丁 杰

(湖南文理學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 常德 415000)

0 引 言

隨著社會進(jìn)步與科技發(fā)展，人們對交通工具的舒適性要求越來越高。噪聲不僅會影響人們的交談與休息，還會引起聽力系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)等方面的疾病。牽引電機(jī)作為車輛的動力設(shè)備，工作時產(chǎn)生的噪聲是車輛噪聲的主要來源，因此，有必要對電機(jī)噪聲開展深入研究與嚴(yán)格控制。

根據(jù)電機(jī)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，可分為電磁噪聲和機(jī)械噪聲，對于風(fēng)冷型電機(jī)還有因電機(jī)軸上的葉輪葉片旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的氣動噪聲[1]。國內(nèi)外學(xué)者從理論分析、仿真計算和試驗測試等方面對電機(jī)噪聲開展了大量研究[2-4]。為了降低葉輪的氣動噪聲，尤其是基頻處的峰值噪聲，不等距葉片的設(shè)計方案得到關(guān)注。Lowson M V[5]最早提出通過風(fēng)扇葉片周向隨機(jī)布置降低軸流壓縮機(jī)基頻噪聲的方法。Mellin R C等[6]推導(dǎo)出不等距葉片產(chǎn)生的離散噪聲譜公式，促進(jìn)了不等距葉片的研究與應(yīng)用。Ewald D等[7]提出不等距風(fēng)扇的正弦曲線調(diào)制法。Cattanei A等[8]采用目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的方法確定了葉片的周向分布方式。Gérard A等[9]采用調(diào)制原理降低葉片通過頻率處的聲功率。劉敏等[10]對不等距葉片的貫流風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了葉片通過頻率與總聲壓級的降噪情況。馬健峰等[11]采用相位調(diào)制方法對離心葉輪的葉片進(jìn)行不等距設(shè)計，數(shù)值模擬和實驗結(jié)果表明不等距葉片降低了離心通風(fēng)機(jī)基頻噪聲峰值，總的噪聲級基本不變。談明高等[12]對不等距葉片的離心泵進(jìn)行數(shù)值計算，分析了不等距葉片的聲壓級頻譜特性。朱宇龍等[13]對永磁電機(jī)葉輪的等距方案與不等距方案進(jìn)行仿真分析，并用測試驗證了不等距方案的降噪效果。

本文以軌道車輛風(fēng)冷型永磁同步牽引電機(jī)為研究對象，開展等距葉輪和不等距葉輪的永磁電機(jī)噪聲測試，從總噪聲水平、頻譜特性和降噪量等方面進(jìn)行對比分析，為永磁電機(jī)噪聲性能提升提供指導(dǎo)。

1 葉輪的旋轉(zhuǎn)噪聲理論

葉輪葉片旋轉(zhuǎn)時會帶動空氣運(yùn)動而產(chǎn)生沖擊或壓力突變，導(dǎo)致空氣擾動而形成旋轉(zhuǎn)噪聲。等距排列的葉片形成的離散旋轉(zhuǎn)噪聲頻率為[1]

(1)

式中，n為葉輪轉(zhuǎn)速，單位為r/min；z為葉片數(shù)；i為諧波序號。i=1表示旋轉(zhuǎn)噪聲的基頻(也稱葉片通過頻率，fbp)，i=2,3,4,…表示旋轉(zhuǎn)噪聲的高次諧頻。

葉輪葉片旋轉(zhuǎn)時，還會引起空氣產(chǎn)生漩渦、葉片后緣渦脫落和葉片邊界層湍流分離而形成渦流噪聲。渦流噪聲在頻譜曲線上表現(xiàn)為較寬的頻帶，其頻率為

(2)

式中，Sr為斯特勞哈爾數(shù)，W為氣流與葉片的相對速度，L為葉輪正面寬度在速度平面的投影，i為諧波序號。

葉輪葉片旋轉(zhuǎn)噪聲聲壓信號為

(3)

式中，θ為葉輪的轉(zhuǎn)角，θi為各葉片所處的角度位置。

聲壓p(θ)是轉(zhuǎn)角θ的周期函數(shù)，周期為2π。對式(3)進(jìn)行Fourier級數(shù)展開，有：

(4)

式中，k為諧波次數(shù)，f為葉輪的轉(zhuǎn)動頻率。

頻率為kf的k次諧波聲壓信號幅值為

(5)

對于不等距葉片的葉輪而言，θi為隨機(jī)變量，且相鄰葉片之間的夾角一般不相同，因此相鄰兩個葉片拍打空氣的相位差不相同，在頻譜曲線上表現(xiàn)為f1處的峰值被消弱。

采用不等距葉片設(shè)計時，受到兩個約束條件的限制。首先是葉片的布置應(yīng)確保葉輪旋轉(zhuǎn)時的動平衡，以免風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時偏心導(dǎo)致振動加劇，其次是葉片間距的變化率不能太大，以免影響葉輪的氣動性能。為防止出現(xiàn)偏心，z個葉片中可以先任意確定z-2個葉片的位置θi，最后2個葉片位置由下式確定：

(6)

人耳聽覺的聲壓范圍是2×10-5～20 Pa，頻率范圍是20～20000 Hz。為了表示聲音的強(qiáng)弱，以人耳所能感受到的最小聲壓pref為參照標(biāo)準(zhǔn)，對測試的聲壓有效值p取對數(shù)，定義聲壓級為

(7)

式中，Lp為聲壓級單位為分貝(dB)。

通常，為了能反映聲音頻率對響度感覺的影響，體現(xiàn)人耳對聲音的主觀感覺，采用A計權(quán)聲壓級，單位為dB(A)。

2 等距葉輪的電機(jī)噪聲測試及分析

2.1 測點布置及測試工況

某軌道車輛永磁同步牽引電機(jī)采用風(fēng)冷方式進(jìn)行散熱，葉輪與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，使空氣由進(jìn)風(fēng)口流入，經(jīng)過定子機(jī)殼的通風(fēng)孔帶走永磁電機(jī)的熱量，再由出風(fēng)口流出，永磁電機(jī)的風(fēng)冷流動區(qū)域如圖1所示。葉輪的葉片數(shù)目為13片，呈等距分布，考慮到永磁電機(jī)有順時針和逆時針兩個轉(zhuǎn)向，葉片為平直結(jié)構(gòu)。

圖1 永磁同步牽引電機(jī)的風(fēng)冷流動區(qū)域

為獲得等距葉輪的永磁同步牽引電機(jī)噪聲特性，利用B&K振動噪聲采集測試系統(tǒng)在半消室開展噪聲測試。布置噪聲測點時采用五點法，N1測點位于永磁電機(jī)傳動軸端，N2和N4測點位于永磁電機(jī)兩側(cè)，N3測點位于永磁電機(jī)后端，N5測點位于永磁電機(jī)頂部，各測點距離永磁電機(jī)包絡(luò)面1 m遠(yuǎn)，如圖2所示。在永磁電機(jī)傳動軸上布置轉(zhuǎn)速傳感器，用于獲得轉(zhuǎn)速信息。噪聲測試中的分析頻率設(shè)置為25.6 kHz。

圖2 噪聲測試現(xiàn)場及測點布置

噪聲測試工況分為4種。測試工況1是200～4000 r/min順時針逐級加速，每級間隔200 r/min；測試工況2是200～4000 r/min逆時針逐級加速，每級間隔200 r/min；測試工況3是0～4000 r/min順時針連續(xù)加速后斷電減速；測試工況4是0～4000 r/min逆時針連續(xù)加速后斷電減速。需要注意的是，某些測試中，轉(zhuǎn)速達(dá)到3800 r/min以上時測試控制臺報警，無法加速至4000 r/min。

2.2 總噪聲水平分析

圖3為等距葉輪永磁電機(jī)順時針和逆時針轉(zhuǎn)向時各測點聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化結(jié)果?？梢钥闯觯?1)N3測點靠近進(jìn)風(fēng)口，在1000 r/min以下的噪聲明顯高于其他測點；(2)在2000 r/min以上，在永磁電機(jī)側(cè)面的N2和N4測點噪聲水平最高，頂部測點N5和進(jìn)風(fēng)口測點N3的噪聲水平次之，出風(fēng)口測點N1的噪聲水平最弱；(3)200～1000 r/min的平均噪聲在64～75 dB(A)，1000～2000 r/min的平均噪聲在75～84 dB(A)，2000～3000 r/min的平均噪聲在84～93 dB(A)，3000～3800 r/min的平均噪聲在93～98 dB(A)；(4)在800、1000、1200和1600 r/min時，轉(zhuǎn)向?qū)Ω鳒y點平均噪聲的影響在1～3.3 dB(A)左右，轉(zhuǎn)向在其余轉(zhuǎn)速下的影響在0.7 dB(A)內(nèi)。

圖3 不同轉(zhuǎn)向時各測點聲壓級隨轉(zhuǎn)速的變化

2.3 典型轉(zhuǎn)速下的頻譜特性分析

圖4為等距葉輪永磁電機(jī)在順時針轉(zhuǎn)向典型轉(zhuǎn)速下的頻譜曲線?？梢钥闯觯?1)在較低轉(zhuǎn)速時，永磁電機(jī)噪聲以電磁噪聲為主，頻譜主要集中在2000、4000和6000 Hz等附近；(2)在2000 r/min以上，永磁電機(jī)噪聲以氣動噪聲為主，其中1倍和2倍葉片通過頻率(fbp和2fbp)對氣動噪聲起決定作用，且存在48階和56階的激勵信號；(3)隨著轉(zhuǎn)速增加，氣動噪聲的影響逐漸增強(qiáng)，在8600～11000 Hz頻段噪聲頻譜出現(xiàn)抬升現(xiàn)象。

圖4 等距葉輪永磁電機(jī)在典型轉(zhuǎn)速的頻譜曲線

2.4 加減速過程的的特性分析

圖5為等距葉輪永磁電機(jī)順時針轉(zhuǎn)向時加速和減速過程的聲壓級曲線對比，逆時針轉(zhuǎn)向時的結(jié)果未列出?？梢钥闯觯杭铀俸蜏p速過程的聲壓級曲線在1600 r/min以下有較大的差異，其原因是減速過程無IGBT器件開關(guān)頻率的作用，表明此時是電磁噪聲占主導(dǎo)，1600～2000 r/min是氣動噪聲和電磁噪聲同時起作用，而2000 r/min以上加速和斷電減速過程的噪聲值差距不明顯，表明此時是氣動噪聲起決定作用。

圖5 順時針轉(zhuǎn)向時加減速過程的聲壓級曲線對比

圖6為N4測點在順時針加速和減速過程的頻譜云圖?？梢钥闯黾铀龠^程的噪聲頻譜主要由fbp、2fbp、48階、56階、104階和IGBT器件開關(guān)頻率附近的調(diào)制成分組成，減速過程中則無IGBT器件開關(guān)頻率的調(diào)制成分。

圖6 N4測點加、減速過程的頻譜云圖

3 不等距葉輪方案的噪聲對比分析

3.1 不等距葉輪方案的仿真分析

從等距葉輪永磁電機(jī)的噪聲測試結(jié)果可知，永磁電機(jī)在高轉(zhuǎn)速下是以氣動噪聲占主導(dǎo)，尤其是fbp和2fbp等頻率處的噪聲峰值明顯。為了降低基頻處的峰值噪聲，擬采用不等距葉輪方案。圖7為葉輪葉片角度分布圖，根據(jù)式(6)可知，z個葉片中，z-2個葉片角度的選取具有較大的隨意性，意味著不等距葉輪方案具有無限種可能。13個葉片等平均角度為27.69，考慮到制造加工的便利性以及動平衡等要求，角度相差不宜過大。

圖7 葉片角度

為了選擇較為合適的葉片角度，首先采用仿真分析的方法進(jìn)行評價，再采用實物制作與測試的方法進(jìn)行驗證。針對圖1所示永磁電機(jī)風(fēng)冷流動區(qū)域，首先采用HyperMesh軟件劃分高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，然后利用Fluent軟件進(jìn)行流場仿真，再將流場仿真結(jié)果中提取的壓力脈動作為聲源，采用Lighthill 聲類比方法和Curle理論進(jìn)行噪聲輻射傳播計算[14]。流場仿真中，風(fēng)機(jī)入口設(shè)置為自由壓力入口，出口設(shè)置為自由壓力出口，葉輪壁面設(shè)置為無滑移邊界，葉輪轉(zhuǎn)速取4000 r/min，湍流模型選擇大渦模擬。

圖8為仿真計算得到的渦流分布與噪聲聲壓級分布?？梢钥闯觯~片前緣開始產(chǎn)生明顯的渦流，在葉輪流道中段分散，尺度變小，隨后在葉片尾部再次加強(qiáng)。葉片的分布對渦流的分布有影響，進(jìn)而影響到噪聲分布。

圖8 永磁電機(jī)風(fēng)冷流動區(qū)域的仿真結(jié)果

經(jīng)過多種不等距葉輪方案的仿真計算與結(jié)果評價，部分方案能將葉片通過頻率及其諧波峰值噪聲往其他頻段離散，具有降噪效果，還有部分方案反而會增大噪聲。為驗證不等距葉輪方案的降噪效果，采用如表1所示的4種不等距葉輪方案進(jìn)行實物制作、噪聲測試與對比分析，其中噪聲測試的工況及測點布置與等距葉輪方案相同。

表1 不等距葉輪方案的各葉片角度(單位：°)

3.2 總噪聲水平的對比分析

圖9為4種不等距葉輪方案順時針轉(zhuǎn)向的聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化曲線，逆時針轉(zhuǎn)向的聲壓級隨轉(zhuǎn)速變化曲線未列出。

圖9 不等距葉輪方案順時針時總噪聲隨轉(zhuǎn)速變化

可以看出：(1)方案1～方案4在200～1000 r/min的平均噪聲水平分別為58～73、62～76、60～73和60～75 dB(A)；(2)方案1～方案4在1000～2000 r/min的平均噪聲水平分別為73～84、76～84、73～84和75～84 dB(A)；(3)方案1～方案4在2000～3000 r/min的平均噪聲水平分別為84～92、84～93、84～93和84～93 dB(A)；(4)方案1～方案4在3000～4000 r/min的平均噪聲水平分別為92～99、93～98、93～99和93～98 dB(A)；(5)方案1、3、4的各測點在1000 r/min以下未見明顯波動，而方案2的N3測點噪聲較其他測點明顯偏大。

3.3 總噪聲降噪量的對比分析

由于高轉(zhuǎn)速下的氣動噪聲影響大，主要對比1600 r/min以上轉(zhuǎn)速不同方案的噪聲水平。下面以等距葉輪各測點的平均噪聲值作為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用平均噪聲的差值Lp從總噪聲角度來對比不等距葉輪方案的降噪程度，正值表示降噪量，負(fù)值表示噪聲增加量，如圖10所示?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)果。

圖10 不等距葉輪方案的總噪聲平均降噪量對比

方案1：順時針旋轉(zhuǎn)時，1600～1900、2000～2800和3000～3800 r/min的平均降噪量分別為0.01、0.32和0.41 dB(A)；逆時針旋轉(zhuǎn)時，1600～1900、2000～2800和3000～3800 r/min的平均降噪量分別為0.72、0.27和0.57 dB(A)。

方案2：順時針旋轉(zhuǎn)時，1600～1900、2000～2800和3000～3800 r/min的平均降噪量分別為0.24、-0.04和0.17 dB(A)；逆時針旋轉(zhuǎn)時，1600～1900、2000～2800和3000～3800 r/min的平均降噪量分別為0.66、0.22和0.18 dB(A)。

方案3：順時針旋轉(zhuǎn)時，1600～1900、2000～2800和3000～3800 r/min的平均降噪量分別為0.43、0.31和0.34 dB(A)；逆時針旋轉(zhuǎn)時，1600～1900、2000～2800和3000～3800 r/min的平均降噪量分別為0.42、0.13和0.46 dB(A)。

方案4：順時針旋轉(zhuǎn)時，1600～1900、2000～2800和3000～3800 r/min的平均降噪量分別為0.34、-0.01和0.19 dB(A)；逆時針旋轉(zhuǎn)時，1600～1900、2000～2800和3000～3800 r/min的平均降噪量分別為-0.18、-0.07和0.25 dB(A)。

從總噪聲對比結(jié)果來看，4種不等距方案在2000 r/min以上的平均噪聲差距為0.5 dB(A)，方案1和方案3略好于方案2和方案4。

3.4 錯峰效果的對比分析

圖11為方案1測點N2在順時針轉(zhuǎn)向3800 r/min時的頻譜對比，其他方案以及不同轉(zhuǎn)速的結(jié)果未列出?？梢钥闯觯?1)方案1在fbp(13階)的聲壓級降低，且在2fbp下無峰值，但在11、15、17、18、19、20、24和30階(1900 Hz)涌現(xiàn)出新的峰值，且30階和11階的峰值較高；(2)方案2的頻譜與等距葉輪頻譜相似，錯峰效果不明顯；(3)方案3的錯峰效果較明顯，fbp和2fbp處的聲壓級均有一定程度降低，而在fbp頻率周圍衍生出間隔6階的新峰值頻率，如7、19和31階等，且在周圍存在間隔1個轉(zhuǎn)頻的峰值，如6、8、18、20和32階等；(4)方案4具有錯峰效果，在fbp和2fbp周圍衍生出間隔2倍轉(zhuǎn)頻的離散峰值，如11、15、17、18、24、28和30階等。

圖11 方案1測點N2在順時針轉(zhuǎn)向3800 r/min的頻譜對比

圖12為4種不等距葉輪方案N2測點在順時針轉(zhuǎn)向時fbp和2fbp處聲壓級與等距葉輪的對比結(jié)果。可以看出：(1)方案1～方案4在fbp處的降噪量分別為1.7～10.5、1～4、3～14和3～13 dB(A)，在2fbp處的降噪量為3.3～12.4、5～10、1～17和4～16 dB(A)；(2)對于fbp處的降噪效果：方案1、方案3和方案4在2000～2600 r/min時降噪量逐漸增加，在2600～3400 r/min時降噪量逐漸減少，在3600～3800 r/min時降噪量再增加，方案1～方案4的降噪量分別為3～11 dB、0～4、3～14和3～13 dB(A)；(3)對于2fbp處的降噪效果：方案1在不同轉(zhuǎn)速變化不大，在3800r/min降噪量最大達(dá)12.4 dB(A)，其余轉(zhuǎn)速的降噪量為4～8 dB(A)；方案2在2000～3200 r/min的降噪量為5～11 dB(A)，在3400 r/min以上轉(zhuǎn)速的降噪量微?。环桨?和方案4的降噪量及趨勢接近，隨轉(zhuǎn)速增加降噪量降低，降噪量在3～15 dB(A)。

圖12 不等距方案N2測點在fbp和2fbp的降噪量對比

4 結(jié) 語

(1)永磁電機(jī)噪聲主要由氣動噪聲和電磁噪聲組成，2000 r/min以上是氣動噪聲起決定作用，1600～2000 r/min是電磁噪聲和氣動噪聲共同決定，1600 r/min以下是電磁噪聲占據(jù)主導(dǎo)地位。

(2)等距葉輪噪聲頻譜主要由1倍和2倍葉片通過頻率、48階、56階、104階和開關(guān)頻率及倍頻附近的調(diào)制成分構(gòu)成，3000～3800 r/min的平均噪聲為93～98 dB(A)，8600～11000 Hz存在頻譜異常抬升現(xiàn)象。

(3)4種不等距方案在2000 r/min以上平均噪聲差距在0.5 dB(A)，方案1和方案3平均降噪水平略好于方案2和方案4，不等距葉輪方案具有頻散降噪效果，在fbp和2fbp周圍衍生出新的間隔為2倍轉(zhuǎn)頻的新激勵頻率。