燃氣熱水器水路增壓泵噪聲的降低及研究

王瑞娟 鄭濤 李鍵 馮青

青島經濟技術開發區海爾熱水器有限公司 山東青島 266101

1 引言

隨著燃氣熱水器越來越普及，其節能，使用方便的優良性能得以廣泛傳播，眾多家庭都選擇了燃氣熱水器。但一些水壓偏低的用戶使用過程中出現了痛點，就是由于水壓低，機器無法啟動，或者水量太小，導致使用舒適性降低。市場調研的結果顯示，用戶在以下境況中最容易出現這些痛點。

（1）高層樓房在用水高峰期時，水壓會偏低，導致熱水器熄火，市區此情形會存在；

（2）四五級市場（鄉鎮及農村），通氣地區未通自來水，以家庭為單位的水塔式供水（水塔高2m左右，折合水壓0.02MPa），水壓較低，燃氣熱水器難以啟動，主要集中在成都、重慶；

（3）新農村改造已通氣，二層小洋房，以村為單位的無塔供水設備集中供水，水壓偏低，只能滿足最基本的用水需求，以鄭州為典型代表；

（4）部分老舊小區自來水水壓不高，導致洗浴過程中的熄火。

針對以上用戶需求，許多燃氣熱水器生產廠家應勢開發水路增加增壓泵的燃氣熱水器，很好地解決了以上用戶痛點。對于泵的選擇，一般就是兩種，一種是交流泵，一種是直流泵。交流泵的優點是噪音低，缺點是體積大、成本高、功率大、不節能、控制手法單一。直流泵的優點是體積小、成本低、節能、控制手法靈活，可以實現無極調速，缺點是噪音大。

本論文主要針對直流泵的噪音問題，通過不同的降噪手段，降低燃氣熱水器由于增加增壓泵而帶來的噪音問題。

2 噪音產生的原因分析

為了找到噪音產生的原因，首先進行了如下測試：

第一步：單泵噪音測試

供水壓為0MPa，將泵啟動，測試泵產生的噪音值，測試點取位參見圖1。數據見表1，噪音曲線見圖2。

第二步：接泵的整機噪音測試

將增壓泵接入熱水器水路系統，增壓泵接在進水接頭和進水管之間。然后裝入整機，接通水路，氣路不接通，整機無燃燒。

供水壓為0MPa，將泵啟動，測試整機產生的噪音值，測試點取位參見圖1，數據見表2，噪音曲線見圖3。

噪音的測試環境及條件說明：將測試樣件放在標準靜音室，在其前左右各布一個測試點，各測試點與機器的距離1m，如圖1。

由表1與表2的數據看出，單泵的噪音相對較低，接入整機后，噪音得到放大。分析圖2與圖3的噪音曲線圖，發現在820Hz左右位置有煩擾客戶的刺耳噪音。

原因分析：此增壓泵的最高轉速6000rpm，葉輪有8個葉片，熱水器水泵旋轉噪聲基頻：f=6000/60*8=800Hz，因此分析認為水泵產生的8葉片旋轉噪音為主要噪音源，但噪音值相對較小。與管路連接后，噪音經過水管路，及熱交換器箱體、截流等原因發生放大。

得出結論：熱水器水泵的振動和旋轉噪聲是800Hz處的主要噪聲激勵源。此噪音聲音刺耳，易使人疲勞，煩躁產生消極情緒，傳播距離短。對整體噪聲的貢獻率為80%以上

3 降噪措施

任何一聲學系統主要環節是聲源，傳播途徑和受者。

噪聲控制是從聲源控制，傳播途徑上控制和受者保護三方面進行。聲源控制是噪聲控制中最根本、最有效的手段。傳播途徑的控制是最常用的手法。對受者的保護也是一個重要手段，但鑒于熱水器的噪音受者就是消費者，無法實施這方面的方案，本論文對此不做討論。

下面就聲源控制和傳播途徑控制展開討論。

3.1 聲源控制

我們知道，消除振動和噪音的最根本和最好的方法是減小或者消除振動源的振動。基于這一點，圍繞水泵本身展開研究。

直流泵的電壓驅動分為兩種，一種被稱為方波驅動（BLDCM），BLDCM對定子繞組所施電壓采取如下方式，其會根據轉子磁場的位置，每一個時刻只對其中兩相繞組進行供電，每相導通120度電角度。其反電動勢及相電流波形參見圖4。方波驅動電機控制簡單，容易實現，同時存在轉矩脈動，換相噪聲等問題。

另一種被稱為正弦波驅動(PMSM)，PMSM對定子繞組所施電壓采用空間電壓矢量SVPWM調制方式，三相導通，每相導通180度。其反電動勢及相電流波形參見圖5。與傳統的方波控制相比，電機相電流為正弦，且連續變化，無換相電流突變，因此電機運行噪聲低。

由于此前一直采用方波驅動的泵，現改用正弦波驅動的泵進行測試。

將正弦波驅動的水泵接入整機，供水壓為0MPa，將泵啟動，測試整機產生的噪音值，數據見表3，測試點取位參見圖1。

與表2數據比對，測試點1降低6dB，測試點2降低2dB，測試點3降低5dB平均降了約4dB，有降噪效果。但此方案存在的缺點是：800Hz的煩擾客戶的刺耳音源依然存在，尖銳的噪聲讓聽者產生不舒服的情緒。

3.2 傳播途徑的控制

以下論述的4種方案均屬傳播途徑的控制范疇，就此一一展開。

3.2.1 隔振減振降噪

實際應用中最廣泛采用的就是使用各種減振制品，尤其是橡膠減振制品，它能夠有效的隔離振動源，緩和振動體的振動。

圖1 噪音測試點取位圖

圖2 單泵測試噪音曲線

圖3 整機帶泵測試噪音曲線

橡膠的特點是既有高彈性，又有高黏性。這種特性使得橡膠呈現出良好的減振、隔音和緩沖性能。用作減振目的的橡膠材料一般有以下幾種，即NR、SBR、BR為普通橡膠材料，NBR用于耐油硫化膠，CR用于耐天候硫化膠，IIR用于高阻尼硫化膠，EPR用于耐熱硫化膠。所以橡膠減振墊的在材料選擇上還要考慮產品的使用環境。燃氣熱水器的使用環境是比較復雜的，一般會裝在廚房，油煙較多。由于自身燃燒等特點，環境溫度也會較高。由于煙氣成分的酸性因子多，選用的橡膠還需耐酸堿性強。

圖4 方波驅動反電動勢及相電流波形

圖5 正弦波驅動反電動勢及相電流波形

圖6 橡膠減振墊剖面詳圖

綜上考慮，試驗選用了日本山內公司的一種新型的橡膠減振墊，此橡膠墊的材料是一種復合材料，既有很好的耐熱，耐臭氧老化，耐油性，耐酸堿性。

具體措施就是在燃氣熱水器的內膽與底殼連接處增加橡膠減振墊，在水泵與底殼的連接處增加橡膠減振墊。橡膠減振墊的剖面詳圖見圖6。

通過上述結構，將內膽和泵與熱水器的外殼全部隔離開來，減弱振動對外殼的傳遞。

將上述結構的整機按如下條件試驗：供水壓為0MPa，將泵啟動，測試整機產生的噪音值，數據見表4，測試點取位參見圖1。

與表2數據比對，測試點1降低13dB，測試點2降低8dB，測試點3平均降了約10dB，效果明顯。但此方案依然存在的缺點，一是800Hz的煩擾客戶的刺耳音源依然存在，尖銳的噪聲讓聽者產生不舒服的情緒；二是裝配復雜，生產節拍慢，降低生產效率。

3.2.2 隔聲吸音降噪

我們知道吸聲材料大多為疏松多孔的材料，如發泡棉、毯子等，其吸聲機理是聲波深入材料的孔隙，且孔隙多為內部互通，受到空氣分子摩擦和粘滯阻力，以及使細小纖維做機械運動，從而使聲能轉變為熱能。聲能被損耗，即通常所說聲音被材料吸收。試驗選用了西卡（Sika）公司生產的專業吸音棉。

具體實施措施就是把與泵相連接的水路銅管，以及與銅管相接觸的銅水箱殼體包裹吸音棉，然后將包好吸音棉的內膽固定在底殼上，將上述結構的整機按如下條件試驗：供水壓為0MPa，將泵啟動，測試整機產生的噪音值，數據見表5，測試點取位參見圖1。

與表2數據比對，測試點1降低7dB，測試點2降低3dB，測試點3降低2dB平均降了約4dB，有降噪效果。但此方案存在的缺點是：800Hz的煩擾客戶的刺耳音源依然存在，尖銳的噪聲讓聽者產生不舒服的情緒。另外左右兩側的噪音無明顯變化。

表1 單泵噪音值

表2 整機帶泵噪音值

表3 整機帶泵（正弦波驅動）噪音值

表4 整機帶泵（內膽加橡膠墊）噪音值

表5 整機帶泵（內膽包裹吸音棉）噪音值

表6 整機帶泵（接軟管）噪音值

表7 整機帶泵（接消音器）噪音值

3.2.3 軟管消音降噪

軟管消音的原理也很簡單，就是通過軟管將振動源產生的振動吸收，減小振幅，阻止聲波的傳遞。試驗用軟管是一種由三層組織組成的復合軟管，軟管內襯層是由耐油，耐水的橡膠構成。軟管增強層是由紡織物和鋼絲繩材料構成。軟管的外覆層由耐油，耐磨和耐氣候老化的橡膠組成。

軟管安裝在水泵和水箱進水管之間，見圖7。將上述結構的整機按如下條件試驗：供水壓為0MPa，將泵啟動，測試整機產生的噪音值，測試點取位參見圖1，數據見表6。

與表2數據比對，測試點1降低23dB，測試點2降低14dB，測試點3降低13dB

平均降了約17dB，效果非常明顯。800Hz的高頻音也降到了30dB以內，人耳幾乎聽不見那種刺耳的讓人不舒服的聲音。效果堪稱完美。但此方案存在的缺點是：上述結構的整機在做0.1MPa水壓，-30℃低溫試驗時，軟管爆管。低溫試驗未通過。

3.2.4 消聲器降噪

消聲器是允許氣流通過，卻又能阻止或減小聲音傳播的一種器件，是消除空氣動力性噪聲的重要措施。消聲器能夠阻擋聲波的傳播，允許氣流通過，是控制噪聲的有效工具。

消聲器種類很多，但究其消聲機理，又可以把它分為六種主要類型，即阻性消聲器，抗性消聲器，阻抗復合式消聲器，微穿孔板消聲器，小孔消聲器以及有源消聲器。

圖7 軟管連接圖

圖8 單室擴張室消聲器原理圖

圖9 擴張室消音器連接圖

圖10 整機帶泵（接消音器）測試噪音曲線

帶增壓泵的燃氣熱水器其噪聲主要是通過水路傳播，這就要求增加消聲器后不能有大的水流阻力，且能很好的密封水路，不能產生漏水現象。綜合考慮，上述六種類型中抗性消聲器較符合設計上的要求。

試驗采用的是單室擴張室消聲器的結構，單室擴張室消聲器是屬于抗性消聲器的一種，是通過控制聲抗大小來消聲的，它不使用吸聲材料，而是利用管道中的截面積突變的聲阻抗變化，產生反射，干涉等，以達到消聲目的。具體結構是由兩個突變截面管道反相連接而成，參見圖8。

抗性消聲器的設計計算：

如圖8所示，主管截面為S1，擴張部分管道截面為S2，擴張部分管道長度為l。消聲器的擴張比m=S2/S1。

聲波在界面Ⅱ-Ⅱ處的相位與界面Ⅰ-Ⅰ處的相位差kl，k為波數，

經查資料得知，單室擴張室消聲器的消聲量ΔL的計算公式[1]如下：

由上式可以看出，sinkl為周期性函數，所以消聲器的消聲量也隨著頻率做周期性變化，在某些頻率上消聲量最大，在某些頻率上消聲量減少，在某些頻率上消聲量為零。

當kl為的奇數倍時，即kl=（2n+1）（n=0,1,2,3,4…），sinkl=1，消聲量達最大。

同樣道理，當kl為的偶數倍時，即（n=0,1,2,3,4…），sinkl=0，消聲量為零。

將k==2πf/c帶入上式，得出消聲量為零時的擴張室長度l=，因此當擴張室長度等于聲波波長的 的整數倍時，在這些頻率上得到零的消聲效果。

針對消聲效果為零的問題，解決辦法有兩個，一個是設計多節擴張室，每節通過不同的頻率，第二個是插入內接管，兩端各插入 和 ，分別消除n為奇數和偶數的頻率。

將上述方案的擴張室消聲器接入整機，見圖9。供水壓為0MPa，將泵啟動，測試整機產生的噪音值，數據見表7，噪音曲線見圖10，測試點取位參見圖1。

與表2數據比對，測試點1降低9dB，測試點2降低3dB，測試點3降低5dB平均降了約6dB，降噪效果明顯。另外從圖10可以看出，800Hz處的煩擾客戶的刺耳嘯叫音消失。但此方案存在的缺點是：擴張室消音器的制作工藝較復雜，會增加成本。

4 結論

以上內容論述了五種降噪消音的措施，以及它們的優缺點。有的降噪效果好，但工藝復雜，增加成本。有的降噪效果不是很明顯。生產廠家在選擇方案時可綜合考慮，既有良好的降噪效果，又要考慮成本等經濟效益。另外設計方案時，除了降噪效果外，還需進行耐疲勞、耐高溫、耐低溫，安全性等工況下的專門設計及驗證。

[1] 馬大猷. 噪聲控制學[M]. 科學出版社，1987: 319.