智能空氣凈化器噪聲源辨識與控制研究

劉海強，趙 堅，洪學武，王 達，高志鵬，范賢安，賀藝龍

（天津城建大學 控制與機械工程學院，天津 300384）

家用空氣凈化器[1]是由引流風機、蜂窩式活性炭濾層、柵欄式靜電駐極層、灰塵收納清洗槽、導風板、機殼組成.空氣凈化器運行過程中，尤其放在臥室內時，其噪聲大大降低了用戶的睡眠質量.噪聲是否超標一直是衡量凈化器質量的關鍵指標之一，它直接影響用戶對此類小家電的滿意度，也影響凈化器的市場占有率[2-3].本文針對一款新型智能家用空氣凈化器噪聲超標問題展開研究.通過對空氣凈化器整體結構進行噪聲測試實驗與數(shù)據(jù)分析，并對現(xiàn)有結構進行有限元[4]分析計算，從而辨識主要噪聲源，采取相應的噪聲控制措施，使空氣凈化器整體噪聲達到國家標準.

1 理論基礎

空氣凈化器噪聲評價是以最接近于人耳對噪聲頻率感受的聲學A計權[5]為標準.聲壓級值加在一起后所得數(shù)值的單位為分貝（dB）.由于圓柱面聲波的強度與聲源距離的平方成反比，故聲壓級距離變化計算為

式中：LP1為半徑為r1時，圓柱面聲波的聲壓級值；LP2為半徑為r2時，圓柱面聲波的聲壓級值.

空氣凈化器噪聲成分識別以及尋找確定噪聲源，通常采用頻譜分析的方法.頻譜分析最常用的是快速傅里葉變換（以下稱為FFT），其正變換為[6]

2 凈化器噪聲測試實驗

針對新款智能空氣凈化器構建了整機噪聲測試實驗系統(tǒng)，分別在不同工作檔位對各個關鍵運動零部件進行聲壓測試，選取噪聲最大處的噪聲信號進行頻譜分析，并針對噪聲最大處的結構進行有限元分析，以確定噪聲源.利用有限元分析軟件對結構進行仿真分析，計算出結構的共振頻率，結構共振頻率與繪制頻譜曲線的識別結果一致，從而從理論上確定噪聲源.由智能空氣凈化器、網絡分布式采集分析儀、多個INV9206聲壓傳感器、計算機（內置軟件）構建凈化器噪聲測試實驗系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 噪聲測試系統(tǒng)框圖

測點的布置采用包絡測量表面原理[7].在以空氣凈化器中心軸為母線，以D=（d0+20）cm為直徑的假想圓柱面上布置測點，測點從下到上依次布置在進風口、灰塵收納清洗槽、柵欄式靜電駐極層、蜂窩式活性炭濾層、引流風機、導風板各處，測點分布見圖2.采用由網絡分布式采集分析儀、INV9206聲壓傳感器組成噪聲測量單通道來采集噪聲數(shù)據(jù).

圖2 空氣凈化器測點分布

實驗前，用聲校準器HS6020對連接了聲壓傳感器的噪聲測量通道進行標定.由于空氣凈化器噪聲主要為20～2 000 Hz范圍內的噪聲，采樣頻率設置為5 120 Hz.實驗在背景噪聲為51.2 dB的室內環(huán)境下進行，背景噪聲忽略不計.工作狀態(tài)依次設置在低速檔、中速檔和高速檔，分別對進風口、灰塵收納清洗槽、柵欄式靜電駐極層、蜂窩式活性炭濾層、引流風機、導風板各處進行噪聲聲壓級測量，并對噪聲最大位置處的聲壓信號進行頻譜分析.

3 凈化器噪聲源辨識

空氣凈化器噪聲測試數(shù)據(jù)采集后，不同速度下引流風機處的噪聲見表1.對比各測點數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：無論在低中高速下，總是引流風機處的噪聲最大.于是對引流風機測點處的噪聲信號進行頻譜分析，頻譜圖見圖3.

表1 不同速度下各測點的噪聲 dB

圖3 引流風機的頻譜圖

從圖3可看出：在低速運行下，峰值出現(xiàn)在200，400，1 000 Hz的頻率處，其中僅在200 Hz處，聲壓有效值超過了0.1Pa，超過0.05Pa的頻率僅有200，400Hz兩處；在中速運行下，峰值出現(xiàn)在 200，750，950，1 000，1 050 Hz處，其中僅在200 Hz處，聲壓有效值達到了0.1 Pa，但是超過0.05 Pa的頻率達到了10處；在高速運行下，峰值出現(xiàn)在200，750，950，1 000 Hz處，其中聲壓有效值超過0.15 Pa的有200，750，950，1 000 Hz四處，基本上所有的峰都超過了0.05 Pa.通過上述分析，可以找到噪聲較大的頻率值為200，750，950，1 000 Hz四處.由于人耳敏感的頻率范圍在20～2 000 Hz，所以實驗分析截止到2 000 Hz.考慮到引流風機處噪聲最大，本文對引流風機殼體結構的模態(tài)進行有限元仿真計算.殼體材料為ABS塑料，采用solid186單元[8]；彈性模量為2.32 GPa，泊松比為0.394，密度為103kg/m3；采用智能網格劃分[9]；約束條件為殼體筋板上的8個螺紋孔進行全約束.引流風機殼體固有頻率見表2，引流風機殼體部分振型圖見圖4.

表2 引流風機9階固有頻率

圖4 引流風機振型圖

由表2可知，引流風機分別在固有頻率為204.89，747.53，960.08，1 021.36 Hz處振幅較大，尤其是在204.89，747.53 Hz下，引流風機出現(xiàn)嚴重的軸向彎曲振動.結合引流風機測點處的噪聲頻譜圖（見圖3），識別出主要噪聲源是引流風機.由于引流風機在工作狀態(tài)下發(fā)生共振，從而輻射噪聲.

4 噪聲控制措施

本實驗噪聲控制措施采取在噪聲源處附加阻尼材料的方法.阻尼材料可減小系統(tǒng)的振動幅度，進而減小因機械振動產生的聲輻射，降低機械性噪聲.結合圖4可以發(fā)現(xiàn)殼體中間部分的彎曲變形較嚴重，但風機前、后端也出現(xiàn)了彎曲變形，故選取橡皮泥粘貼位置為：風機的前端、中間、后端.其中有兩種規(guī)格的吸振橡皮泥：1#，每塊厚度3 mm，長方形20 mm×10 mm，重10 g；2#，每塊厚度6 mm，長方形 20 mm ×10 mm，重20 g.吸振橡皮泥布置見圖5.空氣凈化器在高速檔位運行，對引流風機處進行噪聲數(shù)據(jù)采樣及分析，不加橡皮泥1/3倍頻程譜圖見圖6，加2#（風機中間位置）1/3倍頻程譜圖見圖7.測得A聲壓級見表3.

圖5 吸振橡皮泥布置

圖6 不加橡皮泥1/3倍頻程譜圖

圖7 加2#（風機中間位置）1/3倍頻程譜圖

表3 引流風機處聲壓級 dB

由圖6-7和表3表明：實驗中橡皮泥的質量、厚度以及位置均對噪聲輻射值產生影響；其中在風機中間位置黏貼2#橡皮泥降噪效果最明顯，這恰與引流風機殼體有限元分析的結果一致.在殼體變形大的位置，附加質量僅為240 g的橡皮泥就使聲壓級降低超過20 dB，空氣凈化器在高速檔位的噪聲已經達到1.5 m處聲壓級≤61 dB的國家標準[10].在噪聲源處，黏貼或者安裝吸振材料能夠使空氣凈化器整體噪聲降低.在特殊部位直接附加吸振材料能減少噪聲的輻射；另外附加一定質量的阻尼材料，可以改變引流風機固有頻率，避開共振區(qū)，增大其阻尼比，這對于空氣凈化器整體的降噪效果是非常顯著的.

5 結論

（1）空氣凈化器的噪聲源主要是引流風機，尤其是高速檔位振動幅度大，輻射噪聲超標.

（2）采用關鍵部件的關鍵部位鋪貼吸振材料，能有效地使空氣凈化器整體噪聲降低.

（3）通過噪聲測試實驗與有限元結構分析相結合的方法，可以辨識出噪聲源，說明本文采用的方法具有一定的普適性.