某型號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 地板清潔護理產品中心 ，蘇州 215021）
摘 要：本文介紹了某款干濕兩用帶電動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、聲學計算確定了主要發(fā)聲源來自主吸力電機和地刷，通過進一步改進出風格柵形式及電機風葉、滾刷的動平衡量，使其最終符合設計要求。
關鍵詞：吸塵器噪聲；頻譜分析；滾刷動平衡；聲品質
中圖分類號：TB52;TM925.3 文獻標識碼：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，使用過程中經常受到消費者投訴噪音問題，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)標準中規(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)境保護標準-環(huán)境標志產品技術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號指令中針對吸塵器噪聲進 行明確的數值限定，從2017年9月1日起規(guī)定了聲功率數值應小于或等于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品）。
公司鑒于以上的法規(guī)標準及市場調研的結果來看， 臥式機相對噪聲較低在70～75dB(A)，而立式機和手持式產品相對高75～90dB(A)。在某款干濕兩用并帶電池的吸塵器產品項目開發(fā)時，為了提高產品的競爭力，把目標噪聲設定在85dB(A)以下。
通常無線充電吸塵器產品為了簡約兼顧美學和力學考慮，需要設計小巧而輕便，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構，只能使用低噪聲低振動的風葉電機及優(yōu)化風道、進出風格柵等方式。本文將介紹某干濕兩用帶電動刷頭吸塵器的噪聲頻率分析及改進方法。
1 吸塵器主要噪聲源及發(fā)生機理
1.1 按照發(fā)生源部件
（1）主吸力電機及風機
（2）地刷電機及滾刷
（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)生機理
（1）空氣噪聲(離散噪聲和寬帶噪聲)
（2）機械噪聲
（3） 電磁噪聲
2 開發(fā)產品噪聲實驗采集
2.1 產品設計背景
無線充電式干濕兩用吸塵器，供電直流電壓為20V, 設計功率為200W, 吸功20AW ， 電機理論負載轉速為20100轉每分鐘，滾刷轉速為1800轉每分鐘。
圖 1 吸塵器外形圖
2.2 產品噪聲數據
（1）測試方法
測試采用IEC 60704-1聲學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算所得。利用半球面測量，半徑R采用1.5米。
（2）聲學環(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）聲學測量設備
B&K 3560C 多通道數據采集器 ， PULSE軟件帶 FFT&CPB實時分析功能
B&K 4189型 傳聲器
B&K 4231型 聲校準器
B&K 4204型 標準聲源RSS
（4）測試產品的設置
將吸塵器放置在標準測試威爾頓地毯上，地拖電動 滾刷頭移動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置
（5）測試結果
實際評估聲功率值為87.2dB(A) ，超過設計目標值， 參看下圖3。
圖 3 聲功率 1/3 倍頻程
聲實聽聲音差，參考標準ANSI S1. 13-2005計算，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點的麥克風聲壓級值分布進行識別。
圖 5 產品聲功率麥克風10點位置
在圖5中主要噪聲為點3 ，點4 ，點7 ，以此可以看出噪聲處要來源于產品的右側，而右側為出風格柵，是吸力電機風機出風道。點8為略高左側點5 ，初步判斷是地拖電動滾刷引起的噪聲。
3.2 噪聲頻譜分析
根據測試結果，列出10點聲壓值、峰值噪聲及其發(fā)生頻率，參看如下表一。
表一 10 點聲壓值 單位：dB(A)
點位置 | 聲壓總值 | 聲壓峰值 | 頻率,Hz | |
1（前面） | 71.7 | 48.9 | 605.5 | |
2（左側） | 69.3 | 57.4 | 334.5 | |
3（右側） | 79.2 | 54.5 | 2679.4 | |
4（右側） | 77.3 | 55.4 | 2679.4 | |
5（左側） | 68.8 | 52.8 | 726.3 | |
6（后面） | 73.4 | 53.2 | 726.3 | |
7（右頂） | 79.5 | 50.9 | 1936.0 | |
8（前面） | 73.4 | 51.2 | 726.3 | |
9（左頂） | 70.0 | 52.3 | 726.3 | |
10（頂面） | 77.4 | 51.8 | 726.3 | |
從列表中看噪聲峰值頻率主要為2679Hz和726Hz， 接下來針對這兩個頻率找出具體發(fā)生部件。
附麥克風位置點3 、4和8的噪聲FFT頻譜圖
圖 6 麥克風位置點 3
圖 7 麥克風位置點 4
圖 8 麥克風位置點 8
3.3 噪聲的頻率計算
通過聲音發(fā)生頻率計算確認發(fā)聲源，是否與表一的頻率相吻合，從而來判斷具體哪個部件。
（1）吸力馬達風葉旋轉頻率
在旋轉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，當蝸舌與葉片出口邊緣間的間隙較少時，旋轉的葉片通道掠邊蝸舌處，就會出現周期性的壓力和速度脈動，此種脈沖所產生的噪聲稱為旋轉噪聲，其基本頻率如下
f = i × Z × n / 60 （1）
式中 Z … … 葉片數（8 片）
n … … 電機轉速，r/min
i … … . 諧波數
由此可以得出電機風葉旋轉基頻為2680Hz，與頻譜中的2679Hz 吻合，可以判斷為電機風葉發(fā)出的。
另外通過公式計算電機旋轉基頻為 20, 100/60=335Hz。
圖 9 吸力葉輪 ?82
注：這里不考慮電機散熱葉輪，葉輪較小對整體噪聲貢獻幾乎沒有。
（2）吸力馬達電磁噪聲頻率
電磁噪聲通常是電機內的電磁力引起的，電機運行時，由于磁路不均勻和非正弦磁勢，定轉子的氣隙內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器殼體產生振動，導致噪聲。同時磁拉力的大小又隨齒槽位置變化。
（3） 電機換向器與碳刷摩擦噪聲頻率
該型號電機為有刷直流電機， 由于轉子的轉動，碳刷始終與換向器進行摩擦接觸，換向器以片形式存在（5 片），因而產生周期性噪音，其頻率通過公式（1）計算可以得出 20, 100×5/60= 1675Hz ，與圖 8中麥克風位置點 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、 電驅動平衡不好和電機振動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生。
（4）地拖滾刷旋轉頻率
地拖由滾刷電機驅動并通過皮帶齒輪傳動滾刷，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，從而達到拾取灰塵的目的。但在運行過程中會產生打擊地毯或者地面的離散噪聲和旋轉噪聲，常見的是由滾刷不平衡導致的。 其運行頻率如下
f = i × n / 60 （2）
式中 n … … … 電機轉速，r/min
i … … .... 諧波數
通過計算可以得出其旋轉基本頻率為 1,800/60=30Hz。
圖 10 滾刷組件
圖 11 正時皮帶傳動比示意
傳動齒輪齒數為24 個，通過公式計算得出發(fā)生頻率為 1800×24/60=720Hz ， 與頻譜中的726Hz 相吻合。 由被動齒輪旋轉摩擦產生。
通常滾刷噪聲在1kHz 以下，把位置點 8 麥克風頻譜圖頻率范圍調整為1kHz以內,如下圖 12。
圖 12 頻率 1kHz 以內頻譜
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
·驅動失調（角度偏差和平行偏差）
圖 13 角度偏差
圖 14 平行偏差
3.4 吸力馬達組件噪聲評估
根據旋轉電機標準GB10069. 1進行測試，測得吸力馬達組件噪聲聲功率為91.9dB(A),振動速度為14mm/s。
3.5地拖噪聲評估
（1）確定地拖噪聲對整機噪聲的貢獻量
首先測試整機噪聲 L(Total )，再關閉地拖滾刷，再次測試一遍為主體噪聲 L(A)。利用噪聲減計算公式出單獨地拖的理論噪聲值 L(B)。
（3）
從測試結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。
（2）進一步分析單獨測試地拖噪聲，以次來確定噪聲的主要頻率成分, 設置條件見下圖 14。
圖 15 單獨地拖設置
測得地拖單獨聲功率值為 69.4dB(A)。
針對地拖噪聲分步分析，參考表二中的聲壓值進行對比，確定是否有其他異常發(fā)生。
表二 位置點6 聲壓值數據 單位：dB (A)
測試 條件 | 聲功率值 Lw, dB(A) | 聲壓值 Lp6, dB(A) | 聲壓峰值 Peak, dB(A) | 頻率 f, Hz | |
1. | 69.4 | 59.5 | 51.2 | 704.3 | |
2. | 71.2 | 59.7 | 41. 1 | 765.4 | |
3. | 73.4 | 61.7 | 52.9 | 939.9 | |
注： 1. 原始地拖 2. 去除地拖上蓋 3. 去除滾刷
從上述測試結果看沒有明顯異常，主要為旋轉激勵頻率導致。
通過哈金森 Easy TEC 皮帶張力測試設備進行皮帶固有頻率測試，測得皮帶自有頻率在 80～90Hz，無共振， 基本滿足張力設計要求。
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 噪聲改善方案與驗證
4.1 改善方案
（1）吸力馬達風葉動平衡水平
（2）調整滾刷動平衡
（3）皮帶從動齒輪修改裝配公差改善角度偏差
（4）出風口格柵調整（加大出風口面積和角度）
4.2 驗證效果
最終通過上述改進噪音下降到 85.9dB(A)，基本滿足設計要求。
頻率突出音也到了控制，聽起來不是那么刺耳和明顯了。
（1）通過吸力馬達動平衡的控制，降低了其振動水平，旋轉基頻 335Hz 得到了一定的抑制，從而減少了噪聲對外的傳播。
（2）滾刷噪聲通過動平衡和齒輪的調整，降低了其 發(fā)聲量。
（3）調整出風格柵，風噪下降。
5 總結
吸塵器噪聲主要來源于吸力馬達氣動噪聲，因此控制吸力馬達的噪聲更為關鍵，吸塵器馬達風機噪聲聲功率級一般為 90dB(A) ，而到整機為 86dB(A) ，只下降了4dB(A) 。在兼顧空氣性能、清潔效率的情況下，因此需要設計更靜音的風葉，或者在空間允許的條件下設計隔聲結構、增加吸聲材料。
滾刷振動引起的噪聲是吸塵器另一個的主要噪聲源， 由自身旋轉噪聲及敲擊地毯或地面引起的離散噪聲組成，因此控制其輥軸動平衡及優(yōu)化關聯結構顯得尤為重要。
另外優(yōu)化風道、出風格柵設計和減少漏氣量是減小風噪又一途徑。
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