免安裝反滲透凈水器噪聲分析及優化

敖衛 龔璇 陳天 廖文斐

摘 ?要：免安裝反滲透凈水器是一類備受市場關注的凈水器，得到了很多消費者的喜愛，在實際使用中不需要繁瑣的安裝步驟，可隨意移動擺放位置，但免安裝反滲透凈水器在運行過程中存在一定程度的噪音。為了消除免安裝反滲透凈水器的制水噪聲的困擾，文章初步分析了免安裝反滲透凈水器噪聲產生的原因，并介紹電機調速、結構及控制軟件優化方式降低凈水器的噪音，起到良好的降噪效果，為凈水器降噪痛點提供了參考方案。

關鍵詞：免安裝;反滲透凈水器;噪聲分析;增壓泵

中圖分類號：TM925.5 ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：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

近年來，隨著人們對飲用水安全的日益關注，凈水器作為一種新興的電器產品，因其優良的過濾和凈化效果，受到廣大消費者的青睞[1]。目前，免安裝反滲透凈水器因為它自身的優勢已經成為受市場歡迎的一種機型。它的優勢不僅僅在于能夠免去安裝線路、連接水管的麻煩，還在于小巧便捷，可隨時移動，隨處可放，同時還具有出熱水無需等待，即需即飲，廢水循環利用等優點。因此，免安裝反滲透凈水器往往放在離消費者很近的場所，如臥室、書房、辦公室等，這使得噪音成為免安裝反滲透凈水器的飲水體驗的一個重要指標。

作為反滲透凈水器的核心零部件，增壓泵具有自吸和增壓功能，為凈水器通過反滲透膜凈化水這一過程提供恰當的水壓和水流量，最終使凈水器實現過濾出純凈水的目的[2]。然而，免安裝反滲透凈水器的進水壓力極小，需要采用具有自吸功能的增壓泵，導致增壓泵電機在高速運轉的過程中不可避免地產生比普通增壓泵更大的噪音，因此免安裝反滲透凈水器降噪成為一個亟待解決的問題。

本論文主要針對免安裝反滲透凈水器中增壓泵帶來的噪音問題，通過不同的改善方法，降低免安裝反滲透凈水器的噪音，為消費者提供舒適的飲水環境。

2 測試條件與方法

2.1 測試條件

所使用免安裝反滲透凈水器的制水系統工藝是由原水杯、自吸增壓泵、復合濾芯、反滲透濾芯等構成，如圖1所示。免安裝反滲透凈水器不直接連接自來水管，需要將市政自來水盛入原水杯中，故采用自吸功能的增壓泵搭配反滲透濾芯。噪聲測試在標準消音室（室溫25℃/濕度40%）中完成，泵噪音測試選擇自吸增壓泵的工作流量≥550mL/min，泵出水端連接針閥，調節泵進水端壓力為0MPa，使泵工作輸出壓力為0.5MPa。同時，整機噪音測試是將增壓泵連接到反滲透凈水器內制水系統中，設定進水端壓力為0MPa，使泵工作輸出壓力為0.5MPa。

2.2 測試方法

本實驗中噪音測試采用《GB/T 4214.1-2017聲學和家用電器及類似用途器具噪聲測試方法 第1部分：通用要求》的方法。選定聲功率級作為噪聲大小的評價量，測量表面為帶有十個測點的半球面，半球面的半徑為1.5m，測點擺放位置如圖2所示。測量儀器采用HS5660B-X型多通道噪聲震動測量分析系統，將測量儀器中的傳聲器按照如圖1所示位置固定于標準消音室中。單泵噪音測試將增壓泵放在消音室中如圖2所示的半球球心位置;整機噪音測試時，將整機置于半球球心處放置的平臺上。該系統收集樣件產生的噪聲，顯示每個采樣點的聲功率級，并依據GB/T3767-1996和GB6882-1986標準相關內容進行聲功率級的計算。

3 噪聲分析及改善方案

3.1 噪聲分析

為了分析噪聲產生原因，選擇同一批次5臺增壓泵，輸入電壓為DC24V，工作時電流為0.72A，流量≥550mL/min，電機轉速為1800rpm，測試單泵及安裝到整機后的噪音，測試單泵噪音在進水壓力為0MPa，增壓泵工作輸出壓力為0.5MPa的條件下所產生單泵噪音的數據見表1。由表1可以看出，增壓泵本身噪音較大，按照QB/T4144-2010標準相關規定凈水器在正常工作時，不應產生異常的噪音，噪聲聲功率級應不大于50dB（A），本實驗中所用增壓泵已接近標準要求的上限，故需從增壓泵本身進行降噪。

單泵噪音測試完成后，分別將5臺增壓泵安裝到凈水器的制水系統工藝內，增壓泵的金屬支座與整機鈑金件通過減震墊與螺絲固定連接，將其直接豎直固定在整機內，在供水壓力為0MPa，增壓泵工作輸出壓力為0.5MPa的條件下整機所產生噪音的數據見表1。由表1可以看出，1～5號增壓泵安裝到整機內所產生整體噪音分別增大了8.109dB（A）、8.078dB（A）、8.048dB（A）、7.821dB（A）、7.720dB（A），表明安裝增壓泵后整機噪音比單泵噪音增大約8dB（A）。由上述分析，凈水器內增壓泵噪音是主要噪音源，鑒于增壓泵的現有安裝結構，可以判斷增壓泵噪音可分為兩部分[3]：（1）增壓泵自身產生的噪音透過結構件傳播;（2）增壓泵與整機共振通過結構件向外傳遞振動噪音。所以，一方面需對增壓泵進行優化，以控制噪聲源;另一方面，增壓泵安裝到整機后，引起連接管路與固定鈑金件振動，并以強迫振動形式通過支架向外傳遞，當增壓泵的振動傳遞到凈水器外殼上，引起其強烈受迫振動而導致噪音增大，因此，同時需從結構上對增壓泵安裝方式進行優化。

3.2 改善方案

噪聲控制主要是從增壓泵自身產生噪音控制和增壓泵與整機的共振產生噪音擴散控制，兩種控制實施是凈水器噪聲控制中最根本最有效的手段，下面就相應的控制降噪方式進行展開討論[4]。

3.2.1 電機轉速優化

本文中所用增壓泵工作時，通過電機轉子的轉動，帶動泵體中偏心輪的擺動，將電機的旋轉運動轉化為偏心輪的往復運動，致使隔膜腔體容積在不斷變化，從而實現增壓排水的效果。由于增壓泵中直流電機驅動作為動力驅動裝置，產生的噪音主要是電磁噪音及機械噪音，電磁噪音由有氣隙諧波磁場引起，定轉子齒諧波磁通相互作用而產生的徑向交變磁拉力，會引起定子鐵芯軛部產生周期性的動態徑向變形，激發定子產生電磁噪聲。因此可通過降低增壓泵電機轉速以降低基波磁場和諧波磁場的相互作用，達到減小電磁噪音的目的，降低轉速同時可降低電機因轉子機械不平衡引起離心力產生的機械振動以降低旋轉振動噪音，即降低機械噪音。保持工作電壓和工作流量不變的條件下，將增壓泵電機轉速調整為1500rpm，較原增壓泵轉速降低了300rpm，測試單泵噪音及整機噪音在供水壓為0MPa，增壓泵輸出壓力為0.5MPa的條件下進行測試所得數據見表2。

由表2與表1中數據對比可以看出，降低增壓泵電機轉速可將單泵噪音降低約3dB（A），說明電機轉速調整對增壓泵噪音有一定改善。整機噪音降低約4.5dB（A）。單泵噪音的降低，使得接入整機后引起的共振減小，進一步大幅度改善整機噪音。此時通過增壓泵工作電流為0.56A，較改善前，增壓泵功率降低約4W。此種降噪方法可保證增壓泵的供水流量，達到優化增壓泵從而降低了噪音，對增壓泵自身產生噪音進行了控制。調整電機轉速后，整機噪音約為52dB（A），故仍需在結構上進行進一步改善。

3.2.2 結構優化

在實際應用中，利用各種減振措施降低噪音較為普遍，硅膠作為一種減振材料，能夠有效的隔離振動源，緩和振動體的振動。硅膠具有高彈性及高黏性，這種特性使得硅膠具有良好的隔音、減振及緩沖性能。

選擇邵氏硬度50的此種硅膠材料制成硅膠套，代替減震墊和金屬支座，用于固定增壓泵于鈑金件支架上如圖3所示，使得增壓泵懸掛于支架上，減少振動傳遞至支架及整機底座。按照上述固定方式將電機轉速調整后的增壓泵安裝到整機內，在供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下，測試整機噪音的數據見表3。

由表3與表2中整機噪音數據對比可以看出，使用硅膠套固定電機轉速調整后的增壓泵安裝到整機內，整機噪音降低約2dB（A），說明此種結構有利于噪音的改善。但整機噪音仍有改善空間，考慮到硅膠有10-80的邵氏硬度范圍，可選擇硬度較低的硅膠套固定增壓泵來減少共振，綜合考慮供應商技術、工藝水平、結構的穩定性及可靠性，選擇邵氏硬度40的硅膠材料制成硅膠套與原邵氏硬度50的硅膠套對比。更換硅膠套后，將增壓泵接入整機，在供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下，測試整機噪音的數據見表3。由表3中邵氏硬度40與硬度50硅膠套數據對比，1～5號整機噪音分別降低1.056dB（A）、1.368dB（A）、1.77dB（A）、1.656dB（A）、1.501dB（A），硅膠套硬度降低10后，整機噪音降低約1.5dB（A），說明降低硅膠套硬度有利于減少共振及噪音改善。

除此之外，將增壓泵放置于一個填充滿吸聲材料的密閉容器中也是一種有效的降噪方式。如圖4所示，吸聲材料如發泡棉大多為疏松多孔的材料，且空隙多為內部互通，聲波深入材料的空隙，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，因此聲能被損耗，達到降噪目的。將增壓泵放置于降噪盒中，接入整機水路系統，在供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下測試整機噪音的數據見表3。由表3中增加降噪盒前后數據對比可以看出，1～5號整機噪音分別降低3.535dB（A）、4.036dB（A）、3.420dB（A）、3.205dB（A）、3.250dB（A），將增壓泵放置于填充滿吸聲材料的密閉容器中可使整機噪音降低3dB（A）以上，說明此方法是有效的改善噪音的措施。將硅膠套與降噪盒高度結合使用，可使整機噪音得到大幅度改善。主要是因為硅膠套使得增壓泵與支架柔性連接，保證安裝后不會像硅膠墊被壓縮變形，并且選擇硬度合適的硅膠材料，從而使硅膠套發揮出了最大的隔振效果;降噪盒中的吸聲材料增大了噪聲傳播的阻力，減小了噪聲輻射。但此方法中降噪盒需要占用結構空間，另一方面考慮增壓泵散熱，需從程序控制上提供給增壓泵足夠的散熱時間，因此需從實際出發，針對具體情況選擇適合的降噪措施。

3.2.3 控制軟件設計

除了從增壓泵本身和結構優化來減振、吸聲降噪外，還可從控制軟件上對增壓泵進行降噪。脈沖寬度調制是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制，脈寬調制控制方式對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小。通過這種方法實現軟件對增壓泵輸入電壓的調整，本文通過脈寬調制控制輸入電壓占空比為91.67%，輸入電壓如圖5所示，計算得有效電壓為22V，即降低了增壓泵的工作功率，進一步使得增壓泵電機轉速降低，因此電機的基波磁場和諧波磁場的相互作用減小，達到減小電磁噪音的目的，同時電機因轉子機械不平衡引起離心力產生的機械振動減小，降低了旋轉振動噪音，即降低了機械噪音。

將增壓泵由邵氏硬度40度硅膠套固定于支架上，保持供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下測試整機噪音的數據見表4。

由表4中數據可以看出，脈沖寬度調制后，1～5號整機噪音分別降低2.610dB（A）、2.312dB（A）、2.112dB（A）、1.519dB（A）、2.557dB（A），通過脈沖寬度調整使輸入有效電壓由24V降低至22V，整機噪音降低約2dB（A），說明脈沖寬度調整可用于降低增壓泵噪音。考慮到脈沖寬度調整可能影響到增壓泵性能，將脈沖寬度調制增壓泵電壓至22V，保持供水壓力和增壓泵輸出壓力不變的條件下，自吸高度為60cm的條件下測試此種方法的穩定性。

圖6為脈沖寬度調制控制增壓泵的流量變化，由圖可知，增壓泵脈沖寬度調制控制下，連續工作2000小時，流量維持在600mL/min左右，說明此種控制方法可維持增壓泵穩定工作，可見通過軟件方法改善噪音比結構改善更高效。

4 結論

本文論述了免安裝型凈水器制水系統內增壓泵噪音是主要噪音源，并提出對電機、結構及控制軟件三方面的改善措施。其中，調整電機轉速可達到一定降噪效果，且不增加成本，亦不影響增壓泵性能;通過優化泵的固定和密封隔音結構亦可快速降低噪音，降噪效果更明顯，在整機結構布局不受限時可采用此種方法;通過控制軟件改變增壓泵的功率，降噪效果好，方便快捷，在整機結構受限且不影響泵性能時可采用此種方法。在實際應用中，可根據實際情況綜合考慮以上三種降噪方案，降低凈水器的噪聲，提高產品的體驗感。

參考文獻：

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