1、引言

随着消费水平的提高，消费者对冰箱的要求不再仅限于对食物保鲜，而对节能、环保以及噪声水平的要求也越来越高。压缩机作为冰箱的主要噪声源，其噪声主要以空气声的形式通过压缩机散热格栅向外辐射，其中的高频成分大部分被压缩机散热格栅隔离，而1500Hz以下的中低频辐射噪声成为影响用户体验的主要因素。

现在降低压缩机噪声的主要方法是在压缩机上包裹隔音棉[1]，而隔音棉对低频噪声的吸收和隔声效果差，降噪效果非常有限；传统的结构声抑制材料为阻尼材料，依靠自身结构随贴敷背板的振动产生剪切形变耗能，因此其主要抑振作用频段为中高频，而对于低频结构振动的抑制作用则不够理想[2]；传统的吸振结构器件主要为动力吸振器[3]，其主要是针对单一频率的结构振动，但作动器的输出响应频率、控制线路的设计以及整体系统长期服役的可靠性等因素成为制约其大面积实际应用的主要障碍，更多是停留在实验室模型研究阶段[4]。为了在有效降低压缩机噪声的同时保证产品的可靠性和能效，需要找到一种低频隔声效果好同时具有较好散热性能的隔声降噪材料。

声学超材料作为一种新型隔声材料，其隔声基于局域共振原理，即当设计频段的声波入射到声学超材料上时，会激励声学超材料发生形变，产生局域共振。声学超材料一半左右的部分产生与声波相同方向的振动变形，另一半产生与声波相反方向的振动变形，因此透过声学超材料的声波在远场产生干涉，进而出现正负叠加抵消的现象，实现了隔声效果。研究基于声学超材料方案的冰箱低频降噪技术具有显著的工程应用价值。

2、隔声机理分析

为了研究声学超材料的声学特性，本文模拟驻波管中的隔声性能试验，利用COMSOL建立了声学超材料有限元仿真模型，如图1所示，图中方形圆孔结构即为声学超材料单元。声学超材料结构边缘部分设置为固定约束条件，两端使用了完全吸收边界以防止声波的反射，入射声源设定为幅值为1Pa的平面波，从管子的一侧入射。

图1 声学超材料声学特性仿真边界条件设置

以主要隔声频段在440Hz为例，通过COMSOL仿真，分别作出隔声峰值左右相邻频率（420Hz、460Hz）的声场声强分布图，图中的箭头指向和疏密代表声强的方向和强弱。从云图可以看出，方形圆孔结构的声学超材料单元，其通过四周膜的声场分量和通过中间孔的声场分量相互干扰，声波能量传播呈现出漩涡状。如图2所示，420Hz（<440Hz）时声波能量通过孔向下传播；如图3所示，当频率为460Hz（>440Hz）时，声波能量透过薄膜向下传播；在中间频率（440Hz），这两部分声波的相互抵消干扰达到最大，它们叠加形成的总声场声功率最小，因而隔声量最大。

图2 隔声峰值频率左侧420Hz频率处的声强分布

图3 隔声峰值频率右侧460Hz频率处的声强分布

3、噪声源分析及方案设计

压缩机是冰箱的主要噪声源，其主要由机械噪声、气流脉动噪声及电磁噪声构成。机械噪声是内部往复运动或者旋转运动部件本身运动的力不平衡、力矩不平衡以及摩擦付之间的摩擦，甚至动作件之间间隙碰撞等导致；气流脉动噪声是压缩机间歇性吸排气的工作方式导致的；电磁噪声是由于电机运转时的径向交变电磁力激发的噪声。这三种噪声和冰箱系统耦合，最终通过结构或声辐射传递出去，表现出复杂的声源特性。

3.1 噪声源分析

消声室中，在距离冰箱的前、后、左、右1m处的四个测点对冰箱进行测试，取其后侧测点的噪声频谱进行分析，如图4所示。

图4 冰箱后面测点噪音频谱

通过频域定位，可以看出，630Hz是冰箱最突出的噪声频段。为了判断该频段噪声的发声位置，使用声学照相机对630Hz噪声频段进行声源定位，其结果显示，该款冰箱630Hz噪声频段主要从冰箱压机仓位置辐射出来。

3.2 超材料降噪方案设计

超材料典型几何参数如图5所示，使用COMSOL仿真软件，对超材料进行参数设计。将超材料的隔声峰值频率设定在600Hz附近，加工驻波管测试样件如图6所示。利用驻波管测试，声学超材料样件的隔声量曲线如图7所示，其隔声峰值在609Hz，与仿真数据基本一致。

图5 声学超材料单元几何参数

图6 声学超材料测试样件

图7 声学超材料隔声量实验曲线

3.3 超材料降噪效果验证

将图6所示的超材料样件，加工在原压机散热格栅处，如图8所示。搭载冰箱进行噪音测试，计算冰箱的声功率，声学超材料降噪样机相比原始样机噪声改善了3.6 dB(A)。

取冰箱后侧测点的噪声数据，降噪前后频谱对比如图9所示，在630Hz频段降噪6dB以上，频谱上凸出异常的频段消失。从人耳主观听感判断，冰箱的异音消失，听感显著改善。

图8 搭载声学超材料的压缩机盖板

图9 冰箱后面测点频谱对比

3.4 超材料散热效果验证

声学超材料满足降噪效果的同时，也需要保证压机仓有足够的散热量，不能对整机能耗产生大的影响。

由于声学超材料的等效穿孔率低于压机仓盖板散热窗口处的等效穿孔率，为了保证搭载声学超材料后的压机仓盖板与原始盖板具有相似的散热性能，将压机仓盖板整个后部设计成声学超材料，如图8所示，其有效开孔面积为原始格栅开孔面积的95%。

在压缩机吸排气管上部、下部，布置4个温度测点进行对比监控，冰箱搭载声学超材料后的温升以及耗电量对比如表1所示。四个测点平均温度上升1.4℃，整机耗电量恶化1.3%，在可以接受的范围。

4、结论

本文利用COMSOL仿真软件对声学超材料降噪机理进行了分析，并且从冰箱实际降噪的角度出发，首先对冰箱噪声特性进行了分析，对影响用户体验的主要噪声源进行了频域定位，输出630Hz为主要降噪频段。然后基于声学照相机对630Hz频段噪声进行了空间定位，判断其主要从压机仓辐射贡献。继而针对压缩机主要辐射噪声，通过COMSOL仿真软件对声学超材料进行了隔声量设计，利用驻波管实验验证了方案的有效性。最后，将该降噪频段的声学超材料搭载冰箱压机仓盖板使用，实验结果表明，630Hz频段噪声大幅改善，整机降噪3.6dB，效果显著有效，且具有良好的通风换热效果。声学超材料作为一种新型的隔声材料，在家电中低频噪声改善领域具有重大的工程应用价值。

参考文献

[1] 黄磊. 吸声材料与隔声材料在空调降噪中的应用[D]. 湖南:湖南大学, 2016.

[2] Lee, D.H. Optimal Placement of Constrained-Layer Damping forReduction of Interior Noise[J]. AIAA Journal, 2008. 46(1): 75-83.

[3] Liu, K. and J. Liu. The damped dynamic vibration absorbers: revisitedand new result[J]. Journal of Sound and Vibration, 2005. 284(3-5): 1181-1189.

[4] Sun, H.L., et al. Application of dynamic vibration absorbers in structuralvibration control under multi-frequency harmonic excitations[J]. AppliedAcoustics, 2008. 69(12): 1361-1367.