背景介紹

如今，家用電器行業(yè)里面比較流行的產(chǎn)品是電動(dòng)牙刷的研發(fā)及制造，市面上各種電動(dòng)牙刷的品質(zhì)以及價(jià)格差異都非常大。電動(dòng)牙刷的工作原理其實(shí)并不復(fù)雜，去除刷頭和外殼之后，我們可以看到其內(nèi)部主要部件參考下圖：

工作原理：電池驅(qū)動(dòng)振動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)振動(dòng)頭以一定頻率和幅度做周期振動(dòng)，振動(dòng)頭帶動(dòng)牙刷頭振動(dòng)以達(dá)到清洗牙齒的目的。控制電路可以改變振動(dòng)的頻率，幅度和工作周期來(lái)適配不同使用者的愛(ài)好。那么振動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，電機(jī)-振動(dòng)頭-刷頭的運(yùn)動(dòng)傳遞，以及最終與人體口腔的互動(dòng)決定了牙刷的使用體驗(yàn)及清洗效能。

試驗(yàn)?zāi)康?/span>

研究電動(dòng)牙刷各級(jí)部件的振動(dòng)模態(tài)，量化分析牙刷的性能指標(biāo)。

測(cè)試設(shè)備

森瑟科技（Senther）710A-50微型振動(dòng)傳感器及配線，3套。

森瑟科技IN-03傳感器（IEPE）信號(hào)調(diào)理器，1套。

穩(wěn)壓直流電壓電源，1臺(tái)。

Tektronix TBS 1202B示波器，1臺(tái)。

Keysight 萬(wàn)用表，1臺(tái)。

貝醫(yī)生電動(dòng)牙刷，1臺(tái)。

試驗(yàn)過(guò)程

將710A微型振動(dòng)傳感器與線纜插頭對(duì)接，擰緊螺絲，將線纜的BNC接頭一端插到IN-03信號(hào)適配器的BNC插座上，IN-03以穩(wěn)壓直流電源供電（5Vdc），電源指示燈亮之后檢查傳感器工作狀態(tài)燈，顯示綠燈之后確認(rèn)振動(dòng)傳感器狀態(tài)正常。再將IN-03的輸出端口用同軸線纜連接到萬(wàn)用表以及示波器的輸入端，萬(wàn)用表顯示傳感器偏置電壓為10Vdc左右，手指輕敲傳感器頭部時(shí)示波器有跳躍波形輸出，則證明傳感器供電正常可以進(jìn)行測(cè)試了。

將710A傳感器的底部用瞬干膠粘貼在牙刷振動(dòng)頭的端部平面，注意不能涂膠過(guò)多把電氣接頭粘上：

按壓牙刷的驅(qū)動(dòng)按鈕，按照牙刷廠家的設(shè)定：按一次為強(qiáng)勁振動(dòng)，按兩次為輕柔振動(dòng)。兩檔振動(dòng)的波形如下圖：

可以看出強(qiáng)勁檔的波形頻率為260Hz，輕柔檔的波形頻率為220Hz。強(qiáng)勁檔的峰值稍大，但是波形（較正弦波）有點(diǎn)變形，可能是由于自身結(jié)構(gòu)干涉引起。采用傅里葉轉(zhuǎn)換可以清晰的看到不同檔位的頻率能量有顯著差異。

1. 將振動(dòng)頭插到刷頭的孔里面，按壓確認(rèn)裝配緊密。為了全面地分析刷頭各方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，我們需要將刷頭的頂部側(cè)面磨平以方便安裝橫向振動(dòng)測(cè)試的傳感器，用快干膠將傳感器粘貼在刷頭互相垂直的兩個(gè)安裝面上，如下圖：

開(kāi)啟電機(jī)驅(qū)動(dòng)，自由狀態(tài)下測(cè)試刷頭的振動(dòng)信號(hào)，可以看出：自由狀態(tài)下刷頭振動(dòng)波形里面包含的頻率成分很多，顯得波形比較凌亂。這是由于刷頭是懸臂梁結(jié)構(gòu)，彈性較大，振動(dòng)引起了刷頭懸臂結(jié)構(gòu)的自諧振，產(chǎn)生了衍生信號(hào)。這個(gè)狀態(tài)下刷頭產(chǎn)生的嗡嗡聲響也進(jìn)一步證明了這個(gè)原因。兩個(gè)垂直方向的振動(dòng)波形基本相同，這是由振動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理決定的。

模擬牙刷使用時(shí)的真實(shí)狀態(tài)，需要人體口腔的配合（或者人體肌肉的配合）。將刷頭用適當(dāng)?shù)牧ΓㄕＫ⒀腊磯河玫牧Γ旱綔y(cè)試工程師的臉頰上模擬這個(gè)狀態(tài)。由于人體肌肉的彈性有一定的阻尼作用，消除了刷頭的自諧振作用，測(cè)試出來(lái)的振動(dòng)信號(hào)馬上清晰了很多，頻域曲線也驗(yàn)證了這點(diǎn)。

2、可以看出，真實(shí)使用中牙刷的在口腔內(nèi)部的振動(dòng)基本跟電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率相符，振動(dòng)幅值也基本與廠家的設(shè)計(jì)意圖一致。

將振動(dòng)傳感器安裝在牙刷的外殼上面測(cè)試人手的握感：

測(cè)試波形如下，可以看出，振動(dòng)經(jīng)過(guò)不同結(jié)構(gòu)的多次傳遞和共振，已經(jīng)明顯變形，但是依然可以看出原始波形的頻率特征。

試驗(yàn)總結(jié)

通過(guò)本次試驗(yàn)可以得知，該電動(dòng)牙刷的使用體驗(yàn)是通過(guò)調(diào)整振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)頻率以及幅值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)者不但要選擇合適的振動(dòng)電機(jī)參數(shù)及控制算法，還需要考慮不同結(jié)構(gòu)之間的相互作用才行，這個(gè)過(guò)程中針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析是必要的。本實(shí)驗(yàn)的收獲不但讓我們了解了電動(dòng)牙刷的性能，還啟發(fā)了我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)當(dāng)中需要考慮多種結(jié)構(gòu)的共同作用，在不同的驅(qū)動(dòng)模式下，同樣的結(jié)構(gòu)也有可能出現(xiàn)*不同的模態(tài)響應(yīng)。