燃气热水器水路增压泵噪声的降低及研究

王瑞娟 郑涛 李键 冯青

青岛经济技术开发区海尔热水器有限公司 山东青岛 266101

1 引言

随着燃气热水器越来越普及，其节能，使用方便的优良性能得以广泛传播，众多家庭都选择了燃气热水器。但一些水压偏低的用户使用过程中出现了痛点，就是由于水压低，机器无法启动，或者水量太小，导致使用舒适性降低。市场调研的结果显示，用户在以下境况中最容易出现这些痛点。

（1）高层楼房在用水高峰期时，水压会偏低，导致热水器熄火，市区此情形会存在；

（2）四五级市场（乡镇及农村），通气地区未通自来水，以家庭为单位的水塔式供水（水塔高2m左右，折合水压0.02MPa），水压较低，燃气热水器难以启动，主要集中在成都、重庆；

（3）新农村改造已通气，二层小洋房，以村为单位的无塔供水设备集中供水，水压偏低，只能满足最基本的用水需求，以郑州为典型代表；

（4）部分老旧小区自来水水压不高，导致洗浴过程中的熄火。

针对以上用户需求，许多燃气热水器生产厂家应势开发水路增加增压泵的燃气热水器，很好地解决了以上用户痛点。对于泵的选择，一般就是两种，一种是交流泵，一种是直流泵。交流泵的优点是噪音低，缺点是体积大、成本高、功率大、不节能、控制手法单一。直流泵的优点是体积小、成本低、节能、控制手法灵活，可以实现无极调速，缺点是噪音大。

本论文主要针对直流泵的噪音问题，通过不同的降噪手段，降低燃气热水器由于增加增压泵而带来的噪音问题。

2 噪音产生的原因分析

为了找到噪音产生的原因，首先进行了如下测试：

第一步：单泵噪音测试

供水压为0MPa，将泵启动，测试泵产生的噪音值，测试点取位参见图1。数据见表1，噪音曲线见图2。

第二步：接泵的整机噪音测试

将增压泵接入热水器水路系统，增压泵接在进水接头和进水管之间。然后装入整机，接通水路，气路不接通，整机无燃烧。

供水压为0MPa，将泵启动，测试整机产生的噪音值，测试点取位参见图1，数据见表2，噪音曲线见图3。

噪音的测试环境及条件说明：将测试样件放在标准静音室，在其前左右各布一个测试点，各测试点与机器的距离1m，如图1。

由表1与表2的数据看出，单泵的噪音相对较低，接入整机后，噪音得到放大。分析图2与图3的噪音曲线图，发现在820Hz左右位置有烦扰客户的刺耳噪音。

原因分析：此增压泵的最高转速6000rpm，叶轮有8个叶片，热水器水泵旋转噪声基频：f=6000/60*8=800Hz，因此分析认为水泵产生的8叶片旋转噪音为主要噪音源，但噪音值相对较小。与管路连接后，噪音经过水管路，及热交换器箱体、截流等原因发生放大。

得出结论：热水器水泵的振动和旋转噪声是800Hz处的主要噪声激励源。此噪音声音刺耳，易使人疲劳，烦躁产生消极情绪，传播距离短。对整体噪声的贡献率为80%以上

3 降噪措施

任何一声学系统主要环节是声源，传播途径和受者。

噪声控制是从声源控制，传播途径上控制和受者保护三方面进行。声源控制是噪声控制中最根本、最有效的手段。传播途径的控制是最常用的手法。对受者的保护也是一个重要手段，但鉴于热水器的噪音受者就是消费者，无法实施这方面的方案，本论文对此不做讨论。

下面就声源控制和传播途径控制展开讨论。

3.1 声源控制

我们知道，消除振动和噪音的最根本和最好的方法是减小或者消除振动源的振动。基于这一点，围绕水泵本身展开研究。

直流泵的电压驱动分为两种，一种被称为方波驱动（BLDCM），BLDCM对定子绕组所施电压采取如下方式，其会根据转子磁场的位置，每一个时刻只对其中两相绕组进行供电，每相导通120度电角度。其反电动势及相电流波形参见图4。方波驱动电机控制简单，容易实现，同时存在转矩脉动，换相噪声等问题。

另一种被称为正弦波驱动(PMSM)，PMSM对定子绕组所施电压采用空间电压矢量SVPWM调制方式，三相导通，每相导通180度。其反电动势及相电流波形参见图5。与传统的方波控制相比，电机相电流为正弦，且连续变化，无换相电流突变，因此电机运行噪声低。

由于此前一直采用方波驱动的泵，现改用正弦波驱动的泵进行测试。

将正弦波驱动的水泵接入整机，供水压为0MPa，将泵启动，测试整机产生的噪音值，数据见表3，测试点取位参见图1。

与表2数据比对，测试点1降低6dB，测试点2降低2dB，测试点3降低5dB平均降了约4dB，有降噪效果。但此方案存在的缺点是：800Hz的烦扰客户的刺耳音源依然存在，尖锐的噪声让听者产生不舒服的情绪。

3.2 传播途径的控制

以下论述的4种方案均属传播途径的控制范畴，就此一一展开。

3.2.1 隔振减振降噪

实际应用中最广泛采用的就是使用各种减振制品，尤其是橡胶减振制品，它能够有效的隔离振动源，缓和振动体的振动。

图1 噪音测试点取位图

图2 单泵测试噪音曲线

图3 整机带泵测试噪音曲线

橡胶的特点是既有高弹性，又有高黏性。这种特性使得橡胶呈现出良好的减振、隔音和缓冲性能。用作减振目的的橡胶材料一般有以下几种，即NR、SBR、BR为普通橡胶材料，NBR用于耐油硫化胶，CR用于耐天候硫化胶，IIR用于高阻尼硫化胶，EPR用于耐热硫化胶。所以橡胶减振垫的在材料选择上还要考虑产品的使用环境。燃气热水器的使用环境是比较复杂的，一般会装在厨房，油烟较多。由于自身燃烧等特点，环境温度也会较高。由于烟气成分的酸性因子多，选用的橡胶还需耐酸碱性强。

图4 方波驱动反电动势及相电流波形

图5 正弦波驱动反电动势及相电流波形

图6 橡胶减振垫剖面详图

综上考虑，试验选用了日本山内公司的一种新型的橡胶减振垫，此橡胶垫的材料是一种复合材料，既有很好的耐热，耐臭氧老化，耐油性，耐酸碱性。

具体措施就是在燃气热水器的内胆与底壳连接处增加橡胶减振垫，在水泵与底壳的连接处增加橡胶减振垫。橡胶减振垫的剖面详图见图6。

通过上述结构，将内胆和泵与热水器的外壳全部隔离开来，减弱振动对外壳的传递。

将上述结构的整机按如下条件试验：供水压为0MPa，将泵启动，测试整机产生的噪音值，数据见表4，测试点取位参见图1。

与表2数据比对，测试点1降低13dB，测试点2降低8dB，测试点3平均降了约10dB，效果明显。但此方案依然存在的缺点，一是800Hz的烦扰客户的刺耳音源依然存在，尖锐的噪声让听者产生不舒服的情绪；二是装配复杂，生产节拍慢，降低生产效率。

3.2.2 隔声吸音降噪

我们知道吸声材料大多为疏松多孔的材料，如发泡棉、毯子等，其吸声机理是声波深入材料的孔隙，且孔隙多为内部互通，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。声能被损耗，即通常所说声音被材料吸收。试验选用了西卡（Sika）公司生产的专业吸音棉。

具体实施措施就是把与泵相连接的水路铜管，以及与铜管相接触的铜水箱壳体包裹吸音棉，然后将包好吸音棉的内胆固定在底壳上，将上述结构的整机按如下条件试验：供水压为0MPa，将泵启动，测试整机产生的噪音值，数据见表5，测试点取位参见图1。

与表2数据比对，测试点1降低7dB，测试点2降低3dB，测试点3降低2dB平均降了约4dB，有降噪效果。但此方案存在的缺点是：800Hz的烦扰客户的刺耳音源依然存在，尖锐的噪声让听者产生不舒服的情绪。另外左右两侧的噪音无明显变化。

表1 单泵噪音值

表2 整机带泵噪音值

表3 整机带泵（正弦波驱动）噪音值

表4 整机带泵（内胆加橡胶垫）噪音值

表5 整机带泵（内胆包裹吸音棉）噪音值

表6 整机带泵（接软管）噪音值

表7 整机带泵（接消音器）噪音值

3.2.3 软管消音降噪

软管消音的原理也很简单，就是通过软管将振动源产生的振动吸收，减小振幅，阻止声波的传递。试验用软管是一种由三层组织组成的复合软管，软管内衬层是由耐油，耐水的橡胶构成。软管增强层是由纺织物和钢丝绳材料构成。软管的外覆层由耐油，耐磨和耐气候老化的橡胶组成。

软管安装在水泵和水箱进水管之间，见图7。将上述结构的整机按如下条件试验：供水压为0MPa，将泵启动，测试整机产生的噪音值，测试点取位参见图1，数据见表6。

与表2数据比对，测试点1降低23dB，测试点2降低14dB，测试点3降低13dB

平均降了约17dB，效果非常明显。800Hz的高频音也降到了30dB以内，人耳几乎听不见那种刺耳的让人不舒服的声音。效果堪称完美。但此方案存在的缺点是：上述结构的整机在做0.1MPa水压，-30℃低温试验时，软管爆管。低温试验未通过。

3.2.4 消声器降噪

消声器是允许气流通过，却又能阻止或减小声音传播的一种器件，是消除空气动力性噪声的重要措施。消声器能够阻挡声波的传播，允许气流通过，是控制噪声的有效工具。

消声器种类很多，但究其消声机理，又可以把它分为六种主要类型，即阻性消声器，抗性消声器，阻抗复合式消声器，微穿孔板消声器，小孔消声器以及有源消声器。

图7 软管连接图

图8 单室扩张室消声器原理图

图9 扩张室消音器连接图

图10 整机带泵（接消音器）测试噪音曲线

带增压泵的燃气热水器其噪声主要是通过水路传播，这就要求增加消声器后不能有大的水流阻力，且能很好的密封水路，不能产生漏水现象。综合考虑，上述六种类型中抗性消声器较符合设计上的要求。

试验采用的是单室扩张室消声器的结构，单室扩张室消声器是属于抗性消声器的一种，是通过控制声抗大小来消声的，它不使用吸声材料，而是利用管道中的截面积突变的声阻抗变化，产生反射，干涉等，以达到消声目的。具体结构是由两个突变截面管道反相连接而成，参见图8。

抗性消声器的设计计算：

如图8所示，主管截面为S1，扩张部分管道截面为S2，扩张部分管道长度为l。消声器的扩张比m=S2/S1。

声波在界面Ⅱ-Ⅱ处的相位与界面Ⅰ-Ⅰ处的相位差kl，k为波数，

经查资料得知，单室扩张室消声器的消声量ΔL的计算公式[1]如下：

由上式可以看出，sinkl为周期性函数，所以消声器的消声量也随着频率做周期性变化，在某些频率上消声量最大，在某些频率上消声量减少，在某些频率上消声量为零。

当kl为的奇数倍时，即kl=（2n+1）（n=0,1,2,3,4…），sinkl=1，消声量达最大。

同样道理，当kl为的偶数倍时，即（n=0,1,2,3,4…），sinkl=0，消声量为零。

将k==2πf/c带入上式，得出消声量为零时的扩张室长度l=，因此当扩张室长度等于声波波长的 的整数倍时，在这些频率上得到零的消声效果。

针对消声效果为零的问题，解决办法有两个，一个是设计多节扩张室，每节通过不同的频率，第二个是插入内接管，两端各插入 和 ，分别消除n为奇数和偶数的频率。

将上述方案的扩张室消声器接入整机，见图9。供水压为0MPa，将泵启动，测试整机产生的噪音值，数据见表7，噪音曲线见图10，测试点取位参见图1。

与表2数据比对，测试点1降低9dB，测试点2降低3dB，测试点3降低5dB平均降了约6dB，降噪效果明显。另外从图10可以看出，800Hz处的烦扰客户的刺耳啸叫音消失。但此方案存在的缺点是：扩张室消音器的制作工艺较复杂，会增加成本。

4 结论

以上内容论述了五种降噪消音的措施，以及它们的优缺点。有的降噪效果好，但工艺复杂，增加成本。有的降噪效果不是很明显。生产厂家在选择方案时可综合考虑，既有良好的降噪效果，又要考虑成本等经济效益。另外设计方案时，除了降噪效果外，还需进行耐疲劳、耐高温、耐低温，安全性等工况下的专门设计及验证。

[1] 马大猷. 噪声控制学[M]. 科学出版社，1987: 319.