家用豆?jié){機(jī)噪聲測(cè)試及分析與控制

朱秀琳

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械學(xué)院，江蘇 南京 210023）

豆?jié){機(jī)是一種人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫男〖译姡绕涫苤袊?guó)人青睞，家庭使用率非常高，年產(chǎn)量在數(shù)千萬(wàn)臺(tái)，各種品牌多達(dá)數(shù)十家。人們使用中發(fā)現(xiàn)其共同缺點(diǎn)之一是噪聲較大且有明顯振動(dòng)。質(zhì)量是企業(yè)的永恒追求、是企業(yè)立足市場(chǎng)的保證，因此各家生產(chǎn)公司一直努力改進(jìn)，但是這個(gè)問(wèn)題從未得到根本解決。遍查國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，未發(fā)現(xiàn)有針對(duì)這類產(chǎn)品的振動(dòng)噪聲問(wèn)題有專門研究的文獻(xiàn)。

1 豆?jié){機(jī)噪聲來(lái)源

本試驗(yàn)研究對(duì)象是某款九陽(yáng)牌豆?jié){機(jī)。其構(gòu)成見(jiàn)圖1，由機(jī)頭（內(nèi)裝有電機(jī)、軸承、電腦板等）、機(jī)殼（盛裝食物）、機(jī)座（支承機(jī)身及安裝電源線路）組成。工作動(dòng)力來(lái)自電機(jī)，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)一般采用立式安裝，電機(jī)直接帶動(dòng)刀桿上的刀片高速旋轉(zhuǎn)從而粉碎食物。本機(jī)最高工作轉(zhuǎn)速14 000r／min。由電機(jī)、軸承、刀片以及被粉碎食品及機(jī)殼，在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)下，組成振動(dòng)系統(tǒng)，并產(chǎn)生噪聲。

正常狀態(tài)下的豆?jié){機(jī)工作噪聲的主要來(lái)源可能有，①電機(jī)。主要分為電磁噪聲和機(jī)械噪聲。電磁噪聲是由于交變磁場(chǎng)對(duì)定子與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生周期性的交變力引起振動(dòng)而產(chǎn)生的［1］。機(jī)械噪聲包括軸承高速回轉(zhuǎn)質(zhì)量偏心引起的振動(dòng)噪聲及電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子受“溝槽滑坡力”作用等引起振動(dòng)而產(chǎn)生的溝槽諧波噪聲［1］。②機(jī)殼受迫振動(dòng)噪聲。本款豆?jié){機(jī)機(jī)殼為不銹鋼，機(jī)殼空腔板結(jié)構(gòu)受到機(jī)頭的激勵(lì)作用而振動(dòng)，從而輻射噪聲。③食物碰撞刀片、機(jī)殼以及互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生的噪聲。

圖1 豆?jié){機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Figure1 Sketch map of the soymilk maker

2 噪聲檢測(cè)方法與系統(tǒng)

噪聲常以分貝（dB）表示的A 聲級(jí)或聲功率級(jí)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同的機(jī)械產(chǎn)品規(guī)定有相應(yīng)的測(cè)量方法和容許標(biāo)準(zhǔn)。常用測(cè)量?jī)x器有聲級(jí)計(jì)、聲功率計(jì)、頻率分析儀和記錄、顯示儀器等［1，2］。

噪聲源識(shí)別方法一般有主觀法與客觀法。主觀法依賴于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)因此具有局限性，一般只能進(jìn)行定性分析?？陀^法是利用儀器測(cè)量，分析測(cè)量數(shù)據(jù)從而鑒別噪聲源。具體分為頻譜分析法、聲強(qiáng)法、全息照相法等［1，2］。

本豆?jié){機(jī)噪聲源識(shí)別采用常用的頻譜與相干分析法［1，2］。噪聲與振動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。本試驗(yàn)的振動(dòng)與噪聲動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀采用的是美國(guó)LDS公司的Focus II。

圖2 振動(dòng)噪聲信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)Figure2 Test system on vibration and noise

3 某豆?jié){機(jī)的工作噪聲測(cè)試與分析

3．1 豆?jié){機(jī)工作噪聲測(cè)試

本次測(cè)試按照GB 4214－84 規(guī)定在半消聲室內(nèi)進(jìn)行。聲級(jí)計(jì)采用的是HS5660 系列精密級(jí)。據(jù)文獻(xiàn)［2］，測(cè)點(diǎn)放在距離被測(cè)對(duì)象1 m，高度與其平齊。開(kāi)動(dòng)機(jī)器工作，在其圓周方位選了10 個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)試了10 次，求其平均值為61．5dB。中國(guó)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：居民住宅小區(qū)區(qū)域環(huán)境噪聲平均等效聲級(jí)須達(dá)到環(huán)境質(zhì)量1類標(biāo)準(zhǔn)，即晝間55dB，夜間45dB［3］。由此可見(jiàn)該款機(jī)器的工作噪聲還是有些超標(biāo)。本試驗(yàn)希望通過(guò)振動(dòng)、噪聲測(cè)試找出噪聲源，并在此基礎(chǔ)上采取合適方法減振降噪，解決該機(jī)噪聲超標(biāo)問(wèn)題。

3．2 豆?jié){機(jī)主要噪聲源識(shí)別

3．2．1 測(cè)試信號(hào)的頻譜分析 振動(dòng)噪聲源識(shí)別測(cè)試系統(tǒng)見(jiàn)圖2。測(cè)試準(zhǔn)備：三向加速度傳感器用膠水粘在豆?jié){機(jī)機(jī)殼上，聲傳感器置于豆?jié){機(jī)旁，各自對(duì)應(yīng)4個(gè)不同的輸出通道。機(jī)器置于隔振墊上，以盡量避免環(huán)境振動(dòng)和噪聲的影響。

啟動(dòng)機(jī)器工作一段時(shí)間運(yùn)行平穩(wěn)后，拾取3個(gè)方向振動(dòng)加速度信號(hào)，因?yàn)樽笥曳较蛘駝?dòng)最為強(qiáng)烈，因此主要對(duì)其進(jìn)行自功率譜分析［1，2］，見(jiàn)圖3。

圖3 豆?jié){機(jī)左右方向振動(dòng)自功率譜圖Figure3 The self－power spectrum in the left－right direction

由圖3可知，主要峰值頻率有48，96，104，152，232，336，408，2 776，2 824，2 872 Hz，其中232，104，96 Hz 三 處 頻 率振動(dòng)尤為明顯，是其它幾處的數(shù)倍。

豆?jié){機(jī)噪聲信號(hào)自功率譜見(jiàn)圖4。由圖4可知，豆?jié){機(jī)噪聲主要集中在96，104，168，200，240，448，2 776，2 824，2 880，2 928Hz。

圖4 豆?jié){機(jī)噪聲信號(hào)自功率譜Figure4 The self－power spectrum of the noise

噪聲信號(hào)的1／3 倍頻程見(jiàn)圖5。由圖5 可知，豆?jié){機(jī)1／3倍 頻 程 噪 聲 的 中 心 頻 率 主 要 有：250，400，500，2 500，3 150Hz。其中最大的中心頻率為2 500 Hz。噪聲能量主要集中在400～500Hz以及2 500Hz以上的頻率段。

圖5 豆?jié){機(jī)噪聲信號(hào)1／3倍頻程Figure5 A third octave of the noise

3．2．2 豆?jié){機(jī)噪聲與殼體振動(dòng)相關(guān)性分析 在振動(dòng)與噪聲識(shí)別分析技術(shù)中，經(jīng)常利用互相關(guān)函數(shù)Rxy來(lái)描述兩個(gè)隨機(jī)信號(hào)之間的相關(guān)程度。在實(shí)際問(wèn)題中常把時(shí)域函數(shù)Rxy（τ）通過(guò)FFT 變換轉(zhuǎn)換成頻域中的互譜密度函數(shù)Sxy（f），而實(shí)際測(cè)試 時(shí)，常 用 相 干 函 數(shù)r2xy（f）來(lái) 衡 量Sxy（f），r2xy（f）＝S?x?S（fxy）（Sfy）（f?2）。如果r2xy（f）＜0．5，則說(shuō)明二者相關(guān)程度不大［1］。

將測(cè)試所得的噪聲信號(hào)與豆?jié){機(jī)殼體振動(dòng)信號(hào)，利用Focus II實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀作相關(guān)性分析得到r2xy（f）見(jiàn)圖6。

由圖6可知，豆?jié){機(jī)噪聲與殼體振動(dòng)相關(guān)性比較大的是9 6，104，240，2728，2784，2824，2880，2920Hz相 干 函 數(shù)rx2y（f）分別達(dá)到0．824，0．893，0．730，0．866，0．849，0．902，0．872，0．873。

圖6 振動(dòng)和噪聲相關(guān)性分析Figure6 The correlation about the noise and the frame vibration

綜上測(cè)試結(jié)果與分析，可得如下結(jié)論：振動(dòng)和噪聲頻率主要在500Hz以下和2 700～2 900Hz兩個(gè)頻段，232Hz應(yīng)該為電機(jī)基頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速為14 000r／min＝14 000r／60s≈232Hz），500Hz以下噪聲主要是機(jī)殼振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)聲，2 700～2 900Hz主要是電機(jī)的電磁噪聲。

4 豆?jié){機(jī)的噪聲控制

4．1 噪聲控制一般方法

噪聲控制方法有很多。比如采用吸聲材料吸收噪聲、采用隔聲設(shè)計(jì)隔離噪聲、采用隔振與減振措施減輕噪聲來(lái)源、采用消聲器有效降低空氣動(dòng)力噪聲等［1，2，4］。需要根據(jù)具體情況選擇合理可行的措施。根據(jù)上述測(cè)試分析，本豆?jié){機(jī)噪聲源主要是電磁噪聲及機(jī)殼振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)聲。

減小電磁噪聲的最有效途徑是穩(wěn)定電源電壓及提高電機(jī)的制造裝配精度［1］。但是電源電壓不是生產(chǎn)企業(yè)以及消費(fèi)者能夠控制的，提高電機(jī)機(jī)械精度會(huì)帶來(lái)較大的成本負(fù)擔(dān)。鑒于此，可以考慮簡(jiǎn)便低成本的多孔吸聲材料［1，2］填充和敷設(shè)到機(jī)頭與機(jī)座的空腔處，降低聲波對(duì)機(jī)殼的激勵(lì)，同時(shí)也起到吸聲的作用。但是經(jīng)過(guò)檢查本款豆?jié){機(jī)的機(jī)頭與機(jī)座內(nèi)密布著電路板、電線等元器件，幾乎無(wú)空余空間。

4．2 本機(jī)噪聲控制方法

振動(dòng)隔離是減振降噪的有效手段之一［1，2，5］。如圖1所示，該豆?jié){機(jī)機(jī)頭下檐口與機(jī)身合縫處有8只相同的橡膠隔振墊2，沿圓周均布；機(jī)座底部也有3 只相同的橡膠隔振墊9，沿圓周均布，共同組成雙層隔振系統(tǒng)。但是經(jīng)過(guò)測(cè)試該機(jī)器工作噪聲達(dá)到61．5dB，仍然超過(guò)中國(guó)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。故擬通過(guò)優(yōu)化隔振系統(tǒng)參數(shù)，提高隔振效果從而減振降噪。

首先建立該豆?jié){機(jī)雙層隔振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型［5－7］，如圖7所示，機(jī)頭、機(jī)殼和機(jī)座相對(duì)隔振墊質(zhì)量大得多，故可簡(jiǎn)化作剛體，與第一層8只隔振墊2和第二層3只隔振墊9一起共同構(gòu)成雙層隔振系統(tǒng)。根據(jù)牛頓第二定律寫出系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程，解該方程可得到雙層隔振系統(tǒng)的絕對(duì)傳遞率TA，見(jiàn)式（1）。

式中：

μ—— 質(zhì)量比；

m1—— 機(jī)頭質(zhì)量，kg；

m2—— 機(jī)殼與機(jī)座總質(zhì)量，kg；

ω1—— 第一層隔振系統(tǒng)振動(dòng)固有頻率，rad／s；

K1—— 第一層隔振墊（8只）的X 向總剛度，N／m；

ω2—— 第二層隔振系統(tǒng)振動(dòng)固有頻率，rad／s；

K2—— 第二層隔振墊（3只）的X 向總剛度，N／m；

α—— 固有頻率比；

λ—— 固有頻率比；

ω—— 系統(tǒng)振動(dòng)固有頻率，rad／s；

ζ1—— 第一層隔振墊阻尼比；

C1—— 第一層隔振墊粘性阻力系數(shù)，N·s／m；

ζ2—— 第二層隔振墊阻尼比；

C2—— 第二層隔振墊粘性阻力系數(shù)，N·s／m。

圖7 雙層隔振系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型Figure7 Mathematical model of double vibration isolation system

基于MATLAB的圖形與計(jì)算功能，根據(jù)式（1）分析雙層隔振系統(tǒng)的各項(xiàng)動(dòng)態(tài)參數(shù)對(duì)隔振性能的影響［5，6，8］，可見(jiàn)：在高頻區(qū)為增加隔振效果，應(yīng)該盡量增加質(zhì)量比μ、取較小的阻尼比ζ1 和ζ2 以及盡量減小固有頻率比α。在此基礎(chǔ)上基于MATLAB進(jìn)行編程計(jì)算，對(duì)該豆?jié){機(jī)的雙層隔振系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，該機(jī)器各項(xiàng)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)：機(jī)頭m1＝1．135kg，機(jī)身m2＝0．74kg，ω1＝12Hz，ω2＝16Hz，ξ1 ＝0．08，ξ2 ＝0．05。經(jīng)MATLAB優(yōu)化計(jì)算后得到α＝0．875，ζ1＝0．03。MATLAB計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的隔振系統(tǒng)的振動(dòng)級(jí)差減小了10．2～13．2dB。

然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，改進(jìn)隔振墊即按照ω1＝14 Hz，ω2＝12Hz，ξ1 ＝0．03，ξ2 ＝0．05重新選取隔振墊。在此基礎(chǔ)上再測(cè)試該豆?jié){機(jī)工作時(shí)的噪聲水平［1］。試驗(yàn)表明再測(cè)試噪聲為53dB，符合中國(guó)環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［3］。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某款豆?jié){機(jī)進(jìn)行噪聲水平測(cè)試發(fā)現(xiàn)其超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定。采用頻譜與相干分析法通過(guò)對(duì)振動(dòng)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行頻譜分析、噪聲自功率譜和1／3倍頻程分析以及噪聲與殼體振動(dòng)相關(guān)性分析，找到了該豆?jié){機(jī)的主要噪聲源。然后基于MATLAB的圖形與計(jì)算功能，對(duì)該機(jī)的雙層隔振系統(tǒng)的隔振參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。測(cè)試結(jié)果表明，該機(jī)工作噪聲由61．5dB降為53dB，取得了明顯的減振降噪效果。

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