背景介紹

如今，家用電器行業(yè)里面比較流行的產(chǎn)品是電動牙刷的研發(fā)及制造，市面上各種電動牙刷的品質(zhì)以及價格差異都非常大。電動牙刷的工作原理其實并不復(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)動振動電機(jī)帶動振動頭以一定頻率和幅度做周期振動，振動頭帶動牙刷頭振動以達(dá)到清洗牙齒的目的?？刂齐娐房梢愿淖冋駝拥念l率，幅度和工作周期來適配不同使用者的愛好。那么振動電機(jī)的驅(qū)動，電機(jī)-振動頭-刷頭的運(yùn)動傳遞，以及最終與人體口腔的互動決定了牙刷的使用體驗及清洗效能。

試驗?zāi)康?/span>

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

測試設(shè)備

森瑟科技（Senther）710A-50微型振動傳感器及配線，3套。

森瑟科技IN-03傳感器（IEPE）信號調(diào)理器，1套。

穩(wěn)壓直流電壓電源，1臺。

Tektronix TBS 1202B示波器，1臺。

Keysight 萬用表，1臺。

貝醫(yī)生電動牙刷，1臺。

試驗過程

將710A微型振動傳感器與線纜插頭對接，擰緊螺絲，將線纜的BNC接頭一端插到IN-03信號適配器的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用表以及示波器的輸入端，萬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示波器有跳躍波形輸出，則證明傳感器供電正?？梢赃M(jìn)行測試了。

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

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

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測試的傳感器，用快干膠將傳感器粘貼在刷頭互相垂直的兩個安裝面上，如下圖：

開啟電機(jī)驅(qū)動，自由狀態(tài)下測試刷頭的振動信號，可以看出：自由狀態(tài)下刷頭振動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，振動引起了刷頭懸臂結(jié)構(gòu)的自諧振，產(chǎn)生了衍生信號。這個狀態(tài)下刷頭產(chǎn)生的嗡嗡聲響也進(jìn)一步證明了這個原因。兩個垂直方向的振動波形基本相同，這是由振動電機(jī)的驅(qū)動原理決定的。

模擬牙刷使用時的真實狀態(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試工程師的臉頰上模擬這個狀態(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，測試出來的振動信號馬上清晰了很多，頻域曲線也驗證了這點。

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

將振動傳感器安裝在牙刷的外殼上面測試人手的握感：

測試波形如下，可以看出，振動經(jīng)過不同結(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。

試驗總結(jié)

通過本次試驗可以得知，該電動牙刷的使用體驗是通過調(diào)整振動電機(jī)的振動頻率以及幅值來實現(xiàn)的。設(shè)計者不但要選擇合適的振動電機(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，這個過程中針對不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析是必要的。本實驗的收獲不但讓我們了解了電動牙刷的性能，還啟發(fā)了我們在結(jié)構(gòu)開發(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)。