電磁加熱烹飪器具噪音診斷與降噪技術

江太陽

摘要：很多烹飪器具在使用過程中都會發出一些噪音，尤其是采用電磁（IH）加熱技術的烹飪器具，發出的噪音頻寬較寬，從數十赫茲的低頻到數十千赫茲的高頻噪音都有。這類器具就包括常用的電磁爐，IH電飯煲等;因此，烹飪器具一方面給用戶帶來生活便利，另一方面，器具在使用過程中發出的噪音也給用戶帶來一定的困擾;在第三次消費升級的大背景下，通過各種技術手段降低產品的工作噪音，對提升產品的使用體驗和產品的品質檔次都有重要的意義。

關鍵詞：電磁加熱;烹飪器具;電磁噪音;沸騰噪音;降噪技術

一、噪音來源分類

使用電磁（IH）加熱技術的烹飪器具一般包含兩大噪音來源：散熱噪音和鍋具噪音。其中散熱噪音主要是風機工作噪音和零件與風機葉片臨近時產生的風切噪音;鍋具噪音為烹飪器具的容器在加熱過程中，受到電磁作用力和鍋內液體沸騰時，氣泡對容器的反作用力產生的振動并發出的噪音;

由于散熱噪音的產生機理比較簡單，并且已經有較多針對電機，風機相關噪音的文獻資料，在此不再贅述。而鍋具噪音相關文獻較少，本文將著重進行探討;

二、噪音問題診斷

在對烹飪器具進行降噪整改之前，首先需要對器具噪音進行明確的診斷，以便詳細了解器具產生哪種類型的噪音，每種類型噪音的分貝值，頻譜特征，產生噪音的時間分布特征等等，以便給后續的機理分析和對策提出提供基礎的信息;

1.??? 電磁作用力導致振動產生的噪音診斷

分貝值：這種類型噪音分貝值會隨著被加熱器具的模態變化而變化，而鍋具結構的間隙，結構，材料，內容物等都會對系統的模態造成影響，從而影響噪音的分貝值;另外，分貝值還與加熱功率，電磁力作用在鍋具上的集中度，分布位置等相關;

頻譜特征：電磁作用力的頻率構成由下面兩個因素決定：

a.??? 諧振頻率：電磁加熱需要把直流電通過諧振回路轉換成數十千赫茲的高頻交流電，顯然，勵磁電流會包含這種頻率分量，進一步，電磁作用力也會包含這種頻率分量;但是，諧振頻率一般超出人的可聽范圍，大部分情況下，并不需要對諧振頻率成分做過多分析;

b.??? 市電頻率：電磁加熱器具通常用市電供電，市電的基頻會通過勵磁電流，磁場，振動逐步向噪音傳遞;需要說明的是，市電經過整流過程后，基頻頻率翻倍，并同時產生多階倍頻成分;因此，電磁作用力也會包含2 倍市電頻率以及多階倍頻的頻率成分;

時間分布特征：電磁作用力的時間分布特征由下面2 個因素決定：

a.??? 加熱時間：電磁作用力僅在加熱過程中存在，加熱停止，電磁作用力也相應停止;

b.??? 被加熱鍋具中食材的狀態：食材的流動性，溫度等，都會影響被加熱鍋具整個系統的模態;進一步影響鍋具的振動和噪音;

2.??? 沸騰氣泡對鍋具的反作用力導致振動產生的噪音診斷

分貝值：當食材溫度接近產生噪音的階段，相應噪音的分貝值仍較小，隨著溫度進一步升高，氣泡逐漸增多，分貝值也跟隨升高，開始接近沸騰時，相應噪音分貝值逐漸達到峰值;

例外的，部分食材并不會導致鍋具產生這種類型的噪音，比如糊狀食材，以及大部分具有阻尼性質的湯料等;

頻譜特征：沸騰氣泡對鍋具的反作用力導致振動產生的噪音具有如下兩個主要的頻譜特征

a.??? 寬頻特征：當大量無序的氣泡脫離器具內壁時，或上浮到與空氣的分界面破裂時，將產生無序的寬頻噪音;分布頻率在數百赫茲以下范圍，不會表現出特定較高峰值的頻點;

b.??? 特定頻率特征：與交流市電特性相關，市電的能量呈兩倍市電頻率特征，因此，轉化到被加熱鍋具上的熱量也會呈現相近的頻率特征，進一步，氣泡的形成以及振動，相關的噪音特征也會呈現相近的頻率特征，同時包含該頻率的若干倍頻;

時間分布特征：由于這種類型的噪音與鍋具內食材的溫度相關，只有當食材的溫度達到一定高度后才會產生噪音;

三、噪音影響因素與降噪技術

電磁作用力導致振動產生的噪音：

電磁力大小以及頻譜分布：其他其他參數不變的情況下，電磁力越大，激勵出的噪音值也越高;在相同的硬件參數條件下，包括勵磁線盤，諧振電容，盤間距，鍋具等物理參數，電磁力大小與加熱功率成正比;因此，較大的加熱功率產生的噪音也越高;反之亦然;

加熱功率作為烹飪器具的主要性能，并不能隨意降低;這時，也可以通過提高電磁加熱的諧振頻率，降低每個諧振周期的電磁能量峰值，從而達到降低電磁力和相應噪音的目的;

基于影響噪音產生的有關因素，改變電磁力的頻譜分布，減少電磁力在某些固有頻點上的集中分布，就可以降低這些頻點的電磁力在被加熱鍋具中激發的振動和噪音;而相同幅度的寬頻噪音則更容易被用戶接受;

影響電磁作用力導致振動的因素還包括施力面積和分布集中度;勵磁線圈分布的直徑（或面積）越大，傳遞相同的加熱功率，單位面積產生的電磁力將越小，因此，被加熱鍋具產生的噪音也會越小，但一般來講，生產成本也會有相應的增加;另一方面，電磁作用力在整個勵磁線圈中分布越均勻，被加熱鍋具的受力也會越均勻，導致激勵效率下降，因此產生的噪音將更小;

除了上述因素外，電磁力大小還與被加熱鍋具的鐵磁特性，結構模態等相關。因此，可以選用鐵磁性更弱的，甚至無磁材料制作鍋具，比如奧氏體不銹鋼;另一方面，通過對被加熱鍋具的模態分析，選擇模態與電磁力頻率盡量不重合的加熱器具，可以降低鍋具產生的噪音。

沸騰氣泡對鍋具的反作用力導致振動產生的噪音：

普通電磁加熱器具中水或含水食材的沸騰是典型的核態沸騰，氣泡起源于鍋具內壁的氣化核，當加熱區域面積一定時，加熱功率越大，沸騰越激烈;很顯然加熱功率是影響氣泡作用噪音的一個重要因素。

而在加熱功率一定的情況下，加熱區域的大小也會影響單位面積內壁表面的傳熱密度，從而影響到沸騰的激烈程度，最終影響沸騰氣泡產生的噪音。因此，加熱功率一定時，增加加熱區域的面積可以降低鍋具產生的噪音;

同時，加熱區域的熱分布均勻性越好，沸騰氣泡產生的噪音也會越小;

另外，氣化核的數量是影響沸騰的另一個重要因素，在傳熱速率不變的情況下，氣化核數量越多，形成的氣泡就越多，噪音也越大;影響氣化核數量的因素包括：

表面粗糙度：鍋具內壁越粗糙，鍋器內壁與食材的分界面上的傳熱就越不均勻，導致熱阻更小的位置形成大量的氣化核;因此，光潔的鍋器內壁可以降低沸騰氣泡產生的噪音。

鍋器內壁微觀構成：加熱鍋器往往是不銹鋼制品，在出廠前需要經過拋光，但是，拋光后的鍋器內壁在微觀上并不是平整的，而是存在大量的溝槽，并且在溝槽底部存留有一層拋光蠟，由于拋光蠟的熱阻很大，而溝槽頂部裸露的金屬部分熱阻很小，這就導致鍋器內壁與食材的傳熱很不均勻，從而使裸露部分的金屬形成大量的氣化核;

經過我們公司的長期研發，已經研制了多種去除這種拋光蠟的技術，其中包括加溫堿洗，激光燒蝕，直接加熱燒蝕，低溫等離子燒蝕等多種技術;然而，其中最具優勢的當屬低溫等離子燒蝕，具有成本低，工藝簡單，效果顯著，清潔環保的特點，目前已經大量投產;

另外，通過在鍋器內壁覆蓋一層光滑的有機薄膜，比如聚四氟乙烯不粘涂層，通過使容器內表面的傳熱均勻化，也可以大幅減少氣化核的數量，從而起到降低沸騰氣泡產生的噪音;

結束語

電磁加熱烹飪器具噪音是一個復雜的，跨多門學科的工程問題，本文僅對主要的噪音影響因素和改善措施進行說明，仍存在一些其他次要的影響因素，以及某些尚未明確的潛在影響因素和降噪措施無法一一例舉。

參考文獻：

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