家用真空吸塵器的噪音分析及改善方向

房慶鈺

【摘 ?要】利用噪音頻譜分析、近場測量及可視化分析，找到吸塵器的噪聲主要包括電機(jī)轉(zhuǎn)動噪音、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)噪音及氣體在流道中流動時(shí)產(chǎn)生的氣動噪音。并提出了優(yōu)化電機(jī)風(fēng)扇、設(shè)計(jì)電機(jī)罩流道、在排氣流道中使用不同形狀吸音材料和電機(jī)振動隔離的四個(gè)改善方向。

【關(guān)鍵詞】噪音;電機(jī);風(fēng)扇

現(xiàn)在吸塵器已成為家居的必需品，尤其現(xiàn)在年輕一族和雙職工家庭，他們平時(shí)工作忙，沒有太多的時(shí)間和精力進(jìn)行家庭的衛(wèi)生清潔工作，清潔工作很多時(shí)候選擇在周末、下班后或晚上進(jìn)行，借助于吸塵器他們能夠更快捷的完成這一必須而又不太感興趣的家務(wù)活，這在一定程度上緩解了人的勞動強(qiáng)度，給人們帶來了極大的方便。但是大部分吸塵器在運(yùn)行的時(shí)候噪音很大，在70分貝左右，且聲品質(zhì)不好，非常刺耳，這不但讓人感到煩躁、不快，也會影響到人們的學(xué)習(xí)、休息，人與人之間的正常交流、看電視、接聽電話等，因?yàn)楦韭牪磺鍖Ψ皆谡f什么?？茖W(xué)研究也表明噪聲對人體的危害是多方面的，一是損害身體健康，一個(gè)人暴露在噪聲環(huán)境中，特別是強(qiáng)噪聲環(huán)境中工作和生活時(shí)，能引起聽力疲勞、暫時(shí)聽域改變、聽力損失下降，甚至耳聾，同時(shí)也可誘發(fā)多種多樣的其它疾病。同時(shí)也對生活和工作的影響，噪聲會分散人的注意力，降低工作效率和影響學(xué)習(xí)效果，也容易引起工作中的差錯。

現(xiàn)在國內(nèi)、國外都制定了相應(yīng)的噪音測試標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品噪音等級，以前噪音限值只是推薦性指標(biāo)，而現(xiàn)在不僅要強(qiáng)制執(zhí)行，而且更加細(xì)分，如果不能滿足標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品就不能上市銷售。所以降低吸塵器噪音和改善其聲品質(zhì)就有其重要的意義，一是滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠把設(shè)計(jì)開發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)品銷售到市面上，讓顧客使用;二是為了滿足顧客要求，提高顧客使用的滿意度;三就是為了提高產(chǎn)品競爭力和樹立品牌形象。在產(chǎn)品開發(fā)前期進(jìn)行噪音優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，不但受約束少，投資少，而且效果明顯。如果模具和產(chǎn)品定型后，因?yàn)槭芗s束較多，許多部品不能改，再進(jìn)行噪音改善不但困難，而且費(fèi)用大，最主要的是效果不理想。那樣生產(chǎn)出的產(chǎn)品顧客不滿意，甚至不接受，也會影響到產(chǎn)品的銷售和品牌形象。所以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期或產(chǎn)品企劃時(shí)進(jìn)行噪音優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了，因?yàn)榍捌谘芯渴芗s束少，節(jié)省研發(fā)成本，且效果明顯。

1吸塵器噪音控制現(xiàn)狀

目前吸塵器降噪的方法概括起來主要有兩種。

一、噪音源控制，即控制電機(jī)和風(fēng)扇本身噪音及其振動的向外傳播

噪聲由噪音源產(chǎn)生，經(jīng)過中間傳播環(huán)節(jié)，最后到達(dá)接收者，降低聲源的噪聲是噪聲控制的最根本、最直接和最有效的措施，一般常用的方法是改進(jìn)設(shè)計(jì)、采用先進(jìn)工藝和提高加工及裝配精度等措施，針對吸塵器產(chǎn)品主要的措施有：

（1）降低電磁噪音，產(chǎn)生電磁噪聲的根本原因是由于電機(jī)齒和槽的磁導(dǎo)不等引起的。為了降低電磁噪音，目前電機(jī)的轉(zhuǎn)子多采用半閉口槽，盡量減小槽口寬度，并采用偶數(shù)槽，使齒槽磁導(dǎo)不等的影響盡可能地縮小，同時(shí)提高電機(jī)的動平衡。還有的廠家通過提高電機(jī)效率來降低電機(jī)和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，在保證吸塵器性能的同時(shí)達(dá)到降低噪音的目的。

（2）降低風(fēng)扇噪音，主要通過優(yōu)化電機(jī)風(fēng)扇葉片的數(shù)目、形狀、安裝角、間距、前盤和導(dǎo)流器的形狀，還有增大風(fēng)扇與導(dǎo)流器的間距，設(shè)計(jì)不均勻分布的葉片等方法，以降低風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)噪音和渦流噪音。也有的提高風(fēng)扇效率，在保證性能的同時(shí)降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以降低風(fēng)扇的氣動和由于旋轉(zhuǎn)引起的機(jī)械噪音。例如韓國LG 的Wan-Ho Jeon，Ho Seon Rew，Chang-Joon Kim設(shè)計(jì)了不等間距葉片和導(dǎo)流器，這種方法改善了聲品質(zhì)，但整體噪音并未下降，他們還研究了錐形的葉片，降低了某一頻率的噪音，但整體噪音也未得到明顯的改善。還有就是在加工葉片時(shí)提高加工精度，盡量避免風(fēng)扇風(fēng)路內(nèi)各處的銳凸緣和粗糙的邊緣，特別注意要光滑，同時(shí)要保證風(fēng)葉底板的平面度以及風(fēng)扇的同心度，提高風(fēng)扇的動平衡精度。

（3）電機(jī)和風(fēng)扇的振動隔離。隔振是切斷噪聲在固體中傳播的措施。振動波無論是橫波、縱波還是壓縮波，都很容易在固體中傳送到結(jié)構(gòu)的外表面而向外發(fā)射噪音。在相鄰的固體構(gòu)件之間加一阻尼分界面，就能很好的將振動阻斷。吸塵器隔振的方法主要在電機(jī)和電機(jī)罩之間增加電機(jī)的柔性支撐，比如現(xiàn)在大部分吸塵器使用的電機(jī)密封橡膠圈和彈性支撐，就是為了減小電機(jī)振動的向外傳遞，以減小電機(jī)振動引起的振動和噪音。如東芝通過三個(gè)壓縮彈簧支撐、固定電機(jī)，而電機(jī)罩的上下也使用彈性支撐與機(jī)體連接，從而減少了振動的傳遞，起到一定的減振降噪的效果。

二、噪聲傳播途徑的控制

有時(shí)直接控制噪音源的方法不容易實(shí)現(xiàn)，比如技術(shù)難度大或者成本較高，這時(shí)就會退而求其次，就是控制噪音的傳播途徑。噪音傳播途徑的控制主要通過隔聲、吸音和消聲方法去實(shí)現(xiàn)。針對吸塵器主要的方法有：

（1）隔聲是指用厚實(shí)的材料和結(jié)構(gòu)隔斷噪聲的傳播途徑，使噪聲不能自由的傳播過去。常用的材料和結(jié)構(gòu)有隔聲罩、隔聲墻和隔聲屏等。吸塵器的隔聲主要通過電機(jī)罩設(shè)計(jì)減小噪音的向外傳遞，如飛利浦、LG和日立的雙層電機(jī)罩設(shè)計(jì)，同時(shí)在電機(jī)罩里增加一些隔音海綿，大華公司的吸塵器使用的降噪系統(tǒng)是單層隔音電機(jī)罩加上外罩內(nèi)設(shè)獨(dú)立的消聲通道加消音棉。但是考慮到電機(jī)的散熱，隔音海綿粘貼的一般較少。還有就是這種方法只對噪音的中高頻率部分起較大作用，對于低頻部分則沒有明顯的效果。還有的為了隔絕振動和噪音的向外傳遞，對吸塵器各個(gè)部件配合處進(jìn)行密封，常用的密封材料有氯丁二烯（CR）、熱塑性彈性（TPE），三元乙丙膠（EPDM），天然橡膠（NR），丁腈橡膠（NBR）等，也有的產(chǎn)品通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和提高加工精度來提高密封性。產(chǎn)品的密封性提高后不但降低了噪音，還提高了吸塵器整機(jī)的集塵性能，如吸率，也能防止微塵的泄露，造成二次污染空氣。

（2）吸音是指把吸音材料粘貼或安裝在噪聲源內(nèi)，或在噪聲源內(nèi)安裝吸音體，將噪聲源內(nèi)的噪聲吸收掉一部分，從而達(dá)到降低噪聲的目的。吸塵器的吸音主要通過在進(jìn)排氣口粘貼吸音材料，由于聲波在吸引材料的空隙內(nèi)傳播時(shí)引起空氣的來回運(yùn)動，產(chǎn)生空氣的粘滯阻力，使振動的動能不斷的轉(zhuǎn)化為熱能，使聲波衰減，噪音下降。還有的通過設(shè)計(jì)長或復(fù)雜的排氣流路，使氣流的沿程阻力與局部阻力增加，增加聲能的損失已達(dá)到降低噪音的目的，不過進(jìn)行長或復(fù)雜流道設(shè)計(jì)時(shí)阻力的增加會降低系統(tǒng)的效率，設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮，取一個(gè)平衡點(diǎn)。這樣的產(chǎn)品有夏普、三星以及東芝等，他們都起到了降低噪音的效果。

（3）消聲是指用消聲器或者消聲箱等裝在氣流通道上的結(jié)構(gòu)，使沿通道傳播的噪聲降低（氣流仍能自由通過），從而降低噪聲。日本三菱公司為了降低由吸塵器傳出的電機(jī)旋轉(zhuǎn)噪音，根據(jù)赫爾姆霍次共鳴器原理，開發(fā)了可消除這一單頻峰值的噪聲過濾器。

如果想在某個(gè)具體的吸塵器產(chǎn)品上應(yīng)用這些減振降噪的方法，還要具體的問題具體分析、解決，同時(shí)還要兼顧成本、結(jié)構(gòu)和效果，并不能千篇一律的拿來就用。現(xiàn)在也沒有什么模塊化的技術(shù)，可以在每個(gè)產(chǎn)品上都能使用，他們都需要經(jīng)過一定的研究設(shè)計(jì)才能真正的使用到產(chǎn)品上，所以這些減振、降噪的方法想要在具體產(chǎn)品上使用還要進(jìn)行許多研究工作。

2吸塵器噪音源分析

在噪音源分析有兩個(gè)主要的任務(wù)，第一是測定各發(fā)聲部件的噪音水平，確定他們對總噪聲水平的貢獻(xiàn)度; 第二是測定和分析各發(fā)聲部件的頻率，確認(rèn)發(fā)聲的基本原因和影響因素。

噪聲源識別的主要方法有三類：（1）傳統(tǒng)識別方法：主觀評價(jià)法、分部運(yùn)轉(zhuǎn)法、分別覆蓋法、近場測量法、表面速度測量法、表面強(qiáng)度法、聲強(qiáng)測量法;（2）基于信號處理的識別方法：頻譜分析法、倒譜分析法、常相干函數(shù)法、偏相干函數(shù)法、MUSIC（Multi-Signal Classification）法;3）可視化識別方法：Fourier 方法、Helmholtz-Kirchhoff 積分方程法、等效源法。

首先我們利用頻譜分析法對噪音源進(jìn)行分析，然后近場測量后運(yùn)用可視化分析方法對主要的噪音源進(jìn)行分析確認(rèn)。

2.1吸塵器噪音源頻譜分析

噪聲從頻譜性質(zhì)可分為有調(diào)噪聲和無調(diào)噪聲。有調(diào)噪聲含有非常明顯的基頻及與之相伴的諧波，此類噪聲大部分是由旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的，如：電機(jī)、風(fēng)扇噪聲;無調(diào)噪聲沒有明顯的基頻和諧波，如吸入、排出空氣噪聲等。

比如吸塵器電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2800r/min，風(fēng)扇葉片為9個(gè)，就可以計(jì)算它的轉(zhuǎn)動噪音頻率為466Hz，它的諧波頻率為933Hz，1400Hz…… 計(jì)算風(fēng)扇BPF噪音頻率為4200Hz，它的諧波分別為8400Hz，12600Hz…… 因此我們會發(fā)現(xiàn)在466Hz，933Hz，4200Hz和8400Hz有異常音，理論上它們應(yīng)該是由電機(jī)、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪音。同時(shí)也可以看出500Hz以上的噪音值都比較大，這說明吸塵器噪音不但有電機(jī)、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動噪音和旋轉(zhuǎn)噪音，還有氣流沿風(fēng)路流動時(shí)產(chǎn)生的比較高的寬頻氣動噪聲，同時(shí)由于電機(jī)和風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，以及由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)振動、不同接觸表面處振動而引起的機(jī)械噪聲也比較高。為了進(jìn)一步的確認(rèn)主要的噪音是否由電機(jī)本身及電機(jī)旋轉(zhuǎn)引起，我們進(jìn)行了噪音和振動的近場測量及可視化分析。

2.2吸塵器噪音近場測量和可視化分析

所謂近場測量是指傳感器離聲源的距離很小，靠近各個(gè)噪聲源來測得噪聲和頻譜，由于傳感器離某一噪聲源近，因此所得噪聲主要是來自這一被測噪聲源，而其他噪聲源對它的影響較小?？梢暬肼曉醋R別方法是通過測量一個(gè)二維面（稱為全息面）上的聲壓，運(yùn)用各種重構(gòu)算法來重建聲源表面的三維聲場（包括聲壓、聲強(qiáng)和質(zhì)點(diǎn)速度），最后將聲場以圖形或動畫的形式顯示出來。與其他噪聲源識別方法相比，可視化噪聲源是定位噪聲源的一種簡單有效的方法，能夠更直觀的發(fā)現(xiàn)噪音源的位置，大小，能夠?yàn)樵肼暤母纳铺峁┯行У姆较?。我們采用B&K公司的Pulse測量系統(tǒng)進(jìn)行近場測量。在距離機(jī)體1cm（測量距離需遠(yuǎn)小于聲波波長，并且為了保護(hù)傳感器不受損壞）的位置設(shè)立虛擬平面。分別對吸塵器側(cè)面、后面和上面進(jìn)行7x10，7x7，7x9的網(wǎng)格取點(diǎn)測量，網(wǎng)格點(diǎn)與點(diǎn)的距離為5cm。由于吸塵器聲場是一個(gè)穩(wěn)定聲場，為節(jié)約成本，采用掃描法，掃描法采用少量傳聲器，按照一定方向移動，分多次測量獲取聲壓數(shù)據(jù)。根據(jù)噪聲源的形狀和我們的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，我們選擇直線掃描方法，用一個(gè)傳感器進(jìn)行測量。通過分析得出1250Hz，2000Hz和4200Hz的噪音主要集中于集塵桶和排氣位置，這些主要是氣流在旋風(fēng)分離器和集塵桶內(nèi)的氣體高速流動產(chǎn)生的氣轉(zhuǎn)噪音和氣體排出機(jī)體時(shí)的排氣噪音。一般吸塵器的灰塵分離采用的是旋風(fēng)分離技術(shù)，它通過氣流的高速旋轉(zhuǎn)，利用離心力的作用使灰塵與氣體分離，在重力作用和氣流的帶動灰塵從落塵口落進(jìn)集塵桶內(nèi)。為了達(dá)到好的灰塵分離的效果，設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)氣流速度很快，能夠達(dá)到250m/s，由于聲壓級和氣體速度的六次方成正比，所以在旋風(fēng)分離器里的高速流動的氣體就產(chǎn)生了較高的氣動噪音。排氣位置是由于氣流從這里直接排到大氣中，氣流速度較高，一般在10m/s左右，所以排氣噪音也很大。從上面的分析可知，吸塵器的噪音主要由電機(jī)、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動引起的轉(zhuǎn)動噪音、風(fēng)扇BPF噪音、氣流經(jīng)過流路時(shí)產(chǎn)生的氣動噪音。

2.3吸塵器振動近場測量和可視化分析

電機(jī)不穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)是吸塵器的一個(gè)主要振動源，產(chǎn)生的機(jī)械噪音也是吸塵器一個(gè)主要的噪聲源。我們采用B&K公司的Pulse測試系統(tǒng)進(jìn)行振動測試，主要的測試工具是加速度計(jì)，加速度計(jì)是一個(gè)機(jī)電換能器，其輸出端所產(chǎn)生的電壓與他所承受的加速度成比例，在測試時(shí)確保加速度計(jì)粘貼在吸塵器外殼表面，為了確保粘貼的牢固性，同時(shí)為了減少粘結(jié)劑的阻尼作用，我們采用了502速干膠水作為粘結(jié)劑。在吸塵器的上方布置15個(gè)測量點(diǎn)，間隔為10cm左右（因?yàn)槲鼔m器表面為不規(guī)則曲面），記錄每個(gè)測量點(diǎn)的加速度，然后對測量結(jié)果進(jìn)行可視化分析，可以看到振動最大的位置主要集中在電機(jī)上方，通過觸摸也可以感覺到，電機(jī)上方的振動最強(qiáng)烈，由此可以得出電機(jī)是主要的振動源，它也是引起電機(jī)轉(zhuǎn)動噪音的一個(gè)因素。

3吸塵器噪音和振動改善方向

由前面的分析可知吸塵器噪聲主要是氣動噪聲和電機(jī)轉(zhuǎn)動、振動引起的機(jī)械噪聲，主要包括電機(jī)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)噪音，氣體在流道中流動和排氣時(shí)產(chǎn)生的氣動噪音，以及電機(jī)的轉(zhuǎn)動噪音。由于本文不進(jìn)行電機(jī)本體的降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對上面所述的三種噪音我們提出了以下的改善方向：

（1）對于電機(jī)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)噪音，我們從電機(jī)風(fēng)扇直徑、葉片數(shù)目、葉片形狀以及導(dǎo)流器的優(yōu)化設(shè)計(jì)入手進(jìn)行改善。

（2）針對氣體在流道中流動時(shí)產(chǎn)生的氣動噪音，由于外殼和底板的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和緊湊，如果從外殼和底板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化入手，會牽涉到部品之間的安裝、強(qiáng)度等機(jī)械性能，同時(shí)可優(yōu)化的空間也不大，本文主要從電機(jī)罩的流道設(shè)計(jì)以及在排氣流道中粘貼不同形狀的吸音材料進(jìn)行降噪。在進(jìn)行流道優(yōu)化和吸音材料的應(yīng)用的同時(shí)也要考慮其對吸塵器的性能影響，在檢測噪音的同時(shí)也要進(jìn)行系統(tǒng)阻力和吸氣功率損失的確認(rèn)。

（3）針對由于電機(jī)轉(zhuǎn)動和振動引起的轉(zhuǎn)動噪音和振動，由于本論文不對電機(jī)本體進(jìn)行研究，所以從電機(jī)振動隔離的角度進(jìn)行改善，主要是優(yōu)化對電機(jī)起密封和支撐作用的電機(jī)密封圈和彈性支撐兩個(gè)部品，通過減少電機(jī)振動的向外傳遞來降低整機(jī)的振動和因此引起的噪音。

結(jié)語

通過頻譜分析和近場測量及可視化分析，結(jié)合吸塵器噪音產(chǎn)生的機(jī)理，找到吸塵器的主要噪聲是氣動噪聲和電機(jī)轉(zhuǎn)動、振動引起的機(jī)械噪聲，主要包括電機(jī)風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)噪音，也就是BPF噪音;氣體在流道中流動和排氣時(shí)產(chǎn)生的氣動噪音，它屬于寬頻噪音;以及電機(jī)的轉(zhuǎn)動噪音，是由電機(jī)轉(zhuǎn)動和振動引起的。為了改善這些噪音和振動，提出了從電機(jī)風(fēng)扇設(shè)計(jì)、電機(jī)罩的流道優(yōu)化、應(yīng)用不同形狀的吸音材料和電機(jī)振動的隔離等幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

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