模態(tài)分析在冰箱降噪領域的應用

鮑 敏 李乾坤 馬長州 張魁倉

（長虹美菱股份有限公司 合肥 230601）

引言

冰箱噪聲一直是消費者評價冰箱質(zhì)量的一個重要指標，對于冰箱來說，主要噪聲源包括壓縮機、風扇、制冷劑造成的壓力脈動。振動噪聲的主要來源是壓縮機和風機本身的振動通過相連零部件傳遞到冰箱箱體，當壓縮機的激勵頻率接近相連零部件頻率時，箱體存在共振的風險，導致產(chǎn)生較大的噪聲，如圖1所示。

我司對開門冰箱在進行噪聲測試時，發(fā)現(xiàn)以下問題：冰箱噪聲較大，尤其有低頻刺耳的噪聲，噪聲基本在43 db左右，也有不少噪聲達到45 dB，壓縮機底板、箱體振動都較大，多次噪聲測試，噪聲大的冰箱，在三分之一倍頻程63 Hz、80 Hz中心頻帶噪聲值較大。

本文通過噪聲測試、模態(tài)分析和振動測試的結(jié)合方法，對對開門冰箱進行分析，找到冰箱整機噪聲大的根本原因——壓縮機底板固有頻率與壓縮機激勵頻率接近，產(chǎn)生共振，從而造成冰箱整機噪聲較大；通過對壓縮機底板優(yōu)化，優(yōu)化后冰箱整機噪聲降低1.6 dB，并消除了低頻嗡嗡嗡聲。

1 實驗測試

根據(jù)前期噪聲和振動測試，壓縮機底板區(qū)域、箱體明顯感覺振動較大，所以本次項目主要從模態(tài)、振動角度進行研究，消除整機產(chǎn)生的嗡嗡嗡的低頻聲，降低冰箱整機噪聲，并改善該型號整機噪聲水平。

1.1 噪聲測試

根據(jù)國標六點法噪聲測試標準，對該對開門冰箱進行噪聲測試，噪聲測試冰箱六個點方向均出現(xiàn)在三分之一倍頻程63 Hz、80 Hz中心頻帶噪聲值較大的情況，測試結(jié)果如圖2。通過分析，低頻噪聲主要為結(jié)構振動產(chǎn)生，因此需再對結(jié)構進行振動測試，進一步驗證分析的正確性。

圖1 冰箱振動傳遞圖

1.2 振動測試

振動測試對分別在壓縮機，底板，箱體，門體分別布置加速度傳感器，如圖3所示。

該冰箱為變頻冰箱，根據(jù)冰箱的轉(zhuǎn)速范圍1 200～4 500 r/min，進入冰箱維修模式，手動調(diào)整壓縮機轉(zhuǎn)速進行測量，壓縮機轉(zhuǎn)速范圍1 200～4 500 r/min，測試壓縮機壓縮機，底板，箱體，門體各個頻率下的振動趨勢，將各個頻率下的振動數(shù)據(jù)繪制為表格（圖4）。

壓縮機頂部最大振動不超過0.5 m/s2，壓縮機底板中間位置點振動較大，最大值達到1.6 m/s2，較壓縮機頂部振動大很多，振動突變位置頻率為30 Hz和66 Hz附近，尤其是在66 Hz，底板振動較大，初步判斷底板在頻率發(fā)生共振。

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是用來研究結(jié)構動力學特性一種常見的方法，模態(tài)是指結(jié)構固有的振動特性，即固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，這些參數(shù)的識別過程即為模態(tài)分析。

根據(jù)振動理論，多自由度系統(tǒng)振動方程公式：

式中：[M]為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；[K]為系統(tǒng)剛度矩陣；[C]為阻尼矩陣；{x(t)}、{x(t)}和{x (t)} 分別為位移、速度和加速度向量；{F(t)}為系統(tǒng)所受外力向量。

公式（2）中： f為系統(tǒng)的固有頻率。

圖2 噪聲測試

圖3 傳感器布置圖

圖4 振動測試

2.2 模態(tài)仿真

首先從模態(tài)仿真的手段對底板進行模態(tài)仿真，重點計算底板在裝配狀態(tài)下的模態(tài)，簡化壓縮機底板結(jié)構，壓縮機和箱體簡化為質(zhì)量點，通過質(zhì)量點對壓縮機底板進行配重，施加約束，完成壓縮機底板仿真模型的建立（如圖5）。

仿真計算前5階固有頻率（如表1），結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓縮機底板前2階固有頻率未能避開壓縮機頻率，存在共振風險，再通過模態(tài)試驗的方法，對模態(tài)仿真結(jié)果進行驗證，驗證模態(tài)仿真的可靠性。

2.3 模態(tài)試驗

模態(tài)試驗即通過試驗的方式來識別模態(tài)參數(shù)。通過測得輸入和輸出信號，進行低通濾波、A/D轉(zhuǎn)換、FFT變換，得到系統(tǒng)的頻率響應函數(shù)（FRF），應用合適的模態(tài)參數(shù)估計方法，進行曲線擬合，從而識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)—固有頻率、模態(tài)阻尼、模態(tài)振型。

根據(jù)底板模態(tài)仿真結(jié)果，選取合適的輸入、輸出布點，對壓縮機底板進行模態(tài)試驗。模態(tài)試驗采用B&K MTC Hammer軟件和B&K硬件設備，采用移動力錘法進行模態(tài)試驗，底板處于整機安裝狀態(tài)。激勵力錘型號：8206-002，響應選擇多個3向加速度傳感器，傳感器型號：4535-B。底板共劃分54個激勵點，移動力錘分別對每個點進行激勵，壓縮機位置點跳過或最靠近點位置敲擊，如圖6。

完成輸入、輸出數(shù)據(jù)采集后，對數(shù)據(jù)進行處理，利用迭代后的穩(wěn)態(tài)圖，自動獲取模態(tài)參數(shù)，也可手動拾取，點擊穩(wěn)態(tài)圖中的迭代結(jié)果圖標，獲取模態(tài)參數(shù)后如圖7所示。

從模態(tài)試驗結(jié)果（圖8）看，底板第一階、第二階固有頻率分別為29 Hz、62.1 Hz，與仿真結(jié)果底板第一階31.5 Hz第二階64.5 Hz較接近，仿真結(jié)果的誤差在8 %，由于仿真模型的簡化，該誤差在合理范圍內(nèi)。

通過以上試驗及分析，從而確定冰箱噪聲較大的根本原因——壓縮機底板固有頻率第一階、第二階與壓縮機激勵頻率接近（尤其第二階），產(chǎn)生共振，導致在三分之一倍頻程63 Hz、80 Hz中心頻帶噪聲值較大從而造成冰箱整機噪聲較大。

圖5 仿真模型

表1 前5階固有頻率值

圖6 模態(tài)試驗

圖7 模態(tài)試驗頻率提取

圖8 底板前2階模態(tài)振型

圖9 底板優(yōu)化后結(jié)構

表2 優(yōu)化后底板固有頻率

圖10 底板優(yōu)化前后振動測試

3 優(yōu)化方案

3.1 結(jié)構優(yōu)化

壓縮機的振動通過管路、腳墊傳遞到壓縮機底板，再通過底板傳遞到箱體，因此底板的設計尤為重要。為解決前二階固有頻率較低，未避開壓縮機激勵頻率而產(chǎn)生的共振問題，對底板結(jié)構進行優(yōu)化，優(yōu)化思路為提高底板固有頻率，通過改變結(jié)構剛度、質(zhì)量、約束等方法使其固有頻率避開壓縮機轉(zhuǎn)動頻率，優(yōu)化后底板方案如圖9。

3.2 模態(tài)分析及振動試驗

對優(yōu)化后底板建立模態(tài)仿真模型，進行模態(tài)分析，底板第一階、第二階固有頻率明顯避開壓縮機運行頻率，如表2所示。

對優(yōu)化后底板進行振動測試，優(yōu)化前后振動測試結(jié)果如圖10。

原狀態(tài)壓縮機底板存在明顯的突變和共振峰，最大值為1.6 m/s2，優(yōu)化后底板振動隨壓縮機轉(zhuǎn)速變化較平穩(wěn)，不存在突變和振動峰，不存在共振風險，加速度最大值不超過0.5 m/s2。優(yōu)化后底板進行噪聲測試，測試六個點三分之一倍頻程63 Hz、80 Hz中心頻帶噪聲值明顯下降，冰箱整機噪聲降低1.6 dB。

4 結(jié)語

本文通過對開門冰箱噪聲較大的研究，根據(jù)振動的傳遞進行分析，確定共振部件，再通過模態(tài)分析的方法，對零件結(jié)構進行優(yōu)化，使得底板固有頻率避開壓縮機激勵頻率，解決冰箱共振問題，為冰箱減振降噪提供解決方法思路。