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1、引言

隨著消費水平的提高，消費者對冰箱的要求不再僅限于對食物保鮮，而對節能、環保以及噪聲水平的要求也越來越高。壓縮機作為冰箱的主要噪聲源，其噪聲主要以空氣聲的形式通過壓縮機散熱格柵向外輻射，其中的高頻成分大部分被壓縮機散熱格柵隔離，而1500Hz以下的中低頻輻射噪聲成為影響用戶體驗的主要因素。

現在降低壓縮機噪聲的主要方法是在壓縮機上包裹隔音棉[1]，而隔音棉對低頻噪聲的吸收和隔聲效果差，降噪效果非常有限；傳統的結構聲抑制材料為阻尼材料，依靠自身結構隨貼敷背板的振動產生剪切形變耗能，因此其主要抑振作用頻段為中高頻，而對于低頻結構振動的抑制作用則不夠理想[2]；傳統的吸振結構器件主要為動力吸振器[3]，其主要是針對單一頻率的結構振動，但作動器的輸出響應頻率、控制線路的設計以及整體系統長期服役的可靠性等因素成為制約其大面積實際應用的主要障礙，更多是停留在實驗室模型研究階段[4]。為了在有效降低壓縮機噪聲的同時保證產品的可靠性和能效，需要找到一種低頻隔聲效果好同時具有較好散熱性能的隔聲降噪材料。

聲學超材料作為一種新型隔聲材料，其隔聲基于局域共振原理，即當設計頻段的聲波入射到聲學超材料上時，會激勵聲學超材料發生形變，產生局域共振。聲學超材料一半左右的部分產生與聲波相同方向的振動變形，另一半產生與聲波相反方向的振動變形，因此透過聲學超材料的聲波在遠場產生干涉，進而出現正負疊加抵消的現象，實現了隔聲效果。研究基于聲學超材料方案的冰箱低頻降噪技術具有顯著的工程應用價值。

2、隔聲機理分析

為了研究聲學超材料的聲學特性，本文模擬駐波管中的隔聲性能試驗，利用COMSOL建立了聲學超材料有限元仿真模型，如圖1所示，圖中方形圓孔結構即為聲學超材料單元。聲學超材料結構邊緣部分設置為固定約束條件，兩端使用了完全吸收邊界以防止聲波的反射，入射聲源設定為幅值為1Pa的平面波，從管子的一側入射。

圖1 聲學超材料聲學特性仿真邊界條件設置

以主要隔聲頻段在440Hz為例，通過COMSOL仿真，分別作出隔聲峰值左右相鄰頻率（420Hz、460Hz）的聲場聲強分布圖，圖中的箭頭指向和疏密代表聲強的方向和強弱。從云圖可以看出，方形圓孔結構的聲學超材料單元，其通過四周膜的聲場分量和通過中間孔的聲場分量相互干擾，聲波能量傳播呈現出漩渦狀。如圖2所示，420Hz（<440Hz）時聲波能量通過孔向下傳播；如圖3所示，當頻率為460Hz（>440Hz）時，聲波能量透過薄膜向下傳播；在中間頻率（440Hz），這兩部分聲波的相互抵消干擾達到最大，它們疊加形成的總聲場聲功率最小，因而隔聲量最大。

圖2 隔聲峰值頻率左側420Hz頻率處的聲強分布

圖3 隔聲峰值頻率右側460Hz頻率處的聲強分布

3、噪聲源分析及方案設計

壓縮機是冰箱的主要噪聲源，其主要由機械噪聲、氣流脈動噪聲及電磁噪聲構成。機械噪聲是內部往復運動或者旋轉運動部件本身運動的力不平衡、力矩不平衡以及摩擦付之間的摩擦，甚至動作件之間間隙碰撞等導致；氣流脈動噪聲是壓縮機間歇性吸排氣的工作方式導致的；電磁噪聲是由于電機運轉時的徑向交變電磁力激發的噪聲。這三種噪聲和冰箱系統耦合，最終通過結構或聲輻射傳遞出去，表現出復雜的聲源特性。

3.1 噪聲源分析

消聲室中，在距離冰箱的前、后、左、右1m處的四個測點對冰箱進行測試，取其后側測點的噪聲頻譜進行分析，如圖4所示。

圖4 冰箱后面測點噪音頻譜

通過頻域定位，可以看出，630Hz是冰箱最突出的噪聲頻段。為了判斷該頻段噪聲的發聲位置，使用聲學照相機對630Hz噪聲頻段進行聲源定位，其結果顯示，該款冰箱630Hz噪聲頻段主要從冰箱壓機倉位置輻射出來。

3.2 超材料降噪方案設計

超材料典型幾何參數如圖5所示，使用COMSOL仿真軟件，對超材料進行參數設計。將超材料的隔聲峰值頻率設定在600Hz附近，加工駐波管測試樣件如圖6所示。利用駐波管測試，聲學超材料樣件的隔聲量曲線如圖7所示，其隔聲峰值在609Hz，與仿真數據基本一致。

圖5 聲學超材料單元幾何參數

圖6 聲學超材料測試樣件

圖7 聲學超材料隔聲量實驗曲線

3.3 超材料降噪效果驗證

將圖6所示的超材料樣件，加工在原壓機散熱格柵處，如圖8所示。搭載冰箱進行噪音測試，計算冰箱的聲功率，聲學超材料降噪樣機相比原始樣機噪聲改善了3.6 dB(A)。

取冰箱后側測點的噪聲數據，降噪前后頻譜對比如圖9所示，在630Hz頻段降噪6dB以上，頻譜上凸出異常的頻段消失。從人耳主觀聽感判斷，冰箱的異音消失，聽感顯著改善。

圖8 搭載聲學超材料的壓縮機蓋板

圖9 冰箱后面測點頻譜對比

3.4 超材料散熱效果驗證

聲學超材料滿足降噪效果的同時，也需要保證壓機倉有足夠的散熱量，不能對整機能耗產生大的影響。

由于聲學超材料的等效穿孔率低于壓機倉蓋板散熱窗口處的等效穿孔率，為了保證搭載聲學超材料后的壓機倉蓋板與原始蓋板具有相似的散熱性能，將壓機倉蓋板整個后部設計成聲學超材料，如圖8所示，其有效開孔面積為原始格柵開孔面積的95%。

在壓縮機吸排氣管上部、下部，布置4個溫度測點進行對比監控，冰箱搭載聲學超材料后的溫升以及耗電量對比如表1所示。四個測點平均溫度上升1.4℃，整機耗電量惡化1.3%，在可以接受的范圍。

4、結論

本文利用COMSOL仿真軟件對聲學超材料降噪機理進行了分析，并且從冰箱實際降噪的角度出發，首先對冰箱噪聲特性進行了分析，對影響用戶體驗的主要噪聲源進行了頻域定位，輸出630Hz為主要降噪頻段。然后基于聲學照相機對630Hz頻段噪聲進行了空間定位，判斷其主要從壓機倉輻射貢獻。繼而針對壓縮機主要輻射噪聲，通過COMSOL仿真軟件對聲學超材料進行了隔聲量設計，利用駐波管實驗驗證了方案的有效性。最后，將該降噪頻段的聲學超材料搭載冰箱壓機倉蓋板使用，實驗結果表明，630Hz頻段噪聲大幅改善，整機降噪3.6dB，效果顯著有效，且具有良好的通風換熱效果。聲學超材料作為一種新型的隔聲材料，在家電中低頻噪聲改善領域具有重大的工程應用價值。

參考文獻

[1] 黃磊. 吸聲材料與隔聲材料在空調降噪中的應用[D]. 湖南:湖南大學, 2016.

[2] Lee, D.H. Optimal Placement of Constrained-Layer Damping forReduction of Interior Noise[J]. AIAA Journal, 2008. 46(1): 75-83.

[3] Liu, K. and J. Liu. The damped dynamic vibration absorbers: revisitedand new result[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005. 284(3-5): 1181-1189.

[4] Sun, H.L., et al. Application of dynamic vibration absorbers in structuralvibration control under multi-frequency harmonic excitations[J]. AppliedAcoustics, 2008. 69(12): 1361-1367.