家用豆漿機噪聲測試及分析與控制

朱秀琳

（南京工業職業技術學院機械學院，江蘇 南京 210023）

豆漿機是一種人們日常生活中常用的小家電，尤其受中國人青睞，家庭使用率非常高，年產量在數千萬臺，各種品牌多達數十家。人們使用中發現其共同缺點之一是噪聲較大且有明顯振動。質量是企業的永恒追求、是企業立足市場的保證，因此各家生產公司一直努力改進，但是這個問題從未得到根本解決。遍查國內外相關資料，未發現有針對這類產品的振動噪聲問題有專門研究的文獻。

1 豆漿機噪聲來源

本試驗研究對象是某款九陽牌豆漿機。其構成見圖1，由機頭（內裝有電機、軸承、電腦板等）、機殼（盛裝食物）、機座（支承機身及安裝電源線路）組成。工作動力來自電機，為簡化結構一般采用立式安裝，電機直接帶動刀桿上的刀片高速旋轉從而粉碎食物。本機最高工作轉速14 000r／min。由電機、軸承、刀片以及被粉碎食品及機殼，在電機高速旋轉下，組成振動系統，并產生噪聲。

正常狀態下的豆漿機工作噪聲的主要來源可能有，①電機。主要分為電磁噪聲和機械噪聲。電磁噪聲是由于交變磁場對定子與轉子作用產生周期性的交變力引起振動而產生的［1］。機械噪聲包括軸承高速回轉質量偏心引起的振動噪聲及電機轉子不平衡、轉子受“溝槽滑坡力”作用等引起振動而產生的溝槽諧波噪聲［1］。②機殼受迫振動噪聲。本款豆漿機機殼為不銹鋼，機殼空腔板結構受到機頭的激勵作用而振動，從而輻射噪聲。③食物碰撞刀片、機殼以及互相碰撞、摩擦而產生的噪聲。

圖1 豆漿機結構示意圖Figure1 Sketch map of the soymilk maker

2 噪聲檢測方法與系統

噪聲常以分貝（dB）表示的A 聲級或聲功率級作為評價標準，對不同的機械產品規定有相應的測量方法和容許標準。常用測量儀器有聲級計、聲功率計、頻率分析儀和記錄、顯示儀器等［1，2］。

噪聲源識別方法一般有主觀法與客觀法。主觀法依賴于個人經驗因此具有局限性，一般只能進行定性分析。客觀法是利用儀器測量，分析測量數據從而鑒別噪聲源。具體分為頻譜分析法、聲強法、全息照相法等［1，2］。

本豆漿機噪聲源識別采用常用的頻譜與相干分析法［1，2］。噪聲與振動信號測試系統示意圖見圖2。本試驗的振動與噪聲動態信號分析儀采用的是美國LDS公司的Focus II。

圖2 振動噪聲信號測試系統Figure2 Test system on vibration and noise

3 某豆漿機的工作噪聲測試與分析

3．1 豆漿機工作噪聲測試

本次測試按照GB 4214－84 規定在半消聲室內進行。聲級計采用的是HS5660 系列精密級。據文獻［2］，測點放在距離被測對象1 m，高度與其平齊。開動機器工作，在其圓周方位選了10 個測點測試了10 次，求其平均值為61．5dB。中國環境噪聲標準規定：居民住宅小區區域環境噪聲平均等效聲級須達到環境質量1類標準，即晝間55dB，夜間45dB［3］。由此可見該款機器的工作噪聲還是有些超標。本試驗希望通過振動、噪聲測試找出噪聲源，并在此基礎上采取合適方法減振降噪，解決該機噪聲超標問題。

3．2 豆漿機主要噪聲源識別

3．2．1 測試信號的頻譜分析 振動噪聲源識別測試系統見圖2。測試準備：三向加速度傳感器用膠水粘在豆漿機機殼上，聲傳感器置于豆漿機旁，各自對應4個不同的輸出通道。機器置于隔振墊上，以盡量避免環境振動和噪聲的影響。

啟動機器工作一段時間運行平穩后，拾取3個方向振動加速度信號，因為左右方向振動最為強烈，因此主要對其進行自功率譜分析［1，2］，見圖3。

圖3 豆漿機左右方向振動自功率譜圖Figure3 The self－power spectrum in the left－right direction

由圖3可知，主要峰值頻率有48，96，104，152，232，336，408，2 776，2 824，2 872 Hz，其中232，104，96 Hz 三 處 頻 率振動尤為明顯，是其它幾處的數倍。

豆漿機噪聲信號自功率譜見圖4。由圖4可知，豆漿機噪聲主要集中在96，104，168，200，240，448，2 776，2 824，2 880，2 928Hz。

圖4 豆漿機噪聲信號自功率譜Figure4 The self－power spectrum of the noise

噪聲信號的1／3 倍頻程見圖5。由圖5 可知，豆漿機1／3倍 頻 程 噪 聲 的 中 心 頻 率 主 要 有：250，400，500，2 500，3 150Hz。其中最大的中心頻率為2 500 Hz。噪聲能量主要集中在400～500Hz以及2 500Hz以上的頻率段。

圖5 豆漿機噪聲信號1／3倍頻程Figure5 A third octave of the noise

3．2．2 豆漿機噪聲與殼體振動相關性分析 在振動與噪聲識別分析技術中，經常利用互相關函數Rxy來描述兩個隨機信號之間的相關程度。在實際問題中常把時域函數Rxy（τ）通過FFT 變換轉換成頻域中的互譜密度函數Sxy（f），而實際測試 時，常 用 相 干 函 數r2xy（f）來 衡 量Sxy（f），r2xy（f）＝S?x?S（fxy）（Sfy）（f?2）。如果r2xy（f）＜0．5，則說明二者相關程度不大［1］。

將測試所得的噪聲信號與豆漿機殼體振動信號，利用Focus II實時動態信號分析儀作相關性分析得到r2xy（f）見圖6。

由圖6可知，豆漿機噪聲與殼體振動相關性比較大的是9 6，104，240，2728，2784，2824，2880，2920Hz相 干 函 數rx2y（f）分別達到0．824，0．893，0．730，0．866，0．849，0．902，0．872，0．873。

圖6 振動和噪聲相關性分析Figure6 The correlation about the noise and the frame vibration

綜上測試結果與分析，可得如下結論：振動和噪聲頻率主要在500Hz以下和2 700～2 900Hz兩個頻段，232Hz應該為電機基頻（電機轉速為14 000r／min＝14 000r／60s≈232Hz），500Hz以下噪聲主要是機殼振動引起的結構聲，2 700～2 900Hz主要是電機的電磁噪聲。

4 豆漿機的噪聲控制

4．1 噪聲控制一般方法

噪聲控制方法有很多。比如采用吸聲材料吸收噪聲、采用隔聲設計隔離噪聲、采用隔振與減振措施減輕噪聲來源、采用消聲器有效降低空氣動力噪聲等［1，2，4］。需要根據具體情況選擇合理可行的措施。根據上述測試分析，本豆漿機噪聲源主要是電磁噪聲及機殼振動引起的結構聲。

減小電磁噪聲的最有效途徑是穩定電源電壓及提高電機的制造裝配精度［1］。但是電源電壓不是生產企業以及消費者能夠控制的，提高電機機械精度會帶來較大的成本負擔。鑒于此，可以考慮簡便低成本的多孔吸聲材料［1，2］填充和敷設到機頭與機座的空腔處，降低聲波對機殼的激勵，同時也起到吸聲的作用。但是經過檢查本款豆漿機的機頭與機座內密布著電路板、電線等元器件，幾乎無空余空間。

4．2 本機噪聲控制方法

振動隔離是減振降噪的有效手段之一［1，2，5］。如圖1所示，該豆漿機機頭下檐口與機身合縫處有8只相同的橡膠隔振墊2，沿圓周均布；機座底部也有3 只相同的橡膠隔振墊9，沿圓周均布，共同組成雙層隔振系統。但是經過測試該機器工作噪聲達到61．5dB，仍然超過中國環境噪聲標準規定。故擬通過優化隔振系統參數，提高隔振效果從而減振降噪。

首先建立該豆漿機雙層隔振系統的數學模型［5－7］，如圖7所示，機頭、機殼和機座相對隔振墊質量大得多，故可簡化作剛體，與第一層8只隔振墊2和第二層3只隔振墊9一起共同構成雙層隔振系統。根據牛頓第二定律寫出系統運動微分方程，解該方程可得到雙層隔振系統的絕對傳遞率TA，見式（1）。

式中：

μ—— 質量比；

m1—— 機頭質量，kg；

m2—— 機殼與機座總質量，kg；

ω1—— 第一層隔振系統振動固有頻率，rad／s；

K1—— 第一層隔振墊（8只）的X 向總剛度，N／m；

ω2—— 第二層隔振系統振動固有頻率，rad／s；

K2—— 第二層隔振墊（3只）的X 向總剛度，N／m；

α—— 固有頻率比；

λ—— 固有頻率比；

ω—— 系統振動固有頻率，rad／s；

ζ1—— 第一層隔振墊阻尼比；

C1—— 第一層隔振墊粘性阻力系數，N·s／m；

ζ2—— 第二層隔振墊阻尼比；

C2—— 第二層隔振墊粘性阻力系數，N·s／m。

圖7 雙層隔振系統的數學模型Figure7 Mathematical model of double vibration isolation system

基于MATLAB的圖形與計算功能，根據式（1）分析雙層隔振系統的各項動態參數對隔振性能的影響［5，6，8］，可見：在高頻區為增加隔振效果，應該盡量增加質量比μ、取較小的阻尼比ζ1 和ζ2 以及盡量減小固有頻率比α。在此基礎上基于MATLAB進行編程計算，對該豆漿機的雙層隔振系統的參數進行了優化設計。

經過測試，該機器各項動態特性參數：機頭m1＝1．135kg，機身m2＝0．74kg，ω1＝12Hz，ω2＝16Hz，ξ1 ＝0．08，ξ2 ＝0．05。經MATLAB優化計算后得到α＝0．875，ζ1＝0．03。MATLAB計算結果表明，優化后的隔振系統的振動級差減小了10．2～13．2dB。

然后根據優化結果，改進隔振墊即按照ω1＝14 Hz，ω2＝12Hz，ξ1 ＝0．03，ξ2 ＝0．05重新選取隔振墊。在此基礎上再測試該豆漿機工作時的噪聲水平［1］。試驗表明再測試噪聲為53dB，符合中國環境噪聲標準規定［3］。

5 結論

通過對某款豆漿機進行噪聲水平測試發現其超過國標規定。采用頻譜與相干分析法通過對振動測試信號進行頻譜分析、噪聲自功率譜和1／3倍頻程分析以及噪聲與殼體振動相關性分析，找到了該豆漿機的主要噪聲源。然后基于MATLAB的圖形與計算功能，對該機的雙層隔振系統的隔振參數進行了優化改進。測試結果表明，該機工作噪聲由61．5dB降為53dB，取得了明顯的減振降噪效果。

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