冰箱電動閥噪聲改善設計及聲品質評價研究

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

冰箱作為現代家庭的主要家用電器之一，其噪聲水平同制冷、保鮮、節能等特性一樣，越來越受到廣大消費者重視。除了壓縮機運轉噪聲、風機運轉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態噪聲，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態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噪聲（如抽真空電機啟動、自動制冰機運轉、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態噪聲。

通過深入調查研究用戶需求和產品NPS反饋結果發現，隨著冰箱噪聲性能的持續提升，冰箱噪聲研究不再單一追求產品噪聲聲功率標稱值的持續減小，而是開始更多地針對各種非穩態噪聲進行改善設計。李語亭[1]等通過研究冰箱抽屜碰撞噪聲的產生原因，借助降低自鎖彈簧彈性系數和行程、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態振動噪聲問題，提出了減小機芯停機瞬間沖擊能量的優化設計方案，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，開展聲品質評價方法研究，使用神經網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態噪聲進行改善設計研究，并利用聲品質評價技術進行分析驗證。

1 冰箱電動閥工作原理及運轉噪聲

1.1 電動閥應用與工作原理

現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制冷系統[4]，如圖1所示。冰箱中冷藏、冷凍、變溫等多個間室的系統切換和制冷劑流量控制，采用圖1系統中的電動閥來進行動態調節實現。

圖1 多系統冰箱制冷循環示意圖

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，通過內部線圈驅動磁轉子運動，磁轉子再帶動滑塊轉動。利用滑塊上設計的月牙槽來對應打開各個閥口，從而實現進出口管路位置處的流量切換，通過線圈各爪級與磁轉子的吸合力保持工作狀態[5]，其內部結構示意如圖2所示。

圖2 冰箱電動閥內部結構示意圖

冰箱用電動閥具有能耗小、調節控制可靠性高、抗干擾性優異等特點，但實際使用過程中存在一定的振動噪聲問題。在冰箱工作狀態調節及啟停運轉過程中，整個制冷循環系統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，閥體內部滑塊機械運動回歸初始位置）兩種工況下，電動閥會產生比較明顯的振動噪聲表現，這時冰箱噪聲聲功率能夠達到40～42 dB(A)。這種非穩態噪聲問題很容易造成產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，對傳遞路徑進行優化控制也是常用手段，最終的設計又需要從接受者出發，滿足用戶直接要求，確定產品噪聲大小和聲品質水平[6]。由于電動閥內部結構復雜、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現，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，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；

（3）電動閥本體沒有任何隔音降噪設計，內部制冷劑壓力變化和滑塊動作產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，結合現有冰箱電動閥的具體安裝方式，根據切換運轉過程中振動噪聲的產生原理，從以下幾個方向進行優化改善設計：

（1）安裝固定結構的優化，環形固定支架設計、安裝臂尺寸優化等；

（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化組合，并依據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化設計方案的結構對比示意如圖4所示，根據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 電動閥安裝結構優化設計方案

圖4 電動閥初始結構設計與優化方案對比示意圖

3 聲品質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。在現代產品設計開發中，越來越多的行業和廠家開始使用聲品質指標進行噪聲性能評價及改善研究。

聲品質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，國外的聲品質研究應用較為成熟，國內仍處于快速發展階段。從不同行業來看，聲品質指標開發及評價技術在汽車行業中使用較多，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 聲品質評價技術流程

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

圖5 聲品質評價技術研究流程示意圖

3.2 噪聲信號采集及客觀參數計算

電動閥噪聲信號的采集在半消聲室內進行，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；通過采用電動閥運轉控制儀器進行調節，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數據采集系統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，采集布置現場如圖6所示。精確的信號采集是聲品質評價前提，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計算及主觀評價的噪聲時域信號樣本。

圖6 半消聲室內電動閥噪聲信號采集

由于人耳聽覺系統的復雜性，其具有多種心理聲學效應，評價聲品質常用的心理聲學客觀參數有：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）是調制聲音產生的兩個不同感受，調制頻率低于20 Hz，會產生波動強度的聽覺感受，而高于20 Hz的調制頻率，就會產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進行計算對比。

3.3 聲品質主觀評價試驗

電動閥噪聲信號的聲品質主觀評價試驗在專用的聲品質評價室開展，將處理后的聲音信號通過聲品質主觀評價系統進行精確回放，并選擇經過培訓的聽音評價員進行現場試聽評價。聲品質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名評價員進行現場試聽評價，利用相關系數對結果進行分析，去除相關系數低于0.7的數據，最后將有效結果平均，得到各種不同優化方案的主觀聲品質評價得分。

圖7 聲品質評價室和主觀評價模板

4 不同優化方案聲品質評價結果分析

根據組合設計的多種電動閥噪聲改善方案，針對正常切換運轉與零點復位兩種工況下的噪聲信號進行了主客觀聲品質評價，各客觀參數計算結果及主觀評價得分數據如表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)，這嚴重影響產品聲音性能表現。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的計算結果也明顯偏高。經過聲品質主觀評價試驗，在1～10分制的情況下（分數越低越不滿意），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評價結果

表3 電動閥零點復位工況下的主客觀聲品質評價結果

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安裝結構優化和#4安裝材料替換這兩種單一方式優化，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，進一步分析發現，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，其主客觀聲品質評價結果對比曲線如圖8和圖9所示。通過對比分析發現，主觀評價得分與客觀參數中的響度、粗糙度相關性較高，隨著相應客觀參數的減小，主觀評價得分明顯得到提高。但是，客觀參數中的尖銳度、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，需要同時優化響度、粗糙度兩個關鍵參數指標，指導產品開發設計。

圖8 電動閥正常切換工況下的聲品質評價結果對比曲線

圖9 電動閥零點復位工況下的聲品質評價結果對比曲線

對比不同設計方案的主觀評價得分發現，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對應的客觀參數指標中，聲壓級、響度、粗糙度數值也均為最低，主客觀結果表明其為優選設計方案。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化設計方案，開展了基于聲品質技術的評價研究，綜合考慮各個方案的關鍵參數計算結果與主觀評價得分，驗證改善方案有效，并選擇出了最優方案。經過對比分析發現，電動閥的非穩態噪聲改善，需要采用多種方法進行組合設計，僅采用結構優化、隔振設計、材料優化、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態噪聲產生原因，并且針對提出的多種優化改善方案，基于聲品質技術進行了主客觀評價研究，得到結論如下：

（1）冰箱電動閥的非穩態噪聲產生，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化、多級隔振設計、安裝材料優化、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化改善結構設計，進行了聲品質客觀參數計算及主觀評價研究，其中方案#8的組合設計方案，客觀參數改善明顯且主觀評分最高，能夠滿足用戶需求；

（3）根據電動閥的聲品質評價研究發現，其主觀評價結果與聲壓級、響度、粗糙度客觀參數相關性較高；在后續產品開發設計過程中，除聲壓級指標外，需要針對響度、粗糙度進行重點控制改善，提升聲品質性能。