破壁料理機(jī)減振降噪研究

嚴(yán) 莉，李 豆，余 亮，吳海軍，蔣偉康，唐路蒙

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240；2.浙江紹興蘇泊爾生活電器有限公司，浙江 紹興312000）

近年來，人們對家電產(chǎn)品的品質(zhì)需求不斷升級。比如空調(diào)，由過去對耗電量、制冷效果等性能指標(biāo)的關(guān)注到現(xiàn)在對靜音性能的關(guān)注，體現(xiàn)了人們對產(chǎn)品品質(zhì)越來越高的要求。以空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)為代表的大家電，由于具有容易產(chǎn)生噪聲和振動的壓縮機(jī)或電機(jī)，噪聲指標(biāo)尤其受到關(guān)注，所以對空調(diào)、冰箱和洗衣機(jī)減振降噪的研究也比較多?？照{(diào)的主要噪聲源是壓縮機(jī)，改善風(fēng)扇直徑、降低電機(jī)轉(zhuǎn)速、改善氣流通道、改變蒸發(fā)氣的折彎形狀、考慮出風(fēng)口喉舌和回風(fēng)半徑等可以降低噪聲和改善聲品質(zhì)[1]；冰箱壓縮機(jī)的噪聲主要是氣流脈動噪聲，為了降低制冷劑流動所產(chǎn)生的吸氣噪聲，可以采用在壓縮機(jī)吸氣端設(shè)置消聲器的方法來降低噪聲[2]。滾筒洗衣機(jī)烘干衣物時產(chǎn)生的噪聲主要來自于烘干流道內(nèi)的離心風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)以及氣流與蝸殼壁面沖擊所產(chǎn)生的氣動噪聲，合理的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)以及流道形狀可以有效減小氣流阻力、穩(wěn)定流場并降低噪聲[3]。運(yùn)用傳遞路徑分析方法，可以得到家電產(chǎn)品噪聲傳遞路徑的貢獻(xiàn)量，找到主要的激勵源和傳遞路徑，從而為產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)指明方向[4-5]。

破壁料理機(jī)是一款多功能食品加工產(chǎn)品。采用超高速電機(jī)帶動不銹鋼刀片對杯內(nèi)食材進(jìn)行超高速粉碎，從而打破食物中細(xì)胞的細(xì)胞壁，破壁料理機(jī)因此而得名。破壁料理機(jī)作為一種比較新型的廚房小家電，目前針對其噪聲和振動的研究較少。國家標(biāo)準(zhǔn)QB/T1739-2011《家用和類似用途電動食品加工器具》中規(guī)定，具有處理果蔬類食物功能的器具，功率≤700 W，聲功率限值為90 dB(A)。盡管市場上的破壁料理機(jī)基本都能滿足標(biāo)準(zhǔn)中的噪聲限值，但由于電機(jī)的超高轉(zhuǎn)速，特別是在高轉(zhuǎn)速工況下，破壁料理機(jī)比一般的食物料理機(jī)的振動和噪聲大。而振動和噪聲是產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否合理的指標(biāo)之一，是消費(fèi)者選購的重要因素，噪聲低振動小的破壁料理機(jī)將更有競爭力。所以降低破壁料理機(jī)的振動噪聲，建立破壁料理機(jī)減振降噪的技術(shù)流程非常必要。

本文給出一個破壁料理機(jī)減振降噪的典型案例，供技術(shù)人員參考。以某型號破壁料理機(jī)為研究對象，首先通過噪聲和振動測試，分析實(shí)驗(yàn)對象的噪聲和振動的特性；接著通過基于邊界元的近場聲全息方法確定噪聲的主要來源；然后分別從激勵源和傳遞路徑兩個方面，針對殼體噪聲、通風(fēng)噪聲和杯體噪聲依次提出殼體優(yōu)化、散熱風(fēng)扇改進(jìn)、排氣消聲器及刀片優(yōu)化的措施；改進(jìn)后的破壁料理機(jī)的聲功率下降了10 dB。根據(jù)上述研究步驟，建立了一套完整的低噪聲破壁料理機(jī)減振降噪的技術(shù)流程。

1 破壁料理機(jī)噪聲和振動特性分析

破壁料理機(jī)一般采用杯體和主機(jī)分離的設(shè)計(jì)方式，主機(jī)包括串激電機(jī)、電機(jī)安裝支架、傳動器件、散熱系統(tǒng)、外觀殼體；杯體主要由傳動器件、刀座組、杯子、杯蓋等組成。電機(jī)一般是單向串激電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速在15 000 r/min 左右，輸出端是傳動結(jié)構(gòu)，另一端是散熱風(fēng)扇。電機(jī)通過安裝支架固定在主機(jī)殼體內(nèi)部，杯體安裝在主機(jī)殼體上端，電機(jī)的輸出端通過連軸節(jié)帶動杯體內(nèi)的刀片高速旋轉(zhuǎn)攪動杯內(nèi)液體。

圖1是某型號破壁料理機(jī)最高速工況（第9 檔，電機(jī)轉(zhuǎn)速為17 500 r/min）的聲功率頻譜，從圖中可以看出該型號破壁料理機(jī)的聲功率主要包含3 000 Hz以下的寬帶噪聲并疊加了289 Hz（1階工頻）的窄帶噪聲。圖2分別是主機(jī)殼體和杯壁振動加速度的頻譜，從圖中可以看出主機(jī)殼體振動比杯壁振動大，振動的主要頻率是1階工頻。

圖1 破壁料理機(jī)第9檔聲功率頻譜

圖2 破壁料理機(jī)第9檔殼體和杯壁振動加速度頻譜

2 聲源辨識

破壁料理機(jī)由上面裝滿液體的杯體和下部安裝了電機(jī)的主機(jī)兩部分組成。電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生振動和噪聲，電機(jī)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生通風(fēng)噪聲，電機(jī)振動通過支架傳遞到主機(jī)殼體使主機(jī)殼體振動輻射噪聲，杯內(nèi)刀片高速旋轉(zhuǎn)攪動液體拍打杯壁，使杯壁振動輻射噪聲。為了達(dá)到減振降噪的目的，首先需要確認(rèn)主要的噪聲源。聲源辨識方法是在多個噪聲源和振動部件的復(fù)雜情況下，確定各個聲源和振動部件的噪聲輻射性能。聲源辨識技術(shù)利用測量面的信息采用特定的變換算法，重建聲場中任意場點(diǎn)的聲壓、振速與聲強(qiáng)等參數(shù)，從而可以辨識出聲源的位置。近場聲全息測試技術(shù)（NAH）[6]是一種非常有效且直觀的非接觸測試方法，利用傳聲器陣列在包圍源的全息測量面上測量聲壓信息，然后借助源表面和全息面之間的空間場變換關(guān)系，由全息面聲壓重建源表面或其他重建面處的聲場信息，如聲壓、法向振速及聲強(qiáng)等。

由于破壁料理機(jī)的形狀比較復(fù)雜，本文采用基于邊界元方法(BEM)的NAH[7-9]，對工作中的破壁料理機(jī)進(jìn)行聲場重建。如圖3所示。

圖3 NAH測試照片

通過48通道平面陣列，采集破壁料理機(jī)機(jī)殼外包絡(luò)前、后、左、右、頂部5 個平面的輻射聲壓信號，重建破壁料理機(jī)表面的聲場，確定主要的輻射聲源、頻率。破壁料理機(jī)第9檔NAH重建結(jié)果見圖4至圖5。其中圖4是表面1階工頻的聲壓分布，圖5是600 Hz～3 000 Hz頻帶表面聲強(qiáng)分布。從圖中可以看出1 階主要的輻射噪聲源在主機(jī)殼體側(cè)面，600 Hz～3 000 Hz的寬頻噪聲的來源位于主機(jī)底部出風(fēng)口。

圖4 1階工頻表面聲壓分布圖

圖5 600 Hz～3 000 Hz頻帶表面聲強(qiáng)分布圖

3 殼體減振降噪

電機(jī)通過安裝支架連接到主機(jī)殼體上，所以電機(jī)振動通過安裝支架傳遞到殼體。電機(jī)是激勵源，1階工頻振動主要原因是破壁料理機(jī)工作時電機(jī)、風(fēng)扇、刀片組成的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的不平衡。支架和殼體是振動的傳遞路徑。殼體減振降噪可以從轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動平衡特性和傳遞路徑兩個方面入手，但是該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)達(dá)到高級別的動平衡較難，而且極易受到裝配誤差的影響，本文主要研究傳遞路徑的改進(jìn)。

主要的設(shè)計(jì)思路是提高殼體固有頻率，使固有頻率遠(yuǎn)離1階工頻并且降低激勵點(diǎn)的力到殼體響應(yīng)點(diǎn)振動的傳遞函數(shù)，從而降低殼體1 階工頻振動。殼體優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟是先建立殼體模型，通過仿真計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比，保證模型的正確性，最后在仿真模型上進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，達(dá)到優(yōu)化殼體的目的。根據(jù)有限元仿真和模態(tài)試驗(yàn)證明，結(jié)構(gòu)振幅最大的地方是主機(jī)殼體底座下緣，因此修改模型時應(yīng)在加強(qiáng)該處的結(jié)構(gòu)剛度、減小振幅的同時，提高固有頻率，使之遠(yuǎn)離工頻。電機(jī)通過安裝支架固定在主機(jī)殼體頂面，電機(jī)振動通過殼體頂面?zhèn)鬟f到殼體外表面。綜合考慮提高固有頻率、降低傳遞函數(shù)的效果和實(shí)現(xiàn)難易程度，最終選擇在殼體外部加環(huán)肋、頂面加厚和連接頂面和側(cè)面的方案，如圖6、圖7所示。

圖6 殼體改進(jìn)前后第9檔工況聲功率頻譜對比

圖7 殼體改進(jìn)前后第9檔工況殼體振動加速度頻譜對比

圖6至圖7分別是殼體改進(jìn)前后第9 檔工況聲功率和殼體振動加速度對比，從圖中可以看出聲功率在1階工頻下降了4 dB，殼體振動加速度在1階工頻處下降了10 dB。

4 通風(fēng)降噪

電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量，需要通過風(fēng)扇通風(fēng)散熱。電機(jī)噪聲中通風(fēng)噪聲是主要噪聲源之一，而通風(fēng)噪聲又主要由風(fēng)扇噪聲所引起，屬于空氣動力噪聲。風(fēng)扇噪聲分兩大類，分別是頻率為葉片頻率及其倍數(shù)的旋轉(zhuǎn)噪聲和周圍空氣產(chǎn)生的渦流及其分裂形成的寬頻帶連續(xù)分布的渦流噪聲[10]。根據(jù)破壁料理機(jī)的聲功率頻譜可知該型號破壁料理機(jī)的風(fēng)扇噪聲主要是寬頻帶的渦流噪聲。影響通風(fēng)噪聲的因素很多，有風(fēng)扇結(jié)構(gòu)型式、風(fēng)扇寬徑比、風(fēng)扇間距、葉片數(shù)、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、通風(fēng)道結(jié)構(gòu)以及通風(fēng)效率等。

在幾何形狀相似的風(fēng)扇中，聲功率W和風(fēng)扇參數(shù)的關(guān)系為W∝D7n5b（D為風(fēng)扇直徑，n為轉(zhuǎn)速，b為風(fēng)扇寬度）。風(fēng)扇噪聲的聲功率與其外徑的7 次方、轉(zhuǎn)速5 次方、寬度一次方成正比，其中外徑的影響最大。降低電機(jī)通風(fēng)噪聲主要從抑制聲源和消聲兩方面采取措施。抑制聲源在原理上可從減少風(fēng)量、減少風(fēng)阻、提高風(fēng)扇效率、減小風(fēng)扇直徑及降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等方面入手。而消聲是按照空氣動力學(xué)設(shè)計(jì)風(fēng)路[11]。在保證溫升的前提下，本文提出降低電機(jī)風(fēng)扇直徑10%和加排氣消聲器的兩種降噪方案。圖8是改進(jìn)前后聲功率頻譜對比，從圖中可以看出聲功率下降了7.4 dB，降噪效果明顯。

圖8 改進(jìn)風(fēng)扇和加消聲器前后第9檔工況聲功率頻譜對比

5 杯體減振降噪

采用一系列降噪措施后，主要的噪聲源得到抑制，原本次要的噪聲源將變成主要的噪聲源。通風(fēng)噪聲下降后主要的噪聲頻帶集中在如圖8所標(biāo)注的1 500 Hz～2 500 Hz 頻帶。圖9是通風(fēng)噪聲降低后殼體和杯壁振動頻譜對比，相比較于殼體振動，杯壁振動在1 500 Hz～2 500 Hz較大，與圖8所示的主要噪聲頻帶對應(yīng)，可認(rèn)為該頻帶噪聲的主要來源是杯體。刀片高速旋轉(zhuǎn)攪動杯內(nèi)液體，杯內(nèi)液體拍打杯壁產(chǎn)生振動，刀片攪動水的過程比較復(fù)雜，可能會引起湍流和空化現(xiàn)象。可以從刀片和玻璃杯兩個方面來降低噪聲。本文主要從激勵源入手，通過優(yōu)化刀片葉形，減小由于原有刀片葉形造成的流動不穩(wěn)定性。將原有的2層刀片組更換成5葉刀片，改進(jìn)前后聲功率對比見圖10所示，其中1 500 Hz～2 500 Hz噪聲明顯下降。但是500 Hz以下特別是1階工頻振動和噪聲上升，這主要是刀片質(zhì)量增加和動平衡所造成的，刀片還可以進(jìn)一步的優(yōu)化，本文不再介紹。

圖9 通風(fēng)噪聲降低后殼體和杯壁振動加速度頻譜圖對比

圖10 刀片優(yōu)化前后聲功率對比

減振降噪的技術(shù)流程是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，結(jié)合前文的研究內(nèi)容，可以建立完整的低噪聲破壁料理機(jī)減振降噪的技術(shù)流程和方法：首先通過聲功率和振動測試，確定破壁料理機(jī)的噪聲振動現(xiàn)狀；再根據(jù)頻譜分析，提取頻率分布特征，找到振動噪聲的主要頻率；接著通過聲源辨識技術(shù)，發(fā)現(xiàn)主要聲源位于殼體側(cè)面和底部通風(fēng)口；然后通過傳遞函數(shù)、模態(tài)頻率分析等方法，可以明確噪聲傳遞路徑；再針對激勵源和傳遞路徑，提出殼體、風(fēng)扇和排氣通道的改進(jìn)方案；根據(jù)改進(jìn)后的噪聲頻譜，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段主要激勵源為刀片，提出刀片的改進(jìn)措施并實(shí)施，最后驗(yàn)證。

6 結(jié)語

以某型號破壁料理機(jī)為研究對象，通過基于邊界元的近場聲全息技術(shù)，辨識出該破壁料理機(jī)的主要聲源位于主機(jī)殼體側(cè)面和下端通風(fēng)口。通過優(yōu)化殼體提高殼體固有頻率，使固有頻率遠(yuǎn)離1 階工頻并且降低激勵點(diǎn)的力到殼體響應(yīng)點(diǎn)振動的傳遞函數(shù)，從而使主機(jī)殼體振動在1 階工頻處下降10 dB。通過減小風(fēng)扇直徑和加消聲通道的方式降低通風(fēng)噪聲，使總聲功率下降7.4 dB。主機(jī)殼體振動和通風(fēng)噪聲降低后，由于刀片旋轉(zhuǎn)引起的杯體噪聲成為主要噪聲，繼續(xù)通過優(yōu)化刀片使聲功率最終下降10 dB。根據(jù)上述研究，建立了完整的低噪聲破壁料理機(jī)減振降噪技術(shù)流程，該流程也可應(yīng)用于其他類型的機(jī)電產(chǎn)品。

( 論文勘誤)

發(fā)表于2015年2月的第1期論文《地震監(jiān)測中異常次聲波的識別方法》一文中，原圖7存在子圖遺漏與錯誤（已發(fā)表的圖為被比較的波形圖，且存在數(shù)據(jù)計(jì)算差錯）。原圖8為錯誤示意圖。現(xiàn)更正如下：

圖7 巴東地震前兆次聲波與日本9.0級地震前兆次聲波比較

圖8 檢測出的爆炸次聲波