电动牙刷振动模态研究的背景介绍

如今，家用电器行业里面比较流行的产品是电动牙刷的研发及制造，市面上各种电动牙刷的品质以及价格差异都非常大。电动牙刷的工作原理其实并不复杂，去除刷头和外壳之后，我们可以看到其内部主要部件参考下图：

工作原理：电池驱动振动电机带动振动头以一定频率和幅度做周期振动，振动头带动牙刷头振动以达到清洗牙齿的目的。控制电路可以改变振动的频率，幅度和工作周期来适配不同使用者的爱好。那么振动电机的驱动，电机-振动头-刷头的运动传递，以及最终与人体口腔的互动决定了牙刷的使用体验及清洗效能。

试验目的

研究电动牙刷各级部件的振动模态，量化分析牙刷的性能指标。

测试设备

森瑟科技（Senther）710A-50微型振动传感器及配线，3套。

森瑟科技IN-03传感器（IEPE）信号调理器，1套。

稳压直流电压电源，1台。

Tektronix TBS 1202B示波器，1台。

Keysight 万用表，1台。

贝医生电动牙刷，1台。

试验过程

将710A微型振动传感器与线缆插头对接，拧紧螺丝，将线缆的BNC接头一端插到IN-03信号适配器的BNC插座上，IN-03以稳压直流电源供电（5Vdc），电源指示灯亮之后检查传感器工作状态灯，显示绿灯之后确认振动传感器状态正常。再将IN-03的输出端口用同轴线缆连接到万用表以及示波器的输入端，万用表显示传感器偏置电压为10Vdc左右，手指轻敲传感器头部时示波器有跳跃波形输出，则证明传感器供电正常可以进行测试了。

将710A微型振动传感器的底部用瞬干胶粘贴在牙刷振动头的端部平面，注意不能涂胶过多把电气接头粘上：

按压牙刷的驱动按钮，按照牙刷厂家的设定：按一次为强劲振动，按两次为轻柔振动。两档振动的波形如下图：

可以看出强劲档的波形频率为260Hz，轻柔档的波形频率为220Hz。强劲档的峰值稍大，但是波形（较正弦波）有点变形，可能是由于自身结构干涉引起。采用傅里叶转换可以清晰的看到不同档位的频率能量有显著差异。

1. 将振动头插到刷头的孔里面，按压确认装配紧密。为了全面地分析刷头各方向的运动状态，我们需要将刷头的顶部侧面磨平以方便安装横向振动测试的传感器，用快干胶将传感器粘贴在刷头互相垂直的两个安装面上，如下图：

开启电机驱动，自由状态下测试刷头的振动信号，可以看出：自由状态下刷头振动波形里面包含的频率成分很多，显得波形比较凌乱。这是由于刷头是悬臂梁结构，弹性较大，振动引起了刷头悬臂结构的自谐振，产生了衍生信号。这个状态下刷头产生的嗡嗡声响也进一步证明了这个原因。两个垂直方向的振动波形基本相同，这是由振动电机的驱动原理决定的。

模拟牙刷使用时的真实状态，需要人体口腔的配合（或者人体肌肉的配合）。将刷头用适当的力（正常刷牙按压用的力）压到测试工程师的脸颊上模拟这个状态。由于人体肌肉的弹性有一定的阻尼作用，消除了刷头的自谐振作用，测试出来的振动信号马上清晰了很多，频域曲线也验证了这点。

2、可以看出，真实使用中牙刷的在口腔内部的振动基本跟电机的驱动频率相符，振动幅值也基本与厂家的设计意图一致。

将振动传感器安装在牙刷的外壳上面测试人手的握感：

测试波形如下，可以看出，振动经过不同结构的多次传递和共振，已经明显变形，但是依然可以看出原始波形的频率特征。

试验总结

通过本次试验可以得知，该电动牙刷的使用体验是通过调整振动电机的振动频率以及幅值来实现的。设计者不但要选择合适的振动电机参数及控制算法，还需要考虑不同结构之间的相互作用才行，这个过程中针对不同的结构进行模态分析是必要的。本实验的收获不但让我们了解了电动牙刷的性能，还启发了我们在结构开发当中需要考虑多种结构的共同作用，在不同的驱动模式下，同样的结构也有可能出现不同的模态响应。