吸油煙機噪聲問題分析及控制方法

胡小帝

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

吸油煙機噪聲問題分析及控制方法

胡小帝

（珠海格力電器股份有限公司 廣東珠海 519070）

本文主要闡述吸油煙機的主要噪聲組成與產生機理，并介紹基于離心風機系統及電機的結構及匹配上的噪聲優化方法，以及主要的消極降噪方法。

吸油煙機；離心風機；電機；降噪

1 引言

人們在選購吸油煙機時，主要考慮兩個性能指標：大吸力與低噪聲。根據聲學理論，吸油煙機的噪聲水平與吸力的關系為：

式中，LW為吸油煙機的聲功率級，dB；LsW為吸油煙機風機系統的比聲功率，是風機系統的固有特性；Qv為吸油煙機的風量，m3/h；PtF為吸油煙機的全壓，Pa。由式1可見，吸油煙機吸力的提高和噪聲的降低是相矛盾的。所以在設計和制造時必須采用適當措施，以保證吸油煙機的最佳性能。為了控制吸油煙機的噪聲水平，本文將從吸油煙機噪聲組成與產生機理入手，分析控制噪聲水平的方法。

2 吸油煙機的噪聲組成以及產生機理

吸油煙機在穩定運轉時產生的噪聲構成比較復雜，主要有3類：空氣動力性噪聲、電機的電磁噪聲、以及機械噪聲。其中空氣動力性氣動噪聲、電機電磁噪聲影響最大，成因最復雜，而機械噪聲基本可忽略不計，因此在本文中將不對機械噪聲進行闡述。

2.1 空氣動力性噪聲分析

空氣動力性噪聲主要是風機系統中的高速氣流、不穩定氣流以及由于氣流與物體相互作用產生的，主要由旋轉噪聲和渦流噪聲所組成。

2.1.1 旋轉噪聲

旋轉噪聲，又稱離散噪聲。其產生的機理有兩種：一是由于旋轉的風葉周期性打擊空氣質點，或運動的氣體與氣體發生周期性干擾，引起氣流壓力脈動而產生旋轉噪聲；二是風葉出口氣流與蝸舌之間發生周期性沖擊作用而產生沖擊噪聲。大量實驗表明，沖擊噪聲要遠大于旋轉噪聲。

一般認為影響吸油煙機旋轉噪聲的因素主要有以下幾種：（1）離心風葉的轉速與葉片數；（2）出風口蝸舌的形狀；（3）離心風葉是否處于最佳工況點；（4）蝸殼內壁的不光滑度及蝸

殼整體的不對稱性；（5）進風口前安裝的金屬濾油網。

圖1 多葉強前彎離心風葉

圖2 蝸殼設計尺寸

圖3 軸向間隙設計

由于離心風葉的周期性運轉，產生壓力脈動及干涉作用將隨時間而周期性變化，旋轉噪聲也通過風葉以頻率的基頻及其諧波形式向外輻射，且具有離散性，其頻率為：

式2中，Z為離心風葉的葉片數；n為離心風葉的轉速，r/min；i為諧波序號，i=1,2,3…。很顯然，旋轉噪聲i=1時的基頻噪聲最高，高次諧波依次遞減。

2.1.2 渦流噪聲

渦流噪聲又稱寬頻噪聲，它的產生機理為：氣流流經離心風機葉片及蝸殼表面時產生湍流層，該湍流層會從這些表面脫落，引起葉片上非定常壓力隨機脈動而輻射出噪聲。

離心風機渦流噪聲來自這幾方面：（1）從進風口進入的具有一定紊流度的氣流；（2）氣流流經葉片表面及蝸殼表面時，形成的脈動湍流附面層；（3）氣流流經葉片前后盤的內外表面及蝸殼表面時，產生的渦流脫離；（4）葉片、蝸殼漏氣也會產生渦流噪聲。

渦流噪聲從時域變換到頻譜上看，其曲線具有隨機連續的特點，同時它主要是由于旋渦剝落引起的，所以物體繞流旋渦剝落具有確定頻率，其頻率計算式為：

式中：Sr為斯特羅哈數，一般取0.185；ω為氣體與固體表面的相對速度，m/s；L為固體在垂直于ω方向的面積，m；i為諧波序號，i=1，2，3…。

由式（3）可知，渦旋噪聲的頻率取決于葉片與氣體的相對速度，而旋轉葉片的圓周速度則隨著與圓心的距離而連續變化。葉片旋轉所產生的渦旋噪聲就具有連續的噪聲頻譜。一般渦流噪聲頻率在0～1000Hz范圍內。其強度大小由葉片及蝸殼內氣流狀態決定。氣流越順暢，紊度越小，湍流附面脫落作用越小，渦流噪聲也就越小。

2.2 電機噪聲分析

通常吸油煙機采用直流無刷電機或單相交流異步電機作為動力輸出。而由電機產生的噪聲

種類繁多，成因也很復雜。一般的，如果吸油煙機處于正常工作狀態時，由電機產生的噪聲主要為電磁噪聲。

2.2.1 無刷直流電機的噪聲分析

因直流無刷電機有節能及轉速可調范圍廣的優點，現在不少廠商的吸油煙機采用直流無刷電機。但這種類型的電機非常容易因轉矩脈動而產生電磁噪聲，這種噪聲主要有兩種：一是齒槽轉矩帶來的噪聲，另一種是換相過程中換相電流波動帶來的換向噪聲。通常，電機空載時的主要噪聲來源于齒槽轉矩，而負載運行時，主要噪聲則是換相噪聲。

（1）齒槽轉矩帶來的噪聲

齒槽轉矩是永磁電機的特有現象，主要指繞組開路時，磁能相對于轉子位置產生的變化率，它總是試圖將轉子定位在某一位置，從而產生轉矩的波動。從電機結構上看，其實就是定子開槽引起的磁阻不均勻導致不均勻的磁拉力而產生轉矩波動。該噪聲在吸油煙機啟動與關閉時特別明顯，值得關注。電機的齒槽轉矩波動頻率為：

式中：p為極對數；Z為定子齒數；C為2p與Z的最大公約數；n為電機轉速r/min。

（2）換相噪聲

換相噪聲是方波型無刷直流電機特有的問題。定子磁場和轉子磁場相互作用產生電磁力矩，若想力矩保持恒定，則需在理想反電動勢波形的梯形平頂部分供給方形驅動電流。而由于電機中電樞繞組相電感的存在，換相電流的上升和下降都需要一定的時間，使得相電流波形并不是理想的方波，從而產生電機換相時的轉矩波動。轉矩波動會引起電機的振動和噪聲。該轉矩波動的頻率（換相頻率）為：

式中：k為電機定子中每對磁極在一個周期內所對應的工作狀態數；p為電機極對數；n為電機轉速r/min；i為諧波序號，i=1，2，3…。由于大部分吸油煙機電機采用三相六拍控制，電機有工作六種狀態，所以公式也可簡化為：

2.2.2 單相異步交流電機的噪聲分析

單相異步交流電機沒有永磁鐵，也不存在勵磁繞組，因此結構簡單，運行穩定，價格便宜，是目前市面上大部分吸油煙機所采用的電機。這種電機的電磁噪聲產生機理是：周期變化的氣隙磁場產生一個旋轉力波，它的徑向力波對定、轉子產生磁拉力，使定子、轉子發生徑向變形和周期振動，因此產生電磁噪聲。氣隙磁場中除了電源基波分量外，還有高次諧波分量，該高次諧波會使定轉子產生不同階次的諧波變形。一般該諧波變形量較小，但如果變形頻率與定轉子的某個固有頻率接近或相等，也會產生較大的共振噪聲。該電磁噪聲的頻率主要取決于轉子槽數，計算公式如下：

式中：Q2為轉子槽數；n為轉子轉速，r/min。

3 吸油煙機噪聲的控制方法

通常的噪聲控制一般通過兩種方法進行：一種是積極降噪法，即對噪聲源的結構進行優化，降低噪聲源的輻射能量；另一種是消極降噪法，即采取隔振、減振、消聲、吸聲等措施使輻射到外界的噪聲降低。

3.1 空氣動力噪聲的控制方法

由空氣動力噪聲的產生機理可知，合理的氣動設計是獲得低氣動噪聲最根本的方法，風機系統結構參數的合理選擇和匹配不但可獲得高的效率，而且相應的噪聲水平也低。風機系統可優化的零件包含：離心風輪、蝸殼與集流器。

3.1.1 離心風輪合理選型

吸油煙機用風輪一般為多葉強前彎離心風輪（圖1），這種風輪的壓力系數高，噪聲小，流量系數大，適合吸油煙機使用的場合。該離心風機的性能參數主要有流量Qv、全壓PtF、聲功率W、效率η、圓周速度u2。這些參數與風輪的轉速的n、直徑D2密切相關，關系式為：

式中：為風機系統的效率；KtF為與全壓相關結構的系數；Kw為與風機系統聲功率相關的結構系數。

由7、8、9、10式可知，風機系統的聲功率與轉速的5～6次方成正比，全壓與轉速的平方成正比，風量與轉速成正比。這意味隨著速度的降低，旋轉噪聲的聲功率將急劇降低，全壓也將較快降低，而風量則正常比例降低。因此在保證風量、風壓情況下，應盡量降低轉速，從而降低噪聲。另外，增加離心風輪的氣動載荷，可使風輪在同等風量和風壓噪聲水平大幅降低。增加風輪的氣動載荷的常用方式為增加風輪的最大直徑、風葉葉長、風葉數目或采用雙面進風結構。但也不可把轉速降低過多，以免風輪尺寸過大。影響風輪的重要參數還有出口角、入口角、風輪內外直徑比等。大量實驗數據表明，風輪的轉速在650～850r/min，風輪直徑在280mm以下，葉片數在60～90片之間，風輪的內外直徑比在0.8～0.95之間，入口角在60°～90°之間，出口角在150°～170°之間是一個較為合理參數范圍。

有理論研究顯示，如果在風葉上設置均布的鋸齒狀結構，則可使葉片上氣流層附面層較早地轉化為紊流，避免層流附面層不穩定導致渦流分離；另外，葉片上設置的鋸齒形結構，使氣流對蝸舌的整齊一致的“拍打”緩沖為分散的“拍打”，因此可降低旋轉噪聲。這種方法在空調上也常見。典型案例可參考方太的蝶翼云魔方吸油煙機。

另外，在離心風機的制造過程中，控制其動平衡、徑向與軸向全跳動等制造參數也非常重要。往往這些參數的不合格會造成力矩不平衡而產生異常噪聲。

3.1.2 蝸殼的合理選型。

蝸殼的作用主要是平順的引導氣流流出蝸口。一般選擇近似阿基米德螺旋線作為蝸殼的內壁型線。其主要結構參數為蝸殼寬度B、張開度A、出口長度C、蝸舌間隙t、蝸舌半徑r、擴壓角θ。（圖2）

由旋轉噪聲的產生機理可知，蝸舌與氣流發生的沖擊作用是旋轉噪聲的主要成因，減小蝸舌

的迎風面積可極大地減小旋轉噪聲。由此可見蝸殼結構參數中的蝸舌間隙t、與蝸舌半徑r對噪聲影響最大。在保證風壓的前提下，一般的蝸舌間隙越大，蝸舌半徑越大，則旋轉噪聲越小。由實驗表明，蝸舌間隙t取0.05D2～0.1D2，蝸舌半徑r取0.03D2～0.06D2比較合理。

另外，為了減小迎風面積，蝸舌做成傾斜式也對降低噪聲水平極其有效。因同相位的脈動氣動力的作用面積小了，輻射的噪聲也因此減小了。通常，蝸舌的傾斜角α可按tanα=（t-2r）/B去計算。蝸舌傾斜的方向應是向蝸殼后板側升高，若方向弄反，效率會有一定降低。該方法對前彎式離心風機的降噪效果明顯，且不會增加風機尺寸，不影響風機效率，而且幾乎對所有工況都有效。

在制造過程中，控制蝸殼型線的準確性與內壁的順滑，以及蝸殼焊接后是否有明顯漏氣現象也非常重要。這些不良也會導致噪聲異常。

3.1.3 集流器的合理選型

集流器安裝于蝸殼入口處，用于引導氣流平滑地軸向進入葉輪。為了減小渦區和進氣損失，吸油煙機一般采用圓弧型集流器，且與風輪成軸向間隙形式，間隙δ一般選5～10mm。需要特別注意的是，集流器與蝸殼入口處需貼合緊密，否則會導致氣流泄漏而產生明顯的渦流噪聲。（圖3）

3.2 電機電磁噪聲的控制方法

關于電機的電磁噪聲改善，業內研究較深，方法比較多，文獻資料介紹也比較全面，因此本文中只簡單列舉改善方法，不作深入探討。

3.2.1 無刷直流電機噪聲控制

（1）齒槽轉矩噪聲的控制

齒槽轉矩產生的主要原因為定子磁極開槽導致不均勻的磁拉力，改善齒槽轉矩帶來的噪聲主要原則是盡量使磁拉力均勻。主要改善方法為：極槽配合法、磁極優化法、斜極法、斜槽法、閉口槽法、定子齒冠開槽法、改善電流波形法、無齒槽繞組法、變化的氣隙法等方法。

（2）換相噪聲

換相噪聲產生的主要原因是為非理想梯形的換相電流而導致轉矩波動，其改善原則為盡量減少換相電流波形變形。主要改善方法為：重疊換相法、滯環電流法、PWM斬波法、電流預測控制法等。

3.2.2 單相交流電機的噪聲控制

單相交流電機產生的電磁噪聲來源于定轉子徑向變形和周期振動，改善這種電磁噪聲的主要方法有：適當降低氣隙磁密減少徑向磁拉力；采用短距繞組消弱諧波電勢；增加定子槽數以減少諧波分布系數；選擇合適的槽配合；利用磁性槽楔；轉子斜槽處理；采用閉口齒槽減少高次諧波；減小高次諧波電流的影響；適當增加電機殼厚度或剛度使固頻提高。

3.3 避免共振噪聲方法

吸油煙機在風機系統里匹配好電機后，經常在某些檔位或轉速發生很明顯的“嗡嗡”或“噗噗”的噪聲。這是因空氣動力噪聲頻率或電磁噪聲頻率與風機系統整體固有頻率的基頻或倍頻一致，這時會產生共振而把噪聲放大。

處理這種噪聲可通過模態分析與頻譜分析，查找出具體的共振區后，采用如下三種方法進行控制：其一，改變轉速而避開共振區。把轉速改變后相應的噪聲頻率必然變更，只要改后的頻率不在系統固有頻率的基頻或倍頻附近，共振噪聲就可消除。其二，改變系統固有頻率法。可以通過增加系統的整體剛度，比如增加蝸殼的材料厚度或在蝸殼前后板進行壓型，用以提高系統的整體固有頻率。其三，采用高粘性阻尼粘貼在蝸殼上，用于消耗噪聲能量而降低噪聲水平，但這種方法不能從根源上解決共振問題。

3.4 傳播路徑上降噪法

上述介紹的方法均是對聲源結構進行處理，使聲源的噪聲功率盡量降低。但不管如何優化處理，只要風機系統在運轉，仍然是會產生噪聲的。若要降低這部分噪聲，則需要在噪聲傳播路徑上進行降噪的方法，這種方法包含：隔振、減振、吸聲、消聲等方法。具體做法是通過在風機系統和電機之間，風機系統與整機之間設置一些高阻尼的橡膠墊、盡量減少與振動源的接觸面積、采用高吸聲率的海綿或泡沫類進行隔振、減振和吸聲。而消聲方法，因吸油煙機的結構空間及成本限制一般較少用到。通過查詢相關專利，有些廠商會通過在在蝸舌處設置聲學消聲器，或在整機上設置有源消聲器，從而達到消耗噪聲能量、降低噪聲的目的。

4 總結

吸油煙機的噪聲控制是一項系統的課題。它應從風機系統與電機的設計、制造與系統匹配入手，優化、完善風機系統及電機的結構，盡量從噪聲源頭上減少噪聲的產生，并通過隔振、減振、吸聲、消聲等消極降噪手段，確保最大限度地減輕吸油煙機向外輻射噪聲，提高產品的用戶體驗及市場競爭力。

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Range hood noise problem analysis and control

HU Xiaodi
（Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070）

This article mainly elaborates the main noise component and cause, and introduced the optimal method of noise for structure of centrifugal fan system and motor and matching, and mainly passive noise reduction method.

Rang hood; Centrifugal fan; Motor; Noise reduce