車用交流發(fā)電機氣動噪聲試驗研究

張亞東，董大偉，閆 兵，華春蓉，張勝杰，王媛文

（1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610031；2.成都華川電裝有限責(zé)任公司，成都 610106)

隨著人們對汽車乘坐舒適性要求越來越高，汽車NVH性能研究也受到相關(guān)研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠家的重視。普通工況下，發(fā)動機的工作噪聲一般大于交流發(fā)電機（本文簡稱發(fā)電機）的噪聲，但汽車在怠速或啟動、停止過程的瞬間，可能會聽到一種可辨的異于發(fā)動機噪聲的噓叫聲，該噪聲來源于汽車發(fā)電機的電磁噪聲或風(fēng)扇噪聲，頻率相當(dāng)高，特別刺耳。特別是當(dāng)人們運用各種方法將發(fā)動機噪聲降下來之后，發(fā)電機噪聲就成為重要的噪聲來源[1]。發(fā)電機在正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，噪聲源復(fù)雜，主要噪聲為機械噪聲、電磁噪聲和氣動噪聲等，其中機械噪聲是有軸承振動、蝸桿蝸輪振動等引起的結(jié)構(gòu)噪聲，電磁噪聲主要來源于電磁力引起的結(jié)構(gòu)共振[2]，氣動噪聲產(chǎn)生的根源是葉片表面壓力周期性脈動以及渦的脫落、產(chǎn)生和破裂。它的大小與冷卻風(fēng)扇和爪極的轉(zhuǎn)速以及交流發(fā)電機內(nèi)部風(fēng)路密切相關(guān)[3]。氣動噪聲主要可以分為寬頻噪聲和有調(diào)噪聲兩大類，其產(chǎn)生的機理主要包括以下兩點：

（1）旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇自身產(chǎn)生的噪聲和風(fēng)扇產(chǎn)生的氣流與周圍固壁相互周期性作用產(chǎn)生的干擾噪聲，風(fēng)扇扇葉分布不當(dāng)是造成有調(diào)噪聲的主要原因；

（2）相對于有調(diào)噪聲，寬頻噪聲產(chǎn)生的機理更加復(fù)雜，主要是由于流場的湍流流動和渦聲作用機理的雙重作用造成。由于發(fā)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜(電機整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示)，致使其內(nèi)部流動復(fù)雜，產(chǎn)生強烈的非定常流動，渦流噪聲明顯。聲源組成的復(fù)雜性和噪聲源的無法分離，以及主要階次對總噪聲的貢獻(xiàn)量難以確定，使得噪聲治理針對性差，直接影響發(fā)電機氣動性能和噪聲特性的改進(jìn)工作。

圖1 發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)圖

針對發(fā)電機的氣動噪聲問題，文獻(xiàn)[3]參考發(fā)動機的“單階次準(zhǔn)缸體模型”[4]，提出針對發(fā)電機通風(fēng)有調(diào)噪聲的矢量合成公式，根據(jù)公式采用兩種優(yōu)化方案對發(fā)電機風(fēng)扇扇葉分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到在發(fā)電機的高轉(zhuǎn)速（6 000 r/min以上），發(fā)電機總噪聲級中氣動噪聲的貢獻(xiàn)量最大（相對于電磁噪聲），有調(diào)噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的第12、18等階次成分過于突出而產(chǎn)生的，并對所得結(jié)果進(jìn)行實驗驗證。但并沒有分析主要階次對總噪聲貢獻(xiàn)量的大小以及確定氣動噪聲傳播途徑等問題。

本文將采用試驗研究的方法，首先分析氣動噪聲對發(fā)電機總噪聲的影響；然后通過階次分析找出氣動噪聲的頻率特性；最后采用發(fā)電機前、后扇葉分別單獨運轉(zhuǎn)等方法確定各階次噪聲的具體來源以及前后扇葉對主要單階次噪聲貢獻(xiàn)量的大小，為后續(xù)的空氣動力學(xué)噪聲總聲壓級和有調(diào)噪聲的控制提供基礎(chǔ)。對發(fā)電機的氣動性能和噪聲特性的改進(jìn)等問題提供理論研究基礎(chǔ)。

1 階比分析原理

旋轉(zhuǎn)機械的噪聲振動信號中多數(shù)離散頻率分量都與主旋轉(zhuǎn)頻率有關(guān)，以參考軸的轉(zhuǎn)速為基本轉(zhuǎn)速，所對應(yīng)的基本頻率（基頻）定義為階比1，其他與轉(zhuǎn)速相關(guān)的頻率為基本頻率的N倍信號則定義為N階，分析或追蹤動態(tài)信號中階次信號能量即為階比分析。通常階比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可表示為

式中f為信號頻率（Hz），O為階比，rpm為參考軸轉(zhuǎn)速（r/min）。可見階比與轉(zhuǎn)速有直接的對應(yīng)關(guān)系。階比分析實質(zhì)上是將等時間間隔的信號轉(zhuǎn)換成等角度間隔的信號，再對其進(jìn)行頻譜分析的一種信號處理方法。因此本文后續(xù)分析都采用階比分析（又稱階次分析）方法，得到發(fā)電機的氣動噪聲特性以及前后扇葉對主要階次貢獻(xiàn)量的大小。

2 發(fā)電機噪聲特性試驗

本次試驗使用發(fā)電機獨立運行工況下進(jìn)行噪聲測量分析，麥克風(fēng)為丹麥B ＆ K公司生產(chǎn)，數(shù)據(jù)采集卡采用成都佳儀公司的USB 2080采集卡完成多路信號采集，PC機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運用本課題組開發(fā)的采集系統(tǒng)軟件，完成信號采集、部分信號處理和實時保存等功能[5]。試驗方案見表1。

實驗在西南交通大學(xué)汽車工程研究所的電機聲功率測試實驗室[6]內(nèi)整機狀態(tài)下進(jìn)行。該實驗室經(jīng)中國測試技術(shù)研究院檢測，得到其在不同測試表面的環(huán)境修正量，其中1 m處環(huán)境修正量0.1 dBA。測試結(jié)果表明，

實驗室的聲學(xué)環(huán)境已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6882-2008的要求[7]。選擇在空載和冷態(tài)負(fù)載工況下進(jìn)行測試。測點選擇在距發(fā)電機中心0.5 m處(實驗臺架見圖2)。本文中使用的聲壓級均為A聲級。根據(jù)能量疊加原理，可得到聲壓級的平均值Lpm

式中Lpi(i=1,2,...,m)為第i個測點測得的聲壓級，m為測點總數(shù)，實驗中，m=5。

表1 發(fā)電機氣動噪聲研究方案（同型號發(fā)電機）

圖2 實驗臺架示意圖

3 發(fā)電機氣動噪聲分析

通過空載與負(fù)載轉(zhuǎn)速聲壓級曲線（見圖3）對比可知，在中、高速段，除了轉(zhuǎn)子爪極結(jié)構(gòu)共振引起的10 500 r/min轉(zhuǎn)速附近[2]，空載與總噪聲平均聲壓級基本相同。這意味著，在發(fā)電機運行的中、高速段，發(fā)電機的噪聲主要是空氣動力學(xué)噪聲。

圖3 空載與負(fù)載轉(zhuǎn)速聲壓級對比

3.1 發(fā)電機氣動噪聲階次分析

圖4 為冷態(tài)負(fù)載工況主要階次轉(zhuǎn)速聲壓級對比曲線，有圖分析可知，在高速段36階次電磁噪聲[2]與總噪聲相比，二者相差20 dB左右，按噪聲疊加原理，36階次電磁噪聲可忽略不計，在高速段噪聲不是由36階次電磁噪聲噪聲引起。

圖4 負(fù)載工況主要階次聲壓級對比

進(jìn)一步通過空載與負(fù)載工況主要階次聲壓級分析（見圖5、圖4），可知發(fā)電機在高速段空載和負(fù)載工況下，不僅噪聲總聲壓級基本相同；噪聲的主要階次也相同，都是由6、8、10、12、18等階次成分組成，各階次成分的幅值也較為接近。因此下文發(fā)電機各階次噪聲來源分析中，將以6、8、10、12、18等階次成分為主要階次分析對象，確定各主要階次對氣動噪聲的貢獻(xiàn)量等問題。

圖5 空載工況主要階次聲壓級對比

3.2 發(fā)電機各階次噪聲來源分析

通過對某型發(fā)電機去除前扇葉、去除后扇葉以及去除全部前后扇葉的試驗樣品，在空載、冷態(tài)負(fù)載工況進(jìn)行測試試驗和噪聲特性對比分析，可知去除扇葉后，8、10、12、18等階次成分明顯下降（10 dBA左右），說明8、10、12、18等階次成分基本來源于冷卻風(fēng)扇噪聲。6階次成分噪聲也有5.0 dB左右的下降，按噪聲合成原理，說明6階次成分噪聲雖主要來源于風(fēng)扇噪聲，但轉(zhuǎn)子中的爪極部件也有次要貢獻(xiàn)[3]，在10 500 r/min以上，轉(zhuǎn)子爪極的影響較明顯。

圖6為去除前扇葉、去除前后扇葉以及前后扇葉都有的主要單階次對比曲線，主要對比分析第6、8、10、12、18、36階次噪聲，有圖可知去除前后扇葉后，主要第6、8、10、12、18等階次明顯下降（10 dBA左右），而36階次不明顯，進(jìn)一步說明第6、8、10、12、18等階次成分基本來源于冷卻風(fēng)扇噪聲；只去除前扇葉后可見第12、18等階次下降明顯，其中12階次影響最大。

圖7為去除后扇葉、去除前后扇葉以及前后扇葉都有的發(fā)電機主要單階次對比曲線，通過對6、8、10、12、18、36等階次對比分析，有圖可知去除前后扇葉后，主要第6、8、10、12、18等階次明顯下降（10.0 dB左右），而36階次不明顯，進(jìn)一步說明第6、8、10、12、18等階次成分基本來源于冷卻風(fēng)扇噪聲；只去除后扇葉后可見第6、8、10等階次明顯下降，其中10階次影響最大。

圖6 去除前扇葉發(fā)電機主要階次聲壓級對比（空載）

圖7 去除后扇葉發(fā)電機主要階次聲壓級對比（空載）

表2為交流發(fā)電機去除前后扇葉后對各主要階次噪聲的影響對比表。有表可知前扇葉對12、18階次的貢獻(xiàn)比后扇葉大；后扇葉對6、8、10階次的貢獻(xiàn)比前扇葉大。其中36階次在只去除前扇葉，只去除后扇葉和前后扇葉都去除的情況下貢獻(xiàn)量均不明顯。而表現(xiàn)出來的3 300 r/min附近的峰值是36階次引起的定子與端蓋結(jié)構(gòu)共振所致，12 500 r/min附近較大峰值是36階次引起的轉(zhuǎn)子爪機電磁力引起的結(jié)構(gòu)共振。

4 結(jié)語

本文通過實驗研究的方法，首先分析氣動噪聲對交流發(fā)電機總噪聲的影響；然后通過階次分析得出氣動噪聲的頻率特性；最后采用交流發(fā)電機有無前、后扇葉分別單獨運轉(zhuǎn)等方法確定各階次噪聲的具體來源以及前后扇葉對主要單階次貢獻(xiàn)量的大小。其主要結(jié)論如下：

（1）該型交流發(fā)電機的氣動噪聲主要階次為6、8、10、12、18等；

（2）交流發(fā)電機的氣動噪聲各主要階次成分基本來源于冷卻風(fēng)扇噪聲；

表2 產(chǎn)品狀態(tài)改變對各主要階次噪聲的影響 (dBA）

（3）該型交流發(fā)電機前扇葉對12、18階次噪聲貢獻(xiàn)明顯比后扇葉大；后扇葉對6、8、10階次噪聲的貢獻(xiàn)較前扇葉大；

（4）36階次不是氣動噪聲的主要影響階次。

[1]劉 敏，董大偉，閆 兵，等.車用交流發(fā)電機噪聲特性及噪聲源測試分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2010，24(6)：13-17.

[2]劉 敏.汽車交流發(fā)電機噪聲振動特性的試驗研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2010.

[3]惠穎男.車用交流發(fā)電機噪聲測試及降噪方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[4]王長榮，譚達(dá)明.內(nèi)燃機動力學(xué)[M].北京：中國鐵道出版社，1990.143-146.

[5]譚 喜，董大偉，閆 兵，等.車用電機噪聲振動分析系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用[J].噪聲與振動控制，2010，30(6)：96-100.

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