车用发电机噪声一致性试验研究

2015-12-31张胜杰

机械工程与自动化 2015年1期

刘星，张胜杰，唐琴，闫兵

（1.西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031；2.成都华川电装有限责任公司，四川成都 610106）

0 引言

发电机在正常运转状态下，其主要噪声包括机械噪声、电磁噪声、气动噪声3大类［1－2］。其中，机械噪声是由轴承振动、转子偏心等引起的结构噪声；电磁噪声主要来源于电磁力引起的结构共振，在低速段对噪声贡献比较大［3］；气动噪声产生的根源是叶片表面压力周期性脉动以及涡的脱落、产生和破裂，在发电机高速段起主导作用［4］。目前对发电机噪声的研究更多的是对单个电机进行测试分析，然后找到原因，提出降噪措施。但是，由于加工工艺（比如转子同轴度、螺栓预紧力、装配公差等）的存在，同一批次发电机的噪声一致性并不能保证。因此，为了更好地对批量发电机实施降噪，迫切需要对发电机噪声的一致性进行研究。本文针对这一情况，采用阶次分析的方法，随机抽取同一批次的3台发电机进行噪声测试分析，研究了总噪声声压级和主要阶次噪声的一致性，找到了噪声一致性的影响因素，对下一步电机降噪具有很好的指导意义。

1 试验准备

本次试验使用成都华川电装有限责任公司供某车型的交流发电机，从同一批次发电机中随机抽取3台样机，为方便说明，分别计为1＃、2＃、3＃电机，在专用的声学实验室中进行噪声试验。

1.1 测试设备

（1）麦克风：丹麦G.R.A.S.公司生产。

（2）转速传感器：日本基恩士公司生产

（3）数据采集卡：德国Head Acoustics公司生产，能同时进行24路信号采集。

（4）笔记本电脑一台。

（5）Artemis后处理软件：能对采集到的信号进行转速声压分析、FFT分析、阶次分析等。

1.2 测试条件

试验在西南交通大学汽车工程研究所的电机声功率测试实验室内整机状态下进行，驱动电机不工作时，背景噪声小于30dBA，如图1所示，该实验室的声学环境已达到标准GB/T6882－2008的要求［5］。实验室温度控制在25°左右，发电机在驱动电机带动下，在负载工况下预热30min，转速从1 200r/min连续变化到6 000r/min进行噪声测试。分别选择距发电机中心0.5m处的前、后、左、右、上5个测点进行声压测试，试验台架示意图如图2所示。

图1 实验室背景噪声

2 声压级和阶次分析

2.1 声压级

由于声压能量范围广，为方便表示，常常使用对数坐标而不使用绝对坐标；同时，从声音的接收来讲，人耳主观上产生的“响度感觉”并不正比于声压的绝对值，而是近似地与声压的对数成正比。因此，考虑这两方面的原因，在声学中普遍使用对数坐标来衡量声压，用声压级来表示，单位为dBA（分贝）。

图2 试验台架示意图

定义待测点声压的有效值为pe，则声压级Lp定义为：

其中：pref为参考声压，取为2×10－5Pa，这个数值是正常人耳对1kHz声音的可听阀声压。

再根据能量叠加原理，可得到声压级的平均值Lpm：

其中：Lpi（i＝1，2，…，m）为第i个测点测得的声压级；m为测点总数。本实验中m＝5，所使用的声压级均为A声级。

2.2 阶次分析

阶次分析实质上是将等时间间隔的信号转换成等角度间隔的信号，再对其进行频谱分析的一种信号处理方法，又称阶比分析。阶次与转速的关系可表示为：

其中：f为信号的频率，Hz；O为阶次；n为参考轴转速，r/min。

3 发电机总声压级一致性研究

图3为发电机在预热后负载状态下测得的总声压级转速曲线。从图3中可以看出，发电机总声压级随着转速的上升而增大，噪声的线性度不是很好，噪声波动变化大，并且在某些转速点有较大的峰值出现。如图3（a）所示，1＃发电机总声压级在转速1 400r/min、2 500r/min、3 900r/min和4 500r/min附近出现了较大的峰值；如图3（b）所示，2＃发电机总声压级在转速1 600r/min、2 000r/min和2 800r/min附近出现了较大的峰值；如图3（c）所示，3＃发电机总声压级在转速1 500r/min、1 900r/min和3 800r/min附近出现了较大的峰值。3台发电机声压级峰值对应不同的转速，一致性较差。

图3 1＃、2＃、3＃发电机总声压级转速曲线

4 发电机主要阶次一致性研究

4.1 6阶次、12阶次、18阶次一致性分析

图4为发电机6阶次、12阶次、18阶次噪声声压级转速曲线。从图4中可以看出：3台发电机6阶次、12阶次、18阶次噪声声压级随着转速的上升而增大，但波动不大，变化较平缓，且没有明显的峰值出现；每台发电机各阶次声压级平均值相差在1dBA左右。因此，3台发电机6阶次、12阶次、18阶次噪声声压级随着转速变化一致性较好。

4.2 36阶次一致性分析

图5为1＃、2＃、3＃发电机36阶次噪声声压级转速曲线。从图5中可以看出，发电机36阶次噪声声压级随着转速的上升波动变化大，且在某些转速点有较大的峰值出现。如图5（a）所示，1＃发电机36阶次噪声声压级在转速1 400r/min、2 500r/min、4 000r/min和4 500r/min附近出现了较大的峰值；如图5（b）所示，2＃发电机36阶次噪声声压级在转速1 300r/min、1 600r/min、2 000r/min和2 800r/min附近出现了较大的峰值；如图5（c）所示，3＃发电机36阶次噪声声压级在转速1 500r/min、1 900r/min、3 800r/min和4 200r/min附近出现了较大的峰值。3台发电机36阶次声压级随着转速变化一致性较差。

对比图3的发电机总声压级转速曲线，各台发电机36阶次噪声声压级的这些峰值点能与总声压级峰值点很好地吻合，且声压级峰值相差在2dBA左右。因此，发电机36阶次噪声的一致性好坏决定了总声压级的一致性好坏。

5 结论

在专用的声学实验室，对同一批次的3台发电机进行噪声一致性试验研究，从试验结果可知：发电机总声压级随转速变化的一致性较差；6阶次、12阶次、18阶次噪声声压级随转速一致性较好，36阶次噪声一致性较差；发电机总声压级一致性好坏主要由36阶次噪声一致性决定。该研究确定了发电机噪声一致性的影响因素，为下一步电机降噪指明了方向。