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1、降低家用电冰箱的旋转噪声摘要:这篇文章描述了降低风机噪声的方法,尤其是家用电冰箱风扇叶轮上的噪 音.被测试冰箱中的风扇是一个螺旋桨式风扇,风机拥有一个具有四个叶片的叶 轮,一个覆盖在蒸发器上方的后板,和一个具有假设干开口的前板.气流通过开口 冷却冰箱里面的食物.通过用一个激光多普勒速度仪测量风扇的内部流场,发现通 过叶轮的气流相对于叶轮轴线不对称.不对称的气流似乎是由受到了气流通道的 限制而产生的,而且这可能是产生旋转噪声的原因.虽然为了预防气流变得不对 称研究了很多举措,但是都很难用来解决这个案例,由于在改变设计方面有困难. 通过声强法寻找噪声源后发现噪声是通过前板上的开口辐射出来的.在风机
2、的后板上安装导流器引导通过开口的气流. 结果是,叶轮上的噪声被降低了,同时流 量几乎没有改变.关键词：电冰箱 风机 噪声 导流器 简介:最近住宅内的声舒适度和热舒适度变得很重要.所以,降低电冰箱的噪声 很有必要.家用电冰箱的噪声来自压缩机和风扇 .很多公司和研究机构对压缩机 的降噪进行过研究.然而,几乎没有人做过旋转噪声的研究.本文研究了家用电冰箱风扇系统的降噪方法,尤其是风扇叶轮的噪声.本文 测试的电冰箱的技术参数如表格1所示.图1显示了被测冰箱的横截面.空气再被处于冰箱后部的蒸发器冷却以后被 风机送入冷藏室和冷冻室.通过蒸发器的气体通过设计好的通道最终会回到蒸发 器.图2显示了风机的前视图
3、和横截面.冰箱中的风扇是一个螺旋桨式风扇,风机 包括一个直径90mm的叶轮,叶轮拥有四个叶片,被称作“蒸发器盖板的后板 覆盖着蒸发器,在被称作“风扇遮板的前板上有假设干个开口,叶轮被装在蒸发器盖板上部的孔 值彳至100mm的中间.前板上的开口如图2上的实线所示.通 过叶轮的一局部气流,通过开口进入冰箱冷冻食物.图2中虚线所示的开口,位 于蒸发器盖板上,通过这局部的气流被引导进入冰箱的冷藏室.在蒸发器盖板上装有肋板,以引导气流更有效的到达各个开口.风扇电机的电压固定,所以叶轮在整个实验中保持3000r/min的旋转速度.TABLE 1SPHClHir XTII1N5 Ul: Rskrigeka
4、rnpVolume3?0 LIFreezer Pert75 L ;Refrigerating Part 122 LSi zeHidth 590 nwnDepth 600 面Heigh t 17BS mFig. 2, Fan unit (in mi Ui meters).速度和噪音的测量测试用的风机被做成来测量流场.它和之前的风机有一样的形状,而且风扇 遮板由透明的丙烯酸板制成.流场测量使用激光多普勒速度仪,激光多普勒速度仪的技术参数如表2所示, 装置如图3所示.用来为激光多普勒速度仪测量播撒微粒的气雾剂,由一个常规的超声波气雾器产生.激光束垂直照射在风扇遮板上.测量平面选定在距离风扇 遮板后的
5、6, 12,18,24mm处.iiro-typelraverte八FttgrUtiplifr fjA BeimAnimator SjJ l-ionT MdMfirum pg电r of 2 W ftack-&caltered50 nrnFocus dltdnce of 350 mmCounter-type冰箱的噪声在一个隔音室中测量.房间的尺寸是2.7m宽、3.0m深、2.2m高, 背景噪声等级是18.2dBA.冰箱的压缩机在整个测试过程中是被关闭的,所以 测量到的只是风扇的噪音.使用的声级计是常规型号,频率的分析通过FFT完成. 测量面位于冰箱或者风机的前方1m处.当风机的噪声被测量时,风机位
6、于冷冻 室内,并且冷冻室的门保持开启.用声强装备寻找风扇系统的噪声源.它包括两个 电容式传声器和一个声强分析仪,声强是由一台个人电脑由频率分析的结果算出 的.装备的轮廓线如图四所示,技术参数如表3所示.声强由两个传声器的声压计算出.当被测单元周围的声强被测量出并且画出特定频率的等值线时,上述声强等值线的峰值处就是这个频率声音的声源所在,降低这个频率的噪声对降低整 体的噪声很有必要.在这个案例中,声强在风机前方 60mm的平面里以50mm的 间隔测量.TABLE IIISpfcificatiunsof Sound IhJTFsrrr EqltymentMicrophonesSpacer Of M
7、i crophonesAnplifierFfT analyser色 1fV condenser microphonesLength of 12 menFrequency of 20 Hz 100 kHz 2 channels, 0 40 kHi来自冰箱和风机的噪声对冰箱噪声的测量是为了掌握噪声等级的现状.图 5显示了 1kHz以下的频 谱图.整体噪声等级是 29.8DB(A)由图所示,在50、200、400Hz处存在峰值,在 大约500Hz处有一个宽峰.由于叶轮的旋转速度是 3000r/min , 50Hz的峰值来自 叶轮旋转自身,其他峰值的频率来自叶轮噪声,它的频率是风扇转速和叶片数乘 积的
8、倍数,三分之一倍频程分析的结果显示 50、200、400和500Hz的噪声等级分 别是13.3、27.2、23.7和21.4DB (A).很明显,频率是200Hz的噪声比其他的 强.In tens Ky ProbeMicrophoneAmplifiere JBP ZBB 3Be MO 500 600 78E 600 辆 IkFrequeney HiFig. 5. Noise frequen3 penes见.这是由于风机被装在冰箱内部形成的冰箱的声学特性导致只有整体噪声的一 局部被辐射出来.因此,降低风扇的噪声,尤其是例如200Hz这样的一些频率与风扇的转速和 叶片数的乘积成比例的噪声是主要的.
9、-10 030a see 6.口 7鸵 sea sea uF rcqncyHzFig, 6. Nuisc frequency spcctmrtl rtf tan unit*风机里的流场叶轮的噪声是由于当一个叶片切割空气时导致的压力波动引起的流体噪声. 引起来自螺旋桨式风扇的叶轮噪声大的一个原因是气流相对于叶轮的旋转轴不 对称.另一个原因是由于叶轮的吸气测有漩涡.用LDV测量风机的流场来寻找引起叶轮噪声的原因,图7显示了内部流场的 速度矢量图.尽管在叶轮的周围有气流沿圆形和放射形的运动,但是气流的中央 不是叶轮的中央,而且气流的中央趋向于蒸发器盖板上的开口.Fig. 7, Internal fl
10、ow of fan unit: 6 mm (rim tan Louver: (bj 12 mm from fan Louver; (c 18 用m irorrt fan louver; (d) 24 mm from fan kuver.图8显示了孔口上叶轮周围的径向速度.图片上的角度是由在平行于风扇遮 板的平面上反时针旋转的角度决定的,在这个平面上,0度起始于X轴.气流越靠 近蒸发器盖板,径向速度的发散越严重.在同一个圆周中,有速度为负数的吸入 侧也有速度为正数的排放侧.尽管靠近风扇遮板的速度发散很小,可以确定的 是进入和穿过叶轮的气流不对称于叶轮轴线.44=EsT-FfiOK5一2k 露 5
11、36GFig, S. Radial velocity on orifice图9显示了能指示气流波动的湍流能量等高线, 气流波动被认为是在叶轮的叶片切割空气是产生的.所以,湍流能量集中的地区就是叶轮的出风侧 .从这些 数据获得的3-D流场图说明叶轮吸入侧的气流已经转向蒸发器盖板上的开口. 气 流不相对于叶轮旋转轴线对称,一边旋转一边流向蒸发器盖板上的开口 .当气流流 向风扇盖板时,气流的周向运动越来越不明显,放射状的运动越来越明显.(1)(由Fig. 9, Turbulence energy in fan unit (n2!/s2: (a 6 mm from fan louver; (S) 12
12、 mm froni Inuvcr： (c) IK mm from fan louver; 24 mni frem 信力 louver.蒸发器盖板上开口的影响风扇排气侧的诸多阻碍物是造成非对称气流的诸多因素之一.空气通过叶轮流向与制冷部件相连的蒸发器盖板上的开口. 可能是由于靠近开口的附近障碍物 少.所以,设计了在蒸发器盖板上的开口相聚很近以致对空气的阻碍一致的情况 下的实验.图10显示了风机的流场.尽管这样做比图 7、8所示的更有效率,但 是不对称情况没有被彻底改良.(b)Fig 10. How iyj case of closing opening at distant of 18 mm f
13、rom fanIcwer: (a) Flow vector; (b) turbulence energy (m2/s2).入口气流的影响风机后部的电机上有一个保护罩,如图二所示,它在冰箱内的安装情况如图 一所示.可见进入叶轮的吸入侧气流不是来自叶轮的背部而是大局部来自叶轮的 下部.这就说明不对称的气流可能是由结构产生的.为了验证这一点,如图11所示, 在风机上装上吸气管,这样能保证吸入侧的气流只来自叶轮的背部.图12中的管 长为20mm,图13中管长为50mm.在20mm管长的案例中,发现不了吸气管 对气流有什么作用.然而,当管长变为50mm时,空气在叶轮的旋转中央附近像一 个漩涡一样旋转.湍
14、流能量等高线显示,在孔口附近的很大一片区域气流变得规 那么了.图14显示孔口处径向速度的分布就像图 8所示一样.加装50mm长的管 道对改善气流对称性影响很大.(a)(b)Fig. 12. Flow in case of insulling 20-mm-long auction duct at distance of 】8 mm from fan louver: (a) Flow vector; (bj turbulence energy如上所述,不对称的气流主要是由排气侧的阻碍的不规那么分布和吸入口的结 构导致的.改善排气侧阻碍的方案是改变蒸发器盖板上开口的位置或者是以多数的小开口代替单一的
15、大开口 .另外,改变吸气测结构的方案是在吸气测安装吸气 管使吸入的气流平行于旋转中央.这些方案需要结构的改变,但是家用电冰箱的内部空间有限,而且家用电冰箱应该尽可能的越造越小.因此,这些方案本可能被用到产品的设计中,所以需要研究通过不改变冰箱结构进行降噪的方法.(b)135 LBQ ?22?0Fig. 13. Flow in case of msUlEng 50-mni-long suction duct at distance nf 18 mm from fan Louver: (a) Flow vector; (b) iurbukn.ee energy )二二 r p-此口()Fig- 1
16、4, Radial velocity on oiiticc in ease of installing 50-mni-long duct.限制风机的内部流场用声强法寻找噪声源指明了旋转噪声如何从风机中辐射出来的.图 15所示 为频率200Hz噪声的声强等高线图,200Hz是从图5、6明确指出需要降低的噪 声频率的峰值.由图可知,200Hz频率的噪声由右上局部辐射出.与上述的结果进行 比照,产生在叶轮上的旋转噪声,被认为是伴随气流从风扇盖板上的开口传出的.77 dB/)Fig. 15. Sound intentity contour of fan unit.重要的是排放侧气流不直接吹到风扇盖板上
17、.如图 16所示,在蒸发器盖板 上装导流器.导流器的安装位置确实定必须保证冰箱内部流场保持不变并且风扇 出口气流不直接吹到风扇盖板上.图17显示了速度矢量图和湍流能量等值线.速度分布根本和图7中所示一样.然而,和图9相比,叶轮右上局部的湍流能量 减少了.导流器对风机内部流场的调节效果得到了验证.30 de%Fig, 15, Air guiders installed on【hu cvaporuior cover(b)Fig. Plow in case of installing air guiders at distance of 逐 mm from fan louver:箱) Flow ve
18、ctor； (b) turb心energy图18显示了 1/3倍频程处理后的总体噪声等级.诸如200Hz的这些频率是旋转速度和叶片数乘积的旋转噪声得到了显著的降低,并且总体噪声也大约降低了 3DB (A).导流器在降低噪声方面的作用得到了验证.16 ILS 125 ?50 +四 1*0 ik |1/3 Or t.Btnd t.nt,fFq. Ki (Ovir AI L* w*114e3fi2e16,-LBRg. 18, OiK-lhi】d tKUivfc? unlysis in cai；e of installing air guides.结论通过以下的方法和设备研究了造成家用电冰箱中风扇噪声的原因并提出来 降噪方案：激光多普勒测速法、噪声频谱分析、用声强法寻找噪声源.结果显示 旋转噪声是由于吸入侧气流不对称于叶轮轴线导致的并且伴随排气侧气流从风 扇盖板的开口辐射出.尽管在叶轮背部安装吸气管会使气流平行于旋转轴线,但是这个方法由于受到冰箱结构不好改变的限制无法实施.因此,在蒸发器盖板上安装导流器减少气流中旋转噪声的辐射.结果总体的噪声等级降低了大约3DB(A),并且冰箱的根本结构没有改变,内部气流也没有受到影响.