免安装反渗透净水器噪声分析及优化

敖卫 龚璇 陈天 廖文斐

摘  要：免安装反渗透净水器是一类备受市场关注的净水器，得到了很多消费者的喜爱，在实际使用中不需要繁琐的安装步骤，可随意移动摆放位置，但免安装反渗透净水器在运行过程中存在一定程度的噪音。为了消除免安装反渗透净水器的制水噪声的困扰，文章初步分析了免安装反渗透净水器噪声产生的原因，并介绍电机调速、结构及控制软件优化方式降低净水器的噪音，起到良好的降噪效果，为净水器降噪痛点提供了参考方案。

关键词：免安装;反渗透净水器;噪声分析;增压泵

中图分类号：TM925.5      文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）18-0051-04

Abstract： The installation-free reverse osmosis water purifier is a kind of water purifier that has attracted much attention in the market， which has been loved by many consumers. It does not need tedious installation steps in practical use， and it can be moved and placed at will. However， there is a certain degree of noise during the operation of the installation-free reverse osmosis water purifier. In order to eliminate the trouble of water noise caused by installation-free reverse osmosis water purifier， this paper preliminarily analyzes the causes of noise produced by installation-free reverse osmosis water purifier， and introduces the speed regulation， structure and control software optimization of motor to reduce the noise of water purifier. This has a good effect of noise reduction， and provides a reference scheme for reducing the noise pain point of the water purifier.

Keywords： installation free; reverse osmosis water purifier; noise analysis; booster pump

1 概述

近年来，随着人们对饮用水安全的日益关注，净水器作为一种新兴的电器产品，因其优良的过滤和净化效果，受到广大消费者的青睐[1]。目前，免安装反渗透净水器因为它自身的优势已经成为受市场欢迎的一种机型。它的优势不仅仅在于能够免去安装线路、连接水管的麻烦，还在于小巧便捷，可随时移动，随处可放，同时还具有出热水无需等待，即需即饮，废水循环利用等优点。因此，免安装反渗透净水器往往放在离消费者很近的场所，如卧室、书房、办公室等，这使得噪音成为免安装反渗透净水器的饮水体验的一个重要指标。

作为反渗透净水器的核心零部件，增压泵具有自吸和增压功能，为净水器通过反渗透膜净化水这一过程提供恰当的水压和水流量，最终使净水器实现过滤出纯净水的目的[2]。然而，免安装反渗透净水器的进水压力极小，需要采用具有自吸功能的增压泵，导致增压泵电机在高速运转的过程中不可避免地产生比普通增压泵更大的噪音，因此免安装反渗透净水器降噪成为一个亟待解决的问题。

本论文主要针对免安装反渗透净水器中增压泵带来的噪音问题，通过不同的改善方法，降低免安装反渗透净水器的噪音，为消费者提供舒适的饮水環境。

2 测试条件与方法

2.1 测试条件

所使用免安装反渗透净水器的制水系统工艺是由原水杯、自吸增压泵、复合滤芯、反渗透滤芯等构成，如图1所示。免安装反渗透净水器不直接连接自来水管，需要将市政自来水盛入原水杯中，故采用自吸功能的增压泵搭配反渗透滤芯。噪声测试在标准消音室（室温25℃/湿度40%）中完成，泵噪音测试选择自吸增压泵的工作流量≥550mL/min，泵出水端连接针阀，调节泵进水端压力为0MPa，使泵工作输出压力为0.5MPa。同时，整机噪音测试是将增压泵连接到反渗透净水器内制水系统中，设定进水端压力为0MPa，使泵工作输出压力为0.5MPa。

2.2 测试方法

本实验中噪音测试采用《GB/T 4214.1-2017声学和家用电器及类似用途器具噪声测试方法 第1部分：通用要求》的方法。选定声功率级作为噪声大小的评价量，测量表面为带有十个测点的半球面，半球面的半径为1.5m，测点摆放位置如图2所示。测量仪器采用HS5660B-X型多通道噪声震动测量分析系统，将测量仪器中的传声器按照如图1所示位置固定于标准消音室中。单泵噪音测试将增压泵放在消音室中如图2所示的半球球心位置;整机噪音测试时，将整机置于半球球心处放置的平台上。该系统收集样件产生的噪声，显示每个采样点的声功率级，并依据GB/T3767-1996和GB6882-1986标准相关内容进行声功率级的计算。

3 噪声分析及改善方案

3.1 噪声分析

为了分析噪声产生原因，选择同一批次5台增压泵，输入电压为DC24V，工作时电流为0.72A，流量≥550mL/min，电机转速为1800rpm，测试单泵及安装到整机后的噪音，测试单泵噪音在进水压力为0MPa，增压泵工作输出压力为0.5MPa的条件下所产生单泵噪音的数据见表1。由表1可以看出，增压泵本身噪音较大，按照QB/T4144-2010标准相关规定净水器在正常工作时，不应产生异常的噪音，噪声声功率级应不大于50dB（A），本实验中所用增压泵已接近标准要求的上限，故需从增压泵本身进行降噪。

单泵噪音测试完成后，分别将5台增压泵安装到净水器的制水系统工艺内，增压泵的金属支座与整机钣金件通过减震垫与螺丝固定连接，将其直接竖直固定在整机内，在供水压力为0MPa，增压泵工作输出压力为0.5MPa的条件下整机所产生噪音的数据见表1。由表1可以看出，1～5号增压泵安装到整机内所产生整体噪音分别增大了8.109dB（A）、8.078dB（A）、8.048dB（A）、7.821dB（A）、7.720dB（A），表明安装增压泵后整机噪音比单泵噪音增大约8dB（A）。由上述分析，净水器内增压泵噪音是主要噪音源，鉴于增压泵的现有安装结构，可以判断增压泵噪音可分为两部分[3]：（1）增压泵自身产生的噪音透过结构件传播;（2）增压泵与整机共振通过结构件向外传递振动噪音。所以，一方面需对增压泵进行优化，以控制噪声源;另一方面，增压泵安装到整机后，引起连接管路与固定钣金件振动，并以强迫振动形式通过支架向外传递，当增压泵的振动传递到净水器外壳上，引起其强烈受迫振动而导致噪音增大，因此，同时需从结构上对增压泵安装方式进行优化。

3.2 改善方案

噪声控制主要是从增压泵自身产生噪音控制和增压泵与整机的共振产生噪音扩散控制，两种控制实施是净水器噪声控制中最根本最有效的手段，下面就相应的控制降噪方式进行展开讨论[4]。

3.2.1 电机转速优化

本文中所用增压泵工作时，通过电机转子的转动，带动泵体中偏心轮的摆动，将电机的旋转运动转化为偏心轮的往复运动，致使隔膜腔体容积在不断变化，从而实现增压排水的效果。由于增压泵中直流电机驱动作为动力驱动装置，产生的噪音主要是电磁噪音及机械噪音，电磁噪音由有气隙谐波磁场引起，定转子齿谐波磁通相互作用而产生的径向交变磁拉力，会引起定子铁芯轭部产生周期性的动态径向变形，激发定子产生电磁噪声。因此可通过降低增压泵电机转速以降低基波磁场和谐波磁场的相互作用，达到减小电磁噪音的目的，降低转速同时可降低电机因转子机械不平衡引起离心力产生的机械振动以降低旋转振动噪音，即降低机械噪音。保持工作电压和工作流量不变的条件下，将增压泵电机转速调整为1500rpm，较原增压泵转速降低了300rpm，测试单泵噪音及整机噪音在供水压为0MPa，增压泵输出压力为0.5MPa的条件下进行测试所得数据见表2。

由表2与表1中数据对比可以看出，降低增压泵电机转速可将单泵噪音降低约3dB（A），说明电机转速调整对增压泵噪音有一定改善。整机噪音降低约4.5dB（A）。单泵噪音的降低，使得接入整机后引起的共振减小，进一步大幅度改善整机噪音。此时通过增压泵工作电流为0.56A，较改善前，增压泵功率降低约4W。此種降噪方法可保证增压泵的供水流量，达到优化增压泵从而降低了噪音，对增压泵自身产生噪音进行了控制。调整电机转速后，整机噪音约为52dB（A），故仍需在结构上进行进一步改善。

3.2.2 结构优化

在实际应用中，利用各种减振措施降低噪音较为普遍，硅胶作为一种减振材料，能够有效的隔离振动源，缓和振动体的振动。硅胶具有高弹性及高黏性，这种特性使得硅胶具有良好的隔音、减振及缓冲性能。

选择邵氏硬度50的此种硅胶材料制成硅胶套，代替减震垫和金属支座，用于固定增压泵于钣金件支架上如图3所示，使得增压泵悬挂于支架上，减少振动传递至支架及整机底座。按照上述固定方式将电机转速调整后的增压泵安装到整机内，在供水压力和增压泵输出压力不变的条件下，测试整机噪音的数据见表3。

由表3与表2中整机噪音数据对比可以看出，使用硅胶套固定电机转速调整后的增压泵安装到整机内，整机噪音降低约2dB（A），说明此种结构有利于噪音的改善。但整机噪音仍有改善空间，考虑到硅胶有10-80的邵氏硬度范围，可选择硬度较低的硅胶套固定增压泵来减少共振，综合考虑供应商技术、工艺水平、结构的稳定性及可靠性，选择邵氏硬度40的硅胶材料制成硅胶套与原邵氏硬度50的硅胶套对比。更换硅胶套后，将增压泵接入整机，在供水压力和增压泵输出压力不变的条件下，测试整机噪音的数据见表3。由表3中邵氏硬度40与硬度50硅胶套数据对比，1～5号整机噪音分别降低1.056dB（A）、1.368dB（A）、1.77dB（A）、1.656dB（A）、1.501dB（A），硅胶套硬度降低10后，整机噪音降低约1.5dB（A），说明降低硅胶套硬度有利于减少共振及噪音改善。

除此之外，将增压泵放置于一个填充满吸声材料的密闭容器中也是一种有效的降噪方式。如图4所示，吸声材料如发泡棉大多为疏松多孔的材料，且空隙多为内部互通，声波深入材料的空隙，受到空气分子摩擦和粘滞阻力，以及使细小纤维做机械运动，从而使声能转变为热能，因此声能被损耗，达到降噪目的。将增压泵放置于降噪盒中，接入整机水路系统，在供水压力和增压泵输出压力不变的条件下测试整机噪音的数据见表3。由表3中增加降噪盒前后数据对比可以看出，1～5号整机噪音分别降低3.535dB（A）、4.036dB（A）、3.420dB（A）、3.205dB（A）、3.250dB（A），将增压泵放置于填充满吸声材料的密闭容器中可使整机噪音降低3dB（A）以上，说明此方法是有效的改善噪音的措施。将硅胶套与降噪盒高度结合使用，可使整机噪音得到大幅度改善。主要是因为硅胶套使得增压泵与支架柔性连接，保证安装后不会像硅胶垫被压缩变形，并且选择硬度合适的硅胶材料，从而使硅胶套发挥出了最大的隔振效果;降噪盒中的吸声材料增大了噪声传播的阻力，减小了噪声辐射。但此方法中降噪盒需要占用结构空间，另一方面考虑增压泵散热，需从程序控制上提供给增压泵足够的散热时间，因此需从实际出发，针对具体情况选择适合的降噪措施。

3.2.3 控制软件设计

除了从增压泵本身和结构优化来减振、吸声降噪外，还可从控制软件上对增压泵进行降噪。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，脉宽调制控制方式对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小。通过这种方法实现软件对增压泵输入电压的调整，本文通过脉宽调制控制输入电压占空比为91.67%，输入电压如图5所示，计算得有效电压为22V，即降低了增压泵的工作功率，进一步使得增压泵电机转速降低，因此电机的基波磁场和谐波磁场的相互作用减小，达到减小电磁噪音的目的，同时电机因转子机械不平衡引起离心力产生的机械振动减小，降低了旋转振动噪音，即降低了机械噪音。

将增压泵由邵氏硬度40度硅胶套固定于支架上，保持供水压力和增压泵输出压力不变的条件下测试整机噪音的数据见表4。

由表4中数据可以看出，脉冲宽度调制后，1～5号整机噪音分别降低2.610dB（A）、2.312dB（A）、2.112dB（A）、1.519dB（A）、2.557dB（A），通过脉冲宽度调整使输入有效电压由24V降低至22V，整机噪音降低约2dB（A），说明脉冲宽度调整可用于降低增压泵噪音。考虑到脉冲宽度调整可能影响到增压泵性能，将脉冲宽度调制增压泵电压至22V，保持供水压力和增压泵输出压力不变的条件下，自吸高度为60cm的条件下测试此种方法的稳定性。

图6为脉冲宽度调制控制增压泵的流量变化，由图可知，增压泵脉冲宽度调制控制下，连续工作2000小时，流量维持在600mL/min左右，说明此种控制方法可维持增压泵稳定工作，可见通过软件方法改善噪音比结构改善更高效。

4 结论

本文论述了免安装型净水器制水系统内增压泵噪音是主要噪音源，并提出对电机、结构及控制软件三方面的改善措施。其中，调整电机转速可达到一定降噪效果，且不增加成本，亦不影响增压泵性能;通过优化泵的固定和密封隔音结构亦可快速降低噪音，降噪效果更明显，在整机结构布局不受限时可采用此种方法;通过控制软件改变增压泵的功率，降噪效果好，方便快捷，在整机结构受限且不影响泵性能时可采用此种方法。在实际应用中，可根据实际情况综合考虑以上三种降噪方案，降低净水器的噪声，提高产品的体验感。

参考文献：

[1]沈钧.家用净水器关键技术及未来发展趋势[J].现代家电，2012（22）：55-56.

[2]左杰.净水器增压泵结构设计与水系统优化[J].科技创新与应用，2017（25）：100-102.

[3]庄子宝，吴彦东，龙旦风，等.风管式空调内机水泵噪音产生机理分析与优化[J].电子测试，2017（13）：43-44.

[4]王瑞娟，郑涛，李键，等.燃气热水器水路增压泵噪声的降低及研究[J].家电科技，2018（2）：58-62.