【摘 要】利用噪音频谱分析、近场测量及可视化分析，找到吸尘器的噪声主要包括电机转动噪音、风扇旋转噪音及气体在流道中流动时产生的气动噪音。并提出了优化电机风扇、设计电机罩流道、在排气流道中使用不同形状吸音材料和电机振动隔离的四个改善方向。
【关键词】噪音;电机;风扇
现在吸尘器已成为家居的必需品，尤其现在年轻一族和双职工家庭，他们平时工作忙，没有太多的时间和精力进行家庭的卫生清洁工作，清洁工作很多时候选择在周末、下班后或晚上进行，借助于吸尘器他们能够更快捷的完成这一必须而又不太感兴趣的家务活，这在一定程度上缓解了人的劳动强度，给人们带来了极大的方便。但是大部分吸尘器在运行的时候噪音很大，在70分贝左右，且声品质不好，非常刺耳，这不但让人感到烦躁、不快，也会影响到人们的学习、休息，人与人之间的正常交流、看电视、接听电话等，因为根本听不清对方在说什么。科学研究也表明噪声对人体的危害是多方面的，一是损害身体健康，一个人暴露在噪声环境中，特别是强噪声环境中工作和生活时，能引起听力疲劳、暂时听域改变、听力损失下降，甚至耳聋，同时也可诱发多种多样的其它疾病。同时也对生活和工作的影响，噪声会分散人的注意力，降低工作效率和影响学习效果，也容易引起工作中的差错。
现在国内、国外都制定了相应的噪音测试标准和产品噪音等级，以前噪音限值只是推荐性指标，而现在不仅要强制执行，而且更加细分，如果不能满足标准，产品就不能上市销售。所以降低吸尘器噪音和改善其声品质就有其重要的意义，一是满足标准要求，能够把设计开发和生产的产品销售到市面上，让顾客使用;二是为了满足顾客要求，提高顾客使用的满意度;三就是为了提高产品竞争力和树立品牌形象。在产品开发前期进行噪音优化设计时，不但受约束少，投资少，而且效果明显。如果模具和产品定型后，因为受约束较多，许多部品不能改，再进行噪音改善不但困难，而且费用大，最主要的是效果不理想。那样生产出的产品顾客不满意，甚至不接受，也会影响到产品的销售和品牌形象。所以在产品设计初期或产品企划时进行噪音优化设计就显得尤为重要了，因为前期研究受约束少，节省研发成本，且效果明显。
1吸尘器噪音控制现状
目前吸尘器降噪的方法概括起来主要有两种。
一、噪音源控制，即控制电机和风扇本身噪音及其振动的向外传播
噪声由噪音源产生，经过中间传播环节，最后到达接收者，降低声源的噪声是噪声控制的最根本、最直接和最有效的措施，一般常用的方法是改进设计、采用先进工艺和提高加工及装配精度等措施，针对吸尘器产品主要的措施有：
（1）降低电磁噪音，产生电磁噪声的根本原因是由于电机齿和槽的磁导不等引起的。为了降低电磁噪音，目前电机的转子多采用半闭口槽，尽量减小槽口宽度，并采用偶数槽，使齿槽磁导不等的影响尽可能地缩小，同时提高电机的动平衡。还有的厂家通过提高电机效率来降低电机和风扇的转速，在保证吸尘器性能的同时达到降低噪音的目的。
（2）降低风扇噪音，主要通过优化电机风扇叶片的数目、形状、安装角、间距、前盘和导流器的形状，还有增大风扇与导流器的间距，设计不均匀分布的叶片等方法，以降低风扇的旋转噪音和涡流噪音。也有的提高风扇效率，在保证性能的同时降低风扇转速，以降低风扇的气动和由于旋转引起的机械噪音。例如韩国LG 的Wan-Ho Jeon，Ho Seon Rew，Chang-Joon Kim设计了不等间距叶片和导流器，这种方法改善了声品质，但整体噪音并未下降，他们还研究了锥形的叶片，降低了某一频率的噪音，但整体噪音也未得到明显的改善。还有就是在加工叶片时提高加工精度，尽量避免风扇风路内各处的锐凸缘和粗糙的边缘，特别注意要光滑，同时要保证风叶底板的平面度以及风扇的同心度，提高风扇的动平衡精度。
（3）电机和风扇的振动隔离。隔振是切断噪声在固体中传播的措施。振动波无论是横波、纵波还是压缩波，都很容易在固体中传送到结构的外表面而向外发射噪音。在相邻的固体构件之间加一阻尼分界面，就能很好的将振动阻断。吸尘器隔振的方法主要在电机和电机罩之间增加电机的柔性支撑，比如现在大部分吸尘器使用的电机密封橡胶圈和弹性支撑，就是为了减小电机振动的向外传递，以减小电机振动引起的振动和噪音。如东芝通过三个压缩弹簧支撑、固定电机，而电机罩的上下也使用弹性支撑与机体连接，从而减少了振动的传递，起到一定的减振降噪的效果。
二、噪声传播途径的控制
有时直接控制噪音源的方法不容易实现，比如技术难度大或者成本较高，这时就会退而求其次，就是控制噪音的传播途径。噪音传播途径的控制主要通过隔声、吸音和消声方法去实现。针对吸尘器主要的方法有：
（1）隔声是指用厚实的材料和结构隔断噪声的传播途径，使噪声不能自由的传播过去。常用的材料和结构有隔声罩、隔声墙和隔声屏等。吸尘器的隔声主要通过电机罩设计减小噪音的向外传递，如飞利浦、LG和日立的双层电机罩设计，同时在电机罩里增加一些隔音海绵，大华公司的吸尘器使用的降噪系统是单层隔音电机罩加上外罩内设独立的消声通道加消音棉。但是考虑到电机的散热，隔音海绵粘贴的一般较少。还有就是这种方法只对噪音的中高频率部分起较大作用，对于低频部分则没有明显的效果。还有的为了隔绝振动和噪音的向外传递，对吸尘器各个部件配合处进行密封，常用的密封材料有氯丁二烯（CR）、热塑性弹性（TPE），三元乙丙胶（EPDM），天然橡胶（NR），丁腈橡胶（NBR）等，也有的产品通过结构的设计和提高加工精度来提高密封性。产品的密封性提高后不但降低了噪音，还提高了吸尘器整机的集尘性能，如吸率，也能防止微尘的泄露，造成二次污染空气。
（2）吸音是指把吸音材料粘贴或安装在噪声源内，或在噪声源内安装吸音体，将噪声源内的噪声吸收掉一部分，从而达到降低噪声的目的。吸尘器的吸音主要通过在进排气口粘贴吸音材料，由于声波在吸引材料的空隙内传播时引起空气的来回运动，产生空气的粘滞阻力，使振动的动能不断的转化为热能，使声波衰減，噪音下降。还有的通过设计长或复杂的排气流路，使气流的沿程阻力与局部阻力增加，增加声能的损失已达到降低噪音的目的，不过进行长或复杂流道设计时阻力的增加会降低系统的效率，设计时要综合考虑，取一个平衡点。这样的产品有夏普、三星以及东芝等，他们都起到了降低噪音的效果。
（3）消声是指用消声器或者消声箱等装在气流通道上的结构，使沿通道传播的噪声降低（气流仍能自由通过），从而降低噪声。日本三菱公司为了降低由吸尘器传出的电机旋转噪音，根据赫尔姆霍次共鸣器原理，开发了可消除这一单频峰值的噪声过滤器。
如果想在某个具体的吸尘器产品上应用这些减振降噪的方法，还要具体的问题具体分析、解决，同时还要兼顾成本、结构和效果，并不能千篇一律的拿来就用。现在也没有什么模块化的技术，可以在每个产品上都能使用，他们都需要经过一定的研究设计才能真正的使用到产品上，所以这些减振、降噪的方法想要在具体产品上使用还要进行许多研究工作。
2吸尘器噪音源分析
在噪音源分析有两个主要的任务，第一是测定各发声部件的噪音水平，确定他们对总噪声水平的贡献度; 第二是测定和分析各发声部件的频率，确认发声的基本原因和影响因素。
噪声源识别的主要方法有三类：（1）传统识别方法：主观评价法、分部运转法、分别覆盖法、近场测量法、表面速度测量法、表面强度法、声强测量法;（2）基于信号处理的识别方法：频谱分析法、倒谱分析法、常相干函数法、偏相干函数法、MUSIC（Multi-Signal Classification）法;3）可视化识别方法：Fourier 方法、Helmholtz-Kirchhoff 积分方程法、等效源法。
首先我们利用频谱分析法对噪音源进行分析，然后近场测量后运用可视化分析方法对主要的噪音源进行分析确认。
2.1吸尘器噪音源频谱分析
噪声从频谱性质可分为有调噪声和无调噪声。有调噪声含有非常明显的基频及与之相伴的谐波，此类噪声大部分是由旋转机械产生的，如：电机、风扇噪声;无调噪声没有明显的基频和谐波，如吸入、排出空气噪声等。
比如吸尘器电机的转速为2800r/min，风扇叶片为9个，就可以计算它的转动噪音频率为466Hz，它的谐波频率为933Hz，1400Hz…… 计算风扇BPF噪音频率为4200Hz，它的谐波分别为8400Hz，12600Hz…… 因此我们会发现在466Hz，933Hz，4200Hz和8400Hz有异常音，理论上它们应该是由电机、风扇旋转产生的噪音。同时也可以看出500Hz以上的噪音值都比较大，这说明吸尘器噪音不但有电机、风扇旋转产生的转动噪音和旋转噪音，还有气流沿风路流动时产生的比较高的宽频气动噪声，同时由于电机和风扇的旋转，以及由于内部结构振动、不同接触表面处振动而引起的机械噪声也比较高。为了进一步的确认主要的噪音是否由电机本身及电机旋转引起，我们进行了噪音和振动的近场测量及可视化分析。
2.2吸尘器噪音近场测量和可视化分析
所谓近场测量是指传感器离声源的距离很小，靠近各个噪声源来测得噪声和频谱，由于传感器离某一噪声源近，因此所得噪声主要是来自这一被测噪声源，而其他噪声源对它的影响较小。可视化噪声源识别方法是通过测量一个二维面（称为全息面）上的声压，运用各种重构算法来重建声源表面的三维声场（包括声压、声强和质点速度），最后将声场以图形或动画的形式显示出来。与其他噪声源识别方法相比，可视化噪声源是定位噪声源的一种简单有效的方法，能够更直观的发现噪音源的位置，大小，能够为噪声的改善提供有效的方向。我们采用B&K公司的Pulse测量系统进行近场测量。在距离机体1cm（测量距离需远小于声波波长，并且为了保护传感器不受损坏）的位置设立虚拟平面。分别对吸尘器侧面、后面和上面进行7x10，7x7，7x9的网格取点测量，网格点与点的距离为5cm。由于吸尘器声场是一个稳定声场，为节约成本，采用扫描法，扫描法采用少量传声器，按照一定方向移动，分多次测量获取声压数据。根据噪声源的形状和我们的实验设备，我们选择直线扫描方法，用一个传感器进行测量。通过分析得出1250Hz，2000Hz和4200Hz的噪音主要集中于集尘桶和排气位置，这些主要是气流在旋风分离器和集尘桶内的气体高速流动产生的气转噪音和气体排出机体时的排气噪音。一般吸尘器的灰尘分离采用的是旋风分离技术，它通过气流的高速旋转，利用离心力的作用使灰尘与气体分离，在重力作用和气流的带动灰尘从落尘口落进集尘桶内。为了达到好的灰尘分离的效果，设计的旋转气流速度很快，能够达到250m/s，由于声压级和气体速度的六次方成正比，所以在旋风分离器里的高速流动的气体就产生了较高的气动噪音。排气位置是由于气流从这里直接排到大气中，气流速度较高，一般在10m/s左右，所以排气噪音也很大。从上面的分析可知，吸尘器的噪音主要由电机、风扇的转动引起的转动噪音、风扇BPF噪音、气流经过流路时产生的气动噪音。
2.3吸尘器振动近场测量和可视化分析
电机不稳定旋转是吸尘器的一个主要振动源，产生的机械噪音也是吸尘器一个主要的噪声源。我们采用B&K公司的Pulse测试系统进行振动测试，主要的测试工具是加速度计，加速度计是一个机电换能器，其输出端所产生的电压与他所承受的加速度成比例，在测试时确保加速度计粘贴在吸尘器外壳表面，为了确保粘贴的牢固性，同时为了减少粘结剂的阻尼作用，我们采用了502速干胶水作为粘结剂。在吸尘器的上方布置15个测量点，间隔为10cm左右（因为吸尘器表面为不规则曲面），记录每个测量点的加速度，然后对测量结果进行可视化分析，可以看到振动最大的位置主要集中在电机上方，通过触摸也可以感觉到，电机上方的振动最强烈，由此可以得出电机是主要的振动源，它也是引起电机转动噪音的一个因素。
3吸尘器噪音和振动改善方向
由前面的分析可知吸尘器噪声主要是气动噪声和电机转动、振动引起的机械噪声，主要包括电机风扇的旋转噪音，气体在流道中流动和排气时产生的气动噪音，以及电机的转动噪音。由于本文不进行电机本体的降噪优化设计，针对上面所述的三种噪音我们提出了以下的改善方向：
（1）对于电机风扇的旋转噪音，我们从电机风扇直径、叶片数目、叶片形状以及导流器的优化设计入手进行改善。
（2）针对气体在流道中流动时产生的气动噪音，由于外壳和底板的结构比较复杂和紧凑，如果从外壳和底板的结构优化入手，会牵涉到部品之间的安装、强度等机械性能，同时可优化的空间也不大，本文主要从电机罩的流道设计以及在排气流道中粘贴不同形状的吸音材料进行降噪。在进行流道优化和吸音材料的应用的同时也要考虑其对吸尘器的性能影响，在检测噪音的同時也要进行系统阻力和吸气功率损失的确认。
（3）针对由于电机转动和振动引起的转动噪音和振动，由于本论文不对电机本体进行研究，所以从电机振动隔离的角度进行改善，主要是优化对电机起密封和支撑作用的电机密封圈和弹性支撑两个部品，通过减少电机振动的向外传递来降低整机的振动和因此引起的噪音。
结语
通过频谱分析和近场测量及可视化分析，结合吸尘器噪音产生的机理，找到吸尘器的主要噪声是气动噪声和电机转动、振动引起的机械噪声，主要包括电机风扇的旋转噪音，也就是BPF噪音;气体在流道中流动和排气时产生的气动噪音，它属于宽频噪音;以及电机的转动噪音，是由电机转动和振动引起的。为了改善这些噪音和振动，提出了从电机风扇设计、电机罩的流道优化、应用不同形状的吸音材料和电机振动的隔离等几个方面进行研究。
参考文献：
[1]王允荣，黄小中.浅谈电机隔振对吸尘器噪音的贡献，中国科技信息，2009（21）：129～130
[2]杜虹，李力，罗建敏.消音器降噪与发动机噪声的分析与研究，机械设计与制造，2009（8）：94～95
[3]黄其柏.工程噪音控制学，武汉：华中科技大学出版社，2002，111～113
[4]徐林林，陈振中，刘涛.吸尘器振动与噪声试验分析，沈阳航空工业学院学报 2006，23（5）：37～39
[5]朱之墀.风机气动力噪声与气动力设计问题，应用声学，1986，5（3）：7～13
[6]马大猷.噪音与振动控制工程手册，北京：机械工业出版社，2002，76～90
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