冰箱電動閥噪聲改善設計及聲品質(zhì)評價研究

丁龍輝 張海鵬 孫敬龍 潘毅廣

海信家電集團股份有限公司 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者重視。除了壓縮機運轉(zhuǎn)噪聲、風機運轉(zhuǎn)噪聲及制冷劑流動噪聲之外，許多關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行噪聲（如電動閥、電磁閥、繼電器、風門等）；（2）多功能模塊的啟停運轉(zhuǎn)噪聲（如抽真空電機啟動、自動制冰機運轉(zhuǎn)、加濕模塊工作等）；（3）冰箱各個結構配合部件的開合動作噪聲（如門體開關、抽屜推拉等）；（4）風機、壓縮機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)噪聲進行改善設計。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]等針對冰箱壓縮機停機瞬間的非穩(wěn)態(tài)振動噪聲問題，提出了減小機芯停機瞬間沖擊能量的優(yōu)化設計方案，并進行實驗研究。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)評價方法研究，使用神經(jīng)網(wǎng)絡模型對樣本進行訓練預測，并通過實驗證明方案可行性。本文針對冰箱電動閥非穩(wěn)態(tài)噪聲進行改善設計研究，并利用聲品質(zhì)評價技術進行分析驗證。

1 冰箱電動閥工作原理及運轉(zhuǎn)噪聲

1.1 電動閥應用與工作原理

現(xiàn)有的大容積多功能冰箱系列繁多、控制模式多樣。因為分類明確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)中的電動閥來進行動態(tài)調(diào)節(jié)實現(xiàn)。

圖1 多系統(tǒng)冰箱制冷循環(huán)示意圖

電動閥的基本工作原理是按照預設的程序控制步進電機運轉(zhuǎn)，通過內(nèi)部線圈驅(qū)動磁轉(zhuǎn)子運動，磁轉(zhuǎn)子再帶動滑塊轉(zhuǎn)動。利用滑塊上設計的月牙槽來對應打開各個閥口，從而實現(xiàn)進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)部結構示意如圖2所示。

圖2 冰箱電動閥內(nèi)部結構示意圖

冰箱用電動閥具有能耗小、調(diào)節(jié)控制可靠性高、抗干擾性優(yōu)異等特點，但實際使用過程中存在一定的振動噪聲問題。在冰箱工作狀態(tài)調(diào)節(jié)及啟停運轉(zhuǎn)過程中，整個制冷循環(huán)系統(tǒng)的壓力和流量急劇變化，電動閥起到直接控制作用。其中，在正常切換和零點復位（每隔固定時間會進行一次復位動作，閥體內(nèi)部滑塊機械運動回歸初始位置）兩種工況下，電動閥會產(chǎn)生比較明顯的振動噪聲表現(xiàn)，這時冰箱噪聲聲功率能夠達到40～42 dB(A)。這種非穩(wěn)態(tài)噪聲問題很容易造成產(chǎn)品主觀聲音體驗較差，甚至會引起用戶投訴。

1.2 安裝結構及運轉(zhuǎn)噪聲

冰箱電動閥一般的結構設計及安裝固定方式如圖3所示。電動閥下部進出管路與制冷系統(tǒng)相連，控制各間室自動切換；電動閥閥體下部設計為不銹鋼固定支架，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 電動閥安裝連接及固定結構設計

在振動噪聲領域的“源—路徑—接受者”模型中，對源頭進行噪聲控制是最根本和有效的方法，對傳遞路徑進行優(yōu)化控制也是常用手段，最終的設計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]。由于電動閥內(nèi)部結構復雜、空間狹小且部件較多，不能有效地從源頭上進行減振降噪設計，所以本文從傳遞路徑方面開展控制改善研究。

通過分析電動閥連接固定結構發(fā)現(xiàn)，初始設計僅從工藝安裝與管路連接方面考慮，未進行任何減振降噪控制，目前的方案存在以下問題：

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

（2）電動閥和冰箱箱體的連接和固定需要通過較長的安裝臂來實現(xiàn)，使用螺釘固定后成為懸臂結構，這種安裝設計方式進一步加大了電動閥的振動效果，容易將振動傳遞到冰箱箱體上，造成整機的異常振動噪聲表現(xiàn)；

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

2 電動閥噪聲改善設計方案

從噪聲控制的實際問題入手，結合現(xiàn)有冰箱電動閥的具體安裝方式，根據(jù)切換運轉(zhuǎn)過程中振動噪聲的產(chǎn)生原理，從以下幾個方向進行優(yōu)化改善設計：

（1）安裝固定結構的優(yōu)化，環(huán)形固定支架設計、安裝臂尺寸優(yōu)化等；

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

（3）安裝結構材料替換，安裝臂及固定支架的材料采用樹脂或尼龍進行替換，并重新設計其厚度；

（4）外部吸隔音包裹設計，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。

將以上多種設計方案進行優(yōu)化組合，并依據(jù)實際安裝應用情況進行匹配設計，得到如表1所示的8種改善方案。初始設計與其中一種優(yōu)化設計方案的結構對比示意如圖4所示，根據(jù)各種不同方案進行了安裝結構的樣件制作，開展噪聲性能測試對比驗證。

表1 電動閥安裝結構優(yōu)化設計方案

圖4 電動閥初始結構設計與優(yōu)化方案對比示意圖

3 聲品質(zhì)評價技術原理與應用

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

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)指標開發(fā)及評價技術在汽車行業(yè)中使用較多，是NVH設計中的關鍵目標；國外一些家電廠家也進行過前期研究，國內(nèi)從近幾年逐漸開始相關的應用探索及標準制定工作。

3.1 聲品質(zhì)評價技術流程

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

圖5 聲品質(zhì)評價技術研究流程示意圖

3.2 噪聲信號采集及客觀參數(shù)計算

電動閥噪聲信號的采集在半消聲室內(nèi)進行，將不同改善設計方案的電動閥樣件安裝固定于同一臺冰箱整機上，其他各種噪聲源部件均為關閉狀態(tài)；通過采用電動閥運轉(zhuǎn)控制儀器進行調(diào)節(jié)，控制電動閥單獨進行工作。針對正常切換和零點復位兩種工況，使用LMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行信號的實時采集。麥克風傳聲器布置于距離冰箱背部電動閥安裝位置正前方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)評價前提，為保證聲音信號的準確性，每種方案分別進行3組噪聲信號采集，然后進行預先回放試聽和截取處理，最終得到適用于客觀參數(shù)計算及主觀評價的噪聲時域信號樣本。

圖6 半消聲室內(nèi)電動閥噪聲信號采集

由于人耳聽覺系統(tǒng)的復雜性，其具有多種心理聲學效應，評價聲品質(zhì)常用的心理聲學客觀參數(shù)有：響度、尖銳度、粗糙度、波動度等。聲音的強弱叫做響度（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）和波動度（Fluctuation）是調(diào)制聲音產(chǎn)生的兩個不同感受，調(diào)制頻率低于20 Hz，會產(chǎn)生波動強度的聽覺感受，而高于20 Hz的調(diào)制頻率，就會產(chǎn)生粗糙度的聽覺感受。針對采集處理后的電動閥噪聲信號，采用聲壓級及以上四種參數(shù)進行計算對比。

3.3 聲品質(zhì)主觀評價試驗

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

圖7 聲品質(zhì)評價室和主觀評價模板

4 不同優(yōu)化方案聲品質(zhì)評價結果分析

根據(jù)組合設計的多種電動閥噪聲改善方案，針對正常切換運轉(zhuǎn)與零點復位兩種工況下的噪聲信號進行了主客觀聲品質(zhì)評價，各客觀參數(shù)計算結果及主觀評價得分數(shù)據(jù)如表2和表3所示。從表中結果分析可知，電動閥在正常切換和零點復位兩種工況下，方案#7對應的初始結構設計聲壓級最大，分別達到了48.29 dB(A)和49.70 dB(A)，這嚴重影響產(chǎn)品聲音性能表現(xiàn)。同時，初始結構設計方案的響度、粗糙度、波動度三個客觀參數(shù)的計算結果也明顯偏高。經(jīng)過聲品質(zhì)主觀評價試驗，在1～10分制的情況下（分數(shù)越低越不滿意），平均得分分別僅為2.633分與2.567分，此評價結果對應描述為“令人不安和非常反感的”聲音體驗。

表2 電動閥正常切換工況下的主客觀聲品質(zhì)評價結果

表3 電動閥零點復位工況下的主客觀聲品質(zhì)評價結果

如果僅分析聲壓級這個評價指標，相比初始結構所有電動閥改善設計方案的聲壓級均有降低。其中，方案#1安裝結構優(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多種組合方式的結構設計，其聲壓級均有明顯改善，減小到40 dB(A)左右。但是，進一步分析發(fā)現(xiàn)，例如#2對應的設計方案，雖然聲壓級指標有明顯下降，但主觀評價得分沒有改善，這是因為其他心理聲學指標并未同步降低，需要綜合多個指標進行分析研究。

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

圖8 電動閥正常切換工況下的聲品質(zhì)評價結果對比曲線

圖9 電動閥零點復位工況下的聲品質(zhì)評價結果對比曲線

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

以上針對電動閥各種不同優(yōu)化設計方案，開展了基于聲品質(zhì)技術的評價研究，綜合考慮各個方案的關鍵參數(shù)計算結果與主觀評價得分，驗證改善方案有效，并選擇出了最優(yōu)方案。經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，電動閥的非穩(wěn)態(tài)噪聲改善，需要采用多種方法進行組合設計，僅采用結構優(yōu)化、隔振設計、材料優(yōu)化、外部吸音等任何單一控制手段，都不能達到在兩種運行工況下有效提升電動閥聲品質(zhì)性能的目的。

5 結論

本文通過分析冰箱電動閥的工作原理及安裝結構設計，研究了電動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)技術進行了主客觀評價研究，得到結論如下：

（1）冰箱電動閥的非穩(wěn)態(tài)噪聲產(chǎn)生，是由于初始結構缺乏減振降噪設計，通過電動閥安裝結構優(yōu)化、多級隔振設計、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）針對提出的電動閥各種優(yōu)化改善結構設計，進行了聲品質(zhì)客觀參數(shù)計算及主觀評價研究，其中方案#8的組合設計方案，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)電動閥的聲品質(zhì)評價研究發(fā)現(xiàn)，其主觀評價結果與聲壓級、響度、粗糙度客觀參數(shù)相關性較高；在后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)設計過程中，除聲壓級指標外，需要針對響度、粗糙度進行重點控制改善，提升聲品質(zhì)性能。