某型号干湿两用吸尘器噪声频率分析 

沈利明，谢新科

（TTI创科集团 地板清洁护理产品中心 ，苏州 215021）

        摘  要：本文介绍了某款干湿两用带电动刷头的吸尘器在开发过程中的噪声频率分析，利用频谱分析、声学计算确定了主要发声源来自主吸力电机和地刷，通过进一步改进出风格栅形式及电机风叶、滚刷的动平衡量，使其最终符合设计要求。

        关键词：吸尘器噪声；频谱分析；滚刷动平衡；声品质

        中图分类号：TB52;TM925.3          文献标识码：A

        近年来人们对家电噪声问题越来越重视,而吸尘器作为噪声比较大的家电，较难改进，使用过程中经常受到消费者投诉噪音问题，甚至遭到邻居的投诉。有的国家甚至规定吸尘器不允许在夜间使用。

        中国吸尘器行业标准中规定手持式和立式吸尘器噪声限定值为 83dB(A)， 卧式吸尘器的噪声限定值为 81dB(A) ，而国家环境保护标准-环境标志产品技术要求中提出了更高的要求，规定家用吸尘器噪声声功率的上限值为76dB(A)。

        2013年欧盟第666/2013号指令中针对吸尘器噪声进 行明确的数值限定，从2017年9月1日起规定了声功率数值应小于或等于80dB(A)（但目前还未规定对湿式、干湿两用及电池供电等吸尘器产品）。

        公司鉴于以上的法规标准及市场调研的结果来看， 卧式机相对噪声较低在70～75dB(A)，而立式机和手持式产品相对高75～90dB(A)。在某款干湿两用并带电池的吸尘器产品项目开发时，为了提高产品的竞争力，把目标噪声设定在85dB(A)以下。

        通常无线充电吸尘器产品为了简约兼顾美学和力学考虑，需要设计小巧而轻便，以方便存放及使用。 由此本体空间所限，很难使用降噪隔声材料或者结构，只能使用低噪声低振动的风叶电机及优化风道、进出风格栅等方式。本文将介绍某干湿两用带电动刷头吸尘器的噪声频率分析及改进方法。

1 吸尘器主要噪声源及发生机理

1.1 按照发生源部件

（1）主吸力电机及风机

（2）地刷电机及滚刷

（3）水泵，在此案例中基本可以忽略

（4）壳体及喉管

1.2 按照噪声发生机理

（1）空气噪声(离散噪声和宽带噪声)

（2）机械噪声

（3） 电磁噪声

2 开发产品噪声实验采集

2.1 产品设计背景

        无线充电式干湿两用吸尘器，供电直流电压为20V, 设计功率为200W, 吸功20AW ， 电机理论负载转速为20100转每分钟，滚刷转速为1800转每分钟。

 图 1  吸尘器外形图

2.2 产品噪声数据

（1）测试方法

        测试采用IEC 60704-1声学家用电器及类似用途器具噪声测试通用方法及IEC60704-2-1真空吸尘器的特殊要求。

        测量方法选用采用直接法，通过测得的平均声压级和测量表面面积计算所得。利用半球面测量，半径R采用1.5米。

（2）声学环境

        半消声室，反射面上方的近似自由场，背景噪声大 约在22dB(A)左右，截止频率100Hz。

        环境温度在22～25度，湿度40～50%。

（3）声学测量设备

        B&K 3560C 多通道数据采集器 ， PULSE软件带 FFT&CPB实时分析功能

        B&K 4189型 传声器

        B&K 4231型 声校准器

        B&K 4204型 标准声源RSS

（4）测试产品的设置

        将吸尘器放置在标准测试威尔顿地毯上，地拖电动 滚刷头移动的纵轴向与地毯丝绒毛向x轴平行。

        吸尘器手柄的中间与地面的高度在80cm左右。地刷滚刷头完全与地毯接触。

        机身与地面之间的角度大约在45度左右。

图 2  被测吸尘器在消声室中的设置

（5）测试结果

        实际评估声功率值为87.2dB(A) ，超过设计目标值， 参看下图3。

图 3  声功率 1/3  倍频程

声实听声音差，参考标准ANSI S1. 13-2005计算，突出音14.3dB(A)。

图 4  突出音

3 噪声分析

3.1 主要发声源定位

        利用声功率10点的麦克风声压级值分布进行识别。

图 5  产品声功率麦克风10点位置

        在图5中主要噪声为点3 ，点4 ，点7 ，以此可以看出噪声处要来源于产品的右侧，而右侧为出风格栅，是吸力电机风机出风道。点8为略高左侧点5 ，初步判断是地拖电动滚刷引起的噪声。

3.2 噪声频谱分析

根据测试结果，列出10点声压值、峰值噪声及其发生频率，参看如下表一。

   表一 10 点声压值   单位：dB(A)

        从列表中看噪声峰值频率主要为2679Hz和726Hz， 接下来针对这两个频率找出具体发生部件。

附麦克风位置点3 、4和8的噪声FFT频谱图

图 6  麦克风位置点 3

图 7  麦克风位置点 4

图 8  麦克风位置点 8

3.3 噪声的频率计算

        通过声音发生频率计算确认发声源，是否与表一的频率相吻合，从而来判断具体哪个部件。

（1）吸力马达风叶旋转频率

        在旋转叶轮上的叶片通道出口处沿周向的气流压力与气流速度都有颇大的变化，当蜗舌与叶片出口边缘间的间隙较少时，旋转的叶片通道掠边蜗舌处，就会出现周期性的压力和速度脉动，此种脉冲所产生的噪声称为旋转噪声，其基本频率如下

f = i × Z × n / 60                             （1）

式中 Z … …  叶片数（8 片）

n … …  电机转速，r/min 

i … … .  谐波数

        由此可以得出电机风叶旋转基频为2680Hz，与频谱中的2679Hz 吻合，可以判断为电机风叶发出的。

        另外通过公式计算电机旋转基频为 20, 100/60=335Hz。

图 9  吸力叶轮 Ø82

注：这里不考虑电机散热叶轮，叶轮较小对整体噪声贡献几乎没有。

（2）吸力马达电磁噪声频率

        电磁噪声通常是电机内的电磁力引起的，电机运行时，由于磁路不均匀和非正弦磁势，定转子的气隙内存在着许多谐波磁场。磁拉力对定子的周期性作用使定子机器壳体产生振动，导致噪声。同时磁拉力的大小又随齿槽位置变化。

（3） 电机换向器与碳刷摩擦噪声频率

        该型号电机为有刷直流电机， 由于转子的转动，碳刷始终与换向器进行摩擦接触，换向器以片形式存在（5 片），因而产生周期性噪音，其频率通过公式（1）计算可以得出 20, 100×5/60= 1675Hz ，与图 8中麦克风位置点 8 中的 1677Hz 吻合，可以判断是换向器噪声。

        换向器表面加工状态不良如突片或者变形、粗糙、 电驱动平衡不好和电机振动等都将噪声换向器与碳刷之间无法保持稳定接触，从而加大了噪声的产生。

（4）地拖滚刷旋转频率

        地拖由滚刷电机驱动并通过皮带齿轮传动滚刷，滚刷毛打击地毯或者地面，这样可以将地面或地毯上的固体污物有效的卷起并通过软管吸入尘杯，从而达到拾取灰尘的目的。但在运行过程中会产生打击地毯或者地面的离散噪声和旋转噪声，常见的是由滚刷不平衡导致的。 其运行频率如下

f = i × n / 60                           （2）

式中 n … … … 电机转速，r/min

i … … ....  谐波数

通过计算可以得出其旋转基本频率为 1,800/60=30Hz。

图 10  滚刷组件

图 11  正时皮带传动比示意

        传动齿轮齿数为24 个，通过公式计算得出发生频率为 1800×24/60=720Hz ， 与频谱中的726Hz 相吻合。 由被动齿轮旋转摩擦产生。

        通常滚刷噪声在1kHz 以下，把位置点 8 麦克风频谱图频率范围调整为1kHz以内,如下图 12。

图 12  频率 1kHz 以内频谱  

通常皮带齿轮噪声由如下 3 种情况： 

·张力不合适（过紧或者过松）

·频率共振

·驱动失调（角度偏差和平行偏差）

图 13  角度偏差

图 14  平行偏差

3.4 吸力马达组件噪声评估

        根据旋转电机标准GB10069. 1进行测试，测得吸力马达组件噪声声功率为91.9dB(A),振动速度为14mm/s。

 3.5地拖噪声评估

（1）确定地拖噪声对整机噪声的贡献量

        首先测试整机噪声 L(Total )，再关闭地拖滚刷，再次测试一遍为主体噪声 L(A)。利用噪声减计算公式出单独地拖的理论噪声值 L(B)。

            （3）

从测试结果地拖噪声对声功率总值基本没有。 由此也可以得出主要噪声源来自主电机。

（2）进一步分析单独测试地拖噪声，以次来确定噪声的主要频率成分, 设置条件见下图 14。

图 15  单独地拖设置

        测得地拖单独声功率值为 69.4dB(A)。

        针对地拖噪声分步分析，参考表二中的声压值进行对比，确定是否有其他异常发生。

表二 位置点6 声压值数据   单位：dB (A)

注： 1. 原始地拖 2. 去除地拖上盖 3. 去除滚刷

         从上述测试结果看没有明显异常，主要为旋转激励频率导致。

        通过哈金森 Easy TEC 皮带张力测试设备进行皮带固有频率测试，测得皮带自有频率在 80～90Hz，无共振， 基本满足张力设计要求。

T = 4 × m × L2  × f2                                        （4）

式中 T.......皮带张力, N

m.......皮带重量，kg/m 

L.......皮带长度，m

f.......皮带固有频率，Hz

4 噪声改善方案与验证

4.1 改善方案

（1）吸力马达风叶动平衡水平

（2）调整滚刷动平衡

（3）皮带从动齿轮修改装配公差改善角度偏差

（4）出风口格栅调整（加大出风口面积和角度）

4.2 验证效果

        最终通过上述改进噪音下降到 85.9dB(A)，基本满足设计要求。

        频率突出音也到了控制，听起来不是那么刺耳和明显了。

        （1）通过吸力马达动平衡的控制，降低了其振动水平，旋转基频 335Hz 得到了一定的抑制，从而减少了噪声对外的传播。

        （2）滚刷噪声通过动平衡和齿轮的调整，降低了其 发声量。

        （3）调整出风格栅，风噪下降。

5 总结

        吸尘器噪声主要来源于吸力马达气动噪声，因此控制吸力马达的噪声更为关键，吸尘器马达风机噪声声功率级一般为 90dB(A) ，而到整机为 86dB(A) ，只下降了4dB(A) 。在兼顾空气性能、清洁效率的情况下，因此需要设计更静音的风叶，或者在空间允许的条件下设计隔声结构、增加吸声材料。

        滚刷振动引起的噪声是吸尘器另一个的主要噪声源， 由自身旋转噪声及敲击地毯或地面引起的离散噪声组成，因此控制其辊轴动平衡及优化关联结构显得尤为重要。

        另外优化风道、出风格栅设计和减少漏气量是减小风噪又一途径。

参考文献

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[3] American National Standard; Measurement of Sound Pressure Levels in Air[S]; ANSI S1.13-2005

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[5]  哈金森 Hutchinson Easy Technical manual[M];2008

[6]  旋转电机噪声测定方法及限值 第 1 部分：旋转电机噪声测定方法[S] ；GB/T 10069.1-2006

[7] Official Journal ofthe European Union. Commission Regulation (EU) No.666-2013[S]

[8]  郑国威 吸尘器噪声组成与噪声控制策略分析[C], 2014

[9]  中华人民共和国轻工行业标准，家用和类似用途真空吸尘器[S] ，QB/T1562-2014