電磁爐噪聲成分分析及貢獻度計算

陸煜樺，石藍富，汪志鋼，何柏鋒，杜平安

（1.電子科技大學 機械電子工程學院，成都 611731 2.廣東美的生活電器制造有限公司，廣東 佛山 528311）

電磁爐具有熱效率高、使用方便等優(yōu)點，在日常生活中的應用越來越廣。但電磁爐在工作過程中會產(chǎn)生較大噪聲，嚴重影響使用的舒適度，因此如何控制噪聲已成為電磁爐開發(fā)中重點關注的技術問題。

電磁爐噪聲包括電磁振動噪聲、機械振動噪聲、風扇氣動噪聲、水沸騰噪聲等。聲源類型不同，其頻率特征也各不相同。頻譜分析就是將噪聲信號的各種頻率成分進行分解，以便對聲源特征進行識別，從而分辨出各類噪聲成分，進而計算各種成分的貢獻大小[1-3]。

本文對某型電磁爐燒水過程進行噪聲測試，通過時域數(shù)據(jù)對比，分析不同水位及不同工況下燒水過程中噪聲變化特點；通過對時域數(shù)據(jù)的頻譜變換，分析噪聲頻譜結構，識別噪聲成分并計算各類噪聲的貢獻度。研究成果可為降低電磁爐噪聲提供依據(jù)。

1 噪聲測試與特征時域分析

噪聲測試環(huán)境見圖1，分別進行電磁爐噪聲與風扇噪聲兩項測試，測試方案見表1，根據(jù)不同水位以及不同工況共進行9次測試。電磁爐工作10 s后停止加熱，風扇持續(xù)工作1分鐘左右，從而測得風扇噪聲。在電磁爐燒水過程中，將盛水鍋具提起一定高度，噪聲增大，且水中出現(xiàn)有序波紋，由此判斷電磁爐晶板與鍋具之間相互遏制振動，所以測試方案中加入了將鍋具懸空2 mm工況的測試。

圖1 噪聲測試環(huán)境

表1 電磁爐噪聲測試方案

使用MATLAB軟件對測得的噪聲數(shù)據(jù)進行處理，獲得噪聲時域變化曲線，部分結果如圖2所示（其中“2 100 W×k”為2 100 W懸空加熱）。

從噪聲時域數(shù)據(jù)可以看出電磁爐噪聲具有以下特點：

（1）整體變化趨勢：初期小幅波動，某一刻開始快速增大至最大，然后緩慢下降，最后較快速下降至穩(wěn)定后小幅波動。

（2）加熱功率高，加熱快，噪聲越大（見圖2(a)）。這是由于功率增加，激勵電流增大，電磁力增加，電磁振動加劇。

（3）在懸空2 mm狀態(tài)下，加熱變慢，但噪聲加大，這是因為鍋具懸空后沒有晶板對鍋底振動的抑制，鍋具電磁振動加劇。

（4）水量越多，加熱時間越久，但噪聲最高值基本相近（見圖2(b)）。

（5）貼合晶板情況下水完全沸騰時，噪聲隨水量增大而小幅增大。懸空狀態(tài)下完全沸騰時，水量少噪聲反而大。

2 電磁爐噪聲成分的頻譜分析

2.1 噪聲成分特征

通過電磁爐工作原理和結構分析，可以判斷電磁爐噪聲包括電磁振動噪聲、風扇氣動噪聲、機械振動噪聲以及水的沸騰噪聲等。

電磁振動噪聲是由于交變電磁場在鍋具底部產(chǎn)生交變電磁力、而交變電磁力引起鍋具振動產(chǎn)生的噪聲。變頻器輸出的電壓和電流會影響電磁力的幅值和頻率，從而決定電磁振動噪聲的大小和頻率[4]。

交變電磁力頻率為激勵電流頻率的兩倍[5]。若激勵電流為工頻電流，則電磁力頻率為

式中：f0為工頻電流頻率，f0=50 Hz。

風扇噪聲為空氣動力噪聲，根據(jù)產(chǎn)生機理分為旋轉噪聲和渦流噪聲，根據(jù)頻譜特性分為離散噪聲和寬頻噪聲[6]。其中旋轉噪聲頻率為

式中：n為葉輪轉速，單位為r/min；z為葉片數(shù)；i為諧波序號，i=1,2,3…，i=1為基頻。

機械噪聲是風扇葉輪旋轉時不平衡沖擊、摩擦引起的振動噪聲，噪聲頻率為

圖2 電磁爐噪聲的時域變化

式中：n為葉輪轉速，單位為r/min；i為諧波序號，i=1,2,3…，i=1為基頻。

旋轉不平衡噪聲基頻一般較低，其本身往往不輻射空氣聲，但會作為振動能源通過支撐結構迫使結構振動，輻射空氣聲[5]。

隨著加熱面的過熱度以及液體的過冷度變化，水中氣泡行為也隨之變化。根據(jù)氣泡行為特點，沸騰狀態(tài)可分成過冷沸騰、核態(tài)沸騰和過渡沸騰三種。加熱面氣泡的快速形成及高頻脫離引起劇烈的流體振動使噪聲增大。當過熱度增大，氣泡形成加速導致氣泡相互干擾和合并，減小水體對器壁的振蕩沖擊強度，噪聲降低[7]。

2.2 噪聲頻譜分析

1 500 ml水在1 000 W功率工況下加熱，時間較長，測試過程較穩(wěn)定。利用LMS Test.Lab軟件對噪聲時域數(shù)據(jù)進行頻譜變換，并轉換為功率譜以便分析[7]，結果如圖3所示?？捎^察得噪聲主要集中在0～1 kHz的中低頻區(qū)和19 kHz～20 kHz的高頻區(qū)。高頻區(qū)噪聲頻率在電磁爐的工作頻率范圍內。

圖3 1 500 ml水在1 000 W工況下加熱時的噪聲頻譜圖

圖4 1 500 ml水在2 100 W工況下懸空加熱噪聲分析

將圖3（a）的低頻區(qū)放大得到圖3（b），可以觀察到中低頻區(qū)兩個主要的噪聲成分：

（1）具有100 Hz基頻及其高階倍頻的離散噪聲。此噪聲為電磁“嗡嗡”聲，其動力源為50 Hz工頻電流引起的電磁線圈磁場與鍋之間的交變電磁力。

（2）具有345.5 Hz基頻及其高階倍頻的離散噪聲。電磁爐風扇為9扇葉直流無刷風扇，轉速為2 300 r/min，由式(1)算得風扇旋轉噪聲基頻為345 Hz，因此可以判定具有345.5 Hz基頻及其高階倍頻的噪聲為風扇旋轉噪聲。

此外，風扇轉速為2 300 r/min，根據(jù)式(3)可得機械噪聲基頻約為38.3 Hz，并且鍋具的2階模態(tài)為75 Hz。因此，75 Hz處峰值為機械振動的2次諧波噪聲，其貢獻度較小。

圖4為1 500 ml水在2 100 W工況下懸空加熱的噪聲頻譜圖。電磁爐溫度升高至一定值，風扇轉速升至2 900 r/min。因此，旋轉噪聲基頻由345.5 Hz變?yōu)?35 Hz。此外，相比未懸空加熱的噪聲頻譜，兩處明顯區(qū)別可進一步證實噪聲中所具有的電磁噪聲成分：

（1）大量“毛刺”為100 Hz基頻及其高次倍頻。

（2）19 kHz～20 kHz高頻處噪聲明顯增大。

3 各噪聲成分的貢獻度計算

3.1 水沸騰對綜合噪聲的影響

電磁爐在整個加熱過程中噪聲有明顯的時間變化特點。圖5為1 500 ml水在1 000 W工況下噪聲時域圖。

圖5 1 500 ml水在1 000 W工況下噪聲時域圖

0～175 s噪聲在48 dB上下波動，這時水未沸騰，因此噪聲主要為風扇噪聲與電磁噪聲。175 s～350 s噪聲逐漸增大至59 dB，水中氣泡快速形成并高頻脫離，進入核態(tài)沸騰狀態(tài)，噪聲達到最大。350 s之后由核態(tài)沸騰向過渡沸騰轉化，噪聲緩慢下降，450 s～580 s噪聲下降幅度較小，580 s之后噪聲加速下降。

圖6為1 500 ml水在10 00 W工況下加熱噪聲彩色圖，可觀察噪聲隨時間和頻率的變化。可發(fā)現(xiàn)200 s～450 s增大的噪聲頻率分布于200 Hz～8 kHz，這是由水的核態(tài)沸騰以及過渡沸騰引起鍋具的中高頻振動。

圖6 15 00 ml水在1 000 W工況下加熱噪聲彩色圖

通過不同時刻噪聲頻譜對比，可觀察到水沸騰對噪聲的影響，即耦合振動現(xiàn)象[8-9]。

圖7（a）為30 s與350 s聲功率頻譜對比，30 s時噪聲以風扇噪聲和電磁噪聲為主，350 s時綜合噪聲最大。根據(jù)兩者對比可得由水核態(tài)沸騰引起的鍋具振動及液體振動的噪聲量，其中寬頻噪聲明顯增大。

圖7 不同時刻噪聲頻譜對比

圖7（b）為350 s與550 s聲功率頻譜對比，550 s時綜合噪聲降低，水沸騰氣泡增大，出現(xiàn)相互擾動情況，此時增強了低頻處的電磁振動（100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz），而中高頻的噪聲明顯降低。

圖7（c）為550 s與690 s中低頻聲功率頻譜對比，690 s時沸騰氣泡進一步增大，相互擾動增強，振蕩沖擊有所抑制，寬頻噪聲和離散噪聲都有所下降。

圖7（d）為690 s與30 s中低頻聲功率頻譜對比，690 s時水完全沸騰，相比于初始，寬頻噪聲和電磁離散噪聲（100 Hz、200 Hz、300 Hz、400 Hz）都有所增加。

3.2 噪聲貢獻度計算

電磁爐啟動初期，水中尚未出現(xiàn)明顯氣泡，噪聲成分主要為風扇噪聲和電磁噪聲。

聲功率級計算公式為

式中：LW為聲功率級，dB；W為聲功率，W；W0為基準聲功率，W；W0=10-12W。

1 000 W工況下加熱1 500 ml水，前10 s內綜合噪聲的平均聲功率級約為48.16 dB。由式(4)可算得總的聲功率W1=6.55×10-8W。

測得風扇噪聲聲功率級值約47.09 dB（其中機械噪聲較小可忽略）。由式(4)可算得風扇噪聲的聲功率W2=5.12×10-8W。

因此，電磁噪聲的聲功率為

從而可估算綜合噪聲中風扇噪聲的貢獻度W2/W1=78.2%和電磁噪聲貢獻度W3/W1=21.8%。

同理，可計算1 500 ml水在2 100 W工況下各噪聲成分的貢獻度如表2所示。

由此可知，低功率加熱情況下風扇噪聲貢獻度較大；隨著功率增大，電磁噪聲貢獻度增大。這是由于功率增加，電磁力加大，電磁振動加劇。

由于耦合振動現(xiàn)象和風扇轉速變化，后期各噪聲成分不定量變化。難以直接通過計算聲功率占比來說明噪聲成分的貢獻度。通過噪聲增量的計算可看出水沸騰對綜合噪聲的影響。

如表3所示，1 000 W工況下加熱15 00 ml水，第350 s時噪聲最大值為59.38 dB。算得聲功率Wmax=8.670×10-7W。相對初始噪聲，聲功率增量Wincrease1=Wmax-W1=8.015×10-7W。增量占比為Wincrease1/Wmax=92.4%。

風扇變速前沸騰噪聲約為53.78 dB，其聲功率Wboiling=2.388×10-7W。相對初始噪聲，聲功率增量Wincrease2=Wboiling-W1=1.733×10-7W。增量占比為Wincrease2/Wboiling=72.6%。

同理可計算1 500 ml水在2 100 W工況下的數(shù)據(jù)，結果如表4所示。

4 結語

(1)通過對電磁爐噪聲測試數(shù)據(jù)的時域和頻域分析，得電磁爐噪聲主要由4部分組成：

①以100 Hz為基頻、以其高階倍頻為特征的電磁振動噪聲；

②19 kHz～20 kHz的高頻載波噪聲；

③風扇氣動噪聲；

④水的沸騰噪聲。

(2)鍋具懸空時，缺少電磁爐晶板對鍋具底部振動的抑制，鍋具受交變電磁力的影響增大，振動明顯加劇。

表2 加熱初期主要噪聲成分貢獻度

表3 1 500 ml水在1 000 W工況下沸騰引起的噪聲貢獻度

表4 1 500 ml水在2 100 W工況下沸騰引起的噪聲貢獻度

(3)電磁爐噪聲變化的特點是先低后高再降低。噪聲增大主要是因為水的核態(tài)沸騰與過渡沸騰引起的振動噪聲，頻率范圍較寬，約為200 Hz～8 kHz。

(4)電磁爐噪聲成分貢獻度

①加熱初期，噪聲主要為電磁噪聲與風扇噪聲。低功率加熱時，風扇噪聲貢獻度較大。隨加熱功率增大，電磁噪聲貢獻度增大。

②加熱中期，中高頻噪聲增大，水沸騰對綜合噪聲的貢獻度在90%以上。

③加熱后期，低頻的大氣泡擾動增強電磁頻點噪聲，即為耦合振動現(xiàn)象。水沸騰對綜合噪聲貢獻度在70%以上。