感應加熱：您一直想知道卻不敢問的一切（2018年2月）
本月問題：我們計畫在擴散接合前，使用感應加熱來加熱複合金屬材料。是否需要擔心噪音過大的問題？您是否發現某些頻率的噪音比其他頻率更明顯？如果是的話，您是否有控制噪音水平的解決方案？
答案：在絕大多數感應加熱應用中，工業噪音並未達到顯著的水平。因此，儘管有少數例外情況，但沒有理由擔心噪音過大。較低的頻率通常會導致線圈電流增大，從而增加電磁力及線圈匝數的振動。 因此，可以合理預期，相較於 3 kHz 或 30 kHz 的系統，採用電源頻率（60 Hz）的系統所產生的工業噪音幅度會更大。此外，功率（kW）較大的系統，極可能也會伴隨較多的噪音。因此，假設所有其他因素皆相同，500 kW 所產生的噪音會比 100 kW 更大。
在討論可聽噪音時，我們必須謹記兩個主要因素，這些因素會影響工業噪音對人類造成的影響——即聲強與不悅感／不適程度。舉例來說，低頻可聽噪音（例如 50 至 60 Hz）的聲強可能較高，但相較於高頻（例如 1 kHz）且聲強較低的噪音，它對人耳造成的惱人程度可能較低。
以下是感應加熱過程中產生噪音的四大主要來源：
- 電源所產生的噪音。市面上有眾多電源供應器可供選擇。就感應加熱而言，採用單模組逆變器的功率與頻率組合範圍從市電頻率到數百千赫不等，即使在 800 千赫左右的頻率範圍內，功率水準亦可超過 1000 千瓦。基於半導體技術的現代電源供應器，其設計特點使其運作時幾乎無聲。因此，源自電源供應器的噪音通常並非需要擔憂的問題。
- 由銅線圈匝數振動所產生的噪音。製造感應線圈的兩種主要方法可分為「開放式繞組」與「耐火材料包覆式」[參考文獻 1]。開放式繞組方法在發生故障時更便於維修，但必須使用螺柱和適當的固定裝置來固定線圈匝數，以消除或最大限度地減少振動和噪音。 採用可澆注耐火材料（例如特殊等級的水泥）封裝的線圈，不僅具備耐用性且使用壽命更長，還能消除或大幅降低線圈銅匝的振動。設計得當的感應線圈不會產生令人困擾的噪音。
- 由工件振動或共振聲波（放大效應）所產生的噪音。若工件由若干鬆動部件組成，這些部件可能會振動並產生噪音。為評估此可能性，需檢視該工件的具體幾何形狀。 在某些擴散接合應用中，可施加壓力以將個別組件振動的可能性降至最低。當對中空工件進行感應加熱（例如對相對薄壁的管件進行感應加熱）時，某些頻率若與足夠高的功率密度結合，可能會發出幅度顯著的共振聲波，其強度甚至可能超過可聽範圍。在此類情況下，可聽噪音也可能成為主要因素，對頻率選擇產生重大影響。 每根管材都有其自身的結構共振頻率（SRF），這取決於直徑、壁厚、材質、長度及其他因素。當感應線圈的加熱頻率與管材本身的共振頻率足夠接近時，便可能產生高振幅振動及過度的可聽噪音。 換言之，正如無線電接收器將電磁波轉化為可聽聲音，在處理特定頻率時，管件或管道也可能因類似的機制而發揮放大器的作用。關於是否能透過選擇不同的（更高或更低）頻率來降低噪音，需綜合考量特定管狀工件的結構自諧振頻率（SRF）與感應加熱器所施加的頻率。 因此，在這種情況下，可透過簡單地用鎚子敲擊工件來測量其 SRF，並使用具備偵測測量訊號頻率與振幅能力的聽覺接收器來測量共振產生的可聽噪音。如此一來，在判斷某個頻率是否能改善噪音水準（相較於會產生無法接受噪音的頻率）時，便能做出更明智的決策。 例如，若某工件的 SRF 為 300 Hz，則選定的頻率與之越遠，所產生的噪音就越低。 在此情況下，相較於 1 kHz，6 kHz 所產生的噪音會明顯較低。相反地，若 SRF 為 5 kHz，則使用 6 kHz 會比使用 500 Hz 產生更糟的噪音。在加熱金屬材料時，通常會使用保護性或還原性氣氛。因此，若您的感應系統設置於氣密腔室／封閉空間內，將能大幅降低噪音水準。
- 由電源線、匯流排及固定裝置的振動所產生的噪音。使用設計不當的固定裝置、電源線及匯流排的可能性極低。不過，若有任何疑慮，均可諮詢感應加熱專家。
關於這些要點的進一步討論，請參閱參考文獻1。
瓦列里·魯德涅夫博士，FASM
科技總監
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com
參考資料
- V. Rudnev、D. Loveless 及 R. Cook，《感應加熱手冊》，第 2 版，CRC Press，2017 年。