免安裝反滲透凈水器噪聲分析及優(yōu)化

敖衛(wèi) 龔璇 陳天 廖文斐

摘 ?要：免安裝反滲透凈水器是一類(lèi)備受市場(chǎng)關(guān)注的凈水器，得到了很多消費(fèi)者的喜愛(ài)，在實(shí)際使用中不需要繁瑣的安裝步驟，可隨意移動(dòng)擺放位置，但免安裝反滲透凈水器在運(yùn)行過(guò)程中存在一定程度的噪音。為了消除免安裝反滲透凈水器的制水噪聲的困擾，文章初步分析了免安裝反滲透凈水器噪聲產(chǎn)生的原因，并介紹電機(jī)調(diào)速、結(jié)構(gòu)及控制軟件優(yōu)化方式降低凈水器的噪音，起到良好的降噪效果，為凈水器降噪痛點(diǎn)提供了參考方案。

關(guān)鍵詞：免安裝;反滲透凈水器;噪聲分析;增壓泵

中圖分類(lèi)號(hào)：TM925.5 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）18-0051-04

Abstract： The installation-free reverse osmosis water purifier is a kind of water purifier that has attracted much attention in the market， which has been loved by many consumers. It does not need tedious installation steps in practical use， and it can be moved and placed at will. However， there is a certain degree of noise during the operation of the installation-free reverse osmosis water purifier. In order to eliminate the trouble of water noise caused by installation-free reverse osmosis water purifier， this paper preliminarily analyzes the causes of noise produced by installation-free reverse osmosis water purifier， and introduces the speed regulation， structure and control software optimization of motor to reduce the noise of water purifier. This has a good effect of noise reduction， and provides a reference scheme for reducing the noise pain point of the water purifier.

Keywords： installation free; reverse osmosis water purifier; noise analysis; booster pump

1 概述

近年來(lái)，隨著人們對(duì)飲用水安全的日益關(guān)注，凈水器作為一種新興的電器產(chǎn)品，因其優(yōu)良的過(guò)濾和凈化效果，受到廣大消費(fèi)者的青睞[1]。目前，免安裝反滲透凈水器因?yàn)樗陨淼膬?yōu)勢(shì)已經(jīng)成為受市場(chǎng)歡迎的一種機(jī)型。它的優(yōu)勢(shì)不僅僅在于能夠免去安裝線路、連接水管的麻煩，還在于小巧便捷，可隨時(shí)移動(dòng)，隨處可放，同時(shí)還具有出熱水無(wú)需等待，即需即飲，廢水循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。因此，免安裝反滲透凈水器往往放在離消費(fèi)者很近的場(chǎng)所，如臥室、書(shū)房、辦公室等，這使得噪音成為免安裝反滲透凈水器的飲水體驗(yàn)的一個(gè)重要指標(biāo)。

作為反滲透凈水器的核心零部件，增壓泵具有自吸和增壓功能，為凈水器通過(guò)反滲透膜凈化水這一過(guò)程提供恰當(dāng)?shù)乃畨汉退髁?，最終使凈水器實(shí)現(xiàn)過(guò)濾出純凈水的目的[2]。然而，免安裝反滲透凈水器的進(jìn)水壓力極小，需要采用具有自吸功能的增壓泵，導(dǎo)致增壓泵電機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生比普通增壓泵更大的噪音，因此免安裝反滲透凈水器降噪成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

本論文主要針對(duì)免安裝反滲透凈水器中增壓泵帶來(lái)的噪音問(wèn)題，通過(guò)不同的改善方法，降低免安裝反滲透凈水器的噪音，為消費(fèi)者提供舒適的飲水環(huán)境。

2 測(cè)試條件與方法

2.1 測(cè)試條件

所使用免安裝反滲透凈水器的制水系統(tǒng)工藝是由原水杯、自吸增壓泵、復(fù)合濾芯、反滲透濾芯等構(gòu)成，如圖1所示。免安裝反滲透凈水器不直接連接自來(lái)水管，需要將市政自來(lái)水盛入原水杯中，故采用自吸功能的增壓泵搭配反滲透濾芯。噪聲測(cè)試在標(biāo)準(zhǔn)消音室（室溫25℃/濕度40%）中完成，泵噪音測(cè)試選擇自吸增壓泵的工作流量≥550mL/min，泵出水端連接針閥，調(diào)節(jié)泵進(jìn)水端壓力為0MPa，使泵工作輸出壓力為0.5MPa。同時(shí)，整機(jī)噪音測(cè)試是將增壓泵連接到反滲透凈水器內(nèi)制水系統(tǒng)中，設(shè)定進(jìn)水端壓力為0MPa，使泵工作輸出壓力為0.5MPa。

2.2 測(cè)試方法

本實(shí)驗(yàn)中噪音測(cè)試采用《GB/T 4214.1-2017聲學(xué)和家用電器及類(lèi)似用途器具噪聲測(cè)試方法 第1部分：通用要求》的方法。選定聲功率級(jí)作為噪聲大小的評(píng)價(jià)量，測(cè)量表面為帶有十個(gè)測(cè)點(diǎn)的半球面，半球面的半徑為1.5m，測(cè)點(diǎn)擺放位置如圖2所示。測(cè)量?jī)x器采用HS5660B-X型多通道噪聲震動(dòng)測(cè)量分析系統(tǒng)，將測(cè)量?jī)x器中的傳聲器按照如圖1所示位置固定于標(biāo)準(zhǔn)消音室中。單泵噪音測(cè)試將增壓泵放在消音室中如圖2所示的半球球心位置;整機(jī)噪音測(cè)試時(shí)，將整機(jī)置于半球球心處放置的平臺(tái)上。該系統(tǒng)收集樣件產(chǎn)生的噪聲，顯示每個(gè)采樣點(diǎn)的聲功率級(jí)，并依據(jù)GB/T3767-1996和GB6882-1986標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行聲功率級(jí)的計(jì)算。

3 噪聲分析及改善方案

3.1 噪聲分析

為了分析噪聲產(chǎn)生原因，選擇同一批次5臺(tái)增壓泵，輸入電壓為DC24V，工作時(shí)電流為0.72A，流量≥550mL/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1800rpm，測(cè)試單泵及安裝到整機(jī)后的噪音，測(cè)試單泵噪音在進(jìn)水壓力為0MPa，增壓泵工作輸出壓力為0.5MPa的條件下所產(chǎn)生單泵噪音的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，增壓泵本身噪音較大，按照QB/T4144-2010標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定凈水器在正常工作時(shí)，不應(yīng)產(chǎn)生異常的噪音，噪聲聲功率級(jí)應(yīng)不大于50dB（A），本實(shí)驗(yàn)中所用增壓泵已接近標(biāo)準(zhǔn)要求的上限，故需從增壓泵本身進(jìn)行降噪。

單泵噪音測(cè)試完成后，分別將5臺(tái)增壓泵安裝到凈水器的制水系統(tǒng)工藝內(nèi)，增壓泵的金屬支座與整機(jī)鈑金件通過(guò)減震墊與螺絲固定連接，將其直接豎直固定在整機(jī)內(nèi)，在供水壓力為0MPa，增壓泵工作輸出壓力為0.5MPa的條件下整機(jī)所產(chǎn)生噪音的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，1～5號(hào)增壓泵安裝到整機(jī)內(nèi)所產(chǎn)生整體噪音分別增大了8.109dB（A）、8.078dB（A）、8.048dB（A）、7.821dB（A）、7.720dB（A），表明安裝增壓泵后整機(jī)噪音比單泵噪音增大約8dB（A）。由上述分析，凈水器內(nèi)增壓泵噪音是主要噪音源，鑒于增壓泵的現(xiàn)有安裝結(jié)構(gòu)，可以判斷增壓泵噪音可分為兩部分[3]：（1）增壓泵自身產(chǎn)生的噪音透過(guò)結(jié)構(gòu)件傳播;（2）增壓泵與整機(jī)共振通過(guò)結(jié)構(gòu)件向外傳遞振動(dòng)噪音。所以，一方面需對(duì)增壓泵進(jìn)行優(yōu)化，以控制噪聲源;另一方面，增壓泵安裝到整機(jī)后，引起連接管路與固定鈑金件振動(dòng)，并以強(qiáng)迫振動(dòng)形式通過(guò)支架向外傳遞，當(dāng)增壓泵的振動(dòng)傳遞到凈水器外殼上，引起其強(qiáng)烈受迫振動(dòng)而導(dǎo)致噪音增大，因此，同時(shí)需從結(jié)構(gòu)上對(duì)增壓泵安裝方式進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 改善方案

噪聲控制主要是從增壓泵自身產(chǎn)生噪音控制和增壓泵與整機(jī)的共振產(chǎn)生噪音擴(kuò)散控制，兩種控制實(shí)施是凈水器噪聲控制中最根本最有效的手段，下面就相應(yīng)的控制降噪方式進(jìn)行展開(kāi)討論[4]。

3.2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速優(yōu)化

本文中所用增壓泵工作時(shí)，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)泵體中偏心輪的擺動(dòng)，將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為偏心輪的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，致使隔膜腔體容積在不斷變化，從而實(shí)現(xiàn)增壓排水的效果。由于增壓泵中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，產(chǎn)生的噪音主要是電磁噪音及機(jī)械噪音，電磁噪音由有氣隙諧波磁場(chǎng)引起，定轉(zhuǎn)子齒諧波磁通相互作用而產(chǎn)生的徑向交變磁拉力，會(huì)引起定子鐵芯軛部產(chǎn)生周期性的動(dòng)態(tài)徑向變形，激發(fā)定子產(chǎn)生電磁噪聲。因此可通過(guò)降低增壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速以降低基波磁場(chǎng)和諧波磁場(chǎng)的相互作用，達(dá)到減小電磁噪音的目的，降低轉(zhuǎn)速同時(shí)可降低電機(jī)因轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡引起離心力產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)以降低旋轉(zhuǎn)振動(dòng)噪音，即降低機(jī)械噪音。保持工作電壓和工作流量不變的條件下，將增壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整為1500rpm，較原增壓泵轉(zhuǎn)速降低了300rpm，測(cè)試單泵噪音及整機(jī)噪音在供水壓為0MPa，增壓泵輸出壓力為0.5MPa的條件下進(jìn)行測(cè)試所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

由表2與表1中數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，降低增壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速可將單泵噪音降低約3dB（A），說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整對(duì)增壓泵噪音有一定改善。整機(jī)噪音降低約4.5dB（A）。單泵噪音的降低，使得接入整機(jī)后引起的共振減小，進(jìn)一步大幅度改善整機(jī)噪音。此時(shí)通過(guò)增壓泵工作電流為0.56A，較改善前，增壓泵功率降低約4W。此種降噪方法可保證增壓泵的供水流量，達(dá)到優(yōu)化增壓泵從而降低了噪音，對(duì)增壓泵自身產(chǎn)生噪音進(jìn)行了控制。調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速后，整機(jī)噪音約為52dB（A），故仍需在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行進(jìn)一步改善。

3.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在實(shí)際應(yīng)用中，利用各種減振措施降低噪音較為普遍，硅膠作為一種減振材料，能夠有效的隔離振動(dòng)源，緩和振動(dòng)體的振動(dòng)。硅膠具有高彈性及高黏性，這種特性使得硅膠具有良好的隔音、減振及緩沖性能。

選擇邵氏硬度50的此種硅膠材料制成硅膠套，代替減震墊和金屬支座，用于固定增壓泵于鈑金件支架上如圖3所示，使得增壓泵懸掛于支架上，減少振動(dòng)傳遞至支架及整機(jī)底座。按照上述固定方式將電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整后的增壓泵安裝到整機(jī)內(nèi)，在供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下，測(cè)試整機(jī)噪音的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

由表3與表2中整機(jī)噪音數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，使用硅膠套固定電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整后的增壓泵安裝到整機(jī)內(nèi)，整機(jī)噪音降低約2dB（A），說(shuō)明此種結(jié)構(gòu)有利于噪音的改善。但整機(jī)噪音仍有改善空間，考慮到硅膠有10-80的邵氏硬度范圍，可選擇硬度較低的硅膠套固定增壓泵來(lái)減少共振，綜合考慮供應(yīng)商技術(shù)、工藝水平、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及可靠性，選擇邵氏硬度40的硅膠材料制成硅膠套與原邵氏硬度50的硅膠套對(duì)比。更換硅膠套后，將增壓泵接入整機(jī)，在供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下，測(cè)試整機(jī)噪音的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3中邵氏硬度40與硬度50硅膠套數(shù)據(jù)對(duì)比，1～5號(hào)整機(jī)噪音分別降低1.056dB（A）、1.368dB（A）、1.77dB（A）、1.656dB（A）、1.501dB（A），硅膠套硬度降低10后，整機(jī)噪音降低約1.5dB（A），說(shuō)明降低硅膠套硬度有利于減少共振及噪音改善。

除此之外，將增壓泵放置于一個(gè)填充滿(mǎn)吸聲材料的密閉容器中也是一種有效的降噪方式。如圖4所示，吸聲材料如發(fā)泡棉大多為疏松多孔的材料，且空隙多為內(nèi)部互通，聲波深入材料的空隙，受到空氣分子摩擦和粘滯阻力，以及使細(xì)小纖維做機(jī)械運(yùn)動(dòng)，從而使聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，因此聲能被損耗，達(dá)到降噪目的。將增壓泵放置于降噪盒中，接入整機(jī)水路系統(tǒng)，在供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下測(cè)試整機(jī)噪音的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。由表3中增加降噪盒前后數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，1～5號(hào)整機(jī)噪音分別降低3.535dB（A）、4.036dB（A）、3.420dB（A）、3.205dB（A）、3.250dB（A），將增壓泵放置于填充滿(mǎn)吸聲材料的密閉容器中可使整機(jī)噪音降低3dB（A）以上，說(shuō)明此方法是有效的改善噪音的措施。將硅膠套與降噪盒高度結(jié)合使用，可使整機(jī)噪音得到大幅度改善。主要是因?yàn)楣枘z套使得增壓泵與支架柔性連接，保證安裝后不會(huì)像硅膠墊被壓縮變形，并且選擇硬度合適的硅膠材料，從而使硅膠套發(fā)揮出了最大的隔振效果;降噪盒中的吸聲材料增大了噪聲傳播的阻力，減小了噪聲輻射。但此方法中降噪盒需要占用結(jié)構(gòu)空間，另一方面考慮增壓泵散熱，需從程序控制上提供給增壓泵足夠的散熱時(shí)間，因此需從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)具體情況選擇適合的降噪措施。

3.2.3 控制軟件設(shè)計(jì)

除了從增壓泵本身和結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)減振、吸聲降噪外，還可從控制軟件上對(duì)增壓泵進(jìn)行降噪。脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制，脈寬調(diào)制控制方式對(duì)逆變電路開(kāi)關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來(lái)代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小。通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)軟件對(duì)增壓泵輸入電壓的調(diào)整，本文通過(guò)脈寬調(diào)制控制輸入電壓占空比為91.67%，輸入電壓如圖5所示，計(jì)算得有效電壓為22V，即降低了增壓泵的工作功率，進(jìn)一步使得增壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，因此電機(jī)的基波磁場(chǎng)和諧波磁場(chǎng)的相互作用減小，達(dá)到減小電磁噪音的目的，同時(shí)電機(jī)因轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡引起離心力產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)減小，降低了旋轉(zhuǎn)振動(dòng)噪音，即降低了機(jī)械噪音。

將增壓泵由邵氏硬度40度硅膠套固定于支架上，保持供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下測(cè)試整機(jī)噪音的數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4中數(shù)據(jù)可以看出，脈沖寬度調(diào)制后，1～5號(hào)整機(jī)噪音分別降低2.610dB（A）、2.312dB（A）、2.112dB（A）、1.519dB（A）、2.557dB（A），通過(guò)脈沖寬度調(diào)整使輸入有效電壓由24V降低至22V，整機(jī)噪音降低約2dB（A），說(shuō)明脈沖寬度調(diào)整可用于降低增壓泵噪音?？紤]到脈沖寬度調(diào)整可能影響到增壓泵性能，將脈沖寬度調(diào)制增壓泵電壓至22V，保持供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下，自吸高度為60cm的條件下測(cè)試此種方法的穩(wěn)定性。

圖6為脈沖寬度調(diào)制控制增壓泵的流量變化，由圖可知，增壓泵脈沖寬度調(diào)制控制下，連續(xù)工作2000小時(shí)，流量維持在600mL/min左右，說(shuō)明此種控制方法可維持增壓泵穩(wěn)定工作，可見(jiàn)通過(guò)軟件方法改善噪音比結(jié)構(gòu)改善更高效。

4 結(jié)論

本文論述了免安裝型凈水器制水系統(tǒng)內(nèi)增壓泵噪音是主要噪音源，并提出對(duì)電機(jī)、結(jié)構(gòu)及控制軟件三方面的改善措施。其中，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)到一定降噪效果，且不增加成本，亦不影響增壓泵性能;通過(guò)優(yōu)化泵的固定和密封隔音結(jié)構(gòu)亦可快速降低噪音，降噪效果更明顯，在整機(jī)結(jié)構(gòu)布局不受限時(shí)可采用此種方法;通過(guò)控制軟件改變?cè)鰤罕玫墓β?，降噪效果好，方便快捷，在整機(jī)結(jié)構(gòu)受限且不影響泵性能時(shí)可采用此種方法。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮以上三種降噪方案，降低凈水器的噪聲，提高產(chǎn)品的體驗(yàn)感。

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