乘用車啟動電機噪聲評價方法

吳小珊，施 全，石曉輝，郭 棟，易 鵬

（1.重慶理工大學 汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054；2.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031； 3.重慶市科學技術研究院，重慶 401123）

乘用車啟動電機噪聲評價方法

吳小珊1，施 全1，石曉輝1，郭 棟2，易 鵬3

（1.重慶理工大學 汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054；2.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031； 3.重慶市科學技術研究院，重慶 401123）

客觀評價乘用車啟動電機噪聲是否滿足要求是乘用車啟動電機質量評價重要研究內容之一。針對乘用車啟動電機噪聲評價問題，本文提出了一種基于噪聲主觀評價結果，采用階次分析的乘用車啟動電機客觀評價方法。以15臺該類型電機在勻加速時的噪聲樣本為評價對象，采用等級評分法進行了主觀評價，獲得了8臺噪聲滿足80%以上評價主體可接受的電機樣本。提取了樣本在空載和負載工況下的特征階次，組成了目標階次族，依據極值包絡法確定了噪聲可接受電機的階次門閾值，為乘用車啟動電機噪聲評價提供了參考，具有重要的工程實踐意義。

聲學；電機；噪聲；階次分析；主觀評價；極值包絡法；

乘用車啟動電機噪聲是影響整車NVH（Noise，Vibration&Harshness）性能的重要因素之一。對電機噪聲問題國內外學者、技術人員開展了不同類別的研究工作。Jordan探索在電機設計階段控制電磁噪聲，把電機作為球形輻射器計算輻射聲功率[1]；代穎，崔淑梅等依據有限元法和模態技術研究了電機的振動噪聲問題[2]；李輝，許艮等人提出了天窗電機噪聲測試盒測試信號處理方法[3]。判斷電機噪聲是否滿足駕乘人員的要求，最直接、準確的方法是進行主觀評價，主觀評價方法是基于主觀試驗方法對電機聲音品質進行評價，目前常用的方法有等級評分法、排序法、語義細分法、幅度調節法和成對比較法[4]。由于主觀評價需要大量的人力、物力才能完成，延長了產品的開發時間，增加了成本。因此，找到一種相對準確、快速的電機噪聲客觀評價方法成為了電機企業面臨的重要課題。

隨著階次跟蹤技術的發展，在電機等旋轉機械中得到了廣泛的應用。丹麥B&K公司采用Vold-Kalman濾波技術成功提取了階次分量,并且在基于貝葉斯估計算法下成功實現了無轉速計信號下對噪聲和振動階次分量的提取。在國內，階次分析在汽車振動噪聲測試方面的應用也有比較深入的研究，同濟大學的周冠嵩,應用階次分析方法對某五檔客車自動變速器進行噪聲測試，得到了不同檔位下相應的車廂聲壓級情況[5]。浙江大學的孔慶鵬等針對發電機變速階段的振動信號，通過Gabor變換以及滿足信號時域重構的對偶數雙正交條件，釆用在時頻域進行帶通濾波的方法進行了階次跟蹤[6]。

本文針對某乘用車啟動電機企業電機噪聲客觀評價問題，在半消聲室中，測試了隨機抽取的15臺電機噪聲，通過階次分析方法確定了該款電機在空載和負載工況下噪聲的特征階次為12階和36階。然后對15臺電機噪聲進行了主觀評價試驗，找到8臺噪聲良好的電機。分別在空載和負載工況下，提取了8臺電機噪聲的特征階次，組成了目標階次族，依據極值包絡法最終確定了噪聲可接受電機的階次門閾值，并對其曲線進行驗證，得到合理的包絡曲線。運用該客觀評價方法到該批電機噪聲鑒別中，大大提高檢驗效率，節約了成本。

1 電機噪聲的機理

電機噪聲根據其產生機理的不同，可分為三類：電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲[7]。研究發現低轉速下電磁噪聲是主要的電機噪聲源，高轉速下空氣噪聲和機械噪聲是主要噪聲源[8]。

1.1 電磁噪聲

電磁噪聲來源于電磁振動，電磁振動由電機氣隙磁場作用于電機鐵心產生的電磁力所激發，而電機氣隙磁場又決定于定轉子繞組磁動勢和氣隙磁導。氣隙磁場產生的電磁力是一個旋轉力波，有徑向和切向兩個分量。

電磁噪聲的頻率計算公式

式中

Z為齒諧波次數（1或2）；Q為齒數；f0為電源頻率。

1.2 空氣動力噪聲

空氣動力噪聲來源是電機通風系統中氣流壓力的局部迅速變化和隨時間的急劇脈動，以及通風氣流與電機風路管道的摩擦。這種噪聲通常直接從氣流中輻射出去。電機的空氣動力噪聲主要包括：旋轉噪聲、渦流噪聲、笛聲。

空氣噪聲的特征頻率計算公式為

空氣噪聲與轉頻和風扇的葉片數有關，階次計算公式

式中O為階次；f為頻率；n為轉速。

1.3 機械噪聲

機械噪聲來源于電機運轉部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結構共振。通常是由軸承和換向引起的。電機軸承在繁重的工作狀態下運轉時，滾珠和外圈滾道相接處會發生彈性變形。滾道變形隨接觸處的變化呈周期性變化，產生振動和噪聲。軸承裝機后，內外圈的配合及軸承游隙對電機噪聲也有一定的影響。換向噪聲在有滑環和換向器的電機中是不可避免的。

2 階次分析原理

階次分析是從受周期載荷作用的機械系統中分離正弦成分的一種信號處理方法，對轉速進行跟蹤并實現恒角度增量采樣是進行階次分析的關鍵。為了確定重采樣的時間點需先行設定旋轉軸的角加速模式。假設機械作勻變速轉動，則在短時間段內參考軸做勻角加速運動[9-12]。旋轉軸轉角θ()t可以表達為

其中a0、a1、a2為待定系數，t為時間。

設t1、t2、t3為三個脈沖依次到達的時間。在階次分析中，轉速脈沖的角度間隔（ΔΦ）是不變的，有如下的關系式

將式（5）代入式（4）式求解可得固定角度變化所對應的時間間隔

式中k為插值系數，由（7）式決定

經過重采樣后，振動信號則由等時間間隔（Δt）序列x(t)變為等角度間隔（ΔΦ）序列x(θ)。同時采樣時必須滿足香農采樣定理，才能使譜分析時不出現頻率的混疊與泄漏，即有

式中Os為采樣階次；Omax為最大分析階次。

階次分析同轉速密切相關，且大大減少了計算時間，提高了計算速度和實時分析水平，且從階次圖中可以清楚看到信號的高諧波分量，因而成為旋轉機械振動噪聲測試的一個重要技術。

最近幾年隨著階次分析研究的深入，許多專家學者對電機噪聲的特征階次做了許多研究。2010年譚喜，董大偉等提出了負載時36階主要為電磁噪聲，并指出了其引起的共振頻率[13]；接著劉敏等也確定了負載時交流發電機的主要簡諧成分為36階次，且空載時主要是空氣動力噪聲[14]；2012年易鵬通過計算和實驗數據分析得到了電機在空載和負載工況下噪聲的特征階次為12階和36階[15]。2013年胡文明從對電機噪聲振動的幅頻特性分析中,確定了36諧次電磁激振力引起的電機內部結構強烈共振產生的噪聲是電機在中低速段加載狀態下噪聲成分的主導成分[16]。

3 電機噪聲試驗及分析

3.1 電機噪聲實驗設備

電機噪聲實驗在半消聲室內進行，測試電機的參數如表1所示。參照《旋轉電機噪聲測定方法及限值 噪聲測定方法》[17]，選擇半球面法進行測量。標準規定，對軸中心高或電機高度為180 mm及以下的電機，測量半球面的半徑r為0.4 m。本次試驗的電機軸中心高小于180 mm，故選定測量半球面的半徑為0.4 m。半球面法電機噪聲測試如圖1所示。在前、后、左、右、上的半球面上分別布置了五個麥克風，對電機噪聲進行測量。電機的安裝平臺及驅動系統是課題組為本次研究開發的。

表1 電機參數

圖1 電機噪聲測試

噪聲采集系統選用德國Head Acoustics的HS100-6102，分析系統選用該公司的Artemis。數據采集參數設置如下：采樣頻率48 000 Hz，分析頻率20 480 Hz；

3.2 電機實驗結果及討論

乘用車啟動電機工作轉速范圍通常在1 000 r/ min～13 000 r/min范圍內均勻變化。因此，為了全面測試乘用車啟動電機的噪聲特性，在該轉速范圍內，對該款電機分別進行了空載和負載噪聲實驗。每種工況組合測量三次，選取重復性較好的數據作為最后的分析數據。部分典型轉速下空載和負載電機噪聲聲壓級如表2所示。測試發現，在空載下，隨著轉速的升高，電機噪聲的聲壓級在不斷的增高；在負載工況下，電機噪聲的聲壓級出現波動的情況，但整體趨勢是在不斷的上升。負載工況下，在4 220 r/ min以前，隨著轉速的升高，電機噪聲明顯上升。在5 010 r/min以后，隨著轉速的升高，電機噪聲的聲壓級在逐步減低，但始終大于4 220 r/min以下的轉速范圍。

表2 特征轉速下空載負載聲壓級

運用前述階次分析方法，空載時總聲壓級和各個階次的貢獻量如圖2所示。從圖中可知，空載時候，隨著轉速的升高，電機噪聲的聲壓級在逐步升高。在各個階次成分中，12階噪聲整體上比其他階次明顯高，且與總體噪聲相差很小，是主要的貢獻量。由表1可知，電機風扇的葉片數為12片，依據式1-2、1-3計算得到電機風扇噪聲的主要階次是12階。因此，空載時12階空氣動力噪聲為主要的電機噪聲源。

圖2 空載特征階次的聲貢獻量

負載時總聲壓級和各個階次的貢獻量如圖3所示。

圖3 負載特征階次的聲貢獻量

從圖中可知，在各個階次成分中，36階噪聲比其他階次明顯突出，且與總體噪聲相差很小，是主要的貢獻量。結合表1和式1-1計算得到36階為電機的電磁噪聲。因此，負載時36階電磁噪聲為主要的電機噪聲源。

通過上面的實驗數據分析，發現空載時12階空氣動力噪聲為主要的電機噪聲源，負載時36階電磁噪聲為主要的電機噪聲源。與其他學者研究結論一致。因此，確定電機在空載和負載工況下噪聲的特征階次為12階和36階。

4 主觀評價試驗

4.1 主觀評價方法

由于主觀評價法直接根據人的主觀感受做出評價，具有很高的準確性，故在工程實際應用中，常采用主觀評價法對聲質量進行評價。常用的聲質量的主觀評價方法有等級評分法、排序法、語義細分法、幅度調節法和成對比較法等。本文為了區分出電機噪聲的可接受聲音，對15臺該款電機進行電機噪聲的主觀評價，選擇了“不可接受的—可接受的”作為評價準則，采用10等級評價法作為度量指標，評分等級如表3所示。等級1—5反映了該款電機噪聲不可接受的程度，等級6—10反映了該款電機噪聲可接受的程度。

表3 主觀評價等級

4.2 評價主體和聽音環境

評價主體由在校研究生20人組成，其中男生18人，女生2人，年齡在22歲—30歲。主觀評價試驗場地選擇在安靜室內，以鐵三角AT-HA60型5通道聲功率放大器和森海塞爾HD 600高保真耳機作為聲音回放設備。室內溫度22°C～24°C，濕度45%～50%，通風良好無異味。

4.3 評價結果

對所測電機中，隨機選出15臺進行主觀評價，經主觀評價最終選出3臺所有人都可接受的電機噪聲和5臺80%以上人可接受的電機噪聲。主觀評價結果如圖4所示。

圖4 主觀評價結果

5 客觀評價方法

從該款電機噪聲分析結果已知，空載時，12階空氣動力噪聲為主要聲源；負載時，36階電磁噪聲為主要噪聲源。以主觀評價實驗中三臺全部接受的電機和5臺80%接受的電機作為噪聲可接受電機的樣本。分別在空載和負載下，提取了其相應的特征階次，組成了特征階次族。通過極值包絡法確定不同工況下該款電機噪聲的可接受門閾值。噪聲數據在該極值包絡曲線以下，滿足噪聲要求，在極值包絡曲線以上，噪聲不滿足要求?？蛰d8臺樣本電機的12階階次聲壓級如圖5所示，極值包絡如圖中粗實線所示。負載8臺樣本電機的36階階次聲壓級如圖6所示，負載工況下該款電機噪聲的可接受門閥值如圖6中粗實線所示。

圖5 空載12階階次聲壓級

圖6 負載36階階次聲壓級

6 結語

提出了一種基于噪聲主觀評價結果的乘用車啟動電機客觀評價方法。理論分析了電機的噪聲特性，確定電機噪聲主要包括電磁噪聲、空氣動力噪聲和機械噪聲三部分。試驗研究了乘用車啟動電機噪聲特性。主要研究結果如下：

（1）在半消聲室中測量了15臺某款乘用車啟動電機的噪聲特性，通過階次分析方法，發現該款電機在空載下空氣動力噪聲為主要聲源，負載下電磁噪聲為主要噪聲源；

（2）采用等級評分法作為評價準則，對測得的電機噪聲樣本進行了主觀評價，結果顯示8臺電機噪聲為評價主體可接受；

（3）建立了8臺噪聲合格電機的特征階次族，運用極值包絡法，確定了該款電機噪聲客觀評價的門閾值，為電機噪聲客觀評價提供了參考。

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Noise Evaluation Method for Starting Motors of Passenger Cars

WU Xiao-shan1,SHI Quan1,SHI Xiao-hui1,GUO Dong2,YI Peng3
(1.Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China; 2.Mechanical Engineering College,Southwest Jiao tong University,Chengdu 610031,China; 3.ChongqingAcademy of Science&Technology,Chongqing 401123,China)

Starting motor noise is an important factor for evaluation of the passenger car’s acoustic quality.In this paper,an objective evaluation method with order analysis was proposed based on the subjective assessment results of the motor noise.The subjective evaluation of fifteen sample motors was carried out using the ranking scale method.Testing results showed that eight motors of them were acceptable.The highest orders of the acceptable motors were extracted under idle and load conditions to build the key group of critical orders.Then,by extracting the envelope of the critical orders,the threshold for objective judgment of starting motor noise of the passenger car was established.The proposed method may provide an alternate choice to evaluate motor noise for passenger cars.

acoustics;motor;noise;order tracking analysis;subjective evaluation;extreme envelope method

TM301

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.02.021

1006-1355(2015)02-0086-05

2014－10－24

重慶市科技攻關重點項目（cstc2012gg-yyjsB0216；cstc2011ggB0030）

吳小珊（1987－），女，四川內江人，研究生，主要研究方向：電機的振動噪聲和汽車變速器、整車的聲品質研究。

施全，男，研究生導師。E-mail:sq7370@163.com