車用發(fā)電機(jī)噪聲一致性試驗(yàn)研究

劉 星，張勝杰，唐 琴，閆 兵

（1.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.成都華川電裝有限責(zé)任公司，四川 成都 610106）

0 引言

發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，其主要噪聲包括機(jī)械噪聲、電磁噪聲、氣動(dòng)噪聲3大類［1－2］。其中，機(jī)械噪聲是由軸承振動(dòng)、轉(zhuǎn)子偏心等引起的結(jié)構(gòu)噪聲；電磁噪聲主要來(lái)源于電磁力引起的結(jié)構(gòu)共振，在低速段對(duì)噪聲貢獻(xiàn)比較大［3］；氣動(dòng)噪聲產(chǎn)生的根源是葉片表面壓力周期性脈動(dòng)以及渦的脫落、產(chǎn)生和破裂，在發(fā)電機(jī)高速段起主導(dǎo)作用［4］。目前對(duì)發(fā)電機(jī)噪聲的研究更多的是對(duì)單個(gè)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試分析，然后找到原因，提出降噪措施。但是，由于加工工藝（比如轉(zhuǎn)子同軸度、螺栓預(yù)緊力、裝配公差等）的存在，同一批次發(fā)電機(jī)的噪聲一致性并不能保證。因此，為了更好地對(duì)批量發(fā)電機(jī)實(shí)施降噪，迫切需要對(duì)發(fā)電機(jī)噪聲的一致性進(jìn)行研究。本文針對(duì)這一情況，采用階次分析的方法，隨機(jī)抽取同一批次的3臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)試分析，研究了總噪聲聲壓級(jí)和主要階次噪聲的一致性，找到了噪聲一致性的影響因素，對(duì)下一步電機(jī)降噪具有很好的指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)使用成都華川電裝有限責(zé)任公司供某車型的交流發(fā)電機(jī)，從同一批次發(fā)電機(jī)中隨機(jī)抽取3臺(tái)樣機(jī)，為方便說(shuō)明，分別計(jì)為1＃、2＃、3＃電機(jī)，在專用的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行噪聲試驗(yàn)。

1.1 測(cè)試設(shè)備

（1）麥克風(fēng)：丹麥G.R.A.S.公司生產(chǎn)。

（2）轉(zhuǎn)速傳感器：日本基恩士公司生產(chǎn)

（3）數(shù)據(jù)采集卡：德國(guó)Head Acoustics公司生產(chǎn)，能同時(shí)進(jìn)行24路信號(hào)采集。

（4）筆記本電腦一臺(tái)。

（5）Artemis后處理軟件：能對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)速聲壓分析、FFT分析、階次分析等。

1.2 測(cè)試條件

試驗(yàn)在西南交通大學(xué)汽車工程研究所的電機(jī)聲功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)室內(nèi)整機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不工作時(shí)，背景噪聲小于30dBA，如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)室的聲學(xué)環(huán)境已達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB/T6882－2008的要求［5］。實(shí)驗(yàn)室溫度控制在25°左右，發(fā)電機(jī)在驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)下，在負(fù)載工況下預(yù)熱30min，轉(zhuǎn)速?gòu)? 200r/min連續(xù)變化到6 000r/min進(jìn)行噪聲測(cè)試。分別選擇距發(fā)電機(jī)中心0.5m處的前、后、左、右、上5個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行聲壓測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)架示意圖如圖2所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)室背景噪聲

2 聲壓級(jí)和階次分析

2.1 聲壓級(jí)

由于聲壓能量范圍廣，為方便表示，常常使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)而不使用絕對(duì)坐標(biāo)；同時(shí)，從聲音的接收來(lái)講，人耳主觀上產(chǎn)生的“響度感覺(jué)”并不正比于聲壓的絕對(duì)值，而是近似地與聲壓的對(duì)數(shù)成正比。因此，考慮這兩方面的原因，在聲學(xué)中普遍使用對(duì)數(shù)坐標(biāo)來(lái)衡量聲壓，用聲壓級(jí)來(lái)表示，單位為dBA（分貝）。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖

定義待測(cè)點(diǎn)聲壓的有效值為pe，則聲壓級(jí)Lp定義為：

其中：pref為參考聲壓，取為2×10－5Pa，這個(gè)數(shù)值是正常人耳對(duì)1kHz聲音的可聽(tīng)閥聲壓。

再根據(jù)能量疊加原理，可得到聲壓級(jí)的平均值Lpm：

其中：Lpi（i＝1，2，…，m）為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的聲壓級(jí)；m為測(cè)點(diǎn)總數(shù)。本實(shí)驗(yàn)中m＝5，所使用的聲壓級(jí)均為A聲級(jí)。

2.2 階次分析

階次分析實(shí)質(zhì)上是將等時(shí)間間隔的信號(hào)轉(zhuǎn)換成等角度間隔的信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行頻譜分析的一種信號(hào)處理方法，又稱階比分析。階次與轉(zhuǎn)速的關(guān)系可表示為：

其中：f為信號(hào)的頻率，Hz；O為階次；n為參考軸轉(zhuǎn)速，r/min。

3 發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)一致性研究

圖3為發(fā)電機(jī)在預(yù)熱后負(fù)載狀態(tài)下測(cè)得的總聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速曲線。從圖3中可以看出，發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大，噪聲的線性度不是很好，噪聲波動(dòng)變化大，并且在某些轉(zhuǎn)速點(diǎn)有較大的峰值出現(xiàn)。如圖3（a）所示，1＃發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)在轉(zhuǎn)速1 400r/min、2 500r/min、3 900r/min和4 500r/min附近出現(xiàn)了較大的峰值；如圖3（b）所示，2＃發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)在轉(zhuǎn)速1 600r/min、2 000r/min和2 800r/min附近出現(xiàn)了較大的峰值；如圖3（c）所示，3＃發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)在轉(zhuǎn)速1 500r/min、1 900r/min和3 800r/min附近出現(xiàn)了較大的峰值。3臺(tái)發(fā)電機(jī)聲壓級(jí)峰值對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)速，一致性較差。

圖3 1＃、2＃、3＃發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速曲線

4 發(fā)電機(jī)主要階次一致性研究

4.1 6階次、12階次、18階次一致性分析

圖4為發(fā)電機(jī)6階次、12階次、18階次噪聲聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速曲線。從圖4中可以看出：3臺(tái)發(fā)電機(jī)6階次、12階次、18階次噪聲聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速的上升而增大，但波動(dòng)不大，變化較平緩，且沒(méi)有明顯的峰值出現(xiàn)；每臺(tái)發(fā)電機(jī)各階次聲壓級(jí)平均值相差在1dBA左右。因此，3臺(tái)發(fā)電機(jī)6階次、12階次、18階次噪聲聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速變化一致性較好。

4.2 36階次一致性分析

圖5為1＃、2＃、3＃發(fā)電機(jī)36階次噪聲聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速曲線。從圖5中可以看出，發(fā)電機(jī)36階次噪聲聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速的上升波動(dòng)變化大，且在某些轉(zhuǎn)速點(diǎn)有較大的峰值出現(xiàn)。如圖5（a）所示，1＃發(fā)電機(jī)36階次噪聲聲壓級(jí)在轉(zhuǎn)速1 400r/min、2 500r/min、4 000r/min和4 500r/min附近出現(xiàn)了較大的峰值；如圖5（b）所示，2＃發(fā)電機(jī)36階次噪聲聲壓級(jí)在轉(zhuǎn)速1 300r/min、1 600r/min、2 000r/min和2 800r/min附近出現(xiàn)了較大的峰值；如圖5（c）所示，3＃發(fā)電機(jī)36階次噪聲聲壓級(jí)在轉(zhuǎn)速1 500r/min、1 900r/min、3 800r/min和4 200r/min附近出現(xiàn)了較大的峰值。3臺(tái)發(fā)電機(jī)36階次聲壓級(jí)隨著轉(zhuǎn)速變化一致性較差。

對(duì)比圖3的發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速曲線，各臺(tái)發(fā)電機(jī)36階次噪聲聲壓級(jí)的這些峰值點(diǎn)能與總聲壓級(jí)峰值點(diǎn)很好地吻合，且聲壓級(jí)峰值相差在2dBA左右。因此，發(fā)電機(jī)36階次噪聲的一致性好壞決定了總聲壓級(jí)的一致性好壞。

5 結(jié)論

在專用的聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)同一批次的3臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行噪聲一致性試驗(yàn)研究，從試驗(yàn)結(jié)果可知：發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速變化的一致性較差；6階次、12階次、18階次噪聲聲壓級(jí)隨轉(zhuǎn)速一致性較好，36階次噪聲一致性較差；發(fā)電機(jī)總聲壓級(jí)一致性好壞主要由36階次噪聲一致性決定。該研究確定了發(fā)電機(jī)噪聲一致性的影響因素，為下一步電機(jī)降噪指明了方向。

圖4 1＃、2＃、3＃發(fā)電機(jī)主要階次聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速曲線

圖5 1＃、2＃、3＃發(fā)電機(jī)36階次聲壓級(jí)轉(zhuǎn)速曲線

［1］惠穎男.車用交流發(fā)電機(jī)變速過(guò)程噪聲測(cè)試方法研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2011（5）：107－109.

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