侯艷芳，張凱，韓國華

（1.同濟大學(xué) 電信學(xué)院，上海 200092；

2.常熟理工學(xué)院機械工程學(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)電機聲品質(zhì)研究

侯艷芳1，張凱2，韓國華3

（1.同濟大學(xué) 電信學(xué)院，上海 200092；

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

3.上海大眾汽車有限公司，上海 210805）

針對某轎車乘員艙內(nèi)在加速工況下的發(fā)電機噪聲抱怨，通過在消聲室內(nèi)進行固體聲和空氣聲識別，找到了發(fā)電機噪聲抱怨的產(chǎn)生原因為固體聲.針對此抱怨，采取優(yōu)化發(fā)電機爪極的措施來優(yōu)化電磁噪聲.主觀評價和客觀分析結(jié)果表明：優(yōu)化方案解決了發(fā)電機噪聲抱怨問題，改善了發(fā)電機的聲品質(zhì).

發(fā)電機；心理聲學(xué)；主觀評價

隨著汽車技術(shù)的迅猛發(fā)展，汽車的主要噪聲源（發(fā)動機噪聲）已經(jīng)得到了比較好的控制，因此汽車的附件噪聲（如搖窗機噪聲、發(fā)電機噪聲、雨刮噪聲、燃油泵噪聲等）引起了人們越來越多的重視[1].但目前關(guān)于汽車發(fā)電機噪聲抱怨的研究還不多，尤其是通過發(fā)電機結(jié)構(gòu)優(yōu)化來解決發(fā)電機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)電機的高頻嘯叫聲抱怨，嚴重影響了汽車乘坐舒適性.本文針對電機噪聲抱怨，進行了噪聲源識別，給出了問題的解決方案，并且進行了聲品質(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)電機的噪聲抱怨，同時提升了發(fā)電機的聲品質(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)電機是三相同步發(fā)電機，是在激勵磁場下由發(fā)動機帶動發(fā)電，由發(fā)電機定子繞組感應(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)電機噪聲雖然比較復(fù)雜，從產(chǎn)生機理上主要分為兩類：電磁噪聲、機械噪聲.發(fā)電機正常工作時，在其磁場氣隙中產(chǎn)生電磁力波，該電磁力波有徑向和切向兩個分量作用在定子鐵芯上.此徑向分量使定子鐵芯產(chǎn)生的振動是電磁噪聲的主要來源；另兩個電磁噪聲的重要來源是切向分量使定子齒根產(chǎn)生的振動形變和在某些轉(zhuǎn)速下爪極的振動變形.發(fā)電機的機械噪聲主要包括轉(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)電機的機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，氣隙磁場中單位面積的徑向電磁力計算如下式：

式中：B—氣隙磁密；θ—機械角位移；μ0—真空磁導(dǎo)率.

由于定、轉(zhuǎn)子繞組中存在主波磁勢與各諧波磁勢，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)電機各項電磁性能，特別是電機的效率和噪聲等，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，反映到氣隙磁場中即各諧波含量的多少，從而對發(fā)電機的電磁噪聲進行有效地消減控制[3].本文通過對梯形爪極形狀和爪極面傾斜角度進行優(yōu)化來改進電磁噪聲.

1.2 試驗分析

針對轎車發(fā)電機高頻嘯叫聲抱怨的加速工況，進行主觀評價后，確認此工況下噪聲不可接受.由于電磁噪聲是由于電機內(nèi)部定子的徑向振動產(chǎn)生的，因此可以通過測量發(fā)電機的振動信號，進一步對電磁噪聲進行分析.為此分別在車輛駕駛員位置和發(fā)電機上布置了傳聲器和加速度傳感器.通過對傳聲器和加速度傳感器進行數(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是改進前后發(fā)電機階次對比，其中橫軸為發(fā)電機轉(zhuǎn)速rpm，縱軸為加速度g.從圖中可知，發(fā)電機的主階次36階電磁噪聲是引起噪聲抱怨的主要原因，改進前4200轉(zhuǎn)附近的36階是引起高頻嘯叫的原因，改進后，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發(fā)電機的結(jié)構(gòu)由于發(fā)電機噪聲特性極其復(fù)雜，對一種配置的發(fā)電.機有效的結(jié)構(gòu)改進，對另外一種配置不一定有效，同時發(fā)電機噪聲研究作為發(fā)電機企業(yè)的高度保密的技術(shù)，其技術(shù)參數(shù)的詳細描述是很難獲取的.針對此款產(chǎn)品，發(fā)電機企業(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)電機爪極的形狀由三角形改為梯形，同時對梯形形狀進行優(yōu)化，并改變爪極面進入磁場和離開磁場的角度，此發(fā)電機噪聲抱怨得以消除.其中改變爪極形狀，就是對勵磁繞組產(chǎn)生磁通的關(guān)鍵部位（爪極）進行形狀上的優(yōu)化，優(yōu)化后的爪極能調(diào)節(jié)氣隙磁場和感應(yīng)電勢的波形，進而優(yōu)化電磁噪聲（圖2a），而改變爪極面進入磁場和離開磁場的角度，可以影響到氣隙磁場中的磁密分布波形，從而對發(fā)電機的電磁噪聲進行優(yōu)化，并達到發(fā)電機運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，消除個體的影響[4].下面從尖銳度方面進行分析評價.

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是改進前后發(fā)電機尖銳度對比結(jié)果，可知尖銳度在發(fā)電機結(jié)構(gòu)改進后有明顯改善.同樣可以看出，在抱怨轉(zhuǎn)速4200轉(zhuǎn)附近，改進后發(fā)電機的高頻成份有了明顯的降低.

3.2 主觀評價

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

4 結(jié)論

本文對汽車發(fā)電機的噪聲源進行了理論分析，在消聲室對某轎車發(fā)電機的噪聲源進行了識別，發(fā)現(xiàn)固體聲引起的電磁噪聲是發(fā)電機噪聲抱怨的主要來源.針對此電磁噪聲，從發(fā)電機的結(jié)構(gòu)上進行了改進，并進行了客觀試驗和主觀評價.結(jié)果表明：優(yōu)化后的發(fā)電機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：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.基于氣隙磁場諧波分析的汽車發(fā)電機爪極優(yōu)化選擇[J].微特電機，2013（2）：1-4.

[4]毛東興.車內(nèi)聲品質(zhì)主觀評價與分析方法的研究[D].上海：同濟大學(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.