某型號(hào)干濕兩用吸塵器噪聲頻率分析 

沈利明，謝新科

（TTI創(chuàng)科集團(tuán) 地板清潔護(hù)理產(chǎn)品中心 ，蘇州 215021）

        摘  要：本文介紹了某款干濕兩用帶電動(dòng)刷頭的吸塵器在開發(fā)過程中的噪聲頻率分析，利用頻譜分析、聲學(xué)計(jì)算確定了主要發(fā)聲源來自主吸力電機(jī)和地刷，通過進(jìn)一步改進(jìn)出風(fēng)格柵形式及電機(jī)風(fēng)葉、滾刷的動(dòng)平衡量，使其最終符合設(shè)計(jì)要求。

        關(guān)鍵詞：吸塵器噪聲；頻譜分析；滾刷動(dòng)平衡；聲品質(zhì)

        中圖分類號(hào)：TB52;TM925.3          文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

        近年來人們對家電噪聲問題越來越重視,而吸塵器作為噪聲比較大的家電，較難改進(jìn)，使用過程中經(jīng)常受到消費(fèi)者投訴噪音問題，甚至遭到鄰居的投訴。有的國家甚至規(guī)定吸塵器不允許在夜間使用。

        中國吸塵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定手持式和立式吸塵器噪聲限定值為 83dB(A)， 臥式吸塵器的噪聲限定值為 81dB(A) ，而國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)-環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求中提出了更高的要求，規(guī)定家用吸塵器噪聲聲功率的上限值為76dB(A)。

        2013年歐盟第666/2013號(hào)指令中針對吸塵器噪聲進(jìn) 行明確的數(shù)值限定，從2017年9月1日起規(guī)定了聲功率數(shù)值應(yīng)小于或等于80dB(A)（但目前還未規(guī)定對濕式、干濕兩用及電池供電等吸塵器產(chǎn)品）。

        公司鑒于以上的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及市場調(diào)研的結(jié)果來看， 臥式機(jī)相對噪聲較低在70～75dB(A)，而立式機(jī)和手持式產(chǎn)品相對高75～90dB(A)。在某款干濕兩用并帶電池的吸塵器產(chǎn)品項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，為了提高產(chǎn)品的競爭力，把目標(biāo)噪聲設(shè)定在85dB(A)以下。

        通常無線充電吸塵器產(chǎn)品為了簡約兼顧美學(xué)和力學(xué)考慮，需要設(shè)計(jì)小巧而輕便，以方便存放及使用。 由此本體空間所限，很難使用降噪隔聲材料或者結(jié)構(gòu)，只能使用低噪聲低振動(dòng)的風(fēng)葉電機(jī)及優(yōu)化風(fēng)道、進(jìn)出風(fēng)格柵等方式。本文將介紹某干濕兩用帶電動(dòng)刷頭吸塵器的噪聲頻率分析及改進(jìn)方法。

1 吸塵器主要噪聲源及發(fā)生機(jī)理

1.1 按照發(fā)生源部件

（1）主吸力電機(jī)及風(fēng)機(jī)

（2）地刷電機(jī)及滾刷

（3）水泵，在此案例中基本可以忽略

（4）殼體及喉管

1.2 按照噪聲發(fā)生機(jī)理

（1）空氣噪聲(離散噪聲和寬帶噪聲)

（2）機(jī)械噪聲

（3） 電磁噪聲

2 開發(fā)產(chǎn)品噪聲實(shí)驗(yàn)采集

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)背景

        無線充電式干濕兩用吸塵器，供電直流電壓為20V, 設(shè)計(jì)功率為200W, 吸功20AW ， 電機(jī)理論負(fù)載轉(zhuǎn)速為20100轉(zhuǎn)每分鐘，滾刷轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)每分鐘。

 圖 1  吸塵器外形圖

2.2 產(chǎn)品噪聲數(shù)據(jù)

（1）測試方法

        測試采用IEC 60704-1聲學(xué)家用電器及類似用途器具噪聲測試通用方法及IEC60704-2-1真空吸塵器的特殊要求。

        測量方法選用采用直接法，通過測得的平均聲壓級和測量表面面積計(jì)算所得。利用半球面測量，半徑R采用1.5米。

（2）聲學(xué)環(huán)境

        半消聲室，反射面上方的近似自由場，背景噪聲大 約在22dB(A)左右，截止頻率100Hz。

        環(huán)境溫度在22～25度，濕度40～50%。

（3）聲學(xué)測量設(shè)備

        B&K 3560C 多通道數(shù)據(jù)采集器 ， PULSE軟件帶 FFT&CPB實(shí)時(shí)分析功能

        B&K 4189型 傳聲器

        B&K 4231型 聲校準(zhǔn)器

        B&K 4204型 標(biāo)準(zhǔn)聲源RSS

（4）測試產(chǎn)品的設(shè)置

        將吸塵器放置在標(biāo)準(zhǔn)測試威爾頓地毯上，地拖電動(dòng) 滾刷頭移動(dòng)的縱軸向與地毯絲絨毛向x軸平行。

        吸塵器手柄的中間與地面的高度在80cm左右。地刷滾刷頭完全與地毯接觸。

        機(jī)身與地面之間的角度大約在45度左右。

圖 2  被測吸塵器在消聲室中的設(shè)置

（5）測試結(jié)果

        實(shí)際評估聲功率值為87.2dB(A) ，超過設(shè)計(jì)目標(biāo)值， 參看下圖3。

圖 3  聲功率 1/3  倍頻程

聲實(shí)聽聲音差，參考標(biāo)準(zhǔn)ANSI S1. 13-2005計(jì)算，突出音14.3dB(A)。

圖 4  突出音

3 噪聲分析

3.1 主要發(fā)聲源定位

        利用聲功率10點(diǎn)的麥克風(fēng)聲壓級值分布進(jìn)行識(shí)別。

圖 5  產(chǎn)品聲功率麥克風(fēng)10點(diǎn)位置

        在圖5中主要噪聲為點(diǎn)3 ，點(diǎn)4 ，點(diǎn)7 ，以此可以看出噪聲處要來源于產(chǎn)品的右側(cè)，而右側(cè)為出風(fēng)格柵，是吸力電機(jī)風(fēng)機(jī)出風(fēng)道。點(diǎn)8為略高左側(cè)點(diǎn)5 ，初步判斷是地拖電動(dòng)滾刷引起的噪聲。

3.2 噪聲頻譜分析

根據(jù)測試結(jié)果，列出10點(diǎn)聲壓值、峰值噪聲及其發(fā)生頻率，參看如下表一。

   表一 10 點(diǎn)聲壓值   單位：dB(A)

        從列表中看噪聲峰值頻率主要為2679Hz和726Hz， 接下來針對這兩個(gè)頻率找出具體發(fā)生部件。

附麥克風(fēng)位置點(diǎn)3 、4和8的噪聲FFT頻譜圖

圖 6  麥克風(fēng)位置點(diǎn) 3

圖 7  麥克風(fēng)位置點(diǎn) 4

圖 8  麥克風(fēng)位置點(diǎn) 8

3.3 噪聲的頻率計(jì)算

        通過聲音發(fā)生頻率計(jì)算確認(rèn)發(fā)聲源，是否與表一的頻率相吻合，從而來判斷具體哪個(gè)部件。

（1）吸力馬達(dá)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)頻率

        在旋轉(zhuǎn)葉輪上的葉片通道出口處沿周向的氣流壓力與氣流速度都有頗大的變化，當(dāng)蝸舌與葉片出口邊緣間的間隙較少時(shí)，旋轉(zhuǎn)的葉片通道掠邊蝸舌處，就會(huì)出現(xiàn)周期性的壓力和速度脈動(dòng)，此種脈沖所產(chǎn)生的噪聲稱為旋轉(zhuǎn)噪聲，其基本頻率如下

f = i × Z × n / 60                             （1）

式中 Z … …  葉片數(shù)（8 片）

n … …  電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min 

i … … .  諧波數(shù)

        由此可以得出電機(jī)風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)基頻為2680Hz，與頻譜中的2679Hz 吻合，可以判斷為電機(jī)風(fēng)葉發(fā)出的。

        另外通過公式計(jì)算電機(jī)旋轉(zhuǎn)基頻為 20, 100/60=335Hz。

圖 9  吸力葉輪 ?82

注：這里不考慮電機(jī)散熱葉輪，葉輪較小對整體噪聲貢獻(xiàn)幾乎沒有。

（2）吸力馬達(dá)電磁噪聲頻率

        電磁噪聲通常是電機(jī)內(nèi)的電磁力引起的，電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于磁路不均勻和非正弦磁勢，定轉(zhuǎn)子的氣隙內(nèi)存在著許多諧波磁場。磁拉力對定子的周期性作用使定子機(jī)器殼體產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致噪聲。同時(shí)磁拉力的大小又隨齒槽位置變化。

（3） 電機(jī)換向器與碳刷摩擦噪聲頻率

        該型號(hào)電機(jī)為有刷直流電機(jī)， 由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，碳刷始終與換向器進(jìn)行摩擦接觸，換向器以片形式存在（5 片），因而產(chǎn)生周期性噪音，其頻率通過公式（1）計(jì)算可以得出 20, 100×5/60= 1675Hz ，與圖 8中麥克風(fēng)位置點(diǎn) 8 中的 1677Hz 吻合，可以判斷是換向器噪聲。

        換向器表面加工狀態(tài)不良如突片或者變形、粗糙、 電驅(qū)動(dòng)平衡不好和電機(jī)振動(dòng)等都將噪聲換向器與碳刷之間無法保持穩(wěn)定接觸，從而加大了噪聲的產(chǎn)生。

（4）地拖滾刷旋轉(zhuǎn)頻率

        地拖由滾刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)并通過皮帶齒輪傳動(dòng)滾刷，滾刷毛打擊地毯或者地面，這樣可以將地面或地毯上的固體污物有效的卷起并通過軟管吸入塵杯，從而達(dá)到拾取灰塵的目的。但在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生打擊地毯或者地面的離散噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲，常見的是由滾刷不平衡導(dǎo)致的。 其運(yùn)行頻率如下

f = i × n / 60                           （2）

式中 n … … … 電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min

i … … ....  諧波數(shù)

通過計(jì)算可以得出其旋轉(zhuǎn)基本頻率為 1,800/60=30Hz。

圖 10  滾刷組件

圖 11  正時(shí)皮帶傳動(dòng)比示意

        傳動(dòng)齒輪齒數(shù)為24 個(gè)，通過公式計(jì)算得出發(fā)生頻率為 1800×24/60=720Hz ， 與頻譜中的726Hz 相吻合。 由被動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生。

        通常滾刷噪聲在1kHz 以下，把位置點(diǎn) 8 麥克風(fēng)頻譜圖頻率范圍調(diào)整為1kHz以內(nèi),如下圖 12。

圖 12  頻率 1kHz 以內(nèi)頻譜  

通常皮帶齒輪噪聲由如下 3 種情況： 

·張力不合適（過緊或者過松）

·頻率共振

·驅(qū)動(dòng)失調(diào)（角度偏差和平行偏差）

圖 13  角度偏差

圖 14  平行偏差

3.4 吸力馬達(dá)組件噪聲評估

        根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)GB10069. 1進(jìn)行測試，測得吸力馬達(dá)組件噪聲聲功率為91.9dB(A),振動(dòng)速度為14mm/s。

 3.5地拖噪聲評估

（1）確定地拖噪聲對整機(jī)噪聲的貢獻(xiàn)量

        首先測試整機(jī)噪聲 L(Total )，再關(guān)閉地拖滾刷，再次測試一遍為主體噪聲 L(A)。利用噪聲減計(jì)算公式出單獨(dú)地拖的理論噪聲值 L(B)。

            （3）

從測試結(jié)果地拖噪聲對聲功率總值基本沒有。 由此也可以得出主要噪聲源來自主電機(jī)。

（2）進(jìn)一步分析單獨(dú)測試地拖噪聲，以次來確定噪聲的主要頻率成分, 設(shè)置條件見下圖 14。

圖 15  單獨(dú)地拖設(shè)置

        測得地拖單獨(dú)聲功率值為 69.4dB(A)。

        針對地拖噪聲分步分析，參考表二中的聲壓值進(jìn)行對比，確定是否有其他異常發(fā)生。

表二 位置點(diǎn)6 聲壓值數(shù)據(jù)   單位：dB (A)

注： 1. 原始地拖 2. 去除地拖上蓋 3. 去除滾刷

         從上述測試結(jié)果看沒有明顯異常，主要為旋轉(zhuǎn)激勵(lì)頻率導(dǎo)致。

        通過哈金森 Easy TEC 皮帶張力測試設(shè)備進(jìn)行皮帶固有頻率測試，測得皮帶自有頻率在 80～90Hz，無共振， 基本滿足張力設(shè)計(jì)要求。

T = 4 × m × L2  × f2                                        （4）

式中 T.......皮帶張力, N

m.......皮帶重量，kg/m 

L.......皮帶長度，m

f.......皮帶固有頻率，Hz

4 噪聲改善方案與驗(yàn)證

4.1 改善方案

（1）吸力馬達(dá)風(fēng)葉動(dòng)平衡水平

（2）調(diào)整滾刷動(dòng)平衡

（3）皮帶從動(dòng)齒輪修改裝配公差改善角度偏差

（4）出風(fēng)口格柵調(diào)整（加大出風(fēng)口面積和角度）

4.2 驗(yàn)證效果

        最終通過上述改進(jìn)噪音下降到 85.9dB(A)，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

        頻率突出音也到了控制，聽起來不是那么刺耳和明顯了。

        （1）通過吸力馬達(dá)動(dòng)平衡的控制，降低了其振動(dòng)水平，旋轉(zhuǎn)基頻 335Hz 得到了一定的抑制，從而減少了噪聲對外的傳播。

        （2）滾刷噪聲通過動(dòng)平衡和齒輪的調(diào)整，降低了其 發(fā)聲量。

        （3）調(diào)整出風(fēng)格柵，風(fēng)噪下降。

5 總結(jié)

        吸塵器噪聲主要來源于吸力馬達(dá)氣動(dòng)噪聲，因此控制吸力馬達(dá)的噪聲更為關(guān)鍵，吸塵器馬達(dá)風(fēng)機(jī)噪聲聲功率級一般為 90dB(A) ，而到整機(jī)為 86dB(A) ，只下降了4dB(A) 。在兼顧空氣性能、清潔效率的情況下，因此需要設(shè)計(jì)更靜音的風(fēng)葉，或者在空間允許的條件下設(shè)計(jì)隔聲結(jié)構(gòu)、增加吸聲材料。

        滾刷振動(dòng)引起的噪聲是吸塵器另一個(gè)的主要噪聲源， 由自身旋轉(zhuǎn)噪聲及敲擊地毯或地面引起的離散噪聲組成，因此控制其輥軸動(dòng)平衡及優(yōu)化關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。

        另外優(yōu)化風(fēng)道、出風(fēng)格柵設(shè)計(jì)和減少漏氣量是減小風(fēng)噪又一途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] Mirko Cudina. Noise generation by vacuum cleaner suction units Part I. Noise generating mechanisms – An overview [J]. Applied Acoustic 68(2007);

[2]  中國人民共和國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求 吸塵器[S] ；HJ 2514-2012;

[3] American National Standard; Measurement of Sound Pressure Levels in Air[S]; ANSI S1.13-2005

[4]  家用和類似用途電器噪聲測試方法 真空吸塵器的特殊要求[S].GB/T 4214.2-2018;

[5]  哈金森 Hutchinson Easy Technical manual[M];2008

[6]  旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測定方法及限值 第 1 部分：旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測定方法[S] ；GB/T 10069.1-2006

[7] Official Journal ofthe European Union. Commission Regulation (EU) No.666-2013[S]

[8]  鄭國威 吸塵器噪聲組成與噪聲控制策略分析[C], 2014

[9]  中華人民共和國輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，家用和類似用途真空吸塵器[S] ，QB/T1562-2014