1、引言

随着生活水平的日益提高，人们对于冰箱的噪音水平要求也越来越高，冰箱产品的噪音水平越来越成为衡量产品性能的关键指标。

冰箱噪音的主要激励源为机械室、风机、制冷管路系统等，其中冰箱机械室包括压缩机、橡胶垫、底板、冷凝器、吸排气管等，冰箱压缩机[1]通过吸排气为制冷循环提供能量输入，是冰箱机械室的主要振源，压缩机的振动通过吸排气管路、脚垫底板、冷媒等路径传递到箱体上，产生噪声辐射。冰箱机械室的振动、噪音水平，直接决定了冰箱噪音表现。本文以某款冰箱机械室共振问题的噪音改善为例，综合运用仿真分析、实验对标等方法，成功解决了冰箱低频噪音大的问题，为冰箱机械室共振等问题的解决提供了方案。

2、机械室共振噪音问题分析

冰箱机械室共振噪音问题，是冰箱固体噪音的主要来源之一，且冰箱机械室共振噪音问题常表现为箱体及附件的“嗡嗡声”，用户体验较差。

机械室共振主要激励源为压缩机，压缩机通过橡胶垫安装在压缩机安装板上，压缩机上部通过吸气、排气管路与冰箱箱体相连，如图1所示。

图1 机械室部件装配图

压缩机内部电机的简谐运动带动曲柄连杆结构，产生简谐激励，通过振动传递及内部声场辐射激励传递到压机壳体[2]，产生振动辐射噪音。压缩机壳体振动激励主要通过两条路径传递到箱体上：（1）压缩机—脚垫—底板—箱体，压缩机壳体振动通过金属支架传递到橡胶垫上，橡胶垫与底板通过螺钉相连，底板将振动传递到箱体上；（2）压缩机—管路—箱体，压缩机壳体振动通过金属管路传递到箱体上，产生箱体噪音辐射。

简化压缩机的连接状态，将压缩机壳体振动作为主要研究对象，简化压机壳体与箱体的管路连接结构，通过刚度、阻尼等效原理，简化为压缩机壳体振动的等效刚度、阻尼，又考虑到压缩机壳体与橡胶垫及底板的强连接，压缩机壳体的振动可简化为X、Y、Z三个方向的单自由度系统振动，如图2所示。

图2 压缩机Z方向单自由度系统振动

其中Z方向单自由度系统振动的刚度K、阻尼C，为Z方向上压缩机橡胶垫及管路系统的等效刚度及等效阻尼。同理可得，压缩机X、Y方向单自由度系统振动等效刚度及等效阻尼，分别建立压缩机X、Y、Z三个方向等效振动系统。

由结构动力学相关理论可得，Z方向有阻尼单自由度系统简谐振动方程为：

其中：m为压缩机质量；c，k为压缩机振动系统Z方向等效阻尼系数及等效刚度系数；F为压缩机内简谐激励力幅值；p为压缩机内简谐激励力频率。

则压缩机振动系统Z方向压缩机壳体振动幅值为：

其中：

c为压缩机等效阻尼系数，k为压缩机等效刚度系数。

由上式可知，冰箱机械室压缩机Z方向的振动状态，与压缩机Z方向的等效固有频率直接相关，在ν=1两侧附件为共振区，ηd较大，共振现象明显，在远离共振区的地方，ηd较小，共振现象较弱。

但是压缩机Z方向等效固有频率，由压缩机Z方向等刚度系数、等效阻尼系数共同决定，其中的等效刚度与管路空间结构、橡胶垫材质结构、底板材质结构有关，等效阻尼与橡胶垫材质结构、底板材质结构等有关，相关影响因素较多。

3、机械室共振问题仿真分析

下面以我司某款冰箱的机械室结构仿真分析优化为例，具体说明机械室共振问题的解决方法。

我司某款冰箱在实际使用中出现噪音较大问题，通过扫频实验，在压缩机不同工作频率下测量冰箱机械室噪音频谱，发现各工作频率下冰箱整体低频噪音较大，且在51Hz等频率下冰箱噪音存在突变，51Hz工作频率下冰箱噪音1/3倍频程测试结果如图3所示。

图3 51Hz冰箱噪音1/3倍频程频谱图

从噪音频谱可得，在51Hz工作频率下冰箱基频噪音偏大，具体集中在50Hz、200Hz等频段，冰箱机械室存在明显共振现象。运用仿真分析方法，分析冰箱机械室共振问题，考虑冰箱机械室部件相关装配条件，建立冰箱机械室振动有限元分析模型。

压缩机底板采用壳单元，单元大小为2mm，单元类型S4R，网格总数为58928个，滚轮采用六面体单元，单元类型为C3D8R，网格总数为5488个，接水盘采用壳单元，网格大小为2mm，单元类型为S4R，网格总数为28640个，管路系统采用壳单元，单元大小为1mm，单元类型S4R，网格总数为29057个，压缩机壳体采用壳单元，单元大小为3mm，单元类型S4R，网格总数为10268个，橡胶垫采用四面体单元，单元大小为1mm，单元类型C3D4，网格总数为138236个。

简化压缩机内部结构，在压缩机重心位置施加质量点配重，简化连接问题，在压缩机、配管、底板、脚垫等位置使用rib2刚接，考虑橡胶垫材料阻尼等参数影响，根据相关实验采用瑞雷阻尼模型建立橡胶垫阻尼耗散模型[3]，在压缩机底板滚轮位置、底板与侧壁连接位置及管路与箱体连接位置，施加固定约束，如图4所示。

图4 冰箱机械室有限元分析模型

可得现有结构冰箱机械室固有频率及阵型分析结果如图5所示。

图5 机械室模态分析结果

机械室固有频率与压缩机工作频率51Hz、63Hz十分接近，现有机械室结构存在共振风险。

4、机械室共振问题仿真优化

根据上述分析结果可得，机械室压缩机X、Z方向固有频率存在明显共振问题，为降低冰箱低频共振噪音，进行冰箱机械室共振问题仿真优化。

考虑到冰箱机械室固频与管路空间结构、橡胶垫材质结构、底板材质结构等关键因素密切相关，综合考虑安装工艺、方案可行性等，结合上述关键因素提出冰箱机械室共振问题改善优化方案[4]，见表1所列。

根据机械室部件改善方案计算结果可以得到：

（1）优化管路结构，改善管路X、Y、Z三方向的刚度，对机械室固频影响较大，其中X方向固频降低6.6Hz，Z方向固频降低1.5Hz，改善效果明显；

（2）优化底板结构，底板加厚25%，对机械室固频影响较大，其中X方向固频增高1.9Hz，Z方向固频增加4.6Hz，改善效果明显；

（3）优化底板材质，底板板材弹性模量增加50%，对机械室固频影响较大，其中X方向固频增加3.7Hz，Z方向固频增加7.0Hz，改善效果明显；

（4）优化橡胶垫结构，考虑到现有橡胶垫为高阻尼丁基橡胶垫，橡胶垫材料优化空间较小，优化橡胶垫结构，对机械室固频影响较小，其中X方向固频降低0.5Hz，Z方向固频降低0.3Hz，改善效果较弱。

5、实验验证

根据机械室部件共振问题仿真优化结果可以得到，针对现有机械室共振问题，机械室管路结构、底板结构、底板材质影响较大，改善效果明显，橡胶垫结构影响较小，改善效果较弱。综合考虑方案2、方案3材料成本提升较多，初步确定采用方案1，制作相关手板样件进行实验验证。优化结构1各频率整体噪音水平存在不同程度降低，51Hz工作频率下冰箱噪音1/3倍频程实验结果如图6所示。

图6 改善结构51Hz冰箱噪音1/3倍频程频谱图

从改善后结构峰值噪音频谱图（图6）可以得到：

（1）优化结构1对于100Hz以下低频改善效果较好，部分单峰下降幅度较大；

（2）优化结构1对于250Hz左右中低频存在改善效果，部分单峰稍有下降，但效果相对较差；

（3）优化结构1对于500Hz以上中高频改善效果较差，机械室振动部件优化对中高频噪音优化效果差。

6、结论

本文针对冰箱机械室共振问题，详细说明了机械室共振问题的振动模型、振动影响因素，并以我司某款冰箱机械室共振问题为例，建立了冰箱机械室振动分析的有限元模型，结合相关振动影响因素，利用有限元模型进行了方案优选，并最终验证了改善方案的可行性，详细说明了冰箱机械室共振问题的解决思路，为冰箱机械室共振问题的解决提供了一套完善的分析、优化及解决思路。

参考文献

[1] 韩海晓，何志龙等. 全封闭冰箱压缩机噪声控制研究综述[J]. 流体机械，2012, 40(1): 35-40.

[2] 郭维，刘斌，冯涛，章艺. 冰箱压缩机机壳实验模态分析[J]. 噪声与振动控制，2010, 30(3): 67-70.

[3] 朱武，李超. 隔震橡胶块两种模型的有限元比较分析[J]. 青岛科技大学学报（自然科学版），2011, 32(1): 72-75.

[4] 崔光照，徐苏生. 电冰箱的管路噪声与降噪[J]. 日用电器，1995(4): 1-2.