冰箱聲品質客觀測試分析及采樣點位置選取方法

呂劍喬 張建潤

（東南大學 機械工程學院，江蘇 南京211189）

冰箱作為家電領域重要的產品，其使用過程中產生的噪聲一直是設計人員研究的重點之一，噪聲特性的好壞直接影響消費者對于冰箱的選擇。目前冰箱行業的噪聲評價標準是A 計權聲壓級或者A 計權聲功率級，針對冰箱噪聲的研究也主要為降低其整機聲功率，而在生產實際中發現，聲功率相近的兩種冰箱在消費者調查問卷中呈現出不一樣的評價，因此A 計權聲功率級這一傳統的評價指標已經不能作為評價冰箱聲學特性的唯一指標[1-3]。聲品質作為近年來應用聲學的研究熱點，能夠解決A 計權聲功率在冰箱聲學評價中的局限性問題。聲品質的完整定義由Blauert[4-5]提出：“聲品質是指在特定的技術目標或任務內涵中聲音的適宜性。聲品質定義中的‘聲’并不是指聲波這樣一個物理事件，而是指人耳的聽覺感知，‘品質’是指由人耳對聲音事件的聽覺感知過程，并最終做出的主觀判斷”。聲品質的概念更強調人們對聲音判斷的主觀性。

風冷式電冰箱聲品質研究的意義就是從消費者的實際感覺出發，了解消費者對于冰箱產品的聽覺感受，從而在設計階段改善產品的聲學特性，提高消費者滿意度。

1 評價原理與測試系統

1.1 聲品質客觀評價原理

響度(loudness)表示聲音的能量強度，響度的感覺主要是將被測聲音和標準聲音比較大小，在聲音變化的過程中找到變化關系。心理聲學中經常使用1kHz 的純音來作為標準進行計量。總響度N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soneGF/Bark。

根據與響度定義相似的臨界頻帶定義法，將其他聲品質特性加以定量描述。抖晃度是調制頻率20Hz 以下的聲音感受變化率，粗糙度是高頻帶下調制帶來的聲音感受變化率，聲音頻譜的包絡結構形成的銳感為尖銳度。至此，冰箱的主要聲品質參數與人聽覺聯系到一起。

1.2 測試系統

測試儀器：Head Acoustic 數字人工頭、HEAD 聲品質測量系統。

測試對象：某型號風冷式冰箱。

測試地點：滿足ISO-3745 和GB-6682 的半消聲室。

人工頭的位置位于冰箱的前部面和后部面中間位置向外1000mm 處、人工頭雙耳傳感器的高度為800mm，如圖1 所示。

圖1 Head Acoustic 數字人工頭布置方案

2 聲品質客觀測試結果分析

Head recorder 采集了噪聲信號以后，使用ArtemiS 對采集到的信號進行計算分析，可以得到冰箱聲品質客觀評價所使用的各項心理聲學參量的測量值。測試結果如圖2 所示，心理聲學參量數值如表1 所示。

根據圖表可知，在響度方面，2～4Bark 和8～9Bark 產生了最多的響度特征，相應頻率范圍為100Hz～400Hz 和840～1000Hz；再結合前面噪聲測試結果可知，此范圍內噪聲主要有壓縮機及配管結構聲、冷凝器中冷卻介質在管中的流致噪聲、冷凝器用風扇和冷藏室冷凍室用風扇的氣動噪聲。而且左耳響度水平較大，因此風冷冰箱的噪聲響度主要受壓縮機的影響。

在尖銳度方面，在冰箱測試聲音信號存在明顯的刺耳成分，即存在尖銳度峰值，而且左耳尖銳度水平較大，在整個時域尺度上，左耳尖銳度曲線始終高于右耳尖銳度。根據前面測試結果可知，風冷冰箱左側噪聲主要來源于壓縮機振動輻射噪聲，且在高頻范圍內僅存在壓縮機非線性激發出的噪聲。因此，風冷冰箱的噪聲尖銳度水平主要取決于左側的壓縮機，與理論相符合。

在粗糙度方面，對該風冷冰箱粗糙度值貢獻較大的噪聲頻帶集 中 5～9Bark 峰 值 頻 率 位 于 7.5～9Bark， 對 應 頻 率 為700Hz～1080Hz。主要噪聲源是壓縮機振動、冷凝器內部流致噪聲和風扇氣動噪聲。

臨界頻帶為2～5Bark 的噪聲極大影響了冰箱整機噪聲抖晃度，峰值頻率位于2～3Bark，相應范圍為150Hz～250Hz。根據前面測試結果可知，該范圍內噪聲主要有壓縮機及其電容噪聲、冷凝器工作噪聲以及風冷系統的氣動噪聲。同時發現，在峰值臨界頻帶處左耳抖晃度高于右耳的抖晃度，因此風冷冰箱噪聲的抖晃度受左側壓縮機噪聲影響更多。

圖2 冰箱噪聲信號的評價參數

表1 左右兩耳心理聲學參量數值大小

表2 男性（18～60 歲）立姿眼高

冰箱聲品質測試分析有助于聲學設計人員進一步定位噪聲改善位置，以便于聲品質的改善。

3 采樣點位置選取方法分析

在目前的聲品質試驗中，采樣點往往都以聲強測試為樣本進行選擇，這種選取方式不符合聲品質的評價特點——按照使用者的使用情景進行評價，因此確定采樣點的位置是聲品質評價設計的重要內容。在汽車領域，采集車內噪聲樣本時，通常是在駕駛員靠近窗戶一側位置放置傳聲器來測量耳朵響應，也可使用模擬人工頭聲學測量系統，其分辨率非常高，記錄的聲音基本接近駕駛員在座位處聽到的聲音。

冰箱在使用過程中，使用者的位置隨使用情況的變化而變化，在不同位置的聲學感受也隨之變化。因此，冰箱聲品質樣本的采樣點選擇需要根據具體情況而定。而采樣點位置的選擇，依據人機工程學的原理，根據《GB 10000-1988 中國成年人人體尺寸》中所給出的數據，通過不同使用情況下的人體尺寸來確定采樣點與冰箱的距離。

冰箱按使用過程可分為以下幾種情況：

（1）站姿面對冰箱正面，冰箱門由關閉到打開。這種情況對應于冰箱開門過程；

（2）站姿面對冰箱正面，冰箱門常開。對應于冰箱門開的使用過程；

（3）站姿面對冰箱正面，冰箱門由打開到關閉。對應于冰箱關門過程；

（4）站姿面對/側對冰箱正面，冰箱門常閉。對應于遠離冰箱站姿；

（5）坐姿且方位不限，冰箱門常閉。對應于遠離冰箱坐姿。

GB 10000-1988 中國成年人人體尺寸中給出了不同人體部位高度尺寸，由于眼部和耳部的高度基本相同，故采用眼高尺寸作為采樣點高度尺寸，具體如表2 所示[6]。

由于性別差異，男性和女性在立姿眼高和坐姿眼高方面存在不同，立姿眼高最大差值約為100mm，坐姿眼高最大差值約為50mm。由于個體差異，不同人的立姿眼高和坐姿眼高均不同，最大值與最小值差值約為250mm。

根據以上差異，針對如何選取采樣點高度有以下方法：

（1）選擇系列高度作為采樣高度進行采樣。在主觀評價過程中，根據被調查者的身高，選取不同身高區間的采樣數據進行評價。

（2）通過預先的主觀評價試驗，排除最大差值對于主觀評價結果的影響，從而選擇高度的中位數作為采樣點高度。

同理，采樣點距離冰箱面的距離可通過臂長來確定，由臂長確定的采樣點位置是符合冰箱的聲學使用情景的，在上述位置進行測量，能準確反映出使用者的主觀感受。

4 結論

本文以某型號冰箱壓縮機室為研究對象，將聲品質理論和冰箱聲學問題相結合，對冰箱進行了聲品質測試，得到了該型號冰箱聲品質的特性。試驗主要得到以下結論：

4.1 風冷冰箱的噪聲響度主要受壓縮機的影響；

4.2 噪聲尖銳度水平主要取決于左側的壓縮機；

4.3 粗糙度主要取決于壓縮機結構聲、冷凝器噪聲及風扇旋轉噪聲倍頻；

4.4 抖晃度主要受壓縮機影響。

在測量了冰箱的聲品質客觀參量的同時，提出了一種基于人機工程學的新的采樣點選取方法，以期更符合冰箱的實際聲學使用環境，從而更加貼近聽者的主觀感受。

綜上所述，冰箱將來的聲品質提升措施應主要集中在壓縮機的聲品質優化。試驗設計方法和測試分析方法可有效指導將來的聲品質優化工作，有著獨特的應用價值。