多层复合材料隔声在洗碗机中的应用

发布时间:2019/6/3 11:50:00

1、引言


洗碗机中通常采用吸音棉等材料进行保温和隔音,但使用场景中,其功能以保温为主,对消音降噪的功能偏弱。本文重点研究了现有结构状态下,如何改善洗碗机中吸音棉的隔音降噪性能,从原理上解释和改善吸音棉的应用方法。重点研究如何将洗碗机中吸音棉的消声降噪性能发挥出来,利用洗碗机内胆、外壳、夹层吸音棉等多层结构的复合隔声特性,在上发挥降噪能力。

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2、多层隔声结构工作原理


多层隔声结构工作原理是:当声波入射到层板时,激起层板振动,墙板的振动向板间空气层辐射声音,声波在夹层中继续衰减前进,再次激发第二层墙板振动,由于第二层墙板向邻室空间辐射声音。由于声波经过多次反射而使声强逐级衰减的缘故,所以除了墙板本身的因素外,还附加了较大的空气层衰减,从而使墙板总的隔声量提高。


当在两层板之间填充吸音棉时,由于空气振动引起纤维材料的振动,空气声能量转换为热能量耗散掉,从而起到消声的作用。吸音棉的消声作用的在于声能量必须在吸音棉材料中多次反复传播,才能大幅度获得衰减。如今仅仅穿过便从缝隙逃逸掉,就不能实现有效降噪。


两块板和夹层空气(或其他填充物)组成的多层隔声结构,可以看成是“质量-弹簧-质量”系统,该系统的固有频率可以表示为:

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式中,M1、M2分别是两个板的面密度,d是两个板之间的吸音棉厚度。


从式(1)中可以得出,多层隔声结构的固有频率,与吸音棉的密度以及厚度相关。密度越大,隔声固有频率越高。填充高密度吸音棉有助于改善多层隔声系统的隔声量。


作为多层隔声结构中的关键因子,“弹簧”系统材料的密度及材料中的声速,决定了在双层板墙结构中声阻特性。采用单纯吸音棉材质,和采用空气层+吸音棉层结构,对噪声的衰减会有明显的差异。


3、洗碗机中的多层隔声结构


洗碗机中从外至内有外壳+吸音棉+内胆,其中吸音棉夹在两层金属钣金之间。在传统设计中,由于保温的需要,通常紧紧约束在内胆上,距离外壳有5~10mm的间隙。洗碗机的噪声由内部水流冲击内胆而产生,声能量穿过内胆和吸音棉后,直接通过外壳与吸音棉之间的间隙逃逸掉(由于洗碗机结构限制,无法将间隙设计成密封空气层)。声能量基本没有机会从外壳反射回来,再次进入到吸音棉进行能量耗散,从而产生多次反射实现消声降噪。如图1所示。

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图1 传统洗碗机多层复合隔声结构示意图


根据理论计算,传统多层隔声结构情况下,隔声量的主要作用是内胆+吸音棉的隔声量,复合隔声量如公式(2)所示:

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为了解决传统隔声设计中噪声逃逸问题,重新修改了降噪方案,将外壳和吸音棉做紧密接触,确保外壳、吸音棉、内胆之间没有空隙的存在。从而实现双层金属板内部空间完全填充吸音棉的方案,将系统设计为真正的多层复合隔声系统。如图2所示。

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图2 传统洗碗机多层复合隔声结构示意图


理论分析可知,重新设计多层复合隔声结构后,两层钣金结构组成双层隔声墙。中间填充的吸音棉材料具有较高的ρc声阻特性,因此会对噪声产生较大的能量衰减。从理论上分析,双层钣金中间完全填充吸音棉,比留出空气层结构,对中高频段噪声具有更好的衰减作用。


4、多层隔声结构在驻波管中的测试


为了验证前述理论分析,对多层隔声装置在不同安装位置情况下的隔声量进行了对比测试。测试结果如图3所示,带空腔的结构对比不带空腔结构的隔声量测试结果。从对比结果来看,不带空腔结构的多层隔声装置,在中高频段隔声量明显优于带空腔结构。

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图3 不同吸音棉组合方式下的多层结构隔声量


尤其在中高频段(3200~5800Hz),完全填充吸音棉(不带空腔结构)后,噪声隔声量增加3~4dB左右。因此在该种隔声结构情况下,预期整机的隔声降噪性能将会有明显的提升。


5、洗碗机整机测试


在洗碗机中,传统吸音棉作为保温材料放置在内胆周围,只作为辅助行材料进行隔音降噪。根据理论分析,吸音棉材料只有填充到内胆与外壳之间,才能有效起到消耗噪声能量的作用。根据该研究结论,对洗碗机的吸音棉安装方式重新进行了设计。如图1中,原始状态吸音

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图4 不同吸音棉组合方式下整机噪声值


通过对比发现,原始状态下在中高频段噪声值高2~3dB,调整结构后实现内胆与外壳之间充满吸音棉,噪声降低明显。


6、结论


通过研究发现,在洗碗机等家电产品的设计中,普遍存在隔音方案的误区,认为材料的增加是降低噪声的最有效的方案。忽略了合理利用材料组装方式,从原理上无法实现降噪效果。本文通过合理改善多层材料组合方式,实现了中高频段2~3dB的降噪效果。总结如下:

(1)在不增加隔音材料的情况下,仅仅通过优化隔声材料的组合方式,合理布局钣金材料与吸音棉材料,实现噪声源与外部空间的不同介质多次反射和消耗,才是有效降噪的方案。

(2)在洗碗机等家电产品中,内胆和外壳之间的双层隔声结构,填充吸音棉时,需要确保吸音棉与内胆和外壳都有紧密接触。尽量避免出现孔洞缝隙,否则降噪效果会大大降低。


参考文献

[1] 庞剑. 汽车车身噪声与振动控制[M]. 北京:机械工业出版社,2017.

[2] 马大猷,沈?. 声学手册[M]. 北京:科学出版社,1983.

[3] 杜功焕,朱哲民,龚秀芬. 声学基础[M]. 南京:南京大学出版社,2012.