電磁加熱烹飪器具噪音診斷與降噪技術(shù)

江太陽(yáng)

摘要：很多烹飪器具在使用過(guò)程中都會(huì)發(fā)出一些噪音，尤其是采用電磁（IH）加熱技術(shù)的烹飪器具，發(fā)出的噪音頻寬較寬，從數(shù)十赫茲的低頻到數(shù)十千赫茲的高頻噪音都有。這類器具就包括常用的電磁爐，IH電飯煲等;因此，烹飪器具一方面給用戶帶來(lái)生活便利，另一方面，器具在使用過(guò)程中發(fā)出的噪音也給用戶帶來(lái)一定的困擾;在第三次消費(fèi)升級(jí)的大背景下，通過(guò)各種技術(shù)手段降低產(chǎn)品的工作噪音，對(duì)提升產(chǎn)品的使用體驗(yàn)和產(chǎn)品的品質(zhì)檔次都有重要的意義。

關(guān)鍵詞：電磁加熱;烹飪器具;電磁噪音;沸騰噪音;降噪技術(shù)

一、噪音來(lái)源分類

使用電磁（IH）加熱技術(shù)的烹飪器具一般包含兩大噪音來(lái)源：散熱噪音和鍋具噪音。其中散熱噪音主要是風(fēng)機(jī)工作噪音和零件與風(fēng)機(jī)葉片臨近時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)切噪音;鍋具噪音為烹飪器具的容器在加熱過(guò)程中，受到電磁作用力和鍋內(nèi)液體沸騰時(shí)，氣泡對(duì)容器的反作用力產(chǎn)生的振動(dòng)并發(fā)出的噪音;

由于散熱噪音的產(chǎn)生機(jī)理比較簡(jiǎn)單，并且已經(jīng)有較多針對(duì)電機(jī)，風(fēng)機(jī)相關(guān)噪音的文獻(xiàn)資料，在此不再贅述。而鍋具噪音相關(guān)文獻(xiàn)較少，本文將著重進(jìn)行探討;

二、噪音問(wèn)題診斷

在對(duì)烹飪器具進(jìn)行降噪整改之前，首先需要對(duì)器具噪音進(jìn)行明確的診斷，以便詳細(xì)了解器具產(chǎn)生哪種類型的噪音，每種類型噪音的分貝值，頻譜特征，產(chǎn)生噪音的時(shí)間分布特征等等，以便給后續(xù)的機(jī)理分析和對(duì)策提出提供基礎(chǔ)的信息;

1.??? 電磁作用力導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的噪音診斷

分貝值：這種類型噪音分貝值會(huì)隨著被加熱器具的模態(tài)變化而變化，而鍋具結(jié)構(gòu)的間隙，結(jié)構(gòu)，材料，內(nèi)容物等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的模態(tài)造成影響，從而影響噪音的分貝值;另外，分貝值還與加熱功率，電磁力作用在鍋具上的集中度，分布位置等相關(guān);

頻譜特征：電磁作用力的頻率構(gòu)成由下面兩個(gè)因素決定：

a.??? 諧振頻率：電磁加熱需要把直流電通過(guò)諧振回路轉(zhuǎn)換成數(shù)十千赫茲的高頻交流電，顯然，勵(lì)磁電流會(huì)包含這種頻率分量，進(jìn)一步，電磁作用力也會(huì)包含這種頻率分量;但是，諧振頻率一般超出人的可聽(tīng)范圍，大部分情況下，并不需要對(duì)諧振頻率成分做過(guò)多分析;

b.??? 市電頻率：電磁加熱器具通常用市電供電，市電的基頻會(huì)通過(guò)勵(lì)磁電流，磁場(chǎng)，振動(dòng)逐步向噪音傳遞;需要說(shuō)明的是，市電經(jīng)過(guò)整流過(guò)程后，基頻頻率翻倍，并同時(shí)產(chǎn)生多階倍頻成分;因此，電磁作用力也會(huì)包含2 倍市電頻率以及多階倍頻的頻率成分;

時(shí)間分布特征：電磁作用力的時(shí)間分布特征由下面2 個(gè)因素決定：

a.??? 加熱時(shí)間：電磁作用力僅在加熱過(guò)程中存在，加熱停止，電磁作用力也相應(yīng)停止;

b.??? 被加熱鍋具中食材的狀態(tài)：食材的流動(dòng)性，溫度等，都會(huì)影響被加熱鍋具整個(gè)系統(tǒng)的模態(tài);進(jìn)一步影響鍋具的振動(dòng)和噪音;

2.??? 沸騰氣泡對(duì)鍋具的反作用力導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的噪音診斷

分貝值：當(dāng)食材溫度接近產(chǎn)生噪音的階段，相應(yīng)噪音的分貝值仍較小，隨著溫度進(jìn)一步升高，氣泡逐漸增多，分貝值也跟隨升高，開(kāi)始接近沸騰時(shí)，相應(yīng)噪音分貝值逐漸達(dá)到峰值;

例外的，部分食材并不會(huì)導(dǎo)致鍋具產(chǎn)生這種類型的噪音，比如糊狀食材，以及大部分具有阻尼性質(zhì)的湯料等;

頻譜特征：沸騰氣泡對(duì)鍋具的反作用力導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的噪音具有如下兩個(gè)主要的頻譜特征

a.??? 寬頻特征：當(dāng)大量無(wú)序的氣泡脫離器具內(nèi)壁時(shí)，或上浮到與空氣的分界面破裂時(shí)，將產(chǎn)生無(wú)序的寬頻噪音;分布頻率在數(shù)百赫茲以下范圍，不會(huì)表現(xiàn)出特定較高峰值的頻點(diǎn);

b.??? 特定頻率特征：與交流市電特性相關(guān)，市電的能量呈兩倍市電頻率特征，因此，轉(zhuǎn)化到被加熱鍋具上的熱量也會(huì)呈現(xiàn)相近的頻率特征，進(jìn)一步，氣泡的形成以及振動(dòng)，相關(guān)的噪音特征也會(huì)呈現(xiàn)相近的頻率特征，同時(shí)包含該頻率的若干倍頻;

時(shí)間分布特征：由于這種類型的噪音與鍋具內(nèi)食材的溫度相關(guān)，只有當(dāng)食材的溫度達(dá)到一定高度后才會(huì)產(chǎn)生噪音;

三、噪音影響因素與降噪技術(shù)

電磁作用力導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的噪音：

電磁力大小以及頻譜分布：其他其他參數(shù)不變的情況下，電磁力越大，激勵(lì)出的噪音值也越高;在相同的硬件參數(shù)條件下，包括勵(lì)磁線盤，諧振電容，盤間距，鍋具等物理參數(shù)，電磁力大小與加熱功率成正比;因此，較大的加熱功率產(chǎn)生的噪音也越高;反之亦然;

加熱功率作為烹飪器具的主要性能，并不能隨意降低;這時(shí)，也可以通過(guò)提高電磁加熱的諧振頻率，降低每個(gè)諧振周期的電磁能量峰值，從而達(dá)到降低電磁力和相應(yīng)噪音的目的;

基于影響噪音產(chǎn)生的有關(guān)因素，改變電磁力的頻譜分布，減少電磁力在某些固有頻點(diǎn)上的集中分布，就可以降低這些頻點(diǎn)的電磁力在被加熱鍋具中激發(fā)的振動(dòng)和噪音;而相同幅度的寬頻噪音則更容易被用戶接受;

影響電磁作用力導(dǎo)致振動(dòng)的因素還包括施力面積和分布集中度;勵(lì)磁線圈分布的直徑（或面積）越大，傳遞相同的加熱功率，單位面積產(chǎn)生的電磁力將越小，因此，被加熱鍋具產(chǎn)生的噪音也會(huì)越小，但一般來(lái)講，生產(chǎn)成本也會(huì)有相應(yīng)的增加;另一方面，電磁作用力在整個(gè)勵(lì)磁線圈中分布越均勻，被加熱鍋具的受力也會(huì)越均勻，導(dǎo)致激勵(lì)效率下降，因此產(chǎn)生的噪音將更小;

除了上述因素外，電磁力大小還與被加熱鍋具的鐵磁特性，結(jié)構(gòu)模態(tài)等相關(guān)。因此，可以選用鐵磁性更弱的，甚至無(wú)磁材料制作鍋具，比如奧氏體不銹鋼;另一方面，通過(guò)對(duì)被加熱鍋具的模態(tài)分析，選擇模態(tài)與電磁力頻率盡量不重合的加熱器具，可以降低鍋具產(chǎn)生的噪音。

沸騰氣泡對(duì)鍋具的反作用力導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生的噪音：

普通電磁加熱器具中水或含水食材的沸騰是典型的核態(tài)沸騰，氣泡起源于鍋具內(nèi)壁的氣化核，當(dāng)加熱區(qū)域面積一定時(shí)，加熱功率越大，沸騰越激烈;很顯然加熱功率是影響氣泡作用噪音的一個(gè)重要因素。

而在加熱功率一定的情況下，加熱區(qū)域的大小也會(huì)影響單位面積內(nèi)壁表面的傳熱密度，從而影響到沸騰的激烈程度，最終影響沸騰氣泡產(chǎn)生的噪音。因此，加熱功率一定時(shí)，增加加熱區(qū)域的面積可以降低鍋具產(chǎn)生的噪音;

同時(shí)，加熱區(qū)域的熱分布均勻性越好，沸騰氣泡產(chǎn)生的噪音也會(huì)越小;

另外，氣化核的數(shù)量是影響沸騰的另一個(gè)重要因素，在傳熱速率不變的情況下，氣化核數(shù)量越多，形成的氣泡就越多，噪音也越大;影響氣化核數(shù)量的因素包括：

表面粗糙度：鍋具內(nèi)壁越粗糙，鍋器內(nèi)壁與食材的分界面上的傳熱就越不均勻，導(dǎo)致熱阻更小的位置形成大量的氣化核;因此，光潔的鍋器內(nèi)壁可以降低沸騰氣泡產(chǎn)生的噪音。

鍋器內(nèi)壁微觀構(gòu)成：加熱鍋器往往是不銹鋼制品，在出廠前需要經(jīng)過(guò)拋光，但是，拋光后的鍋器內(nèi)壁在微觀上并不是平整的，而是存在大量的溝槽，并且在溝槽底部存留有一層拋光蠟，由于拋光蠟的熱阻很大，而溝槽頂部裸露的金屬部分熱阻很小，這就導(dǎo)致鍋器內(nèi)壁與食材的傳熱很不均勻，從而使裸露部分的金屬形成大量的氣化核;

經(jīng)過(guò)我們公司的長(zhǎng)期研發(fā)，已經(jīng)研制了多種去除這種拋光蠟的技術(shù)，其中包括加溫堿洗，激光燒蝕，直接加熱燒蝕，低溫等離子燒蝕等多種技術(shù);然而，其中最具優(yōu)勢(shì)的當(dāng)屬低溫等離子燒蝕，具有成本低，工藝簡(jiǎn)單，效果顯著，清潔環(huán)保的特點(diǎn)，目前已經(jīng)大量投產(chǎn);

另外，通過(guò)在鍋器內(nèi)壁覆蓋一層光滑的有機(jī)薄膜，比如聚四氟乙烯不粘涂層，通過(guò)使容器內(nèi)表面的傳熱均勻化，也可以大幅減少氣化核的數(shù)量，從而起到降低沸騰氣泡產(chǎn)生的噪音;

結(jié)束語(yǔ)

電磁加熱烹飪器具噪音是一個(gè)復(fù)雜的，跨多門學(xué)科的工程問(wèn)題，本文僅對(duì)主要的噪音影響因素和改善措施進(jìn)行說(shuō)明，仍存在一些其他次要的影響因素，以及某些尚未明確的潛在影響因素和降噪措施無(wú)法一一例舉。

參考文獻(xiàn)：

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