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1、引言

隨著消費(fèi)水平的提高，消費(fèi)者對(duì)冰箱的要求不再僅限于對(duì)食物保鮮，而對(duì)節(jié)能、環(huán)保以及噪聲水平的要求也越來越高。壓縮機(jī)作為冰箱的主要噪聲源，其噪聲主要以空氣聲的形式通過壓縮機(jī)散熱格柵向外輻射，其中的高頻成分大部分被壓縮機(jī)散熱格柵隔離，而1500Hz以下的中低頻輻射噪聲成為影響用戶體驗(yàn)的主要因素。

現(xiàn)在降低壓縮機(jī)噪聲的主要方法是在壓縮機(jī)上包裹隔音棉[1]，而隔音棉對(duì)低頻噪聲的吸收和隔聲效果差，降噪效果非常有限；傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)聲抑制材料為阻尼材料，依靠自身結(jié)構(gòu)隨貼敷背板的振動(dòng)產(chǎn)生剪切形變耗能，因此其主要抑振作用頻段為中高頻，而對(duì)于低頻結(jié)構(gòu)振動(dòng)的抑制作用則不夠理想[2]；傳統(tǒng)的吸振結(jié)構(gòu)器件主要為動(dòng)力吸振器[3]，其主要是針對(duì)單一頻率的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，但作動(dòng)器的輸出響應(yīng)頻率、控制線路的設(shè)計(jì)以及整體系統(tǒng)長(zhǎng)期服役的可靠性等因素成為制約其大面積實(shí)際應(yīng)用的主要障礙，更多是停留在實(shí)驗(yàn)室模型研究階段[4]。為了在有效降低壓縮機(jī)噪聲的同時(shí)保證產(chǎn)品的可靠性和能效，需要找到一種低頻隔聲效果好同時(shí)具有較好散熱性能的隔聲降噪材料。

聲學(xué)超材料作為一種新型隔聲材料，其隔聲基于局域共振原理，即當(dāng)設(shè)計(jì)頻段的聲波入射到聲學(xué)超材料上時(shí)，會(huì)激勵(lì)聲學(xué)超材料發(fā)生形變，產(chǎn)生局域共振。聲學(xué)超材料一半左右的部分產(chǎn)生與聲波相同方向的振動(dòng)變形，另一半產(chǎn)生與聲波相反方向的振動(dòng)變形，因此透過聲學(xué)超材料的聲波在遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)生干涉，進(jìn)而出現(xiàn)正負(fù)疊加抵消的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了隔聲效果。研究基于聲學(xué)超材料方案的冰箱低頻降噪技術(shù)具有顯著的工程應(yīng)用價(jià)值。

2、隔聲機(jī)理分析

為了研究聲學(xué)超材料的聲學(xué)特性，本文模擬駐波管中的隔聲性能試驗(yàn)，利用COMSOL建立了聲學(xué)超材料有限元仿真模型，如圖1所示，圖中方形圓孔結(jié)構(gòu)即為聲學(xué)超材料單元。聲學(xué)超材料結(jié)構(gòu)邊緣部分設(shè)置為固定約束條件，兩端使用了完全吸收邊界以防止聲波的反射，入射聲源設(shè)定為幅值為1Pa的平面波，從管子的一側(cè)入射。

圖1 聲學(xué)超材料聲學(xué)特性仿真邊界條件設(shè)置

以主要隔聲頻段在440Hz為例，通過COMSOL仿真，分別作出隔聲峰值左右相鄰頻率（420Hz、460Hz）的聲場(chǎng)聲強(qiáng)分布圖，圖中的箭頭指向和疏密代表聲強(qiáng)的方向和強(qiáng)弱。從云圖可以看出，方形圓孔結(jié)構(gòu)的聲學(xué)超材料單元，其通過四周膜的聲場(chǎng)分量和通過中間孔的聲場(chǎng)分量相互干擾，聲波能量傳播呈現(xiàn)出漩渦狀。如圖2所示，420Hz（<440Hz）時(shí)聲波能量通過孔向下傳播；如圖3所示，當(dāng)頻率為460Hz（>440Hz）時(shí)，聲波能量透過薄膜向下傳播；在中間頻率（440Hz），這兩部分聲波的相互抵消干擾達(dá)到最大，它們疊加形成的總聲場(chǎng)聲功率最小，因而隔聲量最大。

圖2 隔聲峰值頻率左側(cè)420Hz頻率處的聲強(qiáng)分布

圖3 隔聲峰值頻率右側(cè)460Hz頻率處的聲強(qiáng)分布

3、噪聲源分析及方案設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)是冰箱的主要噪聲源，其主要由機(jī)械噪聲、氣流脈動(dòng)噪聲及電磁噪聲構(gòu)成。機(jī)械噪聲是內(nèi)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件本身運(yùn)動(dòng)的力不平衡、力矩不平衡以及摩擦付之間的摩擦，甚至動(dòng)作件之間間隙碰撞等導(dǎo)致；氣流脈動(dòng)噪聲是壓縮機(jī)間歇性吸排氣的工作方式導(dǎo)致的；電磁噪聲是由于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的徑向交變電磁力激發(fā)的噪聲。這三種噪聲和冰箱系統(tǒng)耦合，最終通過結(jié)構(gòu)或聲輻射傳遞出去，表現(xiàn)出復(fù)雜的聲源特性。

3.1 噪聲源分析

消聲室中，在距離冰箱的前、后、左、右1m處的四個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)冰箱進(jìn)行測(cè)試，取其后側(cè)測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 冰箱后面測(cè)點(diǎn)噪音頻譜

通過頻域定位，可以看出，630Hz是冰箱最突出的噪聲頻段。為了判斷該頻段噪聲的發(fā)聲位置，使用聲學(xué)照相機(jī)對(duì)630Hz噪聲頻段進(jìn)行聲源定位，其結(jié)果顯示，該款冰箱630Hz噪聲頻段主要從冰箱壓機(jī)倉位置輻射出來。

3.2 超材料降噪方案設(shè)計(jì)

超材料典型幾何參數(shù)如圖5所示，使用COMSOL仿真軟件，對(duì)超材料進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。將超材料的隔聲峰值頻率設(shè)定在600Hz附近，加工駐波管測(cè)試樣件如圖6所示。利用駐波管測(cè)試，聲學(xué)超材料樣件的隔聲量曲線如圖7所示，其隔聲峰值在609Hz，與仿真數(shù)據(jù)基本一致。

圖5 聲學(xué)超材料單元幾何參數(shù)

圖6 聲學(xué)超材料測(cè)試樣件

圖7 聲學(xué)超材料隔聲量實(shí)驗(yàn)曲線

3.3 超材料降噪效果驗(yàn)證

將圖6所示的超材料樣件，加工在原壓機(jī)散熱格柵處，如圖8所示。搭載冰箱進(jìn)行噪音測(cè)試，計(jì)算冰箱的聲功率，聲學(xué)超材料降噪樣機(jī)相比原始樣機(jī)噪聲改善了3.6 dB(A)。

取冰箱后側(cè)測(cè)點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)，降噪前后頻譜對(duì)比如圖9所示，在630Hz頻段降噪6dB以上，頻譜上凸出異常的頻段消失。從人耳主觀聽感判斷，冰箱的異音消失，聽感顯著改善。

圖8 搭載聲學(xué)超材料的壓縮機(jī)蓋板

圖9 冰箱后面測(cè)點(diǎn)頻譜對(duì)比

3.4 超材料散熱效果驗(yàn)證

聲學(xué)超材料滿足降噪效果的同時(shí)，也需要保證壓機(jī)倉有足夠的散熱量，不能對(duì)整機(jī)能耗產(chǎn)生大的影響。

由于聲學(xué)超材料的等效穿孔率低于壓機(jī)倉蓋板散熱窗口處的等效穿孔率，為了保證搭載聲學(xué)超材料后的壓機(jī)倉蓋板與原始蓋板具有相似的散熱性能，將壓機(jī)倉蓋板整個(gè)后部設(shè)計(jì)成聲學(xué)超材料，如圖8所示，其有效開孔面積為原始格柵開孔面積的95%。

在壓縮機(jī)吸排氣管上部、下部，布置4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比監(jiān)控，冰箱搭載聲學(xué)超材料后的溫升以及耗電量對(duì)比如表1所示。四個(gè)測(cè)點(diǎn)平均溫度上升1.4℃，整機(jī)耗電量惡化1.3%，在可以接受的范圍。

4、結(jié)論

本文利用COMSOL仿真軟件對(duì)聲學(xué)超材料降噪機(jī)理進(jìn)行了分析，并且從冰箱實(shí)際降噪的角度出發(fā)，首先對(duì)冰箱噪聲特性進(jìn)行了分析，對(duì)影響用戶體驗(yàn)的主要噪聲源進(jìn)行了頻域定位，輸出630Hz為主要降噪頻段。然后基于聲學(xué)照相機(jī)對(duì)630Hz頻段噪聲進(jìn)行了空間定位，判斷其主要從壓機(jī)倉輻射貢獻(xiàn)。繼而針對(duì)壓縮機(jī)主要輻射噪聲，通過COMSOL仿真軟件對(duì)聲學(xué)超材料進(jìn)行了隔聲量設(shè)計(jì)，利用駐波管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。最后，將該降噪頻段的聲學(xué)超材料搭載冰箱壓機(jī)倉蓋板使用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，630Hz頻段噪聲大幅改善，整機(jī)降噪3.6dB，效果顯著有效，且具有良好的通風(fēng)換熱效果。聲學(xué)超材料作為一種新型的隔聲材料，在家電中低頻噪聲改善領(lǐng)域具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[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.