汽車發(fā)電機(jī)聲品質(zhì)研究

侯艷芳，張凱，韓國華

（1.同濟(jì)大學(xué) 電信學(xué)院，上海 200092；

2.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；

3.上海大眾汽車有限公司，上海 210805）

汽車發(fā)電機(jī)聲品質(zhì)研究

侯艷芳1，張凱2，韓國華3

（1.同濟(jì)大學(xué) 電信學(xué)院，上海 200092；

2.常熟理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500；

3.上海大眾汽車有限公司，上海 210805）

針對(duì)某轎車乘員艙內(nèi)在加速工況下的發(fā)電機(jī)噪聲抱怨，通過在消聲室內(nèi)進(jìn)行固體聲和空氣聲識(shí)別，找到了發(fā)電機(jī)噪聲抱怨的產(chǎn)生原因?yàn)楣腆w聲.針對(duì)此抱怨，采取優(yōu)化發(fā)電機(jī)爪極的措施來優(yōu)化電磁噪聲.主觀評(píng)價(jià)和客觀分析結(jié)果表明：優(yōu)化方案解決了發(fā)電機(jī)噪聲抱怨問題，改善了發(fā)電機(jī)的聲品質(zhì).

發(fā)電機(jī)；心理聲學(xué)；主觀評(píng)價(jià)

隨著汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車的主要噪聲源（發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲）已經(jīng)得到了比較好的控制，因此汽車的附件噪聲（如搖窗機(jī)噪聲、發(fā)電機(jī)噪聲、雨刮噪聲、燃油泵噪聲等）引起了人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾昜1].但目前關(guān)于汽車發(fā)電機(jī)噪聲抱怨的研究還不多，尤其是通過發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來解決發(fā)電機(jī)噪聲抱怨的研究更少.某轎車乘員艙內(nèi)在加速工況下可以明顯聽到發(fā)電機(jī)的高頻嘯叫聲抱怨，嚴(yán)重影響了汽車乘坐舒適性.本文針對(duì)電機(jī)噪聲抱怨，進(jìn)行了噪聲源識(shí)別，給出了問題的解決方案，并且進(jìn)行了聲品質(zhì)心理聲學(xué)客觀參量的分析[2].結(jié)果顯示：該方案解決了發(fā)電機(jī)的噪聲抱怨，同時(shí)提升了發(fā)電機(jī)的聲品質(zhì).

1 問題來源及分析

1.1 理論分析

汽車上采用的交流發(fā)電機(jī)是三相同步發(fā)電機(jī)，是在激勵(lì)磁場(chǎng)下由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電，由發(fā)電機(jī)定子繞組感應(yīng)的交變電流，通過半導(dǎo)體整流器改變?yōu)橹绷麟?

汽車發(fā)電機(jī)噪聲雖然比較復(fù)雜，從產(chǎn)生機(jī)理上主要分為兩類：電磁噪聲、機(jī)械噪聲.發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，在其磁場(chǎng)氣隙中產(chǎn)生電磁力波，該電磁力波有徑向和切向兩個(gè)分量作用在定子鐵芯上.此徑向分量使定子鐵芯產(chǎn)生的振動(dòng)是電磁噪聲的主要來源；另兩個(gè)電磁噪聲的重要來源是切向分量使定子齒根產(chǎn)生的振動(dòng)形變和在某些轉(zhuǎn)速下爪極的振動(dòng)變形.發(fā)電機(jī)的機(jī)械噪聲主要包括轉(zhuǎn)子不平衡、電刷的摩擦以及軸承自身振動(dòng)等引起的噪聲.由于現(xiàn)代制造業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，發(fā)電機(jī)的機(jī)械噪聲問題已得到了很好的解決，下面主要分析電磁噪聲.

根據(jù)麥克斯韋定律，氣隙磁場(chǎng)中單位面積的徑向電磁力計(jì)算如下式：

式中：B—?dú)庀洞琶埽沪取獧C(jī)械角位移；μ0—真空磁導(dǎo)率.

由于定、轉(zhuǎn)子繞組中存在主波磁勢(shì)與各諧波磁勢(shì)，它們相互作用可以產(chǎn)生一系列的力波.改變爪極形狀能調(diào)節(jié)氣隙磁密波形的諧波分量，從而顯著調(diào)節(jié)電機(jī)各項(xiàng)電磁性能，特別是電機(jī)的效率和噪聲等，根據(jù)應(yīng)用的特性和約束，可以采用不同形狀的爪極，最普通的是矩形、三角形和梯形；氣隙厚度可以沿爪極面變化，這樣可以改變氣隙中和爪極不同部位的磁感應(yīng)強(qiáng)度的空間分布，而調(diào)節(jié)爪極內(nèi)表面?zhèn)鹊膬A斜角，可以顯著調(diào)節(jié)電機(jī)定子和爪極轉(zhuǎn)子之間的磁通量多少，相應(yīng)顯著調(diào)節(jié)漏磁通的大小，反映到氣隙磁場(chǎng)中即各諧波含量的多少，從而對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行有效地消減控制[3].本文通過對(duì)梯形爪極形狀和爪極面傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化來改進(jìn)電磁噪聲.

1.2 試驗(yàn)分析

針對(duì)轎車發(fā)電機(jī)高頻嘯叫聲抱怨的加速工況，進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)后，確認(rèn)此工況下噪聲不可接受.由于電磁噪聲是由于電機(jī)內(nèi)部定子的徑向振動(dòng)產(chǎn)生的，因此可以通過測(cè)量發(fā)電機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)一步對(duì)電磁噪聲進(jìn)行分析.為此分別在車輛駕駛員位置和發(fā)電機(jī)上布置了傳聲器和加速度傳感器.通過對(duì)傳聲器和加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)固體聲而非空氣聲是引起此噪聲抱怨的主要原因.圖1是改進(jìn)前后發(fā)電機(jī)階次對(duì)比，其中橫軸為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速rpm，縱軸為加速度g.從圖中可知，發(fā)電機(jī)的主階次36階電磁噪聲是引起噪聲抱怨的主要原因，改進(jìn)前4200轉(zhuǎn)附近的36階是引起高頻嘯叫的原因，改進(jìn)后，仍然是36階，但電磁噪聲卻有了顯著的改善.

2 抱怨解決方案

由于此發(fā)電機(jī)高頻嘯叫抱怨是由電磁噪聲引起，因此最根本的解決辦法是改進(jìn)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)由于發(fā)電機(jī)噪聲特性極其復(fù)雜，對(duì)一種配置的發(fā)電.機(jī)有效的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對(duì)另外一種配置不一定有效，同時(shí)發(fā)電機(jī)噪聲研究作為發(fā)電機(jī)企業(yè)的高度保密的技術(shù)，其技術(shù)參數(shù)的詳細(xì)描述是很難獲取的.針對(duì)此款產(chǎn)品，發(fā)電機(jī)企業(yè)通過試制樣件，反復(fù)摸索嘗試，前后歷經(jīng)1年才將問題最終解決.

通過將發(fā)電機(jī)爪極的形狀由三角形改為梯形，同時(shí)對(duì)梯形形狀進(jìn)行優(yōu)化，并改變爪極面進(jìn)入磁場(chǎng)和離開磁場(chǎng)的角度，此發(fā)電機(jī)噪聲抱怨得以消除.其中改變爪極形狀，就是對(duì)勵(lì)磁繞組產(chǎn)生磁通的關(guān)鍵部位（爪極）進(jìn)行形狀上的優(yōu)化，優(yōu)化后的爪極能調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)和感應(yīng)電勢(shì)的波形，進(jìn)而優(yōu)化電磁噪聲（圖2a），而改變爪極面進(jìn)入磁場(chǎng)和離開磁場(chǎng)的角度，可以影響到氣隙磁場(chǎng)中的磁密分布波形，從而對(duì)發(fā)電機(jī)的電磁噪聲進(jìn)行優(yōu)化，并達(dá)到發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率和噪聲的最佳平衡（圖2b）.

3 聲品質(zhì)分析

聲品質(zhì)的心理聲學(xué)客觀參量是描述不同聲音信號(hào)所造成主觀感受差別程度的物理量，采用心理參數(shù)分析，可以定量的反映聽覺感受的差別，消除個(gè)體的影響[4].下面從尖銳度方面進(jìn)行分析評(píng)價(jià).

3.1 尖銳度（Sharpness）分析

尖銳度（sharpness）是描述高頻成分在聲音頻譜中所占比例的參量，反映噪聲的刺耳程度，其值越高，感覺越刺耳.圖3是改進(jìn)前后發(fā)電機(jī)尖銳度對(duì)比結(jié)果，可知尖銳度在發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后有明顯改善.同樣可以看出，在抱怨轉(zhuǎn)速4200轉(zhuǎn)附近，改進(jìn)后發(fā)電機(jī)的高頻成份有了明顯的降低.

3.2 主觀評(píng)價(jià)

我們組織人員在乘員艙內(nèi)對(duì)改進(jìn)后的發(fā)電機(jī)在加速轉(zhuǎn)速工況下的電磁噪聲進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示：之前明顯聽到發(fā)電機(jī)的高頻嘯叫聲抱怨已經(jīng)消除.這與心理聲學(xué)客觀參量的評(píng)價(jià)結(jié)果一致：發(fā)電機(jī)噪聲抱怨消除.

4 結(jié)論

本文對(duì)汽車發(fā)電機(jī)的噪聲源進(jìn)行了理論分析，在消聲室對(duì)某轎車發(fā)電機(jī)的噪聲源進(jìn)行了識(shí)別，發(fā)現(xiàn)固體聲引起的電磁噪聲是發(fā)電機(jī)噪聲抱怨的主要來源.針對(duì)此電磁噪聲，從發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了客觀試驗(yàn)和主觀評(píng)價(jià).結(jié)果表明：優(yōu)化后的發(fā)電機(jī)不僅解決了噪聲抱怨，而且聲品質(zhì)得到了明顯提高.

[1]龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動(dòng)：理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：391-392.

[2]毛東興.聲品質(zhì)研究與應(yīng)用進(jìn)展[J].聲學(xué)技術(shù)，2007（1）：159-164.

[3]劉謀志，鮑曉華，吳鋒，等.基于氣隙磁場(chǎng)諧波分析的汽車發(fā)電機(jī)爪極優(yōu)化選擇[J].微特電機(jī)，2013（2）：1-4.

[4]毛東興.車內(nèi)聲品質(zhì)主觀評(píng)價(jià)與分析方法的研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2003：8-14.

A Research on Acoustic Quality of Automobile Generator

HOU Yan-fang1,ZHANG Kai2,HAN Guo-hua3
(1.School of Telecommunication,Tongji University,Shanghai 200092,China;
2.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China;
3.Shanghai Volkswagen Automotive Co.,Ltd,Shanghai201805,China)

There has not been much research on automobile generator noise.And there has been even less research on the noise from the perspective of generator structure.This paper studied the complaint about the internal acceleration generator noise in the automobile passenger compartment.By analyzing whether the generator noise in the whole car is solid-born noise or air-born noise,this paper has found that the reason for the noise complaint is that it is solid-born noise.In view of this noise complaint,the generator claw pole was optimized to solve the noise problem.Objective tests and subjective evaluation results showed that the optimized generator can solve the generator noise complaint problem,and at the same time improve the generator acoustic quality considerably.This paper can serve as a reference for automobile generator noise optimization.

generator;psychoacoustics;subjective evaluation

U461.4

A

1008-2794（2014）04-0116-03

2014-01-26

侯艷芳，講師，博士，研究方向：汽車NVH控制，E-mail∶houyanfang@#edu.cn.