破壁料理機減振降噪研究

嚴 莉，李 豆，余 亮，吳海軍，蔣偉康，唐路蒙

（1.上海交通大學 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，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的關注到現(xiàn)在對靜音性能的關注，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或電機，噪聲指標尤其受到關注，所以對空調(diào)、冰箱和洗衣機減振降噪的研究也比較多。空調(diào)的主要噪聲源是壓縮機，改善風扇直徑、降低電機轉(zhuǎn)速、改善氣流通道、改變蒸發(fā)氣的折彎形狀、考慮出風口喉舌和回風半徑等可以降低噪聲和改善聲品質(zhì)[1]；冰箱壓縮機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，可以采用在壓縮機吸氣端設置消聲器的方法來降低噪聲[2]。滾筒洗衣機烘干衣物時產(chǎn)生的噪聲主要來自于烘干流道內(nèi)的離心風機高速旋轉(zhuǎn)以及氣流與蝸殼壁面沖擊所產(chǎn)生的氣動噪聲，合理的葉片結構參數(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量，找到主要的激勵源和傳遞路徑，從而為產(chǎn)品改進設計指明方向[4-5]。

破壁料理機是一款多功能食品加工產(chǎn)品。采用超高速電機帶動不銹鋼刀片對杯內(nèi)食材進行超高速粉碎，從而打破食物中細胞的細胞壁，破壁料理機因此而得名。破壁料理機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。國家標準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基本都能滿足標準中的噪聲限值，但由于電機的超高轉(zhuǎn)速，特別是在高轉(zhuǎn)速工況下，破壁料理機比一般的食物料理機的振動和噪聲大。而振動和噪聲是產(chǎn)品設計是否合理的指標之一，是消費者選購的重要因素，噪聲低振動小的破壁料理機將更有競爭力。所以降低破壁料理機的振動噪聲，建立破壁料理機減振降噪的技術流程非常必要。

本文給出一個破壁料理機減振降噪的典型案例，供技術人員參考。以某型號破壁料理機為研究對象，首先通過噪聲和振動測試，分析實驗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、通風噪聲和杯體噪聲依次提出殼體優(yōu)化、散熱風扇改進、排氣消聲器及刀片優(yōu)化的措施；改進后的破壁料理機的聲功率下降了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減振降噪的技術流程。

1 破壁料理機噪聲和振動特性分析

破壁料理機一般采用杯體和主機分離的設計方式，主機包括串激電機、電機安裝支架、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。電機一般是單向串激電機，額定轉(zhuǎn)速在15 000 r/min 左右，輸出端是傳動結構，另一端是散熱風扇。電機通過安裝支架固定在主機殼體內(nèi)部，杯體安裝在主機殼體上端，電機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最高速工況（第9 檔，電機轉(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分別是主機殼體和杯壁振動加速度的頻譜，從圖中可以看出主機殼體振動比杯壁振動大，振動的主要頻率是1階工頻。

圖1 破壁料理機第9檔聲功率頻譜

圖2 破壁料理機第9檔殼體和杯壁振動加速度頻譜

2 聲源辨識

破壁料理機由上面裝滿液體的杯體和下部安裝了電機的主機兩部分組成。電機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生振動和噪聲，電機風扇高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生通風噪聲，電機振動通過支架傳遞到主機殼體使主機殼體振動輻射噪聲，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。為了達到減振降噪的目的，首先需要確認主要的噪聲源。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的聲壓、振速與聲強等參數(shù)，從而可以辨識出聲源的位置。近場聲全息測試技術（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、法向振速及聲強等。

由于破壁料理機的形狀比較復雜，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進行聲場重建。如圖3所示。

圖3 NAH測試照片

通過48通道平面陣列，采集破壁料理機機殼外包絡前、后、左、右、頂部5 個平面的輻射聲壓信號，重建破壁料理機表面的聲場，確定主要的輻射聲源、頻率。破壁料理機第9檔NAH重建結果見圖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頻帶表面聲強分布。從圖中可以看出1 階主要的輻射噪聲源在主機殼體側(cè)面，600 Hz～3 000 Hz的寬頻噪聲的來源位于主機底部出風口。

圖4 1階工頻表面聲壓分布圖

圖5 600 Hz～3 000 Hz頻帶表面聲強分布圖

3 殼體減振降噪

電機通過安裝支架連接到主機殼體上，所以電機振動通過安裝支架傳遞到殼體。電機是激勵源，1階工頻振動主要原因是破壁料理機工作時電機、風扇、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。

主要的設計思路是提高殼體固有頻率，使固有頻率遠離1階工頻并且降低激勵點的力到殼體響應點振動的傳遞函數(shù)，從而降低殼體1 階工頻振動。殼體優(yōu)化設計的步驟是先建立殼體模型，通過仿真計算結果和實驗數(shù)據(jù)的對比，保證模型的正確性，最后在仿真模型上進行結構修改，達到優(yōu)化殼體的目的。根據(jù)有限元仿真和模態(tài)試驗證明，結構振幅最大的地方是主機殼體底座下緣，因此修改模型時應在加強該處的結構剛度、減小振幅的同時，提高固有頻率，使之遠離工頻。電機通過安裝支架固定在主機殼體頂面，電機振動通過殼體頂面?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 殼體改進前后第9檔工況聲功率頻譜對比

圖7 殼體改進前后第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 通風降噪

電機高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量，需要通過風扇通風散熱。電機噪聲中通風噪聲是主要噪聲源之一，而通風噪聲又主要由風扇噪聲所引起，屬于空氣動力噪聲。風扇噪聲分兩大類，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)破壁料理機的聲功率頻譜可知該型號破壁料理機的風扇噪聲主要是寬頻帶的渦流噪聲。影響通風噪聲的因素很多，有風扇結構型式、風扇寬徑比、風扇間距、葉片數(shù)、風扇轉(zhuǎn)速、通風道結構以及通風效率等。

在幾何形狀相似的風扇中，聲功率W和風扇參數(shù)的關系為W∝D7n5b（D為風扇直徑，n為轉(zhuǎn)速，b為風扇寬度）。風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。降低電機通風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量、減少風阻、提高風扇效率、減小風扇直徑及降低風扇轉(zhuǎn)速等方面入手。而消聲是按照空氣動力學設計風路[11]。在保證溫升的前提下，本文提出降低電機風扇直徑10%和加排氣消聲器的兩種降噪方案。圖8是改進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 改進風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。通風噪聲下降后主要的噪聲頻帶集中在如圖8所標注的1 500 Hz～2 500 Hz 頻帶。圖9是通風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，可認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，刀片還可以進一步的優(yōu)化，本文不再介紹。

圖9 通風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

減振降噪的技術流程是產(chǎn)品設計中的重要環(huán)節(jié)，結合前文的研究內(nèi)容，可以建立完整的低噪聲破壁料理機減振降噪的技術流程和方法：首先通過聲功率和振動測試，確定破壁料理機的噪聲振動現(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，發(fā)現(xiàn)主要聲源位于殼體側(cè)面和底部通風口；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、風扇和排氣通道的改進方案；根據(jù)改進后的噪聲頻譜，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段主要激勵源為刀片，提出刀片的改進措施并實施，最后驗證。

6 結語

以某型號破壁料理機為研究對象，通過基于邊界元的近場聲全息技術，辨識出該破壁料理機的主要聲源位于主機殼體側(cè)面和下端通風口。通過優(yōu)化殼體提高殼體固有頻率，使固有頻率遠離1 階工頻并且降低激勵點的力到殼體響應點振動的傳遞函數(shù)，從而使主機殼體振動在1 階工頻處下降10 dB。通過減小風扇直徑和加消聲通道的方式降低通風噪聲，使總聲功率下降7.4 dB。主機殼體振動和通風噪聲降低后，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減振降噪技術流程，該流程也可應用于其他類型的機電產(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