電動摩托車及電動輕便摩托車用電機噪聲測試方法的研究

　張力偉　付俊俊（1-西安建筑科技大學信息與控制工程學院陜西西安710055 -國家摩托車質量監督檢驗中心）

·綜述·

電動摩托車及電動輕便摩托車用電機噪聲測試方法的研究

張力偉1,2付俊俊2
（1-西安建筑科技大學信息與控制工程學院陜西西安710055 2-國家摩托車質量監督檢驗中心）

電動摩托車及電動輕便摩托車（簡稱電動摩托車）用電機噪聲測試項目是電動摩托車用電機及控制器測試項目之一，更是各類電機的通用試驗項目，也是電機性能的重要評價指標。正確測定電機的噪聲是個相當復雜的問題，它不僅與測試方法有關，還與測試場地的聲學環境條件有關。根據電機尺寸和測試場地的聲學環境，正確選取基礎測試標準，正確安裝電機和設置測點，以及有效地抑制測試環境中的背景噪聲，將在很大程度上影響測試結果的準確性。

電機噪聲聲壓級聲功率級彈性安裝測點布置

引言

《QC/T 792-2007電動摩托車和電動輕便摩托車用電機及控制器技術條件》是目前我國電動摩托車用電機及控制器檢測的唯一標準。目前，機動車公告管理中對電動摩托車檢測樣車，要求其電機和控制器單體必須滿足QC/T 792-2007的要求。本標準中規定了電動摩托車用電機及控制器產品檢測項目33項，而電動摩托車用電機噪聲測試項目是其中之一。QC/T 792-2007要求電機懸持在彈性元件上，在額定電壓下空載運行，按GB/T 10069.1-2006所規定的方法進行噪聲試驗，其噪聲應不大于65dB(A)[1]。而《GB/T 10069.1-2006旋轉電機噪聲測定方法及限值第1部分：旋轉電機噪聲測定方法》中根據不同的聲學環境條件、不同的背景噪聲等級、不同的精度等級和不同的測試量又引用了不同的基礎標準。因此，本文將以QC/T 792-2007為基本要求，通過研究GB/T 10069.1-2006和相關基礎標準來闡述電動摩托車用電機噪聲測試方法，并提出注意事項和標準改進建議。

1　聲學基礎標準的選擇

《QC/T 792-2007電動摩托車和電動輕便摩托車用電機及控制器技術條件》中要求，電動摩托車用電機噪聲測試方法按照《GB/T 10069.1-2006旋轉電機噪聲測定方法及限值第1部分：旋轉電機噪聲測定方法》標準中的要求進行試驗。而GB/T 10069.1-2006在第5章聲功率級的測定中規定：按照以下類型選擇可使用的聲學測量基礎標準，這些基礎標準中規定了電機噪聲測量點的布置以及數據處理方法[2]。因此，正確選擇合適的聲學基礎標準是準確、高效測量電機噪聲的基本條件。

1）測試場地不同的聲學環境條件；

2）與被試電機噪聲級相關的背景噪聲級不同的要求；

3）不同的精度等級；

4）不同的測試量：聲壓或聲強。

GB/T 10069.1-2006中列出的可以選擇的基礎標準如下：

1級精度：GB/T 6881.1-2002，GB/T 6882-2002，GB/T 16404.1-1996；

2級精度：GB/T 6881.2-2002，GB/T 6881.3-2002，GB/T 3767-1996，GB/T 16538-1996，

GB/T 16539-1996，GB/T 16404.1-1996，GB/T 16404.2-1996；

標準規定一般推薦2級精度的工程法。但是，如果證實沒有更為精確的方法可用，也可用3級精度的簡易法：

3級精度：GB/T 3768-1996，GB/T 16404.1-1996，GB/T 16404.2-1996，GB/T 16539-1996。

主要基礎標準的應用場合如表1所示。

表1　聲功率級測定程序及其相關應用場合

標準規定一般推薦2級精度的工程法，因此，在基礎標準的選用上，如果測試環境條件允許，盡量選取2級精度的基礎標準。同時，標準在5.3附加條件中明確規定，對于近似自由場的測試場地，采用GB/ T 3767-1996或GB/T 3768-1996兩個基礎標準規定的聲壓法進行測量時，可采用GB/T 10069.1-2006附錄C規定的簡化測點的方法進行測量，這樣可以大大簡化測點，減少傳聲器數量。而在這兩個標準中，選取2級精度的GB/T 3767-1996基礎標準更加合適。

GB/T 3767-1996中要求測試場地聲學環境為反射面上方近似自由場。它可以是：

1）滿足GB 6882附錄A的半消聲室：提供一個反射面上方自由場的試驗室。（環境修正K2可忽略不計）。

2）室外平坦空地：測試環境除反射面外應沒有其他反射體，使聲源能夠向反射面上方的自由空間輻射。（需要按照GB/T 3767-1996附錄A要求計算環境修正值K2）。

因此，針對我單位半消聲室的測試條件，《GB/T 3767-1996聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方近似自由場的工程法》為最合適的基礎標準。

注意：當GB/T 10069.1-2006與選取的聲學基礎標準在測量方法和要求上有差異時，以GB/T 10069.1-2006中的要求為準。

因此，電動摩托車電機噪聲測試方法的標準采用流程按照優先級從高到低可寫為：

2　電動摩托車用電機噪聲聲壓級測量和聲功率級計算

電動摩托車用電機噪聲的最終考核結果為聲功率級，但是聲功率級一般無法直接測量。因此，我們先根據選取的聲學基礎標準《GB/T 3767-1996聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方近似自由場的工程法》和《GB/T 10069.1-2006附錄C》規定的簡化測點的方法測量出電機噪聲聲壓級后，再根據GB/T 3767-1996中聲功率級計算公式計算出最終結果。

2.1電機的安裝

測試時，電機的安裝有彈性安裝和剛性安裝兩種方式。QC/T 792-2007中規定，電機的安裝方式為彈性安裝。

GB/T 10069.1-2006中對彈性安裝規定：支撐裝置和被測電機組成系統的最高固有頻率應低于電機最低轉速相應頻率的1/3。安裝電機的彈性裝置應與GB 10068-2000一致。

結合標準GB 10068-2000，電動摩托車電機噪聲測試彈性安裝要求歸納如下：

1）彈性安裝：彈性安裝是指用彈性懸掛或支撐裝置將電機與地面隔離，標準GB10068中稱其為"自由懸置"。

2）材料種類：彈性懸掛采用彈簧或強度足夠的橡膠帶等，彈性支撐可采用乳膠海綿、膠皮或彈簧等。為了電機安裝穩定和壓力均勻，彈性材料上可加放一塊有一定剛度的平板。但應注意，該平板和彈性材料的總質量不應大于被試電機的1/10。

3）尺寸：標準中沒有規定彈性支撐海綿、膠皮墊和剛度過渡平板的尺寸要求，但在使用中，建議按電機噪聲測試方法原標準GB/T 10069.1-1988中的相關要求，即按被試電機投影面積的1.2倍裁制[3]，或簡單地按被試電機長b（不含軸伸長）和寬a（不含設在側面的接線盒等）各增加10%，作為它們的長與寬進行裁制，即彈性支撐海綿、膠皮墊和剛度過渡平板的尺寸為1.1b×1.1a。

圖1為采用膠皮墊作為彈性支撐的電動三輪摩托車直流串勵電機。如果電機質量過大使得膠皮墊接觸部位形變明顯，也可在膠皮墊和電機底座之間放置與膠皮墊一樣大小的剛性過渡板。如圖3所示。圖2為采用膠皮墊和帶彈簧的橡膠底腳作為彈性支撐的電動兩輪摩托車輪轂電機。

圖1　采用膠皮墊/膠皮墊加剛性過渡板的彈性安裝方式

圖2　采用膠皮墊和彈簧橡膠腳作為彈性支撐的電動兩輪摩托車輪轂電機

4）彈性安裝裝置的伸長量或壓縮量

在彈性安裝狀態下測量電機的噪聲，與彈性安裝裝置的伸長量或壓縮量有直接的關系，但標準中沒有直接給出規定值。GB 10068-2000規定：“電機在規定的條件下運轉時，沿6個可能自由度的固有振動頻率應小于被試電機相應轉速頻率的1/3[4]。”GB/T 10069.1-2006中規定：“支撐裝置和被測電機組成系統的最高固有頻率應低于電機最低轉速相應頻率的1/3。”這里按照GB/T 10069.1-2006中的規定執行。（注意：這里的電機最低轉速應為噪聲測試周期內電機運轉的最低轉速，由于電動摩托車用電機噪聲測試運轉狀態為額定電壓下空載穩定運轉，該最低轉速應為額定電壓下最高空載轉速運行周期內的轉速最低值）這種描述對于一般操作人員很難理解，下面筆者通過理論推導的方式得出當電機采用彈性安裝后，彈性支撐裝置壓縮量的最小值Z（mm）與其額定轉速nN（r/min）的關系。

“電機及其自由懸置系統沿6個可能自由度的固有振動頻率”用f0(H z)表示，應用下述理論公式求出：

式中K——彈性材料的彈性常數；

m——振動系統的質量，kg。

由于彈性材料的彈性常數K=mg/Z，g為重力加速度，取g=9800mm/s2；Z為電機安裝之后彈性材料的壓縮量（mm）。將這些關系和數據代入式（1）中，得出式（2）。

被試電機相應轉速頻率fN(Hz)用下式求取：

式中n——電機的轉速，r/min。

根據標準中“支撐裝置和被測電機組成系統的最高固有頻率應低于電機最低轉速相應頻率的1/3。”的要求：

通過上式（2）、（3）和（4），得出電機安裝之后彈性懸掛或支撐裝置的伸長量或壓縮量的Z（mm）與被試電機相應轉速n（r/min）的關系：

GB 10068-2000規定：根據被試電機的質量，電機轉速在600~3600r/min范圍內，懸置系統應具有的彈性位移與轉速的關系如圖3所示。

圖3彈性懸掛或支撐裝置的伸長量或壓縮量的Z（mm）與被試電機相應轉速n（r/min）的關系

實際上圖3是根據式（5）繪制出的。表2給出了幾對常用值，試驗中的電機轉速代入（5）式也可求出最小伸長或壓縮量。

表2彈性安裝裝置的最小伸長或壓縮量

2.2電機的運行狀態

QC/T 792-2007中規定，電機的運行狀態為在額定電壓下空載運行。標準并未給出空載運行的狀態，因此為了測量空載運行時的最大噪聲，應為空載最高轉速運行。

2.3測試設備

筆者單位使用的測試設備為丹麥B&K公司的3053型噪聲振動測試系統，配合傳聲器可以進行電機噪聲的測試。圖4為丹麥B&K 3053型噪聲振動測試系統,這套系統由B&K 3053噪聲振動分析儀、

圖4丹麥B&K 3053型噪聲振動測試系統

2.4電機噪聲測量點的布置

結合GB/T 10069.1-2006附錄C和GB/T 3767-1996的測點布置要求可以將測點的布置方式總結如下：

根據GB/T 10069.1-2006中附錄C的規定，根據電機軸中心高度的不同，傳聲器安放測點的數目，測試半徑以及測試面型式的選取都不一樣，簡要總結如表3所示：

表3　旋轉電機噪聲測定方法簡化測點的布置

1）半球面測試面測點布置法：將電機安放在測量場地中心位置。以電機在地面上的垂直投影中心為球心，測面為一個下扣的半球，傳聲器測點應在這個半球面上，并使其軸線對準球心位置，高度0.25m。測點分布圖如圖5所示。

圖5　半球面測點布置法測點位置

2）平行六面體測試面測點布置法：平行六面體測試面測點布置法常稱為等效矩形或方箱形面測點布置法。它可以想象為被試電機放在一個方形的包裝箱內，該包裝箱的底就是安放被試電機的地面，所有的測點就分布在包裝箱上。各測點距被試電機表面的距離為1m。對于較小尺寸的電機，可在電機的前、后、左、右及正上方各設置一個測點，距地面的高度為電機的軸中心高加彈性支撐高度，但最低為0.25m，如圖6所示。

圖6　平行六面體測試面測點布置法測點位置

3）增加測點布置方法。相鄰測點間的聲級差若大于5dB，則應在其間增加測點，直至小于5dB為止。平行六面體增加的測點位置為原兩點的中間位置或六面體相對地面投影的頂點位置。

對較大尺寸的電機也應增加測點，其測點間的直線距離不得大于1m。（即僅對于平行六面體布置的測量面，相鄰兩個測點之間的距離超過1m時，應在左右兩側增加測點）。但是這類電機在電動摩托車上基本不可能使用，增加測點方法如圖7所示。圖8為電動摩托車輪轂電機和小型差速電機的試驗圖。

圖8　電動摩托車輪轂電機和小型差速電機試驗圖

2.5測量方法

GB/T 3767-1996中規定：在聲源工作的典型周期上（電機的運行狀態為在額定電壓下空載運行）觀察時間平均聲壓級，在測試的頻率范圍內，在每個傳聲器位置上讀取時間平均聲壓級[5]。測量以下量：

b)背景噪聲的A計權聲壓級。

對中心頻率160Hz及其以下的頻帶，觀察周期應至少30s，對中心頻率200Hz及其以上的頻帶，觀察周期至少為10s。我們可以通過計算被測量聲源的中心頻率來確定觀察周期（測量時間），也可以全部以30s作為觀察周期。下圖為一組輪轂電機的5點A計權聲壓級測試數據。的測試方法與一樣，只是電機處于不工作狀態，測試結果也為5組傳聲器的測試數據。圖9為某輪轂電機測試數據。注意：為了減少背景噪聲的影響，應盡量采用噪聲值較小的直流源或蓄電池組作為電機動力電源。

圖9　一組輪轂電機的5點A計權聲壓級測試數據（68.1、68.8、69.2、68.7、68.8）（dB（A））

2.6表面聲壓級和聲功率級的計算

在現行的電機噪聲考核標準中，大部分采用聲功率級，少部分采用聲壓級。這是因為，聲功率級只與聲源的功率有關；而聲壓級則與聲壓和測量點到聲源的距離兩個因素有關，即在給出聲壓級數值的同時，還應給出測量距離，所以表述不如聲功率級方便。電動摩托車用電機噪聲測試方法采用聲功率級作為試驗結果進行最終考核。

1）測量表面平均聲壓級的計算。測量表面平均聲壓級和測量表面平均背景噪聲聲壓級用式（6）和式（7）計算：

L"p——測量表面平均背景噪聲聲壓級，dB；

L'pi——在第i個傳聲器上測得的聲壓級，dB；

L"pi——在第i個傳聲器上測得的背景噪聲聲壓級，dB；

N——傳聲器位置數目。

2）背景噪聲修正。修正值K1用式（8）計算：

3）表面聲壓級計算。表面聲壓級Lp按式（9）計算：

這里的環境修正K2在測試場地為半消聲室的情況下可忽略不計。

4）最終聲功率級的計算。聲功率級LW按式（10）計算：

S——測量表面的面積，m2；

S0——單位面積，1m2。

對于測點距離聲源中心（半徑）為1m的半球面，S=6.28m2，對于半徑為0.4m的半球面，S=1.00m2。我們可以看出，當半徑為1m時］近似為8dB， LW比近似大8dB；當半徑為0.4m時，10lg］近似為0.021，可以認為在測點半徑為0.4m時，表面聲壓級近似等于聲功率級。

以2.5中某輪轂電機5點法測得的數據為例，聲功率級計算結果如表4所示。

表4某輪轂電機5點法噪聲測試結果dB（A）

因此，該電動兩輪摩托車用輪轂電機測試結果超出65dB（A）的限值，測量結果為不合格。

2.7測試數據與建議

2.7.1電動摩托車及電動輕便摩托車用幾種特殊電機測試數據

目前，國內電動摩托車及電動輕便摩托車常用的電機型式主要為：電動兩輪摩托車和電動兩輪輕便摩托車用輪轂式永磁無刷直流電機，電動三輪摩托車和電動三輪輕便摩托車用差速式永磁無刷直流電機。其中電動兩輪摩托車用輪轂電機額定轉速在680r/min~850r/min之間，電動三輪摩托車和電動三輪輕便摩托車用差速電機額定轉速在2 500r/min~ 6 000r/min之間。除此之外，也有些電動兩輪摩托車或大功率電動兩輪摩托車采用皮帶或者軸傳動的中置式電機。表5是隨機抽取10臺不同類型常用電機的聲功率級測試結果。

表5　不同類型常用電機的聲功率級噪聲測試結果

從表5可以看出，從隨機抽取的10臺電機中，只有兩臺功率較小的電機噪聲測量結果滿足65dB（A）的限值要求。

2.7.2噪聲測試數據超標原因分析

結合現行國家電機噪聲測試標準，電動摩托車用電機產品特性、功率和額定轉速范圍，以及A計權的測量特性分析測試數據超標原因有以下幾點：

1）與電動自行車、電動輕便摩托車用小功率電機相比，電動摩托車用電機電壓高，功率大，轉速高。GB 7258-2012中要求電動摩托車最大設計車速大于50km/h，或其電動機最大輸出功率總和大于4kW。因此，為了滿足此要求，電動兩輪摩托車用輪轂電機額定電壓和額定功率大部分保持在48V/ 60V；1 200W/1 500W。電動三輪摩托車用差速電機額定電壓和額定功率基本在60V，1 800W以上。相同的特點是功率大、轉速高，因此噪聲測量結果必然會高。

2）與現行國家電機噪聲測試標準相比，QC/T 792-2007中針對電動摩托車及電動輕便摩托車用電機噪聲測試標準限值更加嚴格。QC/T 792-2007中引用《GB/T 10069.1-2006旋轉電機噪聲測定方法及限值第1部分：旋轉電機噪聲測定方法》作為測量方法，但未引用其限值部分《GB 10069.3-2008旋轉電機噪聲測定方法及限值第3部分：噪聲限值》。國家標準GB 10069.3-2008規定的旋轉電機噪聲限值如圖10所示。

圖10　 GB 10069.3-2008中規定的不同電機的噪聲限值[6]

我們可以看出，對于絕大多數電動兩輪摩托車用1 200W/1 500W，680r/min~850r/min的輪轂電機其噪聲限值為74dB（A）。而對于大多數2kW~5kW，2 500r/min~5 000r/min的電動三輪摩托車差速電機來說，其限值分別為85dB（A）、89dB（A）和86dB（A）、93dB（A）。

3）電機特性與A計權測量原理共同決定。在測量中發現，電動兩輪摩托車用輪轂電機和電動三輪摩托車用差速電機噪聲多為高頻段噪聲，也就是說噪聲表現非常尖銳。測試結果較高與A計權的測量原理有直接聯系。聲級的計權是指使用儀器對人耳所能聽到的聲音頻率范圍內，不同頻率段的聲級進行不同的衰減。有3種計權方式，即A、B、C，其中A計權是對低頻段進行較大衰減、對高頻段較少衰減直至不衰減的一種計權方式，它較準確地反映了人耳對不同頻率噪聲的反應程度，即對于相同聲壓或聲功率的聲音，人耳對頻率較高的反應較靈敏，而對頻率較低的反映不太靈敏；B計權是對低頻進行少量衰減；C計權是所有頻率都不衰減[7]。電機噪聲測試采用A計權，正好對高頻段噪聲靈敏度較高，這是噪聲超標的主要原因之一。因此，為了減少電動摩托車用電機噪聲，應從減少高頻段噪聲上下功夫。

2.7.3標準改進建議

針對我國電動摩托車和電動輕便摩托車用電機測試唯一標準《QC/T 792-2007電動摩托車和電動輕便摩托車用電機及控制器技術條件》，在噪聲測試項目中有以下幾點建議：

1）是否可結合電機噪聲國家測試標準和我國電動摩托車用電機產品噪聲實際水平提高標準限值。

2）對于一些無法穩定運行在空載轉速的電機如直流串勵電機，是否考慮帶負載運行狀態下的噪聲測量。

3）對于帶減速器的差速電機，是否考慮帶變速機構的噪聲測量。

4）是否可根據車輛型式、電機額定功率和額定轉速，驅動電機數量進行限值劃分。

3　結束語

隨著電動摩托車檢驗標準的不斷加嚴和電動摩托車及其零部件專項檢驗標準的逐漸制定。與摩托車發動機一樣，電動摩托車用電機的強制性產品認證要求勢在必行。因此，電動摩托車整車及其電機、控制器等相關零部件產品的技術提升是電動摩托車發展的必由之路。

1全國汽車標準化技術委員會.QC/T 792-2007電動摩托車和電動輕便摩托車用電機及控制器技術條件[S].北京：中國計劃出版社，2008

2全國旋轉電機標準化技術委員會.GB/T 10069.1-2006旋轉電機噪聲測定方法及限值第1部分：旋轉電機噪聲測定方法[S].北京：中國標準出版社，2006

3全國旋轉電機標準化技術委員會.GB 10069.1-1988旋轉電機噪聲測定方法及限值噪聲工程測定方法[S].北京：中國標準出版社，1988

4全國旋轉電機標準化技術委員會.GB 10068-2000軸中心高為56mm及以上電機的機械振動振動的測量、評定及限值[S].北京：中國標準出版社，2000

5全國聲學標準化技術委員會.GB/T 3767-1996聲學聲壓法測定噪聲源聲功率級反射面上方近似自由場的工程法[S].北京：中國標準出版社，1996

6全國旋轉電機標準化技術委員會.GB 10069.3-2008旋轉電機噪聲測定方法及限值第3部分：噪聲限值[S].北京：中國標準出版社，2008

7才家剛,吳亞琪.電機試驗技術及設備手冊[M].北京:機械工業出版社,2011

Research on theMeasurementMethod of AirborneNoise Emitted byMotor for ElectricMotorcyclesand ElectricMopeds

Zhang Liwei1,2,Fu Junjun2
1-Schoolof Information and Control Engineering,Xi`an University ofArchitectureand Technology(Xi'an,Shanxi, 710055,China)2-China NationalMotorcycle Testing Center

Motor noise test for electric motorcycles and electric mopeds(hereinafter referred to as electric motorcycles)is one of themotors and controllers test items for electricmotorcycles.Motor noise test is one of themotor general test items too.It is an important evaluation index ofmotor performance.How to correctly determinemotor noise isa very complicated problem.It isnotonly related to the testmethod,butalso related to the acoustic environmentof the test room.Correct selection of base teststandard,properly installedmotor and effectively restraining thebackground noisewill influence theaccuracy of the test results.

Motor noise,Sound pressure level,Sound power level,Elasticmounting,Microphone arrangement

U483

A

2095-8234（2016）02-0068-09

2016-02-03）

張力偉(1984-),男，工程師，主要研究方向為新能源電動車及電機、控制器、蓄電池、充電器等電器零部件檢測與產品應用技術。