智能空气净化器噪声源辨识与控制研究

刘海强，赵 坚，洪学武，王 达，高志鹏，范贤安，贺艺龙

（天津城建大学 控制与机械工程学院，天津 300384）

家用空气净化器[1]是由引流风机、蜂窝式活性炭滤层、栅栏式静电驻极层、灰尘收纳清洗槽、导风板、机壳组成.空气净化器运行过程中，尤其放在卧室内时，其噪声大大降低了用户的睡眠质量.噪声是否超标一直是衡量净化器质量的关键指标之一，它直接影响用户对此类小家电的满意度，也影响净化器的市场占有率[2-3].本文针对一款新型智能家用空气净化器噪声超标问题展开研究.通过对空气净化器整体结构进行噪声测试实验与数据分析，并对现有结构进行有限元[4]分析计算，从而辨识主要噪声源，采取相应的噪声控制措施，使空气净化器整体噪声达到国家标准.

1 理论基础

空气净化器噪声评价是以最接近于人耳对噪声频率感受的声学A计权[5]为标准.声压级值加在一起后所得数值的单位为分贝（dB）.由于圆柱面声波的强度与声源距离的平方成反比，故声压级距离变化计算为

式中：LP1为半径为r1时，圆柱面声波的声压级值；LP2为半径为r2时，圆柱面声波的声压级值.

空气净化器噪声成分识别以及寻找确定噪声源，通常采用频谱分析的方法.频谱分析最常用的是快速傅里叶变换（以下称为FFT），其正变换为[6]

2 净化器噪声测试实验

针对新款智能空气净化器构建了整机噪声测试实验系统，分别在不同工作档位对各个关键运动零部件进行声压测试，选取噪声最大处的噪声信号进行频谱分析，并针对噪声最大处的结构进行有限元分析，以确定噪声源.利用有限元分析软件对结构进行仿真分析，计算出结构的共振频率，结构共振频率与绘制频谱曲线的识别结果一致，从而从理论上确定噪声源.由智能空气净化器、网络分布式采集分析仪、多个INV9206声压传感器、计算机（内置软件）构建净化器噪声测试实验系统，如图1所示.

图1 噪声测试系统框图

测点的布置采用包络测量表面原理[7].在以空气净化器中心轴为母线，以D=（d0+20）cm为直径的假想圆柱面上布置测点，测点从下到上依次布置在进风口、灰尘收纳清洗槽、栅栏式静电驻极层、蜂窝式活性炭滤层、引流风机、导风板各处，测点分布见图2.采用由网络分布式采集分析仪、INV9206声压传感器组成噪声测量单通道来采集噪声数据.

图2 空气净化器测点分布

实验前，用声校准器HS6020对连接了声压传感器的噪声测量通道进行标定.由于空气净化器噪声主要为20～2 000 Hz范围内的噪声，采样频率设置为5 120 Hz.实验在背景噪声为51.2 dB的室内环境下进行，背景噪声忽略不计.工作状态依次设置在低速档、中速档和高速档，分别对进风口、灰尘收纳清洗槽、栅栏式静电驻极层、蜂窝式活性炭滤层、引流风机、导风板各处进行噪声声压级测量，并对噪声最大位置处的声压信号进行频谱分析.

3 净化器噪声源辨识

空气净化器噪声测试数据采集后，不同速度下引流风机处的噪声见表1.对比各测点数据发现：无论在低中高速下，总是引流风机处的噪声最大.于是对引流风机测点处的噪声信号进行频谱分析，频谱图见图3.

表1 不同速度下各测点的噪声 dB

图3 引流风机的频谱图

从图3可看出：在低速运行下，峰值出现在200，400，1 000 Hz的频率处，其中仅在200 Hz处，声压有效值超过了0.1Pa，超过0.05Pa的频率仅有200，400Hz两处；在中速运行下，峰值出现在 200，750，950，1 000，1 050 Hz处，其中仅在200 Hz处，声压有效值达到了0.1 Pa，但是超过0.05 Pa的频率达到了10处；在高速运行下，峰值出现在200，750，950，1 000 Hz处，其中声压有效值超过0.15 Pa的有200，750，950，1 000 Hz四处，基本上所有的峰都超过了0.05 Pa.通过上述分析，可以找到噪声较大的频率值为200，750，950，1 000 Hz四处.由于人耳敏感的频率范围在20～2 000 Hz，所以实验分析截止到2 000 Hz.考虑到引流风机处噪声最大，本文对引流风机壳体结构的模态进行有限元仿真计算.壳体材料为ABS塑料，采用solid186单元[8]；弹性模量为2.32 GPa，泊松比为0.394，密度为103kg/m3；采用智能网格划分[9]；约束条件为壳体筋板上的8个螺纹孔进行全约束.引流风机壳体固有频率见表2，引流风机壳体部分振型图见图4.

表2 引流风机9阶固有频率

图4 引流风机振型图

由表2可知，引流风机分别在固有频率为204.89，747.53，960.08，1 021.36 Hz处振幅较大，尤其是在204.89，747.53 Hz下，引流风机出现严重的轴向弯曲振动.结合引流风机测点处的噪声频谱图（见图3），识别出主要噪声源是引流风机.由于引流风机在工作状态下发生共振，从而辐射噪声.

4 噪声控制措施

本实验噪声控制措施采取在噪声源处附加阻尼材料的方法.阻尼材料可减小系统的振动幅度，进而减小因机械振动产生的声辐射，降低机械性噪声.结合图4可以发现壳体中间部分的弯曲变形较严重，但风机前、后端也出现了弯曲变形，故选取橡皮泥粘贴位置为：风机的前端、中间、后端.其中有两种规格的吸振橡皮泥：1#，每块厚度3 mm，长方形20 mm×10 mm，重10 g；2#，每块厚度6 mm，长方形 20 mm ×10 mm，重20 g.吸振橡皮泥布置见图5.空气净化器在高速档位运行，对引流风机处进行噪声数据采样及分析，不加橡皮泥1/3倍频程谱图见图6，加2#（风机中间位置）1/3倍频程谱图见图7.测得A声压级见表3.

图5 吸振橡皮泥布置

图6 不加橡皮泥1/3倍频程谱图

图7 加2#（风机中间位置）1/3倍频程谱图

表3 引流风机处声压级 dB

由图6-7和表3表明：实验中橡皮泥的质量、厚度以及位置均对噪声辐射值产生影响；其中在风机中间位置黏贴2#橡皮泥降噪效果最明显，这恰与引流风机壳体有限元分析的结果一致.在壳体变形大的位置，附加质量仅为240 g的橡皮泥就使声压级降低超过20 dB，空气净化器在高速档位的噪声已经达到1.5 m处声压级≤61 dB的国家标准[10].在噪声源处，黏贴或者安装吸振材料能够使空气净化器整体噪声降低.在特殊部位直接附加吸振材料能减少噪声的辐射；另外附加一定质量的阻尼材料，可以改变引流风机固有频率，避开共振区，增大其阻尼比，这对于空气净化器整体的降噪效果是非常显著的.

5 结论

（1）空气净化器的噪声源主要是引流风机，尤其是高速档位振动幅度大，辐射噪声超标.

（2）采用关键部件的关键部位铺贴吸振材料，能有效地使空气净化器整体噪声降低.

（3）通过噪声测试实验与有限元结构分析相结合的方法，可以辨识出噪声源，说明本文采用的方法具有一定的普适性.