吸油烟机噪声问题分析及控制方法

胡小帝

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

吸油烟机噪声问题分析及控制方法

胡小帝

（珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070）

本文主要阐述吸油烟机的主要噪声组成与产生机理，并介绍基于离心风机系统及电机的结构及匹配上的噪声优化方法，以及主要的消极降噪方法。

吸油烟机；离心风机；电机；降噪

1 引言

人们在选购吸油烟机时，主要考虑两个性能指标：大吸力与低噪声。根据声学理论，吸油烟机的噪声水平与吸力的关系为：

式中，LW为吸油烟机的声功率级，dB；LsW为吸油烟机风机系统的比声功率，是风机系统的固有特性；Qv为吸油烟机的风量，m3/h；PtF为吸油烟机的全压，Pa。由式1可见，吸油烟机吸力的提高和噪声的降低是相矛盾的。所以在设计和制造时必须采用适当措施，以保证吸油烟机的最佳性能。为了控制吸油烟机的噪声水平，本文将从吸油烟机噪声组成与产生机理入手，分析控制噪声水平的方法。

2 吸油烟机的噪声组成以及产生机理

吸油烟机在稳定运转时产生的噪声构成比较复杂，主要有3类：空气动力性噪声、电机的电磁噪声、以及机械噪声。其中空气动力性气动噪声、电机电磁噪声影响最大，成因最复杂，而机械噪声基本可忽略不计，因此在本文中将不对机械噪声进行阐述。

2.1 空气动力性噪声分析

空气动力性噪声主要是风机系统中的高速气流、不稳定气流以及由于气流与物体相互作用产生的，主要由旋转噪声和涡流噪声所组成。

2.1.1 旋转噪声

旋转噪声，又称离散噪声。其产生的机理有两种：一是由于旋转的风叶周期性打击空气质点，或运动的气体与气体发生周期性干扰，引起气流压力脉动而产生旋转噪声；二是风叶出口气流与蜗舌之间发生周期性冲击作用而产生冲击噪声。大量实验表明，冲击噪声要远大于旋转噪声。

一般认为影响吸油烟机旋转噪声的因素主要有以下几种：（1）离心风叶的转速与叶片数；（2）出风口蜗舌的形状；（3）离心风叶是否处于最佳工况点；（4）蜗壳内壁的不光滑度及蜗

壳整体的不对称性；（5）进风口前安装的金属滤油网。

图1 多叶强前弯离心风叶

图2 蜗壳设计尺寸

图3 轴向间隙设计

由于离心风叶的周期性运转，产生压力脉动及干涉作用将随时间而周期性变化，旋转噪声也通过风叶以频率的基频及其谐波形式向外辐射，且具有离散性，其频率为：

式2中，Z为离心风叶的叶片数；n为离心风叶的转速，r/min；i为谐波序号，i=1,2,3…。很显然，旋转噪声i=1时的基频噪声最高，高次谐波依次递减。

2.1.2 涡流噪声

涡流噪声又称宽频噪声，它的产生机理为：气流流经离心风机叶片及蜗壳表面时产生湍流层，该湍流层会从这些表面脱落，引起叶片上非定常压力随机脉动而辐射出噪声。

离心风机涡流噪声来自这几方面：（1）从进风口进入的具有一定紊流度的气流；（2）气流流经叶片表面及蜗壳表面时，形成的脉动湍流附面层；（3）气流流经叶片前后盘的内外表面及蜗壳表面时，产生的涡流脱离；（4）叶片、蜗壳漏气也会产生涡流噪声。

涡流噪声从时域变换到频谱上看，其曲线具有随机连续的特点，同时它主要是由于旋涡剥落引起的，所以物体绕流旋涡剥落具有确定频率，其频率计算式为：

式中：Sr为斯特罗哈数，一般取0.185；ω为气体与固体表面的相对速度，m/s；L为固体在垂直于ω方向的面积，m；i为谐波序号，i=1，2，3…。

由式（3）可知，涡旋噪声的频率取决于叶片与气体的相对速度，而旋转叶片的圆周速度则随着与圆心的距离而连续变化。叶片旋转所产生的涡旋噪声就具有连续的噪声频谱。一般涡流噪声频率在0～1000Hz范围内。其强度大小由叶片及蜗壳内气流状态决定。气流越顺畅，紊度越小，湍流附面脱落作用越小，涡流噪声也就越小。

2.2 电机噪声分析

通常吸油烟机采用直流无刷电机或单相交流异步电机作为动力输出。而由电机产生的噪声

种类繁多，成因也很复杂。一般的，如果吸油烟机处于正常工作状态时，由电机产生的噪声主要为电磁噪声。

2.2.1 无刷直流电机的噪声分析

因直流无刷电机有节能及转速可调范围广的优点，现在不少厂商的吸油烟机采用直流无刷电机。但这种类型的电机非常容易因转矩脉动而产生电磁噪声，这种噪声主要有两种：一是齿槽转矩带来的噪声，另一种是换相过程中换相电流波动带来的换向噪声。通常，电机空载时的主要噪声来源于齿槽转矩，而负载运行时，主要噪声则是换相噪声。

（1）齿槽转矩带来的噪声

齿槽转矩是永磁电机的特有现象，主要指绕组开路时，磁能相对于转子位置产生的变化率，它总是试图将转子定位在某一位置，从而产生转矩的波动。从电机结构上看，其实就是定子开槽引起的磁阻不均匀导致不均匀的磁拉力而产生转矩波动。该噪声在吸油烟机启动与关闭时特别明显，值得关注。电机的齿槽转矩波动频率为：

式中：p为极对数；Z为定子齿数；C为2p与Z的最大公约数；n为电机转速r/min。

（2）换相噪声

换相噪声是方波型无刷直流电机特有的问题。定子磁场和转子磁场相互作用产生电磁力矩，若想力矩保持恒定，则需在理想反电动势波形的梯形平顶部分供给方形驱动电流。而由于电机中电枢绕组相电感的存在，换相电流的上升和下降都需要一定的时间，使得相电流波形并不是理想的方波，从而产生电机换相时的转矩波动。转矩波动会引起电机的振动和噪声。该转矩波动的频率（换相频率）为：

式中：k为电机定子中每对磁极在一个周期内所对应的工作状态数；p为电机极对数；n为电机转速r/min；i为谐波序号，i=1，2，3…。由于大部分吸油烟机电机采用三相六拍控制，电机有工作六种状态，所以公式也可简化为：

2.2.2 单相异步交流电机的噪声分析

单相异步交流电机没有永磁铁，也不存在励磁绕组，因此结构简单，运行稳定，价格便宜，是目前市面上大部分吸油烟机所采用的电机。这种电机的电磁噪声产生机理是：周期变化的气隙磁场产生一个旋转力波，它的径向力波对定、转子产生磁拉力，使定子、转子发生径向变形和周期振动，因此产生电磁噪声。气隙磁场中除了电源基波分量外，还有高次谐波分量，该高次谐波会使定转子产生不同阶次的谐波变形。一般该谐波变形量较小，但如果变形频率与定转子的某个固有频率接近或相等，也会产生较大的共振噪声。该电磁噪声的频率主要取决于转子槽数，计算公式如下：

式中：Q2为转子槽数；n为转子转速，r/min。

3 吸油烟机噪声的控制方法

通常的噪声控制一般通过两种方法进行：一种是积极降噪法，即对噪声源的结构进行优化，降低噪声源的辐射能量；另一种是消极降噪法，即采取隔振、减振、消声、吸声等措施使辐射到外界的噪声降低。

3.1 空气动力噪声的控制方法

由空气动力噪声的产生机理可知，合理的气动设计是获得低气动噪声最根本的方法，风机系统结构参数的合理选择和匹配不但可获得高的效率，而且相应的噪声水平也低。风机系统可优化的零件包含：离心风轮、蜗壳与集流器。

3.1.1 离心风轮合理选型

吸油烟机用风轮一般为多叶强前弯离心风轮（图1），这种风轮的压力系数高，噪声小，流量系数大，适合吸油烟机使用的场合。该离心风机的性能参数主要有流量Qv、全压PtF、声功率W、效率η、圆周速度u2。这些参数与风轮的转速的n、直径D2密切相关，关系式为：

式中：为风机系统的效率；KtF为与全压相关结构的系数；Kw为与风机系统声功率相关的结构系数。

由7、8、9、10式可知，风机系统的声功率与转速的5～6次方成正比，全压与转速的平方成正比，风量与转速成正比。这意味随着速度的降低，旋转噪声的声功率将急剧降低，全压也将较快降低，而风量则正常比例降低。因此在保证风量、风压情况下，应尽量降低转速，从而降低噪声。另外，增加离心风轮的气动载荷，可使风轮在同等风量和风压噪声水平大幅降低。增加风轮的气动载荷的常用方式为增加风轮的最大直径、风叶叶长、风叶数目或采用双面进风结构。但也不可把转速降低过多，以免风轮尺寸过大。影响风轮的重要参数还有出口角、入口角、风轮内外直径比等。大量实验数据表明，风轮的转速在650～850r/min，风轮直径在280mm以下，叶片数在60～90片之间，风轮的内外直径比在0.8～0.95之间，入口角在60°～90°之间，出口角在150°～170°之间是一个较为合理参数范围。

有理论研究显示，如果在风叶上设置均布的锯齿状结构，则可使叶片上气流层附面层较早地转化为紊流，避免层流附面层不稳定导致涡流分离；另外，叶片上设置的锯齿形结构，使气流对蜗舌的整齐一致的“拍打”缓冲为分散的“拍打”，因此可降低旋转噪声。这种方法在空调上也常见。典型案例可参考方太的蝶翼云魔方吸油烟机。

另外，在离心风机的制造过程中，控制其动平衡、径向与轴向全跳动等制造参数也非常重要。往往这些参数的不合格会造成力矩不平衡而产生异常噪声。

3.1.2 蜗壳的合理选型。

蜗壳的作用主要是平顺的引导气流流出蜗口。一般选择近似阿基米德螺旋线作为蜗壳的内壁型线。其主要结构参数为蜗壳宽度B、张开度A、出口长度C、蜗舌间隙t、蜗舌半径r、扩压角θ。（图2）

由旋转噪声的产生机理可知，蜗舌与气流发生的冲击作用是旋转噪声的主要成因，减小蜗舌

的迎风面积可极大地减小旋转噪声。由此可见蜗壳结构参数中的蜗舌间隙t、与蜗舌半径r对噪声影响最大。在保证风压的前提下，一般的蜗舌间隙越大，蜗舌半径越大，则旋转噪声越小。由实验表明，蜗舌间隙t取0.05D2～0.1D2，蜗舌半径r取0.03D2～0.06D2比较合理。

另外，为了减小迎风面积，蜗舌做成倾斜式也对降低噪声水平极其有效。因同相位的脉动气动力的作用面积小了，辐射的噪声也因此减小了。通常，蜗舌的倾斜角α可按tanα=（t-2r）/B去计算。蜗舌倾斜的方向应是向蜗壳后板侧升高，若方向弄反，效率会有一定降低。该方法对前弯式离心风机的降噪效果明显，且不会增加风机尺寸，不影响风机效率，而且几乎对所有工况都有效。

在制造过程中，控制蜗壳型线的准确性与内壁的顺滑，以及蜗壳焊接后是否有明显漏气现象也非常重要。这些不良也会导致噪声异常。

3.1.3 集流器的合理选型

集流器安装于蜗壳入口处，用于引导气流平滑地轴向进入叶轮。为了减小涡区和进气损失，吸油烟机一般采用圆弧型集流器，且与风轮成轴向间隙形式，间隙δ一般选5～10mm。需要特别注意的是，集流器与蜗壳入口处需贴合紧密，否则会导致气流泄漏而产生明显的涡流噪声。（图3）

3.2 电机电磁噪声的控制方法

关于电机的电磁噪声改善，业内研究较深，方法比较多，文献资料介绍也比较全面，因此本文中只简单列举改善方法，不作深入探讨。

3.2.1 无刷直流电机噪声控制

（1）齿槽转矩噪声的控制

齿槽转矩产生的主要原因为定子磁极开槽导致不均匀的磁拉力，改善齿槽转矩带来的噪声主要原则是尽量使磁拉力均匀。主要改善方法为：极槽配合法、磁极优化法、斜极法、斜槽法、闭口槽法、定子齿冠开槽法、改善电流波形法、无齿槽绕组法、变化的气隙法等方法。

（2）换相噪声

换相噪声产生的主要原因是为非理想梯形的换相电流而导致转矩波动，其改善原则为尽量减少换相电流波形变形。主要改善方法为：重叠换相法、滞环电流法、PWM斩波法、电流预测控制法等。

3.2.2 单相交流电机的噪声控制

单相交流电机产生的电磁噪声来源于定转子径向变形和周期振动，改善这种电磁噪声的主要方法有：适当降低气隙磁密减少径向磁拉力；采用短距绕组消弱谐波电势；增加定子槽数以减少谐波分布系数；选择合适的槽配合；利用磁性槽楔；转子斜槽处理；采用闭口齿槽减少高次谐波；减小高次谐波电流的影响；适当增加电机壳厚度或刚度使固频提高。

3.3 避免共振噪声方法

吸油烟机在风机系统里匹配好电机后，经常在某些档位或转速发生很明显的“嗡嗡”或“噗噗”的噪声。这是因空气动力噪声频率或电磁噪声频率与风机系统整体固有频率的基频或倍频一致，这时会产生共振而把噪声放大。

处理这种噪声可通过模态分析与频谱分析，查找出具体的共振区后，采用如下三种方法进行控制：其一，改变转速而避开共振区。把转速改变后相应的噪声频率必然变更，只要改后的频率不在系统固有频率的基频或倍频附近，共振噪声就可消除。其二，改变系统固有频率法。可以通过增加系统的整体刚度，比如增加蜗壳的材料厚度或在蜗壳前后板进行压型，用以提高系统的整体固有频率。其三，采用高粘性阻尼粘贴在蜗壳上，用于消耗噪声能量而降低噪声水平，但这种方法不能从根源上解决共振问题。

3.4 传播路径上降噪法

上述介绍的方法均是对声源结构进行处理，使声源的噪声功率尽量降低。但不管如何优化处理，只要风机系统在运转，仍然是会产生噪声的。若要降低这部分噪声，则需要在噪声传播路径上进行降噪的方法，这种方法包含：隔振、减振、吸声、消声等方法。具体做法是通过在风机系统和电机之间，风机系统与整机之间设置一些高阻尼的橡胶垫、尽量减少与振动源的接触面积、采用高吸声率的海绵或泡沫类进行隔振、减振和吸声。而消声方法，因吸油烟机的结构空间及成本限制一般较少用到。通过查询相关专利，有些厂商会通过在在蜗舌处设置声学消声器，或在整机上设置有源消声器，从而达到消耗噪声能量、降低噪声的目的。

4 总结

吸油烟机的噪声控制是一项系统的课题。它应从风机系统与电机的设计、制造与系统匹配入手，优化、完善风机系统及电机的结构，尽量从噪声源头上减少噪声的产生，并通过隔振、减振、吸声、消声等消极降噪手段，确保最大限度地减轻吸油烟机向外辐射噪声，提高产品的用户体验及市场竞争力。

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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