朱秀琳

（南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械學院，江蘇 南京 210023）

豆?jié){機是一種人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫男〖译?，尤其受中國人青睞，家庭使用率非常高，年產(chǎn)量在數(shù)千萬臺，各種品牌多達數(shù)十家。人們使用中發(fā)現(xiàn)其共同缺點之一是噪聲較大且有明顯振動。質(zhì)量是企業(yè)的永恒追求、是企業(yè)立足市場的保證，因此各家生產(chǎn)公司一直努力改進，但是這個問題從未得到根本解決。遍查國內(nèi)外相關(guān)資料，未發(fā)現(xiàn)有針對這類產(chǎn)品的振動噪聲問題有專門研究的文獻。

1 豆?jié){機噪聲來源

本試驗研究對象是某款九陽牌豆?jié){機。其構(gòu)成見圖1，由機頭（內(nèi)裝有電機、軸承、電腦板等）、機殼（盛裝食物）、機座（支承機身及安裝電源線路）組成。工作動力來自電機，為簡化結(jié)構(gòu)一般采用立式安裝，電機直接帶動刀桿上的刀片高速旋轉(zhuǎn)從而粉碎食物。本機最高工作轉(zhuǎn)速14 000r／min。由電機、軸承、刀片以及被粉碎食品及機殼，在電機高速旋轉(zhuǎn)下，組成振動系統(tǒng)，并產(chǎn)生噪聲。

正常狀態(tài)下的豆?jié){機工作噪聲的主要來源可能有，①電機。主要分為電磁噪聲和機械噪聲。電磁噪聲是由于交變磁場對定子與轉(zhuǎn)子作用產(chǎn)生周期性的交變力引起振動而產(chǎn)生的［1］。機械噪聲包括軸承高速回轉(zhuǎn)質(zhì)量偏心引起的振動噪聲及電機轉(zhuǎn)子不平衡、轉(zhuǎn)子受“溝槽滑坡力”作用等引起振動而產(chǎn)生的溝槽諧波噪聲［1］。②機殼受迫振動噪聲。本款豆?jié){機機殼為不銹鋼，機殼空腔板結(jié)構(gòu)受到機頭的激勵作用而振動，從而輻射噪聲。③食物碰撞刀片、機殼以及互相碰撞、摩擦而產(chǎn)生的噪聲。

圖1 豆?jié){機結(jié)構(gòu)示意圖Figure1 Sketch map of the soymilk maker

2 噪聲檢測方法與系統(tǒng)

噪聲常以分貝（dB）表示的A 聲級或聲功率級作為評價標準，對不同的機械產(chǎn)品規(guī)定有相應(yīng)的測量方法和容許標準。常用測量儀器有聲級計、聲功率計、頻率分析儀和記錄、顯示儀器等［1，2］。

噪聲源識別方法一般有主觀法與客觀法。主觀法依賴于個人經(jīng)驗因此具有局限性，一般只能進行定性分析?？陀^法是利用儀器測量，分析測量數(shù)據(jù)從而鑒別噪聲源。具體分為頻譜分析法、聲強法、全息照相法等［1，2］。

本豆?jié){機噪聲源識別采用常用的頻譜與相干分析法［1，2］。噪聲與振動信號測試系統(tǒng)示意圖見圖2。本試驗的振動與噪聲動態(tài)信號分析儀采用的是美國LDS公司的Focus II。

圖2 振動噪聲信號測試系統(tǒng)Figure2 Test system on vibration and noise

3 某豆?jié){機的工作噪聲測試與分析

3．1 豆?jié){機工作噪聲測試

本次測試按照GB 4214－84 規(guī)定在半消聲室內(nèi)進行。聲級計采用的是HS5660 系列精密級。據(jù)文獻［2］，測點放在距離被測對象1 m，高度與其平齊。開動機器工作，在其圓周方位選了10 個測點測試了10 次，求其平均值為61．5dB。中國環(huán)境噪聲標準規(guī)定：居民住宅小區(qū)區(qū)域環(huán)境噪聲平均等效聲級須達到環(huán)境質(zhì)量1類標準，即晝間55dB，夜間45dB［3］。由此可見該款機器的工作噪聲還是有些超標。本試驗希望通過振動、噪聲測試找出噪聲源，并在此基礎(chǔ)上采取合適方法減振降噪，解決該機噪聲超標問題。

3．2 豆?jié){機主要噪聲源識別

3．2．1 測試信號的頻譜分析 振動噪聲源識別測試系統(tǒng)見圖2。測試準備：三向加速度傳感器用膠水粘在豆?jié){機機殼上，聲傳感器置于豆?jié){機旁，各自對應(yīng)4個不同的輸出通道。機器置于隔振墊上，以盡量避免環(huán)境振動和噪聲的影響。

啟動機器工作一段時間運行平穩(wěn)后，拾取3個方向振動加速度信號，因為左右方向振動最為強烈，因此主要對其進行自功率譜分析［1，2］，見圖3。

圖3 豆?jié){機左右方向振動自功率譜圖Figure3 The self－power spectrum in the left－right direction

由圖3可知，主要峰值頻率有48，96，104，152，232，336，408，2 776，2 824，2 872 Hz，其中232，104，96 Hz 三 處 頻 率振動尤為明顯，是其它幾處的數(shù)倍。

豆?jié){機噪聲信號自功率譜見圖4。由圖4可知，豆?jié){機噪聲主要集中在96，104，168，200，240，448，2 776，2 824，2 880，2 928Hz。

圖4 豆?jié){機噪聲信號自功率譜Figure4 The self－power spectrum of the noise

噪聲信號的1／3 倍頻程見圖5。由圖5 可知，豆?jié){機1／3倍 頻 程 噪 聲 的 中 心 頻 率 主 要 有：250，400，500，2 500，3 150Hz。其中最大的中心頻率為2 500 Hz。噪聲能量主要集中在400～500Hz以及2 500Hz以上的頻率段。

圖5 豆?jié){機噪聲信號1／3倍頻程Figure5 A third octave of the noise

3．2．2 豆?jié){機噪聲與殼體振動相關(guān)性分析 在振動與噪聲識別分析技術(shù)中，經(jīng)常利用互相關(guān)函數(shù)Rxy來描述兩個隨機信號之間的相關(guān)程度。在實際問題中常把時域函數(shù)Rxy（τ）通過FFT 變換轉(zhuǎn)換成頻域中的互譜密度函數(shù)Sxy（f），而實際測試 時，常 用 相 干 函 數(shù)r2xy（f）來 衡 量Sxy（f），r2xy（f）＝S?x?S（fxy）（Sfy）（f?2）。如果r2xy（f）＜0．5，則說明二者相關(guān)程度不大［1］。

將測試所得的噪聲信號與豆?jié){機殼體振動信號，利用Focus II實時動態(tài)信號分析儀作相關(guān)性分析得到r2xy（f）見圖6。

由圖6可知，豆?jié){機噪聲與殼體振動相關(guān)性比較大的是9 6，104，240，2728，2784，2824，2880，2920Hz相 干 函 數(shù)rx2y（f）分別達到0．824，0．893，0．730，0．866，0．849，0．902，0．872，0．873。

圖6 振動和噪聲相關(guān)性分析Figure6 The correlation about the noise and the frame vibration

綜上測試結(jié)果與分析，可得如下結(jié)論：振動和噪聲頻率主要在500Hz以下和2 700～2 900Hz兩個頻段，232Hz應(yīng)該為電機基頻（電機轉(zhuǎn)速為14 000r／min＝14 000r／60s≈232Hz），500Hz以下噪聲主要是機殼振動引起的結(jié)構(gòu)聲，2 700～2 900Hz主要是電機的電磁噪聲。

4 豆?jié){機的噪聲控制

4．1 噪聲控制一般方法

噪聲控制方法有很多。比如采用吸聲材料吸收噪聲、采用隔聲設(shè)計隔離噪聲、采用隔振與減振措施減輕噪聲來源、采用消聲器有效降低空氣動力噪聲等［1，2，4］。需要根據(jù)具體情況選擇合理可行的措施。根據(jù)上述測試分析，本豆?jié){機噪聲源主要是電磁噪聲及機殼振動引起的結(jié)構(gòu)聲。

減小電磁噪聲的最有效途徑是穩(wěn)定電源電壓及提高電機的制造裝配精度［1］。但是電源電壓不是生產(chǎn)企業(yè)以及消費者能夠控制的，提高電機機械精度會帶來較大的成本負擔。鑒于此，可以考慮簡便低成本的多孔吸聲材料［1，2］填充和敷設(shè)到機頭與機座的空腔處，降低聲波對機殼的激勵，同時也起到吸聲的作用。但是經(jīng)過檢查本款豆?jié){機的機頭與機座內(nèi)密布著電路板、電線等元器件，幾乎無空余空間。

4．2 本機噪聲控制方法

振動隔離是減振降噪的有效手段之一［1，2，5］。如圖1所示，該豆?jié){機機頭下檐口與機身合縫處有8只相同的橡膠隔振墊2，沿圓周均布；機座底部也有3 只相同的橡膠隔振墊9，沿圓周均布，共同組成雙層隔振系統(tǒng)。但是經(jīng)過測試該機器工作噪聲達到61．5dB，仍然超過中國環(huán)境噪聲標準規(guī)定。故擬通過優(yōu)化隔振系統(tǒng)參數(shù)，提高隔振效果從而減振降噪。

首先建立該豆?jié){機雙層隔振系統(tǒng)的數(shù)學模型［5－7］，如圖7所示，機頭、機殼和機座相對隔振墊質(zhì)量大得多，故可簡化作剛體，與第一層8只隔振墊2和第二層3只隔振墊9一起共同構(gòu)成雙層隔振系統(tǒng)。根據(jù)牛頓第二定律寫出系統(tǒng)運動微分方程，解該方程可得到雙層隔振系統(tǒng)的絕對傳遞率TA，見式（1）。

式中：

μ—— 質(zhì)量比；

m1—— 機頭質(zhì)量，kg；

m2—— 機殼與機座總質(zhì)量，kg；

ω1—— 第一層隔振系統(tǒng)振動固有頻率，rad／s；

K1—— 第一層隔振墊（8只）的X 向總剛度，N／m；

ω2—— 第二層隔振系統(tǒng)振動固有頻率，rad／s；

K2—— 第二層隔振墊（3只）的X 向總剛度，N／m；

α—— 固有頻率比；

λ—— 固有頻率比；

ω—— 系統(tǒng)振動固有頻率，rad／s；

ζ1—— 第一層隔振墊阻尼比；

C1—— 第一層隔振墊粘性阻力系數(shù)，N·s／m；

ζ2—— 第二層隔振墊阻尼比；

C2—— 第二層隔振墊粘性阻力系數(shù)，N·s／m。

圖7 雙層隔振系統(tǒng)的數(shù)學模型Figure7 Mathematical model of double vibration isolation system

基于MATLAB的圖形與計算功能，根據(jù)式（1）分析雙層隔振系統(tǒng)的各項動態(tài)參數(shù)對隔振性能的影響［5，6，8］，可見：在高頻區(qū)為增加隔振效果，應(yīng)該盡量增加質(zhì)量比μ、取較小的阻尼比ζ1 和ζ2 以及盡量減小固有頻率比α。在此基礎(chǔ)上基于MATLAB進行編程計算，對該豆?jié){機的雙層隔振系統(tǒng)的參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。

經(jīng)過測試，該機器各項動態(tài)特性參數(shù)：機頭m1＝1．135kg，機身m2＝0．74kg，ω1＝12Hz，ω2＝16Hz，ξ1 ＝0．08，ξ2 ＝0．05。經(jīng)MATLAB優(yōu)化計算后得到α＝0．875，ζ1＝0．03。MATLAB計算結(jié)果表明，優(yōu)化后的隔振系統(tǒng)的振動級差減小了10．2～13．2dB。

然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，改進隔振墊即按照ω1＝14 Hz，ω2＝12Hz，ξ1 ＝0．03，ξ2 ＝0．05重新選取隔振墊。在此基礎(chǔ)上再測試該豆?jié){機工作時的噪聲水平［1］。試驗表明再測試噪聲為53dB，符合中國環(huán)境噪聲標準規(guī)定［3］。

5 結(jié)論

通過對某款豆?jié){機進行噪聲水平測試發(fā)現(xiàn)其超過國標規(guī)定。采用頻譜與相干分析法通過對振動測試信號進行頻譜分析、噪聲自功率譜和1／3倍頻程分析以及噪聲與殼體振動相關(guān)性分析，找到了該豆?jié){機的主要噪聲源。然后基于MATLAB的圖形與計算功能，對該機的雙層隔振系統(tǒng)的隔振參數(shù)進行了優(yōu)化改進。測試結(jié)果表明，該機工作噪聲由61．5dB降為53dB，取得了明顯的減振降噪效果。

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