吸油煙機(jī)噪聲問題分析及控制方法

胡小帝

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

吸油煙機(jī)噪聲問題分析及控制方法

胡小帝

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文主要闡述吸油煙機(jī)的主要噪聲組成與產(chǎn)生機(jī)理，并介紹基于離心風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及電機(jī)的結(jié)構(gòu)及匹配上的噪聲優(yōu)化方法，以及主要的消極降噪方法。

吸油煙機(jī)；離心風(fēng)機(jī)；電機(jī)；降噪

1 引言

人們?cè)谶x購(gòu)吸油煙機(jī)時(shí)，主要考慮兩個(gè)性能指標(biāo)：大吸力與低噪聲。根據(jù)聲學(xué)理論，吸油煙機(jī)的噪聲水平與吸力的關(guān)系為：

式中，LW為吸油煙機(jī)的聲功率級(jí)，dB；LsW為吸油煙機(jī)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的比聲功率，是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的固有特性；Qv為吸油煙機(jī)的風(fēng)量，m3/h；PtF為吸油煙機(jī)的全壓，Pa。由式1可見，吸油煙機(jī)吸力的提高和噪聲的降低是相矛盾的。所以在設(shè)計(jì)和制造時(shí)必須采用適當(dāng)措施，以保證吸油煙機(jī)的最佳性能。為了控制吸油煙機(jī)的噪聲水平，本文將從吸油煙機(jī)噪聲組成與產(chǎn)生機(jī)理入手，分析控制噪聲水平的方法。

2 吸油煙機(jī)的噪聲組成以及產(chǎn)生機(jī)理

吸油煙機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的噪聲構(gòu)成比較復(fù)雜，主要有3類：空氣動(dòng)力性噪聲、電機(jī)的電磁噪聲、以及機(jī)械噪聲。其中空氣動(dòng)力性氣動(dòng)噪聲、電機(jī)電磁噪聲影響最大，成因最復(fù)雜，而機(jī)械噪聲基本可忽略不計(jì)，因此在本文中將不對(duì)機(jī)械噪聲進(jìn)行闡述。

2.1 空氣動(dòng)力性噪聲分析

空氣動(dòng)力性噪聲主要是風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中的高速氣流、不穩(wěn)定氣流以及由于氣流與物體相互作用產(chǎn)生的，主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲所組成。

2.1.1 旋轉(zhuǎn)噪聲

旋轉(zhuǎn)噪聲，又稱離散噪聲。其產(chǎn)生的機(jī)理有兩種：一是由于旋轉(zhuǎn)的風(fēng)葉周期性打擊空氣質(zhì)點(diǎn)，或運(yùn)動(dòng)的氣體與氣體發(fā)生周期性干擾，引起氣流壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)噪聲；二是風(fēng)葉出口氣流與蝸舌之間發(fā)生周期性沖擊作用而產(chǎn)生沖擊噪聲。大量實(shí)驗(yàn)表明，沖擊噪聲要遠(yuǎn)大于旋轉(zhuǎn)噪聲。

一般認(rèn)為影響吸油煙機(jī)旋轉(zhuǎn)噪聲的因素主要有以下幾種：（1）離心風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速與葉片數(shù)；（2）出風(fēng)口蝸舌的形狀；（3）離心風(fēng)葉是否處于最佳工況點(diǎn)；（4）蝸殼內(nèi)壁的不光滑度及蝸

殼整體的不對(duì)稱性；（5）進(jìn)風(fēng)口前安裝的金屬濾油網(wǎng)。

圖1 多葉強(qiáng)前彎離心風(fēng)葉

圖2 蝸殼設(shè)計(jì)尺寸

圖3 軸向間隙設(shè)計(jì)

由于離心風(fēng)葉的周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生壓力脈動(dòng)及干涉作用將隨時(shí)間而周期性變化，旋轉(zhuǎn)噪聲也通過風(fēng)葉以頻率的基頻及其諧波形式向外輻射，且具有離散性，其頻率為：

式2中，Z為離心風(fēng)葉的葉片數(shù)；n為離心風(fēng)葉的轉(zhuǎn)速，r/min；i為諧波序號(hào)，i=1,2,3…。很顯然，旋轉(zhuǎn)噪聲i=1時(shí)的基頻噪聲最高，高次諧波依次遞減。

2.1.2 渦流噪聲

渦流噪聲又稱寬頻噪聲，它的產(chǎn)生機(jī)理為：氣流流經(jīng)離心風(fēng)機(jī)葉片及蝸殼表面時(shí)產(chǎn)生湍流層，該湍流層會(huì)從這些表面脫落，引起葉片上非定常壓力隨機(jī)脈動(dòng)而輻射出噪聲。

離心風(fēng)機(jī)渦流噪聲來自這幾方面：（1）從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入的具有一定紊流度的氣流；（2）氣流流經(jīng)葉片表面及蝸殼表面時(shí)，形成的脈動(dòng)湍流附面層；（3）氣流流經(jīng)葉片前后盤的內(nèi)外表面及蝸殼表面時(shí)，產(chǎn)生的渦流脫離；（4）葉片、蝸殼漏氣也會(huì)產(chǎn)生渦流噪聲。

渦流噪聲從時(shí)域變換到頻譜上看，其曲線具有隨機(jī)連續(xù)的特點(diǎn)，同時(shí)它主要是由于旋渦剝落引起的，所以物體繞流旋渦剝落具有確定頻率，其頻率計(jì)算式為：

式中：Sr為斯特羅哈數(shù)，一般取0.185；ω為氣體與固體表面的相對(duì)速度，m/s；L為固體在垂直于ω方向的面積，m；i為諧波序號(hào)，i=1，2，3…。

由式（3）可知，渦旋噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對(duì)速度，而旋轉(zhuǎn)葉片的圓周速度則隨著與圓心的距離而連續(xù)變化。葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的渦旋噪聲就具有連續(xù)的噪聲頻譜。一般渦流噪聲頻率在0～1000Hz范圍內(nèi)。其強(qiáng)度大小由葉片及蝸殼內(nèi)氣流狀態(tài)決定。氣流越順暢，紊度越小，湍流附面脫落作用越小，渦流噪聲也就越小。

2.2 電機(jī)噪聲分析

通常吸油煙機(jī)采用直流無刷電機(jī)或單相交流異步電機(jī)作為動(dòng)力輸出。而由電機(jī)產(chǎn)生的噪聲

種類繁多，成因也很復(fù)雜。一般的，如果吸油煙機(jī)處于正常工作狀態(tài)時(shí)，由電機(jī)產(chǎn)生的噪聲主要為電磁噪聲。

2.2.1 無刷直流電機(jī)的噪聲分析

因直流無刷電機(jī)有節(jié)能及轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在不少?gòu)S商的吸油煙機(jī)采用直流無刷電機(jī)。但這種類型的電機(jī)非常容易因轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)而產(chǎn)生電磁噪聲，這種噪聲主要有兩種：一是齒槽轉(zhuǎn)矩帶來的噪聲，另一種是換相過程中換相電流波動(dòng)帶來的換向噪聲。通常，電機(jī)空載時(shí)的主要噪聲來源于齒槽轉(zhuǎn)矩，而負(fù)載運(yùn)行時(shí)，主要噪聲則是換相噪聲。

（1）齒槽轉(zhuǎn)矩帶來的噪聲

齒槽轉(zhuǎn)矩是永磁電機(jī)的特有現(xiàn)象，主要指繞組開路時(shí)，磁能相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生的變化率，它總是試圖將轉(zhuǎn)子定位在某一位置，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)。從電機(jī)結(jié)構(gòu)上看，其實(shí)就是定子開槽引起的磁阻不均勻?qū)е虏痪鶆虻拇爬Χa(chǎn)生轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。該噪聲在吸油煙機(jī)啟動(dòng)與關(guān)閉時(shí)特別明顯，值得關(guān)注。電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻率為：

式中：p為極對(duì)數(shù)；Z為定子齒數(shù)；C為2p與Z的最大公約數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min。

（2）換相噪聲

換相噪聲是方波型無刷直流電機(jī)特有的問題。定子磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力矩，若想力矩保持恒定，則需在理想反電動(dòng)勢(shì)波形的梯形平頂部分供給方形驅(qū)動(dòng)電流。而由于電機(jī)中電樞繞組相電感的存在，換相電流的上升和下降都需要一定的時(shí)間，使得相電流波形并不是理想的方波，從而產(chǎn)生電機(jī)換相時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)和噪聲。該轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的頻率（換相頻率）為：

式中：k為電機(jī)定子中每對(duì)磁極在一個(gè)周期內(nèi)所對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)數(shù)；p為電機(jī)極對(duì)數(shù)；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速r/min；i為諧波序號(hào)，i=1，2，3…。由于大部分吸油煙機(jī)電機(jī)采用三相六拍控制，電機(jī)有工作六種狀態(tài)，所以公式也可簡(jiǎn)化為：

2.2.2 單相異步交流電機(jī)的噪聲分析

單相異步交流電機(jī)沒有永磁鐵，也不存在勵(lì)磁繞組，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，價(jià)格便宜，是目前市面上大部分吸油煙機(jī)所采用的電機(jī)。這種電機(jī)的電磁噪聲產(chǎn)生機(jī)理是：周期變化的氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)力波，它的徑向力波對(duì)定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁拉力，使定子、轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期振動(dòng)，因此產(chǎn)生電磁噪聲。氣隙磁場(chǎng)中除了電源基波分量外，還有高次諧波分量，該高次諧波會(huì)使定轉(zhuǎn)子產(chǎn)生不同階次的諧波變形。一般該諧波變形量較小，但如果變形頻率與定轉(zhuǎn)子的某個(gè)固有頻率接近或相等，也會(huì)產(chǎn)生較大的共振噪聲。該電磁噪聲的頻率主要取決于轉(zhuǎn)子槽數(shù)，計(jì)算公式如下：

式中：Q2為轉(zhuǎn)子槽數(shù)；n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min。

3 吸油煙機(jī)噪聲的控制方法

通常的噪聲控制一般通過兩種方法進(jìn)行：一種是積極降噪法，即對(duì)噪聲源的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，降低噪聲源的輻射能量；另一種是消極降噪法，即采取隔振、減振、消聲、吸聲等措施使輻射到外界的噪聲降低。

3.1 空氣動(dòng)力噪聲的控制方法

由空氣動(dòng)力噪聲的產(chǎn)生機(jī)理可知，合理的氣動(dòng)設(shè)計(jì)是獲得低氣動(dòng)噪聲最根本的方法，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理選擇和匹配不但可獲得高的效率，而且相應(yīng)的噪聲水平也低。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)可優(yōu)化的零件包含：離心風(fēng)輪、蝸殼與集流器。

3.1.1 離心風(fēng)輪合理選型

吸油煙機(jī)用風(fēng)輪一般為多葉強(qiáng)前彎離心風(fēng)輪（圖1），這種風(fēng)輪的壓力系數(shù)高，噪聲小，流量系數(shù)大，適合吸油煙機(jī)使用的場(chǎng)合。該離心風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)主要有流量Qv、全壓PtF、聲功率W、效率η、圓周速度u2。這些參數(shù)與風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速的n、直徑D2密切相關(guān)，關(guān)系式為：

式中：為風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的效率；KtF為與全壓相關(guān)結(jié)構(gòu)的系數(shù)；Kw為與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)聲功率相關(guān)的結(jié)構(gòu)系數(shù)。

由7、8、9、10式可知，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的聲功率與轉(zhuǎn)速的5～6次方成正比，全壓與轉(zhuǎn)速的平方成正比，風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比。這意味隨著速度的降低，旋轉(zhuǎn)噪聲的聲功率將急劇降低，全壓也將較快降低，而風(fēng)量則正常比例降低。因此在保證風(fēng)量、風(fēng)壓情況下，應(yīng)盡量降低轉(zhuǎn)速，從而降低噪聲。另外，增加離心風(fēng)輪的氣動(dòng)載荷，可使風(fēng)輪在同等風(fēng)量和風(fēng)壓噪聲水平大幅降低。增加風(fēng)輪的氣動(dòng)載荷的常用方式為增加風(fēng)輪的最大直徑、風(fēng)葉葉長(zhǎng)、風(fēng)葉數(shù)目或采用雙面進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)。但也不可把轉(zhuǎn)速降低過多，以免風(fēng)輪尺寸過大。影響風(fēng)輪的重要參數(shù)還有出口角、入口角、風(fēng)輪內(nèi)外直徑比等。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速在650～850r/min，風(fēng)輪直徑在280mm以下，葉片數(shù)在60～90片之間，風(fēng)輪的內(nèi)外直徑比在0.8～0.95之間，入口角在60°～90°之間，出口角在150°～170°之間是一個(gè)較為合理參數(shù)范圍。

有理論研究顯示，如果在風(fēng)葉上設(shè)置均布的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，則可使葉片上氣流層附面層較早地轉(zhuǎn)化為紊流，避免層流附面層不穩(wěn)定導(dǎo)致渦流分離；另外，葉片上設(shè)置的鋸齒形結(jié)構(gòu)，使氣流對(duì)蝸舌的整齊一致的“拍打”緩沖為分散的“拍打”，因此可降低旋轉(zhuǎn)噪聲。這種方法在空調(diào)上也常見。典型案例可參考方太的蝶翼云魔方吸油煙機(jī)。

另外，在離心風(fēng)機(jī)的制造過程中，控制其動(dòng)平衡、徑向與軸向全跳動(dòng)等制造參數(shù)也非常重要。往往這些參數(shù)的不合格會(huì)造成力矩不平衡而產(chǎn)生異常噪聲。

3.1.2 蝸殼的合理選型。

蝸殼的作用主要是平順的引導(dǎo)氣流流出蝸口。一般選擇近似阿基米德螺旋線作為蝸殼的內(nèi)壁型線。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為蝸殼寬度B、張開度A、出口長(zhǎng)度C、蝸舌間隙t、蝸舌半徑r、擴(kuò)壓角θ。（圖2）

由旋轉(zhuǎn)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理可知，蝸舌與氣流發(fā)生的沖擊作用是旋轉(zhuǎn)噪聲的主要成因，減小蝸舌

的迎風(fēng)面積可極大地減小旋轉(zhuǎn)噪聲。由此可見蝸殼結(jié)構(gòu)參數(shù)中的蝸舌間隙t、與蝸舌半徑r對(duì)噪聲影響最大。在保證風(fēng)壓的前提下，一般的蝸舌間隙越大，蝸舌半徑越大，則旋轉(zhuǎn)噪聲越小。由實(shí)驗(yàn)表明，蝸舌間隙t取0.05D2～0.1D2，蝸舌半徑r取0.03D2～0.06D2比較合理。

另外，為了減小迎風(fēng)面積，蝸舌做成傾斜式也對(duì)降低噪聲水平極其有效。因同相位的脈動(dòng)氣動(dòng)力的作用面積小了，輻射的噪聲也因此減小了。通常，蝸舌的傾斜角α可按tanα=（t-2r）/B去計(jì)算。蝸舌傾斜的方向應(yīng)是向蝸殼后板側(cè)升高，若方向弄反，效率會(huì)有一定降低。該方法對(duì)前彎式離心風(fēng)機(jī)的降噪效果明顯，且不會(huì)增加風(fēng)機(jī)尺寸，不影響風(fēng)機(jī)效率，而且?guī)缀鯇?duì)所有工況都有效。

在制造過程中，控制蝸殼型線的準(zhǔn)確性與內(nèi)壁的順滑，以及蝸殼焊接后是否有明顯漏氣現(xiàn)象也非常重要。這些不良也會(huì)導(dǎo)致噪聲異常。

3.1.3 集流器的合理選型

集流器安裝于蝸殼入口處，用于引導(dǎo)氣流平滑地軸向進(jìn)入葉輪。為了減小渦區(qū)和進(jìn)氣損失，吸油煙機(jī)一般采用圓弧型集流器，且與風(fēng)輪成軸向間隙形式，間隙δ一般選5～10mm。需要特別注意的是，集流器與蝸殼入口處需貼合緊密，否則會(huì)導(dǎo)致氣流泄漏而產(chǎn)生明顯的渦流噪聲。（圖3）

3.2 電機(jī)電磁噪聲的控制方法

關(guān)于電機(jī)的電磁噪聲改善，業(yè)內(nèi)研究較深，方法比較多，文獻(xiàn)資料介紹也比較全面，因此本文中只簡(jiǎn)單列舉改善方法，不作深入探討。

3.2.1 無刷直流電機(jī)噪聲控制

（1）齒槽轉(zhuǎn)矩噪聲的控制

齒槽轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的主要原因?yàn)槎ㄗ哟艠O開槽導(dǎo)致不均勻的磁拉力，改善齒槽轉(zhuǎn)矩帶來的噪聲主要原則是盡量使磁拉力均勻。主要改善方法為：極槽配合法、磁極優(yōu)化法、斜極法、斜槽法、閉口槽法、定子齒冠開槽法、改善電流波形法、無齒槽繞組法、變化的氣隙法等方法。

（2）換相噪聲

換相噪聲產(chǎn)生的主要原因是為非理想梯形的換相電流而導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，其改善原則為盡量減少換相電流波形變形。主要改善方法為：重疊換相法、滯環(huán)電流法、PWM斬波法、電流預(yù)測(cè)控制法等。

3.2.2 單相交流電機(jī)的噪聲控制

單相交流電機(jī)產(chǎn)生的電磁噪聲來源于定轉(zhuǎn)子徑向變形和周期振動(dòng)，改善這種電磁噪聲的主要方法有：適當(dāng)降低氣隙磁密減少?gòu)较虼爬?；采用短距繞組消弱諧波電勢(shì)；增加定子槽數(shù)以減少諧波分布系數(shù)；選擇合適的槽配合；利用磁性槽楔；轉(zhuǎn)子斜槽處理；采用閉口齒槽減少高次諧波；減小高次諧波電流的影響；適當(dāng)增加電機(jī)殼厚度或剛度使固頻提高。

3.3 避免共振噪聲方法

吸油煙機(jī)在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)里匹配好電機(jī)后，經(jīng)常在某些檔位或轉(zhuǎn)速發(fā)生很明顯的“嗡嗡”或“噗噗”的噪聲。這是因空氣動(dòng)力噪聲頻率或電磁噪聲頻率與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)整體固有頻率的基頻或倍頻一致，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生共振而把噪聲放大。

處理這種噪聲可通過模態(tài)分析與頻譜分析，查找出具體的共振區(qū)后，采用如下三種方法進(jìn)行控制：其一，改變轉(zhuǎn)速而避開共振區(qū)。把轉(zhuǎn)速改變后相應(yīng)的噪聲頻率必然變更，只要改后的頻率不在系統(tǒng)固有頻率的基頻或倍頻附近，共振噪聲就可消除。其二，改變系統(tǒng)固有頻率法?？梢酝ㄟ^增加系統(tǒng)的整體剛度，比如增加蝸殼的材料厚度或在蝸殼前后板進(jìn)行壓型，用以提高系統(tǒng)的整體固有頻率。其三，采用高粘性阻尼粘貼在蝸殼上，用于消耗噪聲能量而降低噪聲水平，但這種方法不能從根源上解決共振問題。

3.4 傳播路徑上降噪法

上述介紹的方法均是對(duì)聲源結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，使聲源的噪聲功率盡量降低。但不管如何優(yōu)化處理，只要風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)，仍然是會(huì)產(chǎn)生噪聲的。若要降低這部分噪聲，則需要在噪聲傳播路徑上進(jìn)行降噪的方法，這種方法包含：隔振、減振、吸聲、消聲等方法。具體做法是通過在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)之間，風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與整機(jī)之間設(shè)置一些高阻尼的橡膠墊、盡量減少與振動(dòng)源的接觸面積、采用高吸聲率的海綿或泡沫類進(jìn)行隔振、減振和吸聲。而消聲方法，因吸油煙機(jī)的結(jié)構(gòu)空間及成本限制一般較少用到。通過查詢相關(guān)專利，有些廠商會(huì)通過在在蝸舌處設(shè)置聲學(xué)消聲器，或在整機(jī)上設(shè)置有源消聲器，從而達(dá)到消耗噪聲能量、降低噪聲的目的。

4 總結(jié)

吸油煙機(jī)的噪聲控制是一項(xiàng)系統(tǒng)的課題。它應(yīng)從風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與電機(jī)的設(shè)計(jì)、制造與系統(tǒng)匹配入手，優(yōu)化、完善風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及電機(jī)的結(jié)構(gòu)，盡量從噪聲源頭上減少噪聲的產(chǎn)生，并通過隔振、減振、吸聲、消聲等消極降噪手段，確保最大限度地減輕吸油煙機(jī)向外輻射噪聲，提高產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

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Range hood noise problem analysis and control

HU Xiaodi
（Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070）

This article mainly elaborates the main noise component and cause, and introduced the optimal method of noise for structure of centrifugal fan system and motor and matching, and mainly passive noise reduction method.

Rang hood; Centrifugal fan; Motor; Noise reduce