結合聲強測試的風冷式電冰箱聲品質評價

李加威，張建潤，陸 冬，周易達

（東南大學 機械工程學院，南京 211189）

結合聲強測試的風冷式電冰箱聲品質評價

李加威，張建潤，陸 冬，周易達

（東南大學 機械工程學院，南京 211189）

為了快速、準確地了解風冷式電冰箱噪聲的聲品質特性,提出了一種多源噪聲的聲品質測試和分析方法。先通過聲強測試對各個噪聲源進行精確定位、對各個噪聲源噪聲信號的頻率特性進行充分了解；再通過聲品質測試，得到各聲品質參數的特性。最后，結合聲強測試的結果進行聲品質客觀評價。結果表明響度和抖動程度主要受風冷系統和冷凝器的噪聲影響；尖銳度和粗糙度主要受壓縮機噪聲影響。說明在多源噪聲且噪聲頻率復雜的情況下，通過聲強測試有利于準確、快速的判斷出影響聲品質的客觀參量。

聲學；風冷式電冰箱；聲強測試；聲品質

目前對冰箱噪聲的研究焦點大部分集中在傳統的降低A計權聲級，這遠不能客觀反映出人們對其噪聲的確切感受[1-3]。考慮心理聲學參數的聲品質可定義為人類對聲音感受需求的滿足程度，更能準確反映人的主觀感受，即對聲音進行人性化評價[4]。所以對風冷式電冰箱進行聲品質研究可以幫助產品設計者了解消費者偏好、并提升產品性能[5]。聲音品質的改善目標是在低噪聲的基礎上適應消費者的要求，使之變得容易被人接受。

目前，大部分聲品質客觀研究停留在對特定產品聲品質客觀參量的簡單描述，對影響產品聲品質參量特定頻率的噪聲以及其來源的研究不夠深入。在對產品進行聲品質研究前，了解產品噪聲特性很有必要[6]。風冷式電冰箱由于加入了風冷系統，比傳統的直冷式電冰箱具有更多的噪聲源，且部分噪聲在頻段上有重疊，其噪聲為典型的多源噪聲，這為聲品質客觀評價中確認具體頻段內噪聲的來源及貢獻率造成了一定困難。這些問題通過聲強測試可以得到很好的解決,從而提高了聲品質客觀評價的效率和準確性。

1 測試與評價原理

1.1 聲強測試原理

本次聲強測試中采用的是雙傳聲器法求聲強的分布。雙傳聲器法的原理為：設空間某點C的x方向聲強定義為

式中Ix(t)——C點x方向的聲強；

u(t)——C點x方向的空氣質點振動速度；

p(t)——C點的聲壓；

t——時間。

兩傳聲器A和B安裝相距一小段距離Δr，設兩傳聲器的聲學中心的連線方向為x，當聲波沿x方向行進時，所測出的兩個聲壓PA(t)及PB(t)之間存在梯度。

設兩傳聲器聲學中心之間的距離為Δr遠遠小于波長λ，同時，兩傳聲器之間中點的聲壓可以認為是PA(t)及PB(t)的平均值，則x方向的瞬時聲強為：

取其時間平均就可以得到x方向上的聲強。對于隨時間任意變化的信號p(t)和u(t)，可以利用傅里葉變換轉換成頻域中的P(ω)和U(ω)，在經過一定的推導運算就可以得到聲強的頻譜密度[7]

式中ρ為空氣密度，ω為聲波角頻率，G12為互功率譜密度，Im表示取其虛部。

對某測量面上的若干點進行測試，便得到該面的聲強分布圖，進而做出相應分析。

1.2 聲品質客觀評價原理

聲品質客觀評價中，許多評價量是不通用的，而是針對某些特定的噪聲問題[8]。常用的聲品質客觀評價參數有響度、粗糙度、尖銳度、抖晃度等，目前只有響度的計算有相應的標準。臨界頻帶（Bark）是心理聲學中一個基本概念，所有的臨界頻帶連在一起就組成了人耳的聽覺區域,其實質為一種頻率單位，與單位赫茲（Hz）可以相互轉換。

響度是人們對聲音強度的一種感受，單位是sone，它是人們對聲音感知影響最大的一個參量，表示聲音能量的強弱程度。本次測試的數據處理系統使用的是ISO 532中規定的B方法計算響度，由于臨界頻帶對響度計算有很大的影響，因此其在構造響度模型時，將總響度N看成是特征響度N（z）對臨界頻帶的積分，即

其中N(z)為在一個臨界頻帶（Bark）內的特征響度，單位為sone GF/Bark。GF表示響度值是由臨界頻帶聲級計算得來的。在粗糙度和抖動強度里都有類似的算法。

粗糙度和抖動強度兩個參量都是描述聲音信號瞬時變化的快慢給人的感覺，單位分別是asper和vacil，噪聲信號在短時間內的波動會導致兩種不同的感覺，低頻變化時產生抖動感，高頻變化產生粗糙感。粗糙度適用于評價20 Hz～200 Hz調制頻率的聲音，抖動強度用于評價20 Hz調制頻率以下的聲音[9]。

尖銳度是描述高頻成分在總體聲音頻譜中所占比例的心理聲學參量，以acum為單位，它反映了聲音的刺耳程度。

2 測試系統

測試樣機：本測試樣機為某品牌大容量雙開門風冷式電冰箱，樣機在測試前經嚴格檢查，確保處于正常工作狀態。測試狀態參考GB/T 6882-2008選為噪聲最大的冷凍工況。

測試儀器：BEQ II數據采集分析系統、HEAD人工頭數據采集系統、B&K公司PULSE 3560 B聲強測試儀、安裝有相應數據采集分析軟件的IBM筆記本、聲級計及其它儀表等。

測試場地：半消聲室。

3 聲強測試

3.1 測試方法

合理的點陣布置是取得滿意測試結果的基礎，點間距要求小于測試最短波長，由于被測風冷式電冰箱大部分噪聲頻率位于1.5 kHz以下。為保證測試精度以及測試效率，點間距選定為150 mm，網格大小設定為150 mm×150 mm。

測試平面與輻射表面的間距對聲強的測試有較大影響，兩個平面距離要求小于測試最短波長的一半，因此實際測量中選擇距所測平面100 mm為測量面所在位置。

傳聲器之間的距離d不超過最短波長的1/6長度，這樣可保證差分誤差在1 dB以內。根據噪聲分析頻率區間，本次測試中選取10 mm定距柱。

測試平面的面積為1650 mm×900 mm。點陣布置11行×6列，測點總數為66個。如圖1所示。

圖1 聲強測試網格劃分情況示意圖

3.2 測試結果分析

測試前，根據冰箱的工作原理可知其主要噪聲源主要有：電冰箱壓縮機、電冰箱冷凝器、電冰箱風冷風扇。其中壓縮機工作轉速為3 600 r/min、風冷風扇轉速為3 800 r/min。利用PULSE聲強分析軟件對測試所得數據進行分析和處理，可以得到聲強測試測量表面內任意測點及任意中心頻段的聲強分布及聲功率分布。

圖2(a)為電冰箱聲強測試全頻域下聲強分布云圖，從圖中可以清晰的看出測量表面內聲強的分布，可見主要噪聲源分別集中在壓縮機、冷凝器以及風冷風扇和風道處。

圖2(b)為全頻域噪聲聲功率1/3倍頻程A計權分布圖，由圖可見，電冰箱噪聲頻率主要分布在以下幾個頻段，其中心頻率按噪聲從大到小依次為400 Hz、250 Hz、315 Hz、200 Hz和500 Hz，其中250 Hz、400 Hz處噪聲較大。

圖2 聲強測試全頻域結果圖

圖3列出了各個典型中心頻段下噪聲的聲強分布，由于風扇葉片數為4，旋轉噪聲頻率為253 Hz，所以250 Hz頻段的噪聲應該是風扇引起的旋轉噪聲和風道內的氣動噪聲。

圖3 各典型中心頻率的聲強分布圖

中心頻率為400 Hz頻段內的噪聲為主要噪聲，由400 Hz下聲強分布圖可知其來源于壓縮機工作噪聲、冷凝器內冷媒流動噪聲、風道內的氣動噪聲，風道內的氣動噪聲所占比例最大。

由200 Hz頻段下聲強分布圖可知，此時風扇工作區后部的大面積冰箱壁板都在輻射噪聲，這可以說明風扇的振動通過其與壁板的支撐傳遞到了冰箱壁板上，引起了大面積壁板的振動，從而輻射了一定程度的噪聲。由315 Hz中心頻率下聲強分布圖可知，其主要噪聲源是冷凝器內冷媒流動噪聲和風道內的氣動噪聲。其他頻段內的噪聲多為壓縮機工作噪聲。

4 聲品質測試

4.1 測試方法

聲品質測試目前無標準可循，為了結合聲強測試結果對冰箱噪聲進行分析，并參考標準GB/T 6882-2008、IEC 6070-1-2010，將人工頭置于離冰箱中心線1 000 mm、高度900 mm沿左右方向中心處。如圖4所示。

圖4 人工頭位置示意圖

4.2 測試結果分析

通過測試軟件Head recorder完成聲品質信號采集后，經后處理軟件ArtemiS對信號進行計算和處理，可以得到各聲品質參量的數值。

圖5表示了特征響度在各個臨界頻帶內的大小。左耳為靠近壓縮機一側，響度值為3.79 sone GF；右耳為靠近風冷風扇及冷凝器一側，響度值為3.82 sone GF。

圖5 特征響度曲線

對響度值貢獻最大的噪聲的頻率位于2 Bark～3 Bark，結合聲強測試結果分析可知：此范圍主要包括風道內的氣動噪聲、冷凝器內冷媒流動噪聲、冰箱壁板結構振動噪聲。且在整個臨界頻段上右耳處響度值大于左耳處，可知風冷式電冰箱的響度主要受影響于風冷系統和冷凝器的噪聲。

圖6為尖銳度的時域信號，人工頭左耳的尖銳度一直大于右耳，值分別為2.05 acum和1.75 acum。

圖6 尖銳度時域曲線

結合聲強測試可知：電冰箱左邊噪聲主要是壓縮機噪聲，且在高頻頻段內只有壓縮機的噪聲。這說明風冷式電冰箱的尖銳度值主要由靠近左耳邊的壓縮機噪聲提供。

圖7為特征粗糙度在各個臨界頻帶內的大小。右耳粗糙度值為0.914 asper，左耳粗糙度值為0.907 asper。

圖7 特征粗糙度曲線

可見8 Bark～13 Bark內的噪聲對粗糙度的貢獻較大，峰值出現在10 Bark～11 Bark，結合聲強測試可知：此頻段內噪聲對應壓縮機工作噪聲和一部分風扇旋轉噪聲倍頻，但是主要由壓縮機工作噪聲提供。

圖8為特征抖動強度在各個臨界頻帶內的大小。右耳抖動度為0.005 21 vacil，左耳抖動度為0.004 93 vacil。

圖8 特征抖動強度曲線

可見2 Bark～5 Bark內的噪聲對抖動強度的影響最大，峰值出現在2 Bark～3 Bark，由聲強測試結果可知：此頻段內噪聲主要包括風道內的氣動噪聲以及冷凝器內冷媒流動噪聲。

5 結語

針對風冷式電冰箱等具有諸多噪聲源且各噪聲源在頻率上有重疊的產品，先對其進行聲強測試，確定各個噪聲源位置及其噪聲頻率特性，了解同一頻段噪聲下個噪聲源的貢獻率大小，為風冷式電冰箱聲品質的客觀評價提供數據基礎。避免了在多噪聲源情況下單純只做聲品質測試導致的某個特定頻段噪聲來源不明、同一頻段噪聲中各噪聲源貢獻大小不明的情況，可以快速、準確的完成多噪聲源情況下的聲品質客觀評價。并且使后期對噪聲和聲品質的優化更具針對性。

[1]張明鐸.A計權聲級在噪聲測量和評價中的不足[J].聲學技術，1995：4l-42.

[2]陳雙籍，陳端石.基于心理聲學參數的車內聲品質偏好性評價[J].噪聲與振動控制，2005，25（3）.

[3]鄧江華.汽車車門關閉聲聲品質客觀評價[J].噪聲與振動控制，2011，31（5）.

[4]申珅.噪聲聲品質客觀評價分析系統的研究與開發[D].長春：吉林大學，2007.18-21.

[5]James J.Sound quality testing and analysis of multiple brands of sewing machines[C].International Design Engineering Technical Conference,2005:51-58.

[6]In Hyung Yang.Sound quality evaluation for the vehicle HVAC system after active noise control[C].International Mechanical Engineering Congress and Exposition,2008: 603-607.

[7]王佐民.噪聲與振動測量[M].北京：科學出版社，2009，64-65.

[8]孫強.基于人工神經網絡的汽車聲音品質評價與應用研究[D].吉林：吉林大學，2010.20-24.

[9]E.Zwicker and H.Fastl.Psychoacoustics,facts and models [M].Berlin:Springer,1999.

Sound-quality Objective Evaluation ofAir-cooled Refrigerators Using Sound Intensity Testing

LI Jia-wei,ZHANG Jian-run,LU Dong,ZHOU Yi-da
（School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 211189,China）

To quickly and accurately learn the sound quality characteristics of air-cooled refrigerators,a new test and analysis method for sound quality evaluation of multi-sources noise was proposed.Firstly,the accurate localization of the noise sources was performed through sound intensity testing to fully understand the frequency characteristics of the noise sources.Then,through sound quality testing,the characteristics of the sound quality parameters were obtained.Finally,the sound quality of the products was evaluated by combining the sound quality testing result with the sound intensity testing result.The results show that the loudness and fluctuation of the refrigerator noise are mainly affected by the noise of the air cooling system and the condenser;the sharpness and roughness of the noise are mainly affected by the compressor noise.It implies that under the condition of multi-source noise and the complicated frequency combination of the noise signal,sound intensity testing is very helpful to quickly and accurately identify the noise sources and contribution of the specific frequency-band noises which affect the sound quality objective parameters.

acoustics;air-cooled refrigerator;sound intensity testing;sound quality

TM925.21；V216.5+4

：A

：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.01.038

1006-1355(2015)01-0187-04+203

2014－04－24

東南大學水聲信號處理教育部重點實驗室開放基金（UASP1301）

李加威（1989－），男，江蘇宿遷人，碩士；研究方向：結構動態分析與控制。

張建潤（1962－），男，江蘇鎮江人，教授，博士生導師；研究方向：結構動態分析與控制。E-mail:ljwseu@163.com