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吸嘴改造对真空吸尘器性能及气动噪声的影响

Cheol—Woo Park

School of Mechanical Engineering, K yungpook National IJniversit y, Daegu, 702— 701, Korea

Sang—lk Lee, Sang—Icon Leelsquo;

Department of Mechanical Engineering,

Pohang University of Science and Technology, Pohang, 790- 784, Korea

为了提高功率性能并减少气流引起的噪声，修改真空吸尘器的吸嘴为大势所趋。对下列各种真空吸尘器的吸能效率进行测量：（1）原始喷嘴，（2）具有改进沟槽高度的原始喷嘴，（3）具有改进的连接室的原始喷嘴，（4）由（2）和（3）的组合。此外，对吸嘴周围的吸入压力和声压水平进行测量，以验证噪声的减少。吸嘴沟槽高度增加时，功率效率和平均吸入压力增加。这是由于在吸入通道中的流动分离的抑制。该连接室在原来的吸嘴的位置，有一个突然的收缩：矩形腔收缩成圆管，大幅度收缩成一个光滑的管路。当两个修改同时应用时，所得到的吸嘴能更有效的增加空气动力和减少声压级。

关键词：吸尘器，吸嘴，空气动力，吸气压力，声压级

命名

A：横截面积

AP：气动功率

APM：吸嘴最大空气动力

APqo：最大吸气功率

CR：收缩率

dB：分贝

hiplusmn;：绝对真空压力下的动压

He：绝对真空压力下的吸入压力

NL：噪声级

P：表面压力

Po：环境大气压力

Ps：吸入压力

Q：流量

SPL：声压级

TNL：总噪声级

At：沟槽高度变化

9：吸入效率

1.引言

真空吸尘器通过由负压引起的吸入功率清除碎片,纤维,表面污垢和尘埃粒子。他们通常由几个组件，包括吸引器，喷嘴,软管,电动马达,过滤器,及起其他配件。用户们希望真空吸尘器能拥有两个对立的特点:低噪音和高性能。真空吸尘器的性能是由最大空气动力和真空压力的强弱所决定的。

一般来说,发动机必须为真空吸尘器提供充分的吸力。出于这个原因,感应电动机广泛应用于真空吸尘器。然而,仅仅通过增加吸尘器电机的能力来提高吸入功率会导致其他问题,如增加能耗和噪音。

大多数旨在提高真空吸尘器内的性能的研究都集中在提高电机效率。（1999）研究并设计三相永磁无刷直流电动机的性能。与通用电动机相比较，三相无刷电机具有25-35%的功率效率改进并且噪声水平约8 d B下。（2001）用仿真软件来指导新一代通用电动机设计而成的真空吸尘器具有较低的制造成本和更高的功率/重量比。他们评估方法的有效性通过了实验性能的测试。（1999）开发了一种高效逆变器莫TOR兆赫超声换能器测试单元来指导实际真空吸尘器的电机设计。

一个更有效的电动机不是强化的吸尘器性能的唯一途径。提高软管和喷嘴的设计也可以提高性能。例如，考虑在连接管端吸嘴拾取重粉尘。如果再将吸嘴连接到真空吸尘器连接管，真空吸尘器的降低气动噪声的性能将再度提高。为了解决这个问题，就必须从流体力学的观点提高吸嘴的设计，改变吸嘴的气流通道或入口配置。

通过修改部件如风扇和管道系统，吸尘器已经进行了若干尝试减少噪声。（2001）通过改变真空工作风扇叶片研究了烦人的声辐射的手持式真空吸尘器。佩特里和Huntley（1980）研究了一个稳定的空气噪声内波纹管流来探索连接管在噪声生产中的作用。

sarbu和Kraft（1996）提出真空吸尘器噪声由三个主要部分组成：机载、结构和机械噪声。这些组件、空气的流动阻力和速度波动引起的是最令人不安的噪声。

除这些引起空气噪声的要点之外，据我们所知，只有少数的实验已经优化了配置进行吸嘴通过系统的进气流动特性研究。实验系统的研究了真空吸尘器的标准测试方法。主要观察研究的目的是优化吸嘴配置以达到提高效率和降低气流噪声的目标。

1. 实验装置和方法

真空吸尘器的气动功率和吸入效率测定使用真空室的尺寸为0.46宽x0.46长x 0.25高。室的设计根据KS（韩国标准）、JIS（日本工业标准）标准的真空吸尘器的标准测试方法和规程。吸力效率测量系统的示意图如a所示。在这项研究中使用的真空吸尘器是一种通用的商业家电，由一个1400瓦的电动马达驱动，称为外显子（LG型v-3913dv）。

一个直径为53毫米的蝶阀安装在室的前面，控制气流进入真空室。用皮托管在进气管中心测量动态压力（HA）和在真空室测量吸气压力（Hlaquo;）。这些压力被用来计算真空吸尘器的空气动力。由两个微压测量的压力信号（FCO—012、fco-510）；在压力测量中蝴蝶阀多旋转0.3。在每个流率，采样速率为1kHz采5000个压力数据。

数据采集之前，真空吸尘器预热约三十分钟，以确保稳定流动的状态条件。在实验过程中，环境空气的温度变化保持在低于1C。通过调节蝶阀调节气管从完全开启到关闭状态将气动吸力作为一个气流率函数来测量。真空吸尘器以最大功率模式驱动。吸入效率（P APUM / apuo）被定义为通过吸嘴的最大空气功率比无吸嘴的最大空气动力。气流诱导的声压级（SPL）的每个吸嘴测量在一个尺寸2在宽x 2在长x2在高的半型消声室。因为KS（韩国标准）的真空吸尘器的标准测试规则，吸嘴在底部表面的中央区域安装了10厘米以上的消声室，如图I所示。在一般情况下，真空工作风扇失速气流增加噪声水平约6至8 d b。因此，真空吸尘器的主体用吸声材料封闭，以减少电机和风扇的噪音。两个麦克风（B amp; K - 4192）被定向朝向声源，一个在吸入喷嘴上方，另一个在喷嘴的右侧（见Fig. I（b））。这些是压力场型麦克风，有一个频率范围从3.15赫兹至20千赫。它们一般可用于测量随机入射响应或声学耦合钳。用高精度动态信号分析仪（sr-785）以50赫兹的采样率从两个麦克风的声学信号进行数字化。测得的声压级数据表示为声压级（SPL）单位是分贝（dB）。衡量一个1/3倍频程内的音频频率从50到20000赫兹的频率范围的辐射声信号的功率谱。此外，噪声水平（NL），线性和加权的声压级，应

图1吸力效率和声压级测量实验装置示意图

使用麦克风声级计测量。用上部和侧测麦克风的噪声水平表示真空吸尘器吸嘴的总噪声级（TNL）。

为了测量吸力面下的吸力面压力，135个压力水龙头安装在10毫米间隔的平底板上。考虑喷嘴的对称性，吸入压力的空间分布的测量仅计算为在下方的吸入喷嘴的面积。图2 a）和（b）显示吸入压力测量系统的原理图和在平底板测压点的位置。

图2平板底板吸力压力测量系统和压力水龙头位置示意图

高压水龙头连接到scannivalve系统（48j9 - 1）的内径0.8毫米塑料管。每个自来水压力由电磁控制器选择（CT LR2 / s2），由一个高精度的A/D转换器（dt-2838）将模拟电压输出的压力传感器pdcr22 1 PSID）数字化。真空吸尘器的手柄固定在横向系统上使吸嘴充分接触平板并保持直立的姿势。

在实验中压力传递传感器采用约330 ps的频率响应。在每个压力水龙头，以1kHz的采样率采集16000压力数据并用统计学得到平均值和均方根数据。吸入压力（P，）被表示为底部平板（P）的表面压力和周围的大气压力之间的压力差（P，）如下

（1）

1. 结果与讨论

3.1吸嘴的修饰

图3显示了本研究所测试的商用吸尘器的原始吸嘴和改进的气流路径。原始吸嘴（图3（a）及（b）已被广泛用于清洁地毯和层压地板表面。为增强尘埃吸收能力气流通道是一个紧凑的窄而深形状。

原吸嘴的沟槽底部倾斜使沟槽加深，主矩形吸入孔位于喷嘴中心。原吸嘴沟槽底部倾斜角度约为6.8。据了解，当倾斜角小于5时，扩散器的平坦表面上不会发生流动分离。这通常导致气动噪声和使其流动结构更复杂的气流分离（Rae和Pope，1984）。

首先，我们调查沟槽高度的变化（AT）对空气动力，声压级和吸入压力特性的影响。为了增加吸嘴的沟槽高度，用一系列的厚度200 / IM的柔性塑料条堆叠到所需厚度。沟槽高度变化（AT）定义为添加到沟槽的塑料条带的深度。在中心吸入孔的原始喷嘴的沟槽底部的深度是14.2mm。对四沟槽高度的修改进行测试（在- 0.4，0.8，1.2，和1.6毫米）。修改后的沟槽位置的底部和内部视图显示在图。3（c）及（d）。

手持吸尘管和吸嘴通过矩形控制器室相连，如图。3（a）及（e）。通过矩形截面入口进入该腔，并通过较小截面的圆管出口。

从矩形腔到圆管的突然收缩引起的流动分离，使流量有收缩。此外，在矩形腔的突然收缩之前会形成一个分离的剪切层。由于矩形腔的突然收缩导致圆形管道的流动分离和涡流形成，导致摩擦损失和压降的增加（白色，1986）

考虑到这种流体损失，我们修改了收缩率，来降低连接腔喉部的突然压降和大流量引起的噪声。要铸造修改后的吸嘴，因为流动路径的横截面逐渐从矩形到圆形的改变，需要用油灰填充腔室的角，如图3所示（F）。因此，喷嘴表面逐渐改变在入口处有一个凹形，在出口处有一个凸出的形状以填充分离气泡的区域。收敛喷嘴的收缩比Cr（矩形管道面积/圆管面积）约为2.8。

最后，我们同时应用修改（沟高度调节和控制接近喷嘴）对原吸嘴进行吸嘴优化设计。对于这些改进的吸嘴，进行空气动力，声压级和吸入压力分布的测量。

3.2吸力

为了评价真空吸尘器的性能，我们测量了真空吸尘器的空气动力。真空吸尘器的空气动力（AP）被定义为真空吸尘器所做的工作的净时间率，同时在指定的空气阻力下消耗能量产生的吸入空气数量，表示为瓦。因此，真空吸尘器的气动功率计算如下

AP 0. 1633XQX hs (2)

AP是空气动力单位为瓦W，Q是流量（流经的数量/分钟），hs绝对静压力为代表的吸气压力（mmhzo）。常数0.1633用于在单元转换中保持一致性。

从伯努利方程和动量守恒定律出发，气流速度（Q）计算如下：

其中A是管道的横截面积，V是气流速度（米/秒），G是重力加速度，y是空气的比重。

通过使用转换系数将EQ（3）代入Eq.（2）中，我们可以评估真空吸尘器的空气动力。

从这个公式，我们可以通过测量吸气压力计算气动功率（Hraquo;）和动态压力（HA）。吸嘴的吸入效率的计算通过无吸嘴的最大空气动力与主吸尘器的比。确定真空吸尘器模型的空气功率，应准确地考虑与气流有关的许多操作模式，如失速。然而，气流率与离散值相关，而不是在本研究中被认为是一个独立的变量。

图4显示了吸嘴修改对安装在人工草坪上的真空吸尘器的空气动力和吸入效率的影响，用以模拟吸尘器的地毯表面状况 。

图4吸嘴修改对空气动力和吸力的影响

表1：改进吸嘴的最大气动功率和吸入效率的比较

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Suction Nozzle ModiFicaton	Aerodynamic power AP (W)	Flow rate	Suction efficiency A Piixi /APq
Max. air power {without nozzle, AP)	334.5	I .232
Originlsaquo;il		I .244	0.98 (98 %)
Trench height (At =0.4 mm)	334.3	I . 180	0.99 (99%)
Trench height (At= 0.8 mm)	334.4	1. 180	0.99 (99 %)
Trench height (At= I .2 mm)	3 17.9	1. 120	0.95 (95 %)
Trench height (At= I .6 mm)	307.9	U. 924	0.92 (92%)
Chamber contraction	300.0	I .059	0.90 (90%