吳小珊，施 全，石曉輝，郭 棟，易 鵬

（1.重慶理工大學(xué) 汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031； 3.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 401123）

乘用車啟動(dòng)電機(jī)噪聲評(píng)價(jià)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(xué) 汽車零部件制造及檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054；2.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031； 3.重慶市科學(xué)技術(shù)研究院，重慶 401123）

客觀評(píng)價(jià)乘用車啟動(dòng)電機(jī)噪聲是否滿足要求是乘用車啟動(dòng)電機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)重要研究?jī)?nèi)容之一。針對(duì)乘用車啟動(dòng)電機(jī)噪聲評(píng)價(jià)問(wèn)題，本文提出了一種基于噪聲主觀評(píng)價(jià)結(jié)果，采用階次分析的乘用車啟動(dòng)電機(jī)客觀評(píng)價(jià)方法。以15臺(tái)該類型電機(jī)在勻加速時(shí)的噪聲樣本為評(píng)價(jià)對(duì)象，采用等級(jí)評(píng)分法進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)，獲得了8臺(tái)噪聲滿足80%以上評(píng)價(jià)主體可接受的電機(jī)樣本。提取了樣本在空載和負(fù)載工況下的特征階次，組成了目標(biāo)階次族，依據(jù)極值包絡(luò)法確定了噪聲可接受電機(jī)的階次門閾值，為乘用車啟動(dòng)電機(jī)噪聲評(píng)價(jià)提供了參考，具有重要的工程實(shí)踐意義。

聲學(xué)；電機(jī)；噪聲；階次分析；主觀評(píng)價(jià)；極值包絡(luò)法；

乘用車啟動(dòng)電機(jī)噪聲是影響整車NVH（Noise，Vibration&Harshness）性能的重要因素之一。對(duì)電機(jī)噪聲問(wèn)題國(guó)內(nèi)外學(xué)者、技術(shù)人員開展了不同類別的研究工作。Jordan探索在電機(jī)設(shè)計(jì)階段控制電磁噪聲，把電機(jī)作為球形輻射器計(jì)算輻射聲功率[1]；代穎，崔淑梅等依據(jù)有限元法和模態(tài)技術(shù)研究了電機(jī)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題[2]；李輝，許艮等人提出了天窗電機(jī)噪聲測(cè)試盒測(cè)試信號(hào)處理方法[3]。判斷電機(jī)噪聲是否滿足駕乘人員的要求，最直接、準(zhǔn)確的方法是進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，主觀評(píng)價(jià)方法是基于主觀試驗(yàn)方法對(duì)電機(jī)聲音品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，目前常用的方法有等級(jí)評(píng)分法、排序法、語(yǔ)義細(xì)分法、幅度調(diào)節(jié)法和成對(duì)比較法[4]。由于主觀評(píng)價(jià)需要大量的人力、物力才能完成，延長(zhǎng)了產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，增加了成本。因此，找到一種相對(duì)準(zhǔn)確、快速的電機(jī)噪聲客觀評(píng)價(jià)方法成為了電機(jī)企業(yè)面臨的重要課題。

隨著階次跟蹤技術(shù)的發(fā)展，在電機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械中得到了廣泛的應(yīng)用。丹麥B&K公司采用Vold-Kalman濾波技術(shù)成功提取了階次分量,并且在基于貝葉斯估計(jì)算法下成功實(shí)現(xiàn)了無(wú)轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)下對(duì)噪聲和振動(dòng)階次分量的提取。在國(guó)內(nèi)，階次分析在汽車振動(dòng)噪聲測(cè)試方面的應(yīng)用也有比較深入的研究，同濟(jì)大學(xué)的周冠嵩,應(yīng)用階次分析方法對(duì)某五檔客車自動(dòng)變速器進(jìn)行噪聲測(cè)試，得到了不同檔位下相應(yīng)的車廂聲壓級(jí)情況[5]。浙江大學(xué)的孔慶鵬等針對(duì)發(fā)電機(jī)變速階段的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)Gabor變換以及滿足信號(hào)時(shí)域重構(gòu)的對(duì)偶數(shù)雙正交條件，釆用在時(shí)頻域進(jìn)行帶通濾波的方法進(jìn)行了階次跟蹤[6]。

本文針對(duì)某乘用車啟動(dòng)電機(jī)企業(yè)電機(jī)噪聲客觀評(píng)價(jià)問(wèn)題，在半消聲室中，測(cè)試了隨機(jī)抽取的15臺(tái)電機(jī)噪聲，通過(guò)階次分析方法確定了該款電機(jī)在空載和負(fù)載工況下噪聲的特征階次為12階和36階。然后對(duì)15臺(tái)電機(jī)噪聲進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)，找到8臺(tái)噪聲良好的電機(jī)。分別在空載和負(fù)載工況下，提取了8臺(tái)電機(jī)噪聲的特征階次，組成了目標(biāo)階次族，依據(jù)極值包絡(luò)法最終確定了噪聲可接受電機(jī)的階次門閾值，并對(duì)其曲線進(jìn)行驗(yàn)證，得到合理的包絡(luò)曲線。運(yùn)用該客觀評(píng)價(jià)方法到該批電機(jī)噪聲鑒別中，大大提高檢驗(yàn)效率，節(jié)約了成本。

1 電機(jī)噪聲的機(jī)理

電機(jī)噪聲根據(jù)其產(chǎn)生機(jī)理的不同，可分為三類：電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲[7]。研究發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速下電磁噪聲是主要的電機(jī)噪聲源，高轉(zhuǎn)速下空氣噪聲和機(jī)械噪聲是主要噪聲源[8]。

1.1 電磁噪聲

電磁噪聲來(lái)源于電磁振動(dòng)，電磁振動(dòng)由電機(jī)氣隙磁場(chǎng)作用于電機(jī)鐵心產(chǎn)生的電磁力所激發(fā)，而電機(jī)氣隙磁場(chǎng)又決定于定轉(zhuǎn)子繞組磁動(dòng)勢(shì)和氣隙磁導(dǎo)。氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力是一個(gè)旋轉(zhuǎn)力波，有徑向和切向兩個(gè)分量。

電磁噪聲的頻率計(jì)算公式

式中

Z為齒諧波次數(shù)（1或2）；Q為齒數(shù)；f0為電源頻率。

1.2 空氣動(dòng)力噪聲

空氣動(dòng)力噪聲來(lái)源是電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中氣流壓力的局部迅速變化和隨時(shí)間的急劇脈動(dòng)，以及通風(fēng)氣流與電機(jī)風(fēng)路管道的摩擦。這種噪聲通常直接從氣流中輻射出去。電機(jī)的空氣動(dòng)力噪聲主要包括：旋轉(zhuǎn)噪聲、渦流噪聲、笛聲。

空氣噪聲的特征頻率計(jì)算公式為

空氣噪聲與轉(zhuǎn)頻和風(fēng)扇的葉片數(shù)有關(guān)，階次計(jì)算公式

式中O為階次；f為頻率；n為轉(zhuǎn)速。

1.3 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲來(lái)源于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振。通常是由軸承和換向引起的。電機(jī)軸承在繁重的工作狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠和外圈滾道相接處會(huì)發(fā)生彈性變形。滾道變形隨接觸處的變化呈周期性變化，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。軸承裝機(jī)后，內(nèi)外圈的配合及軸承游隙對(duì)電機(jī)噪聲也有一定的影響。換向噪聲在有滑環(huán)和換向器的電機(jī)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(jī)械系統(tǒng)中分離正弦成分的一種信號(hào)處理方法，對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行跟蹤并實(shí)現(xiàn)恒角度增量采樣是進(jìn)行階次分析的關(guān)鍵。為了確定重采樣的時(shí)間點(diǎn)需先行設(shè)定旋轉(zhuǎn)軸的角加速模式。假設(shè)機(jī)械作勻變速轉(zhuǎn)動(dòng)，則在短時(shí)間段內(nèi)參考軸做勻角加速運(yùn)動(dòng)[9-12]。旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角θ()t可以表達(dá)為

其中a0、a1、a2為待定系數(shù)，t為時(shí)間。

設(shè)t1、t2、t3為三個(gè)脈沖依次到達(dá)的時(shí)間。在階次分析中，轉(zhuǎn)速脈沖的角度間隔（ΔΦ）是不變的，有如下的關(guān)系式

將式（5）代入式（4）式求解可得固定角度變化所對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔

式中k為插值系數(shù)，由（7）式?jīng)Q定

經(jīng)過(guò)重采樣后，振動(dòng)信號(hào)則由等時(shí)間間隔（Δt）序列x(t)變?yōu)榈冉嵌乳g隔（ΔΦ）序列x(θ)。同時(shí)采樣時(shí)必須滿足香農(nóng)采樣定理，才能使譜分析時(shí)不出現(xiàn)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(zhuǎn)速密切相關(guān)，且大大減少了計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算速度和實(shí)時(shí)分析水平，且從階次圖中可以清楚看到信號(hào)的高諧波分量，因而成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)噪聲測(cè)試的一個(gè)重要技術(shù)。

最近幾年隨著階次分析研究的深入，許多專家學(xué)者對(duì)電機(jī)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(fù)載時(shí)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(fù)載時(shí)交流發(fā)電機(jī)的主要簡(jiǎn)諧成分為36階次，且空載時(shí)主要是空氣動(dòng)力噪聲[14]；2012年易鵬通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到了電機(jī)在空載和負(fù)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(duì)電機(jī)噪聲振動(dòng)的幅頻特性分析中,確定了36諧次電磁激振力引起的電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈共振產(chǎn)生的噪聲是電機(jī)在中低速段加載狀態(tài)下噪聲成分的主導(dǎo)成分[16]。

3 電機(jī)噪聲試驗(yàn)及分析

3.1 電機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)設(shè)備

電機(jī)噪聲實(shí)驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試電機(jī)的參數(shù)如表1所示。參照《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值 噪聲測(cè)定方法》[17]，選擇半球面法進(jìn)行測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)軸中心高或電機(jī)高度為180 mm及以下的電機(jī)，測(cè)量半球面的半徑r為0.4 m。本次試驗(yàn)的電機(jī)軸中心高小于180 mm，故選定測(cè)量半球面的半徑為0.4 m。半球面法電機(jī)噪聲測(cè)試如圖1所示。在前、后、左、右、上的半球面上分別布置了五個(gè)麥克風(fēng)，對(duì)電機(jī)噪聲進(jìn)行測(cè)量。電機(jī)的安裝平臺(tái)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是課題組為本次研究開發(fā)的。

表1 電機(jī)參數(shù)

圖1 電機(jī)噪聲測(cè)試

噪聲采集系統(tǒng)選用德國(guó)Head Acoustics的HS100-6102，分析系統(tǒng)選用該公司的Artemis。數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置如下：采樣頻率48 000 Hz，分析頻率20 480 Hz；

3.2 電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

乘用車啟動(dòng)電機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍通常在1 000 r/ min～13 000 r/min范圍內(nèi)均勻變化。因此，為了全面測(cè)試乘用車啟動(dòng)電機(jī)的噪聲特性，在該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，對(duì)該款電機(jī)分別進(jìn)行了空載和負(fù)載噪聲實(shí)驗(yàn)。每種工況組合測(cè)量三次，選取重復(fù)性較好的數(shù)據(jù)作為最后的分析數(shù)據(jù)。部分典型轉(zhuǎn)速下空載和負(fù)載電機(jī)噪聲聲壓級(jí)如表2所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在空載下，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)噪聲的聲壓級(jí)在不斷的增高；在負(fù)載工況下，電機(jī)噪聲的聲壓級(jí)出現(xiàn)波動(dòng)的情況，但整體趨勢(shì)是在不斷的上升。負(fù)載工況下，在4 220 r/ min以前，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)噪聲明顯上升。在5 010 r/min以后，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)噪聲的聲壓級(jí)在逐步減低，但始終大于4 220 r/min以下的轉(zhuǎn)速范圍。

表2 特征轉(zhuǎn)速下空載負(fù)載聲壓級(jí)

運(yùn)用前述階次分析方法，空載時(shí)總聲壓級(jí)和各個(gè)階次的貢獻(xiàn)量如圖2所示。從圖中可知，空載時(shí)候，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電機(jī)噪聲的聲壓級(jí)在逐步升高。在各個(gè)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(xiàn)量。由表1可知，電機(jī)風(fēng)扇的葉片數(shù)為12片，依據(jù)式1-2、1-3計(jì)算得到電機(jī)風(fēng)扇噪聲的主要階次是12階。因此，空載時(shí)12階空氣動(dòng)力噪聲為主要的電機(jī)噪聲源。

圖2 空載特征階次的聲貢獻(xiàn)量

負(fù)載時(shí)總聲壓級(jí)和各個(gè)階次的貢獻(xiàn)量如圖3所示。

圖3 負(fù)載特征階次的聲貢獻(xiàn)量

從圖中可知，在各個(gè)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(xiàn)量。結(jié)合表1和式1-1計(jì)算得到36階為電機(jī)的電磁噪聲。因此，負(fù)載時(shí)36階電磁噪聲為主要的電機(jī)噪聲源。

通過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)空載時(shí)12階空氣動(dòng)力噪聲為主要的電機(jī)噪聲源，負(fù)載時(shí)36階電磁噪聲為主要的電機(jī)噪聲源。與其他學(xué)者研究結(jié)論一致。因此，確定電機(jī)在空載和負(fù)載工況下噪聲的特征階次為12階和36階。

4 主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)

4.1 主觀評(píng)價(jià)方法

由于主觀評(píng)價(jià)法直接根據(jù)人的主觀感受做出評(píng)價(jià)，具有很高的準(zhǔn)確性，故在工程實(shí)際應(yīng)用中，常采用主觀評(píng)價(jià)法對(duì)聲質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。常用的聲質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)方法有等級(jí)評(píng)分法、排序法、語(yǔ)義細(xì)分法、幅度調(diào)節(jié)法和成對(duì)比較法等。本文為了區(qū)分出電機(jī)噪聲的可接受聲音，對(duì)15臺(tái)該款電機(jī)進(jìn)行電機(jī)噪聲的主觀評(píng)價(jià)，選擇了“不可接受的—可接受的”作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，采用10等級(jí)評(píng)價(jià)法作為度量指標(biāo)，評(píng)分等級(jí)如表3所示。等級(jí)1—5反映了該款電機(jī)噪聲不可接受的程度，等級(jí)6—10反映了該款電機(jī)噪聲可接受的程度。

表3 主觀評(píng)價(jià)等級(jí)

4.2 評(píng)價(jià)主體和聽音環(huán)境

評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在安靜室內(nèi)，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(jī)作為聲音回放設(shè)備。室內(nèi)溫度22°C～24°C，濕度45%～50%，通風(fēng)良好無(wú)異味。

4.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

對(duì)所測(cè)電機(jī)中，隨機(jī)選出15臺(tái)進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，經(jīng)主觀評(píng)價(jià)最終選出3臺(tái)所有人都可接受的電機(jī)噪聲和5臺(tái)80%以上人可接受的電機(jī)噪聲。主觀評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。

圖4 主觀評(píng)價(jià)結(jié)果

5 客觀評(píng)價(jià)方法

從該款電機(jī)噪聲分析結(jié)果已知，空載時(shí)，12階空氣動(dòng)力噪聲為主要聲源；負(fù)載時(shí)，36階電磁噪聲為主要噪聲源。以主觀評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)中三臺(tái)全部接受的電機(jī)和5臺(tái)80%接受的電機(jī)作為噪聲可接受電機(jī)的樣本。分別在空載和負(fù)載下，提取了其相應(yīng)的特征階次，組成了特征階次族。通過(guò)極值包絡(luò)法確定不同工況下該款電機(jī)噪聲的可接受門閾值。噪聲數(shù)據(jù)在該極值包絡(luò)曲線以下，滿足噪聲要求，在極值包絡(luò)曲線以上，噪聲不滿足要求?？蛰d8臺(tái)樣本電機(jī)的12階階次聲壓級(jí)如圖5所示，極值包絡(luò)如圖中粗實(shí)線所示。負(fù)載8臺(tái)樣本電機(jī)的36階階次聲壓級(jí)如圖6所示，負(fù)載工況下該款電機(jī)噪聲的可接受門閥值如圖6中粗實(shí)線所示。

圖5 空載12階階次聲壓級(jí)

圖6 負(fù)載36階階次聲壓級(jí)

6 結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于噪聲主觀評(píng)價(jià)結(jié)果的乘用車啟動(dòng)電機(jī)客觀評(píng)價(jià)方法。理論分析了電機(jī)的噪聲特性，確定電機(jī)噪聲主要包括電磁噪聲、空氣動(dòng)力噪聲和機(jī)械噪聲三部分。試驗(yàn)研究了乘用車啟動(dòng)電機(jī)噪聲特性。主要研究結(jié)果如下：

（1）在半消聲室中測(cè)量了15臺(tái)某款乘用車啟動(dòng)電機(jī)的噪聲特性，通過(guò)階次分析方法，發(fā)現(xiàn)該款電機(jī)在空載下空氣動(dòng)力噪聲為主要聲源，負(fù)載下電磁噪聲為主要噪聲源；

（2）采用等級(jí)評(píng)分法作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)測(cè)得的電機(jī)噪聲樣本進(jìn)行了主觀評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示8臺(tái)電機(jī)噪聲為評(píng)價(jià)主體可接受；

（3）建立了8臺(tái)噪聲合格電機(jī)的特征階次族，運(yùn)用極值包絡(luò)法，確定了該款電機(jī)噪聲客觀評(píng)價(jià)的門閾值，為電機(jī)噪聲客觀評(píng)價(jià)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(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目（cstc2012gg-yyjsB0216；cstc2011ggB0030）

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

施全，男，研究生導(dǎo)師。E-mail:sq7370@163.com