對機械室固頻影響較大，其中X方向固頻增加3.7Hz，Z方向固頻增加7.0Hz，改善效果明顯；

（4）優化橡膠墊結構，考慮到現有橡膠墊為高阻尼丁基橡膠墊，橡膠墊材料優化空間較小，優化橡膠墊結構，對機械室固頻影響較小，其中X方向固頻降低0.5Hz，Z方向固頻降低0.3Hz，改善效果較弱。

5、實驗驗證

根據機械室部件共振問題仿真優化結果可以得到，針對現有機械室共振問題，機械室管路結構、底板結構、底板材質影響較大，改善效果明顯，橡膠墊結構影響較小，改善效果較弱。綜合考慮方案2、方案3材料成本提升較多，初步確定采用方案1，制作相關手板樣件進行實驗驗證。優化結構1各頻率整體噪音水平存在不同程度降低，51Hz工作頻率下冰箱噪音1/3倍頻程實驗結果如圖6所示。

圖6 改善結構51Hz冰箱噪音1/3倍頻程頻譜圖

從改善后結構峰值噪音頻譜圖（圖6）可以得到：

（1）優化結構1對于100Hz以下低頻改善效果較好，部分單峰下降幅度較大；

（2）優化結構1對于250Hz左右中低頻存在改善效果，部分單峰稍有下降，但效果相對較差；

（3）優化結構1對于500Hz以上中高頻改善效果較差，機械室振動部件優化對中高頻噪音優化效果差。

6、結論

本文針對冰箱機械室共振問題，詳細說明了機械室共振問題的振動模型、振動影響因素，并以我司某款冰箱機械室共振問題為例，建立了冰箱機械室振動分析的有限元模型，結合相關振動影響因素，利用有限元模型進行了方案優選，并最終驗證了改善方案的可行性，詳細說明了冰箱機械室共振問題的解決思路，為冰箱機械室共振問題的解決提供了一套完善的分析、優化及解決思路。

參考文獻

[1] 韓海曉，何志龍等. 全封閉冰箱壓縮機噪聲控制研究綜述[J]. 流體機械，2012, 40(1): 35-40.

[2] 郭維，劉斌，馮濤，章藝. 冰箱壓縮機機殼實驗模態分析[J]. 噪聲與振動控制，2010, 30(3): 67-70.

[3] 朱武，李超. 隔震橡膠塊兩種模型的有限元比較分析[J]. 青島科技大學學報（自然科學版），2011, 32(1): 72-75.

[4] 崔光照，徐蘇生. 電冰箱的管路噪聲與降噪[J]. 日用電器，1995(4): 1-2.