（动力机械及工程专业论文）车用交流发电机噪声测试及降噪方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着社会的高速发展，汽车已经走进了成千上万的家庭，成为了人们日常生活不 可或缺的一部分。人们对汽车的要求，也从简单的代步提升到更高的层次。汽车的乘 用舒适性就是在这样的背景下被提出的。其中，汽车的振动与噪声问题是影响其乘用 舒适性的一个重要因素。 本文采用理论、实验、仿真相结合的方法，以某型车用交流发电机为研究对象， 对其噪声问题进行了研究。 本文的主要工作包括： 首先，参考相关标准及主机厂的各项要求，同相关单位共同设计建造车用交流发 电机专用声学实验室和噪声测试实验台。 其次，经过多次实验并将实验结果进行对比分析，发现在相同的实验方案中，发 电机的噪声特性具有高度的稳定性和一致性。但若实验方案不同，则发电机的噪声特 性有可能改变。其中影响较大的有发电机的冷、热态工况，以及转速变化率的大小。 第三，根据本研究所在研究车用交流发电机噪声问题中已经取得的成果，分析a 型电机在2 0 0 0 4 0 0 0 r m i n 附近存在的噪声问题，提出改进意见。对改进后的电机产品 再次进行噪声测试，确定其噪声水平已经达到主机厂的要求。 第四，从噪声产生机理入手，重点分析了在转速1 1 0 0 0 r m i n 附近出现的高转速电 磁异响的问题，采用实验对比和理论分析的方法，找到产生该问题的原因，提出改进 意见，并进行验证。 最后，参考发动机“单谐次准缸体模型”，提出针对发电机通风有调噪声的矢量 合成公式，根据公式采用两种优化方案对发电机风扇扇叶分布进行优化设计，并对所 得结果进行实验验证。 关键词：车用交流发电机；电磁噪声；通风噪声；半消声室；实验方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第l f 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e 锣，c a r sh a v ee n t e r e dt l l o u s a n d so ff 锄i l ya n d b e c 锄ea ni n t e g r a jp a r to ft i l e i rd a i l yl i f e p e o p l e sr e q u i r e m e n t so nc a ra j s oa l s c e n dt o ah i g h e rl e v e l 舶ms i r n p l er i d ei n s t e a do fw a l k v 乩i c l e sr i d i n gc o m f o r tw a u sp r o p o s e d u n d e r “sb a c k s ，o u n d i 芏l 、v h i c h ，t h ev i b r a t i o na n dn o i s e 、 r a so n eo ft l l em o s t i m p o i r t a n tf a c t o r st h a ta 保：c tt h ev e h i c l e sr i d i n gc o m f o r t b yt a 虹n gac e r t a i n 够p ev e h i c l ea l t e m a t o ra u st h er e s e a r c ho b j e c t ，“sp a p e rd o s o m er e s e a r c ho ni t sn o i s ep r o b l e m s u s i n g t h em e t l l o do fc o m b i m n gt h e o r y e x p e r i m e n t a la r l ds i m u l a t i o n t h em a i nr o l eo ft h i sp a p e ri n c l u d e d ： f i r s t ，r e f e r e n c es t a i l d a r d sa i l dt h er e q u i r e m e n t so fm ea l i t o m a k e r s ，av e h i c l e a l t e m a t o rs p e c i a la c o u s t i cl a b o r a t o 巧a i l dan o i s et e s t i n gp l a t f o 衄w e r ed e s i g l l e da i l d b u i l tw i t hm eh e l po ft h er e l e v a n tu n i t s s e c o n d l y ，世e rr e p e a t e de x p e r i m e m sa n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i st om er e s u l t s ，i t w a sf o u n dt h a tt h er 1 0 i s ec h a r a c t e r i s t i co fv e h j c l ea l t e m a t o rh a sh i g | ls 讪i l i t ya i l d c o n s i s t e n c yi nm es 锄ee x p e r i m e n ts c h e m e b u t ，i ft h ee x p e r i m e n ts c h e m ew a s d i f r e r e n t ，t h ev e h i c l ea h e m a t o rn o i s ec h a r a c t e r i s t i c sw a sp o s s i b l ec h a i l g e d t h em a i o r f i a c t o r st h a ta f r e c ta r ec o l da n dh o tc o n d i t i o na n dt h es p e e dc h a n g er a t eo ft h ev e h i c l e a l t e m a t o r t h et h i r d ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t st h a to u ri i l s t i t u t eh a so b t a i n e d ，t t l i s p a p e ra l l a l y z e dt h en o i s ep r o b l e mt h a te x i t e di n2 0 0 0 - 4 0 0 0 r m i no ft ) ，p ea v e h i c l e a l t e m a t o ra n dp r e s e n t e di m p r 0 v e m e n ts u g g e s t i o n s t h e n ，m ei m p r o v e dp r o d u c t sw e r e t e s t e da g a 血t om a k es u r et i l e i rn o i s el e v e lh a dr e a c h e da u t o m a k e r s r e q u i r e m e n t s t h ef o u 曲，s t a n i n g 丽t ht i e g e n e r a t i o nm e c h a l l i s mo fn o i s e ，h i 曲s p e e d e l e c 臼o m a g n e t i cn o i s ea t1 10 0 0 r m i nw a sm a i l d ya i l a j y z e d e x p e r i m e n t a lc o m p a r i s o n a n dt h e o r e t i c a la i l a l y s i sw a su s e dt op r o d u c et h ec a u s eo fm ep r o b l e m t h e n i m p r o v e m e n ts u g g e s t i o i l sw e r ep r e s e n t e da n dv a l i d a t e d f i n a l l y ，r e f e r e n c et h e “s 堍l eo r d e rp s e u d o r i g i db o d ym o d e l ”o f 纰e n g i n e ， t h i sp a p e rp u tf o r 、a r dt h ec o m p o s i t i o nf o m u l ao fm ev e h i c l ea l t e m a t o r sv e n t i l a t i o n n o i s e a c c o r d i n gt ot h ef o m l u i 钆t v 旧h i l d so fo p t i m i z a t i o ns c h e m e 、v e r eu s e dt 0 o p t i m i z et h ee x h a u s tf i a no fv e h i c l ea l t e m a t o r s t h e n ，s o m ee x p e r i m e n t s 、 l sd o n et o c h e c kt h ec o r r e c t l vo ft h es c h e m e k e y w 6 r d s ：v e h i c l ea l t e m a t o r ；e l e c t r o m a g n e t i cn o i s e ；v e n t i l a t i o nn o i s e ； s e m i - 觚e c h o i cr o o m ；e x p e r i m e n t a ls c h e m e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1课题的研究目的及意义 1 8 8 6 年德国人c 砌b e l l z 将自己的三轮汽车申请了专利，世界诞生了第一辆现代汽 车。2 0 1 0 年中国汽车保有量为7 5 0 0 万辆，位居世界第二位。汽车问世已有一百多年， 它在人类文明发展中起到的作用是有目共睹的，它本身各方面性能也在世界各国工程师 的共同努力下得到了极大的提高。但是随着对生活品质提出更高的要求，人们在购车时 考虑的不仅仅是价位、油耗等问题，汽车的外观设计、乘用舒适性也越来越受到重视【l l 。 其中汽车的振动和噪声特性就是评价其乘用舒适性的一项重要指标。 汽车噪声主要包括发动机噪声、传动系噪声、空气动力噪声、轮胎噪声、制动噪声 等。其中发动机噪声占的比例最大，已经超过了二分之一【2 1 。汽车噪声存在多个噪声源， 在不同的工作状态下，起主导作用的噪声源是不同的。比如，发动机噪声在低速时占重 要地位，；在中速行驶时，轮胎噪声则成为主要噪声源；当车辆进如高速行驶状态时，空 气动力噪声就成了最主要的噪声源l j j 。 汽车噪声除了包含上述提到的几种类型外，还有发电机噪音、冷却系统噪音等。其 中，发电机噪音也是汽车噪音的一个重要噪声源，但在汽车行驶过程中，由于声音的掩 蔽效应【4 】的作用，使得它不易被察觉。可是在汽车怠速、起步和停车过程中，汽车发电 机噪音就显得相当明显了【5 1 。随着对汽车乘用舒适性要求的提高，汽车发电机的噪声问 题也越来越引起人们注意。现在欧盟、美国、日本等发达国家均对汽车电机产品的噪声 水平提出了相应要求【6 j 目前，国内汽车发电机生产厂家正在努力打开中、高端汽车市场。中、高端汽车市 场中，合资企业的产品占据了很大一部分。其中，像车用发电机这样的汽车配件也大都 由合资或国外独资企业提供。如果国内厂家能够占有这部分市场份额，那无论是对发电 机厂家的发展还是对合资汽车企业的成本控制，都是有很大帮助的。 本课题正是在国内某知名汽车发电机生产厂家为了提高其产品的噪声性能，打进中、 高端市场，而与本研究所合作提出的。本课题是针对某型车用交流发电机的噪声问题进 行研究的，但是由于市场上汽车发电机的结构和工作原理大都相同，所以其噪声问题也 具有很大的相似性。那么，本课题所得的结论对汽车发电机的噪声问题是具有普遍意义 的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2课题的国内外研究现状 发电机噪声是不同频率、不同声强的噪声叠加而成的，在发电机高速运转时，这种 噪声甚至可达1 1 0 d ba ，它严重危害着相关人员的健康【7 j 。发电机噪声按产生原因可以 分为电磁噪声、通风噪声和机械噪声三类。 对于本文所研究的汽车发电机类型，其噪声问题主要由前两类组成，下文将对其研 究现状分别加以介绍。 1 2 1 电磁噪声的研究现状 电磁噪声是由电机气隙磁波作用在电机结构上，从而引起定子和转子等电机构件振 动所产生的一种低频噪声。国外对电机电磁噪声的研究起步较早，各国学者对电机电磁 噪声的产生机理以及影响电磁噪声大小的因素都进行了深入的研究。 电机定子模态和固有频率是影响电磁噪声的主要原因之一，国内外学者对此进行了 大量研究。1 9 2 8 年d e nh a n o g 研究了一种计算单环形定子的固有频率的方法【8 j 。之后 j o r d a n 和f r o l m e 等人把切向力、转动惯量等影响因素引入单环模型进行计算【9 】。1 9 6 8 年 p a v l o v s b 把定子看作一个有齿和绕组的单一厚环来处理，并得出了计算定子固有频率的 数值剽1 0 1 。1 9 7 0 年h o l z m 锄研究了齿位能对发电机定子固有频率的影响【l l 】。h u b n e r 和s e l l r l l d t 于1 9 7 1 年通过实验确定了通风隔离片对定子固有频率的影响【1 2 】。1 9 7 4 年 v e 册a 和g i r g i s 研究了铁芯厚度和长度对定子固有频率的影响【1 3 j 。1 9 7 7 年t h o m s o n 尝试 用有限差分法来计算定子的固有频率，但是由于边界条件的问题，所得结果的精确度并 不理想【1 4 1 。1 9 7 8 年g 用有限元方法分析直流电机定子模型，得出的结果比h o l 协锄 的能量法更精确【1 5 】。几年之后g i i 西s 等人又研究了电机绕组、机座和铁芯的相互作用， 并提出了计算定子固有频率的计算公式【1 6 j 。 从1 9 世纪7 0 年代起，我国也有一些学者开始研究电机的噪声问题，并取得了一定 的成绩。进入8 0 年代，首先是清华大学俞鑫昌提出了鉴别电机噪声源的方法和电机电磁 噪声的降噪措施【1 7 】。1 9 8 7 年张世良等人指出电磁力径向力波与电磁噪声的关系，并分析 了定子绕组等对电磁噪声的影响【2 1 1 。1 9 8 9 年诸自强等人用振速法来计算电机辐射的电磁 噪声功率，提出了能有效预测电磁噪声大小的计算公式【捌。2 0 1 1 年上海大学的代颖在研 究电机模态时将定子绕组等效为空心圆柱体，其密度则按绕线与气隙的比例来确定，其 有限元分析结果与敲击实验结果非常吻合j 。 在国内外学者研究电机固有频率对其电磁噪声的影响的同时，建立电机的声辐射模 型也是学者们的一个重要研究方向。1 9 3 2 年c a n e r 把电机假定为一个球形振源，但并没 有进行定量计算【2 4 】。1 9 4 9 年j o r d a i l 将电机的定子铁芯近似为一个球形体，并得出了一 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 种计算电机表面声强的方法【2 5 j 。1 9 6 5 年砧g e r 将电机当作一个无限长圆柱来处理，但其 应用范围有一定的局限性1 2 6 。1 9 6 9 年e l l i s o n 和m o o r e 提出了一种计算短电机辐射的声 功率的方法【2 7 1 。在国内，哈尔滨工业大学黄礼文等人在1 9 8 5 年研究了电机定子铁芯的 模态振动及其特性之后，于1 9 9 4 年提出了二维电磁噪声理论，使传统的电机电磁噪声理 论得到发展圆j 。 由于电磁噪声主要是由电机气隙磁波及其谐波的径向分力作用在定子和转子上，引 起定子和转子振动而产生的。所以一些学者想通过控制电机气隙磁波来控制电磁噪声。 1 9 8 7 年浙江大学陈永校等人指出龟机应该控制电机气隙磁波的大小，使其远离定子 的固有频率以防止产生共振【2 9 】。1 9 9 3 年诸自强用解析法计算了某型电机的瞬态磁场分 布，得到的结果与有限元计算结果非常接近。随后他在前期研究的基础上计算了改型电 机辐射的电磁噪声3 0 1 。1 9 9 5 年j a v a d i 等人用数值计算的方法研究了作用在定子上的电磁 力和定子的响应1 3 。2 0 0 0 年b e l a h h c e n 采用有限元法对电机铁芯和气隙中的磁场进行求 解，得出了定子内表面的径向力分布1 3 z j 。2 0 0 1 年阮g e n 等人提出增加电机定子的相数 可以减少气隙磁波的径向分力，并通过实验加以验证【3 3 】。2 0 0 4 年g u a i l d o n gj i a o 建立了 一个与电机气隙磁波径向分力相关的解析模型和径向力与电流之间的关系函数刚。2 0 1 0 年j e a l l 等人通过模拟和实验的方法发现通过选择适当的转子或定子开槽宽度可以消除 开槽力波，进而控制电机整体电磁噪声的水平【3 5 1 。 1 2 2 通风噪声的研究现状 电机通风噪声主要是由于冷却气流通过电机内部复杂的风路而产生的空气动力学噪 声，它的大小与冷却风扇的转速以及电机内部风路密切相关。通风噪声可以分为旋转噪 声和涡流噪声两大类【3 引。 国外学者对电机通风噪声的研究也较早。1 9 4 4 年胁g 发现风扇噪声是由气体涡流 噪声和扇叶旋转噪声混叠而成的不连续噪声，而适当改变风路中的筋的形状就可以使气 体涡流噪声变得不易察觉吲。1 9 5 0 年z e l l e r 提出采用封闭罩或闭路风路可以使主要通风 噪声降低至少2 0 d ba ，并给出近似计算公式【3 8 】。1 9 5 7 年t a l a a t 提出在定子径向的风路 口附近添加吸声材料可以有效减少通风噪声【”】。1 9 6 1 年r e n t z s c h 给出了风扇叶片和固 定的障碍物之间的最小距离的计算公式，公式中的最小距离仅与风扇叶片端部的线速度 有关【4 0 j 。1 9 6 4 年s c h u k 给出了在风路内壁加衬吸声材料之后风路的噪声衰减值的估算 公式【4 l j 。1 9 6 9 年p l o n e r 和h e 亿针对风路中轴向肋条对扇叶旋转噪声的影响进行了试验， 并得出了使用三角形截面肋条并加大肋条与叶片之间的距离可以有效减少通风噪声的结 论1 4 2 j 。1 9 7 0 年m e l l i i l 和s o w a l l 研究了叶片间距对通风噪声的影响，并给出了合理的风 扇叶片间距的计算公式【4 引。c h a n a l 】d ( 1 9 7 2 年) 和t s e o ( 1 9 7 4 年) 分别研究了采用多孔 材料的风扇叶片时对通风噪声的影响i 删。1 9 7 6 年p l o n e r 将1 u a a t 的方法用在感应电动机 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 上，使其噪声减少了1 0 d ba m 】。1 9 7 7 年y 觚g 对采用特殊的风扇转子联接器的电机进 行噪声测试，发现其噪声有所降低【4 7 j 。 八十年代之前对于电机通风噪声的处理多是采用吸声、隔声技术。进入八十年代后， 节能受到了相当大的重视，各国学者开始从电机效率入手来解决通风噪声。国内学者在 这方面也有一定的突破。1 9 8 1 年俞鑫昌通过提高电机效率的方法，使电机损耗及风量降 低了近半，同时通风噪声也降低了近1 5 ( 1 ba ；另外他还提到了风扇外径大小以及风道 参数等对通风噪声也有一定的影响【4 8 】。1 9 9 2 年徐世荣试验了不同叶片数量和不同间距叶 片对通风噪声的影响【4 圳。 随着计算机有限元方法的发展，已经有越来越多的学者采用数值方法来分析电机通 风噪声。2 0 0 8 年庞磊等轴流风机通风噪声进行了数值计算，所得结果与实测数据十分接 近【5 0 1 。 本人所在的西南交通大学汽车工程研究所目前也在进行车用交流发电机噪声研究， 研究过程主要从实验测试和数值模拟两方面进行，并已经取得了一定的成果。其中对发 电机中低转速段的电磁噪声的控制已经取得了成功。 1 3本课题主要研究内容 随着车用发电机的工作转速提高，人们对其噪声控制的要求也日益严格。特别是在 中、高端市场，对发电机高转速下的噪声也提出了相应的要求。对于通风噪声，不仅对 其总声级有要求，而且还要求对单谐次分量进行控制。 本课题的主要研究对象是合作电机生产厂提供的一款电磁式有刷内置双扇叶车用交 流发电机( 本文简称“a 型电机”) ，该型电机的工作性能已经达标，但在高转速段仍有 明显的噪声超标问题。所以，本课题主要研究内容包括以下几项： 1 1 参考相关标准及主机厂的各项要求，同相关单位共同设计建造车用交流发电机 专用声学实验室和噪声测试实验台。 2 ) 经过多次实验并将实验结果进行对比分析，发现在相同的实验方案中，发电机 的噪声特性具有高度的稳定性和一致性。但若实验方案不同，则发电机的噪声 特性有可能改变。其中影响较大的有发电机的冷、热态工况，以及转速变化率 的大小。这些结论为后续研究过程中的实验方案的制定提供了可靠的依据。 3 ) 根据本研究所在研究车用交流发电机噪声问题中已经取得的成果，分析a 型电 机在2 0 0 0 _ 4 0 0 0 砷m ( 平m 为r m i n 的缩写，下同) 附近存在的噪声问题，提出改 进意见。对改进后的电机产品再次进行噪声测试，确定其噪声水平已经达到主 机厂的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 4 ) 通过实验发现a 型电机在1 1 0 0 0 叩m 附近存在高转速电磁异响，根据发电机的工 作原理及其噪声产生机理，采用实验对比和理论分析的方法，找到产生该问题 的原因，并提出改进意见。分别采用实验验证和仿真分析的方法验证了改进意 见的正确性。后续实验过程中发现，日本生产的某型供欧洲市场的高端发电机 也采用了与本所提出的改进意见相类似的解决方案。 5 ) 分析研究发电机通风有调噪声，发现其主要由第1 2 、1 8 等谐次噪声成分组成。 参照发动机扭振“单谐次准缸体模型”，提出针对发电机风扇通风有调噪声的矢 量合成公式。根据公式，分别采用两种优化方案对风扇扇叶分布进行优化设计。 最后，通过实验证明了优化后的扇叶能明显改善由通风有调噪声带来的问题。 主机厂也对优化结果给予了肯定的评价。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章车用交流发电机及相关声学理论 2 1 车用交流发电机简介 车用交流发电机是汽车的重要零部件之一，它的主要作用是将汽车发动机产生的机 械能转换为电能供汽车电器使用。随着汽车工业的发展，汽车电器的种类越来越多，也 越来越复杂，车用交流发电机的地位也越来越重要。 目前，市场上的车用交流发电机有以下几种形式。按结构分：有刷和无刷；爪极式 和凸极式；内置双扇叶和外置单扇叶。按励磁方式分：电磁式和永磁式。按功能分：有 调节器和无调节器。但是，各种不同形式的发电机的主要组成还是基本相同的。图2 1 为车用交流发电机的结构示意图。 图2 二1 车用交流发电机结构示意图 ( 1 后端盖2 集电环3 一电刷4 电刷弹簧5 - 电刷架6 磁场绕组7 定子绕组 8 定子铁芯9 前端盖1 0 风扇1 l 一皮带轮) 在正常工作时，上图中的磁场绕组通过接通外接电源形成电流回路后产生轴向磁场， 爪极又将磁场改变为径向磁场，并与定子铁芯形成磁场回路。皮带轮连接发动机输出端， 由皮带轮带动定子绕组转动并切割磁感线产生电流并输出给各种汽车电器使用，同时给 蓄电池充电。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2声学相关理论【2 9 】 声是由物体振动产生的。早在1 7 世纪，伟大的科学家伽利略就用科学的方法对物体 振动与声的产生进行了研究。声的传播是以声波的形式实现的。声波是物质波，是在弹 性介质( 气体、液体和固体) 中传播的压力、应力、质点运动等的种或多种变化5 1 1 。 2 2 1 噪声的物理度量 1 ) 声压与声压级 声波传播过程中引起大气压增加或减少的变化量称为声压，记作p 。声压的大小反 应声音的强弱，其单位为n m 2 ，即p a 。正常人耳的听阈声压为2 1 0 。5 p a 、痛阈声压为 2 0 p a ，两者相差1 0 6 倍，可见用声压来表示声音的强弱十分不方便。为此引入了声压级， 单位为d b ，其表达式为 p = 2 0 l g 古 ( 2 1 ) 1 0 式中，厶为声压级； 尸为声压； 昂为基准声压，取1 0 0 0 h z 时的听阈声压为2 1 0 5 p a 。 ， 由式( 2 - 1 ) 可见，声压级每变化2 0 d b ，声压大小变化1 0 倍；声压级变化1 2 0 d b ，声 压大小变化1 0 6 倍。这样就可以用声压级在o 1 2 0 d b 之间的变化来表示听阈声压到痛阂 声压之间的百万倍变化。 2 ) 声强与声强级 单位时间内通过垂直于声波传播方向上单位面积的声能平均值叫做声强，记作，单 位为w m 2 。声强，与声压尸的关系可以表示为 ，= p 2 p c ( 2 2 ) 式中，p 为声波所经过的介质的密度； c 为该介质中的声速。 根据w 色b e r - f e c l l l l e r 定律，人耳对声响的感觉和声强的对数成正比，故引入声强级厶， 其表达式为 ， 厶= l o l g ( 2 3 ) i o 式中，。为听阈声强。 将式( 2 2 ) 代入式( 2 3 ) 可得 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 纠0 l g 0 l g 筹划，g 号2 一 ( 2 4 ) 3 ) 声功率与声功率级 声源在单位时间内向周围空间辐射的总声能被称作声功率，记作形，单位为w ( 瓦) 。 由声强和声功率的定义可知 。上胁 ( 2 - 5 ) 式中，s 为声源的包络面面积。 参照声压级和声强级，定义声功率级为 纠0 l g 鲁 ( 2 _ 6 ) 式中，为基准声功率，一般情况下等于听阈声功率，即1 0 。2w 。 一般情况下有 岛= 厶+ l o l g s( 2 - 7 ) 式中，s 为测量处的包络面积。 4 ) 响度与响度级 人耳听力察觉到的声音的大小强弱与声强有关，但并不完全由声强决定。因为人耳 及其神经系统都与频率有关，因此声音的主观强弱与客观的声强大小有关，但也受到频 率的影响。响度级就很好的反映了这种关系，其定义为：在自由声场中，设定1 0 0 0 h z 纯 音为基准音，如果某一声音听起来与基准音一样响，则该声音的响度级就等于基准音的 声压级，记作厶，单位为p h o n ( 方) 。例如，一个声压级为6 0 d b 的3 0 h z 纯音，其响 度与声压级为1 0 d b 的l o o o h z 纯音相当，那么该音的响度级厶= 1 0 p h o n 。 响度和响度级的关系与声强和声强级的关系完全不同，其关系是通过实验得来的。 响度的单位为s o n e ( 宋) ，其定义为：设定4 0 p h o n 响度级的响度为ls o n e ，听者判断 为其2 倍响的声音是2 s o n e ，为其1 0 倍响的是1 0 s o n e 。大量实验结果具有很强的规律 性，由实验结果得到的响度表达式为 = 2 “柏 ( 2 8 ) 式中，为响度。 2 2 2 计权网络 为了使声级计的读数接近人耳对不同频率的响应特征，2 0 世纪5 0 年代由国际标准 化组织规定了声级计的三种滤波网络，分别称为a 、b 、c 计权网络( 见图2 2 ) 。其中a 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 计权模仿的是人耳对4 0 s o n e 纯音的反应，b 、c 计权分别是模仿人耳对7 0 p h o n 、1 0 0 p h o n 纯音的反应。 经过长期使用，人们发现a 声级与人耳对噪声的感觉最接近；b 声级用处不大：c 声级接近于不加计权的声压级，但是去掉了对人影响较小的低频和高频部分。 。- 。_ _ 拿广一 l 7 一飞 ， ， ， ， 7 1 k j 1 ， l r 1 2 02 0 0 ( h z ) 2 0 0 0 2 0 0 0 0 图2 2 计权网络曲线 2 2 3 等效连续声级 稳态声可以用a 声级。来评价，但如果噪声的幅值随时间变化较大，就要用统计量 来描述。等效连续声级的意义就是指噪声波动的数值等于一个具有时间历程内总能量的 稳态声。 等效连续声级可以直接在一定时间间隔丁内将采样值积分得到。由于其定义是在等 效能量平均的基础上的，故等效连续声级可以表示为 纠吨；等卜 p 9 ， 式中，匕为连续等效声级； 只为基准声压； p 为随时间变化的声压值； 丁为测量的时间间隔。 2 2 4 噪声的叠加 在实际情况下，仅存在单一声源的状态是极其少见的。即使在消声室中，也是有本 o m i ；亏； 嘞 瑚 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 底噪声存在的。因此噪声的叠加就显得相当重要了。 若珂个声源在某一点产生的声压分别为丑、最、忍，其对应的声压级为。、：、 。k ，则该点的总声压级为 厶= ，。t g 喜( 苦) 2 = - 。g 喜。缶 c 2 。， 式中，只为第f 个声源在测点出的声压； 如为第f 个声源在测点出的声压级。 同理，对声强级和声功率级求和为 厶= ，。，g 喜( 砉) = 。- g 喜，。告 c 2 ， 厶竹= ，。t g 喜( 鲁) = 。g 喜。告 c 2 ，2 ， 对于形状不规则的发声体，它辐射出的噪声在与它相同距离不同方向上的测点上是 不同的，也就是说声源辐射具有指向性。对于同一声源不同测点的声压级的平均，可表 示为 z 州吨睛。刁 当各测点声压级差值在5d b 以内时，平均值尸可近似为各测点声压级的算术平均 值，即 z p = 圭k ( 2 - 1 4 ) ，2 百 2 2 5 噪声的频谱分析， 声音的本质还在于它的频谱。大多情况下纯音较少，一般声音都包含若干频率。噪 声的频谱分析就是将噪声信号从时域转变为频域，在频域内分析噪声信号的频率结构， 进而根据信号的频域特性分析出噪声源的所在。确定噪声源后，就可以提出具有针对性 的改进其噪声特性的方案。 频谱分析的基础是傅里叶分析，傅里叶分析的核心是傅里叶级数和傅里叶积分。对 于非周期噪声信号x ( f ) ，当其满足卜( f ) l 班 o 。时，x ( f ) 与x ( 厂) 存在下列关系 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 x ( f ) = x ( 厂) p 协夕 ( 2 一1 5 ) x ( 厂) = x ( f ) p 一2 夕衍 ( 2 一1 6 ) 式( 2 - 1 4 ) 与式( 2 一1 5 ) 称为傅里叶变换对，其中x ( ) 是x ( ，) 的傅里叶变换。x ( 厂) 是一 个复数，它的模i x ( 厂) | 代表了噪声信号的幅值谱。 2 2 6 振动与噪声的关系 振动是产生噪声的根源，进行噪声控制的根本也是控制声源的振动。振动可以通过 它的频率、速度、加速度和位移等参数来表达。 设大平面振动时，平板上坐标为x 的质点在f 时刻的位移为y ，则有 y = 】，s i n ( ，一救) ( 2 1 7 ) 式中，= 2 丌厂，为角频率； y 为最大振幅； k = 2 7 r 允( a 为波长) 。 由式( 2 1 6 ) 可得质点的振动速度 夕= 罢= 国】，c o s ( 耐一缸) ，( 2 1 8 ) 8 f 、j 、。 其速度幅值 由式( 2 1 7 ) 和式( 2 一1 8 ) 可知，声压 p = 】， ( 2 一1 9 ) 巴= 以】， 式中，e 为材料弹性模量。 故有 ：里：垡堕：匹：型：塾：p c 】， 】，献2 万m 。 于是 p m = p c y 式中，c = 纠j d ，为介质中的声速。 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 由式( 2 2 1 ) 可知，声压与振动速度成正比。由基准声压忍可求得基准振速 砭5 x l o - 1 0 1 1 1 s ，这时速度级 矿p 岛= 2 0 l g 寺= 2 0 l g 寺= 4 ( 2 2 3 ) 1 0 1o 由式( 2 2 2 ) 可知，在大平板振动时如果能侧得平板表面振速p ，就可以得到平板振动 所产生的噪声级上。 2 3 车用交流发电机噪声理论分析 车用交流发电机噪声比较复杂，涉及了多个学科的知识。但是从其产生机理上来讲， 可以分为电磁噪声、机械噪声和通风噪声。 2 3 1 车用交流发电机噪声产生机理 1 ) 电磁噪声 发电机正常工作时，在其磁场气隙中产生电磁力波，该电磁力波有径向和切向两个 分量作用在定子铁芯上。其中，径向分量使定子铁芯产生的振动是电磁噪声的主要来源； 而切向分量能够使定子齿根产生振动形变，这也是电磁噪声的一个重要来源。另外，由 于爪极的结构特点，在某些特定转速下爪极的振动变形所辐射出的电磁噪声会变得相当 突出。上述电机内部构件的振动引起电机外壳振动，进而辐射到电机四周空间，就形成 了我们所听到的电磁噪声。 电机磁场气隙中单位面积的径向电磁力为： o ：婴业 ( 2 - 2 4 )0 = 亡二2( 2 2 4 ) z j l l o 式中，b p ，) 为气隙磁密，是机械位移角p 和时间f 的函数； 为真空磁导率。 电机气隙中的合成磁场b ( p ，f ) 主要由基波磁场、定子绕组与转子绕组谐波磁场、定 子与转子气隙磁导一阶齿波磁场组成。 基波磁场产生的径向力波只可以表示为 = 昂+ 墨( 2 - 2 5 ) 式中，咒为不变部分，它是均匀分布定子上的压缩应力，并不会引起振动和噪声； # 为可变部分，是一个旋转的径向力波，它能产生的振动和噪声的频率为2 石( 其 中石为电源频率) 。 定子绕组与转子绕组谐波磁场产生的力波名可以表示为 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 乞= 寺( 霹+ 或+ 2 e 色) ( 2 2 6 ) 其中，第一项和第二项分别为定子谐波磁通之间的作用和转子谐波磁通之间的作用，它 们对a 计权总声级贡献不大；第三项为某一个定子，。次谐波与一个转子心次谐波间的 作用。因此式( 2 2 5 ) 可以简化为 、 巳：乏 c 。s ( j l l y ) 8 一( q q ) f 一( 竹) ( 2 - 2 7 ) 另厂= v ，则，就是磁场径向力波的极对数。定子在径向力波的作用下产生径向振动 变形，进而产生电磁噪声。径向变形的大小与径向力波的极对数，有关，定子铁芯变形 的幅值大致与，4 成反比。在中小型电机中，一般只考虑厂4 的情况，其中，= 2 时的径 向力波最容易产生电磁噪声。 由定子与转子气隙磁导一阶齿谐波所产生的力波，可以导致气隙磁密周期性变化进 而产生电磁噪声。其频率为厂= f 跏6 0 ，其中f 为谐波次数；q 为齿槽数；”为转速。 如果电机转子或定子自身的固有频率与电磁力波的某阶次频率很接近，那么即使很 小的电磁力也会引起转子或定子产生共振，进而产生很大的电磁噪声。 电机气隙偏心时，由于气隙磁导的周期性改变，又会在气隙磁场中附加一个谐波磁 场，这也会引发电磁噪声。另外此路饱和等因素也会在电机气隙中产生附加磁场，产生 附加电磁力波，进而引发电磁噪声。 2 ) 机械噪声 发电机的机械噪声主要因为转子不平衡、电刷与集电环的摩擦以及轴承自身振动等 原因造成。转子不平衡可能产生偏心磁场，并产生离心力引起轴承弯曲，并增加轴承磨 损，进而引发振动和噪声。当电刷与刷握间配合不好或者弹簧压力不合适等原因存在时， 电机工作过程中就会产生电刷噪声。 随着加工工艺的提升以及制造技术的发展，机械噪声已经得到了很好的控制。 3 ) 通风噪声 通风噪声的产生是由于发电机的风扇引起的。由于发电机自身散热的需要，采用风 冷必然会产生通风噪声。由电机风扇产生的气流，其局部压力随时间变化十分迅速，进 而使气流本身产生剧烈脉动，同时脉动气流与电机风路内壁摩擦，这就形成了通风噪声。 通风噪声通常直接通过气流辐射至四周空间。发电机通风噪声可以分为旋转噪声、涡流 噪声和笛声三种。 当风扇高速旋转时，风扇周围的空气质点由于受到扇叶周期力的作用而产生压力脉 动，进而辐射出噪声。旋转噪声的频率兀与扇叶作用在质点上的周期力的频率相同，即 以= 等 ( 2 - 2 8 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 式中，七= 1 ，2 ，3 ，； z 为扇叶数； 刀为风扇转速( r m i n ) 。 如果气流在流动过程中遇到障碍物，由于流体粘滞力的作用，气流就会分裂成一系 列的小气流，这种分裂会使气流压缩或稀疏，从而产生绕动并辐射出噪声。涡流噪声的 频率可以表示为 厶_ 砌云 ( 2 _ 2 9 ) 式中，f = 1 ，2 ，3 ，； 砌为斯脱哈立数，在0 1 枷2 0 之间，一般取0 1 8 5 ； y 为气流与障碍物的相对速度； d 为障碍物的正表面宽度在垂直于速度平面上的投影。 从式( 2 2 8 ) 可以看出，涡流噪声的频率取决于扇叶与气流的相对速度。而扇叶的圆周 线速度是连续变化的，所以风扇扇叶产生的涡流噪声是宽频带的连续谱。 在车用交流发电机中，风扇产生的笛声噪音一般是由于风扇叶片和电机外壳散热筋 对气流的干扰引起的。这种噪声的频率可以表示为 厂= m 去 ( 2 - 3 0 ) 式中，m 为风扇叶片和电机外壳散热筋的最小公倍数； 以为风扇转速。 2 3 2 车用交流发电机噪声分析方法 常用的发电机噪声分析方法有以下几种： 1 ) 主观鉴别法 人耳是一套灵敏度和可靠性相当高的测试分析系统。经验丰富的工作人员能凭借用 耳听来判断一台发电机的工作状态，并能判断出产生噪声的部位和原因。 但是主观的方法都有一个共同的缺点，就是稳定性差，容易受到人员自身状态( 心 理、健康、精力等) 的影响。 2 ) 表面振速法 、当一个物体产生机械振动时，就会使其周围介质也发生相应的振动，进而将机械振 动的能量以声波的形式向四周空间传播，于是便产生了噪声。所以可以通过测量物体表 面的振动来确定其辐射出的噪声。物体表面振动速度与其辐射出的声功率的关系可以表 达为 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 缈= 风阳跖2( 2 - 3 1 ) 式中，p 为介质密度； c 为介质声速； 仃振动表面声辐射效率； s 为测量表面总面积； 瓦2 为表面振动平均速度。 有关学者研究发现，电机的声辐射效率仃最接近脉动球的声辐射曲线，介于脉动球 声辐射0 阶与l 阶曲线之间，相关系数达0 9 9 8 。 由于表面振速法的测试量是振动信号，所以进行测试时几乎可以忽略环境噪声和反 射声的影响，几乎可以应用于各种环境。 3 ) 声强法 声强法是通过测量各个部件表面振动的近场声强，从而求得该部件辐射出的声功率。 在振动部件的近场用两个距离为，的传声器( 分别记为测点l 和测点2 ) 同时测量声压 信号，分别记为暑和最。当，足够小时，就可以用名和最的均值来代替两个测点连线中 点出的声压p 。经过运算处理后就可得到连线中点出的声强为 厶( 胪赤1 m g l z ( 明 ( 2 - 3 2 ) 式中，厶( ) 为方向挖上厂频带的声强； g l ：( 厂) 为墨和b 的单边互功率谱； i i i l 为取虚部。 由于声强是具有方向性的矢量，所以在分析时可以消除环境中其它声源的影响。这 使得声强法测试和表面振速法一样具有很强的环境适应性。 4 ) 频谱分析法 频谱分析法的原理在本章第2 2 5 节已经有过介绍。频谱分析法是信号处理中最常用 的一种分析方法。它也经常被作为其它分析方法的基础来使用。 5 ) 相干函数法 相干函数法是通过分析两个信号之间的依赖程度来判断噪声源的一种方法。设x ( f ) 是发电机上某个测点的振动信号，y ( f ) 是发电机周围某点的声压信号，其自功率谱及互 功率谱函数分别为q ( 厂) 、( 厂) 和呜( 厂) ，则两个信号的相干函数可以表示为 烈班尚 p 3 3 ， 相干函数y 刍的数值介于。到1 之间。若y 刍= o ，意味着x ( f ) 和y ( f ) 毫不相干，也就 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 是说声压少( ，) 不是由振动z ( f ) 辐射出的；若y 刍= 1 ，意味着x ( f ) 和y ( f ) 完全相干，也就 是说声压y ( ，) 完全是由振动x ( f ) 辐射出的；若o y 弓 l ，则表示声压y ( f ) 中有一部分 能量来自于振动x ( f ) 。 、， 2 3 3 车用交流发电机噪声源识别 通过前两小节的分析，在了解了发电机噪声产生原因后，再结合常用的噪声分析方 法，就可以准确的识别出发电机的噪声源。 1 ) 电磁噪声的识别 从电磁噪声产生的原因分析，识别电磁噪声主要有以下几种方法： 幻测振法：由本章第2 3 1 节介绍可知，电磁噪声是由于电机内部定子的径向振动 产生的。因此可以通过分别测量发电机的噪声信号和振动信号，将两者进行比 较就可以把电磁噪声从总噪声中分离开来。 b 1 断电法：断电法的思路是从电磁力出发的。正常运行中的发电机突然断电后， 由于电磁力消失，电磁噪声立即随之消失。但是由于转子的惯性作用，机械噪 声和通风噪声仍然存在。这样就可以采集到没有电磁噪声存在的信号，将其与 发电机正常工作时的总噪声信号进行分析比较，就可以得到电磁噪声信号。 c ) 变负载法：由于异步发电机转速随负载变化不大，而电磁噪声随负载的变化却 相当明显。因此若噪声随负载的改变而有明显变化，则该噪声中就很可能是由