基于SeeSV噪聲定位技術(shù)的電機(jī)噪聲測(cè)試

余慧杰，徐　強(qiáng)

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

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基于SeeSV噪聲定位技術(shù)的電機(jī)噪聲測(cè)試

余慧杰，徐強(qiáng)

(上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)某一運(yùn)轉(zhuǎn)工況的噪聲聲壓級(jí)與電機(jī)噪聲頻率的測(cè)試問(wèn)題，提出了一種運(yùn)用聲學(xué)照相機(jī)SeeSV與傳聲器相結(jié)合，并同時(shí)檢測(cè)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試方法。通過(guò)選取SeeSV的不同頻段對(duì)噪聲源進(jìn)行定位識(shí)別，分離出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的噪聲頻段，運(yùn)用傳聲器測(cè)定電機(jī)的噪聲強(qiáng)度，并用振動(dòng)信號(hào)對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，用SeeSV和傳聲器相結(jié)合的方法,可在復(fù)雜噪聲中識(shí)別出驅(qū)動(dòng)電機(jī)的噪聲頻率為2 666.25 Hz，聲壓級(jí)為60.7 dB，對(duì)工程噪聲的評(píng)價(jià)具有實(shí)踐意義。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)；噪聲測(cè)試；噪聲分離；聲源定位

驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為電動(dòng)汽車(chē)的主要?jiǎng)恿敵鲈?，其噪聲的大小將?duì)整車(chē)乘坐舒適性起到至關(guān)重要的影響，它不僅影響著乘員的健康，同樣也是車(chē)外環(huán)境噪聲污染的一個(gè)重要來(lái)源。電機(jī)的噪聲是由不同頻率、不同聲強(qiáng)的噪聲疊加而成，可高達(dá)110 dB[1]。因此，有效控制電機(jī)噪聲已成為驅(qū)動(dòng)電機(jī)制造商的重要工作，而準(zhǔn)確的在各種混雜噪聲中定位、分離電機(jī)的噪聲則是控制噪聲的基礎(chǔ)。

針對(duì)電機(jī)噪聲測(cè)試的方法及噪聲頻率的分離問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及技術(shù)人員展開(kāi)了大量的研究工作。文獻(xiàn)[2]通過(guò)階次分析方法找到電機(jī)在負(fù)載和空載工況下噪聲的特征階次，從而確定電機(jī)的主要噪聲源；文獻(xiàn)[3]利用FFT頻譜分析法對(duì)電機(jī)的振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，進(jìn)而對(duì)電機(jī)噪聲進(jìn)行有效的識(shí)別；文獻(xiàn)[4]使用傳聲器陣列試驗(yàn)以及頻譜分析找到了噪聲的激勵(lì)源。

本文以某新能源汽車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為研究對(duì)象，基于噪聲定位原理，運(yùn)用聲學(xué)照相機(jī)SeeSV對(duì)電機(jī)噪聲定位，獲取電機(jī)噪聲頻段，通過(guò)高靈敏度的傳聲器進(jìn)一步獲得電機(jī)噪聲的頻率值及聲壓級(jí)，并用同時(shí)檢測(cè)電機(jī)振動(dòng)信號(hào)的辦法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，為降低電機(jī)噪聲提供了理論依據(jù)。

1　噪聲定位原理

在噪聲的可視化定位原理中，有很多種算法可供選擇，一般可分為3類[5-6]：基于高分辨率譜估計(jì)的方法、基于波達(dá)時(shí)延差(Time Difference of Arrival)的方法和基于波束成形的方法。其中，基于波束成形方法作為一種重要的信號(hào)處理技術(shù)，具有較高的信號(hào)增益、靈活的波束抑制、較強(qiáng)的抗干擾能力與較高的空間分辨能力等特點(diǎn)，因此，受到廣泛關(guān)注及應(yīng)用。

波束成形[7-8]方法基于傳聲器陣列，根據(jù)各傳聲器接收聲波信號(hào)的聲程差不同而產(chǎn)生的相位差來(lái)確定信號(hào)的來(lái)源方向。以空間離散分布的多基元基陣為例對(duì)傳聲器陣列的指向性原理進(jìn)行闡述。

如圖1所示，設(shè)有空間任意分布的N個(gè)無(wú)指向性傳感器，圖中Hi表示第i個(gè)傳聲器，在直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(xi,yi,zi),球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(θi,φi,γi)。

圖1　指向性原理示意圖

在分析陣列指向性時(shí)，計(jì)算各傳聲器之間的聲程差是關(guān)鍵，基于以上坐標(biāo)有

(1)

以坐標(biāo)O為參考坐標(biāo)原點(diǎn)，由圖1可知空間的任意傳聲器Hi到參考點(diǎn)的聲程差為

di=ricosθi

xisinθicosφ+yisinθsinφ+zicosθ

(2)

其相位表達(dá)式為

(3)

當(dāng)基陣指向(θ0,φ0)時(shí)，Hi的補(bǔ)償相位為

(4)

令Δεi=ε′-ε″。對(duì)于有N個(gè)基元的指向性函數(shù)[9]為

(7)

其指數(shù)形式為

(8)

根據(jù)指向性函數(shù)即可定位噪聲在空間中的位置。SeeSV傳聲器陣列是基于波束成形技術(shù)，利用指向性函數(shù)開(kāi)發(fā)的新型聲學(xué)照相機(jī)。

2　SeeSV聲學(xué)照相機(jī)

SeeSV聲學(xué)照相機(jī)整體集成了30個(gè)傳聲器，以輪胎形排列于傳聲器的骨架上[10]，具有指向性好、聲源識(shí)別能力強(qiáng)、旁瓣水平低的特點(diǎn)。SeeSV聲學(xué)照相機(jī)是基于高速波速成形技術(shù)開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)聲學(xué)照相機(jī)，其測(cè)試頻率范圍為350 Hz～12 kHz，可用于瞬態(tài)噪聲源的檢測(cè)，也可用于穩(wěn)態(tài)噪聲源的精確定位。

在試驗(yàn)測(cè)試中，SeeSV聲學(xué)照相機(jī)主要用于噪聲源的定位，其工作原理為：通過(guò)波束成形選取適當(dāng)?shù)募訖?quán)向量，通過(guò)對(duì)傳聲器陣列中各陣元的輸出進(jìn)行延時(shí)、加權(quán)、求和等運(yùn)算，從而使某一期望方向上的信號(hào)到達(dá)陣列后均是同向的，進(jìn)而在該方向上產(chǎn)生一個(gè)空間響應(yīng)極大值。當(dāng)SeeSV各陣元接收的信號(hào)都是同向時(shí)，陣列可產(chǎn)生一個(gè)增強(qiáng)的信號(hào)輸出，否則輸出將被減弱。因此，通過(guò)SeeSV可實(shí)現(xiàn)聲源定位，實(shí)現(xiàn)聲場(chǎng)的可視化測(cè)量，直觀定位聲源位置。

3　試驗(yàn)測(cè)試

3.1電機(jī)噪聲測(cè)試

本次試驗(yàn)測(cè)試以某乘用車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為測(cè)試對(duì)象，采用SeeSV與傳聲器相結(jié)合的辦法測(cè)試電機(jī)噪聲頻率值與電機(jī)噪聲聲壓級(jí)。

在試驗(yàn)測(cè)試中，SeeSV用于區(qū)分不同頻段噪聲的來(lái)源。通過(guò)調(diào)整頻段范圍，使云圖紅色區(qū)域覆蓋被測(cè)電機(jī)，此時(shí)的SeeSV頻段即為電機(jī)噪聲的頻段。在獲得電機(jī)噪聲頻段范圍時(shí)，采取同時(shí)檢測(cè)傳聲器的辦法，濾波后去除頻段范圍之外的噪聲干擾。此時(shí)，波峰處的頻率值為電機(jī)噪聲的精確頻率值，幅值為電機(jī)噪聲的聲壓級(jí)。若該頻率與掃頻時(shí)頻圖的頻率相差大，則需在SeeSV濾波頻段范圍內(nèi)調(diào)整濾波帶寬，重新獲取精確的電機(jī)聲壓級(jí)與電機(jī)噪聲頻率點(diǎn),技術(shù)路線如圖2所示。

圖2　噪聲測(cè)試技術(shù)路線圖

3.2測(cè)試結(jié)果分析

在電機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r·min-1，負(fù)載為70 N·m的測(cè)試工況中，通過(guò)截取不同的頻段，SeeSV聲學(xué)照相機(jī)可以給出直觀的噪聲場(chǎng)分布圖，如圖3和圖4所示。圖中顏色的深淺代表聲壓的強(qiáng)弱，黑色表示聲壓最強(qiáng)。

圖3　2 875～3 150 Hz頻段的噪聲分布圖

圖4　2 550～2 850 Hz頻段的噪聲分布圖

從圖3可知,2 875～3 150 Hz頻段的噪聲主要由臺(tái)架封蓋與管路振動(dòng)產(chǎn)生，從圖4可知2550～2 850 Hz頻段的噪聲主要由被測(cè)電機(jī)產(chǎn)生，從而初步對(duì)噪聲來(lái)源進(jìn)行分離。

由于分辨率的限制，SeeSV相機(jī)只能初步給出被測(cè)電機(jī)噪聲的范圍和強(qiáng)度，難以給出精確的頻率點(diǎn)和具體聲壓級(jí)。在SeeSV相機(jī)給出被測(cè)電機(jī)噪聲頻率范圍的基礎(chǔ)上，傳聲器同時(shí)檢測(cè)聲壓信號(hào)，對(duì)被測(cè)電機(jī)的具體頻率和聲壓級(jí)進(jìn)行詳細(xì)分析。

對(duì)傳聲器采集的信號(hào)在2 550～2 850 Hz頻段濾波，并做FFT變換得到其幅度譜曲線如圖5所示。

圖5　2 550～2 850 Hz FFT變換曲線

從圖5可看出，被測(cè)電機(jī)的噪聲頻率為2 666.25 Hz，聲壓級(jí)為60.7 dB。

3.3結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述噪聲測(cè)試方法的可靠性，試驗(yàn)采取同時(shí)檢測(cè)貼在電機(jī)表面的加速度計(jì)信號(hào)的辦法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。如圖6所示為貼在電機(jī)上部加速度計(jì)的時(shí)頻圖，掃頻試驗(yàn)可以得到電機(jī)從0～8 000 r·min-1以每秒增加100 r·min-1的速率做連續(xù)變轉(zhuǎn)速的時(shí)頻圖。①線為電機(jī)做連續(xù)變轉(zhuǎn)速時(shí)，電機(jī)噪聲頻率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線圖。從圖6可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為

5 000 r·min-1時(shí)，電機(jī)的噪聲頻率為2 650 Hz附近，如圖5所示，這與通過(guò)SeeSV測(cè)量得到的電機(jī)頻率點(diǎn)2 666.25 Hz相近。

圖6　加速度計(jì)連續(xù)掃頻時(shí)頻圖

4　結(jié)束語(yǔ)

SeeSV聲學(xué)照相機(jī)基于波速成形技術(shù)對(duì)噪聲進(jìn)行分離，通過(guò)選取不同的噪聲頻段，能有效地識(shí)別特定頻段內(nèi)噪聲的分布情況，為待測(cè)物噪聲頻率的確定提供參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)證明，該方法檢測(cè)的電機(jī)噪聲頻率與貼在驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的加速度傳感器檢測(cè)到的電機(jī)振動(dòng)頻率相近，且該方法可實(shí)時(shí)直觀地觀察到不同頻段噪聲的來(lái)源，方法簡(jiǎn)單有效。為電機(jī)噪聲分離提供依據(jù)，為電機(jī)噪聲測(cè)試提供方法。

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Motor Noise Test Based on SeeSV Acoustic Source Location

YU Huijie, XU Qiang

(School of Mechanical Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

A test method combining the acoustic camera SeeSV with microphones to detect the motor vibration signal simultaneously is proposed for measuring a drive motor sound pressure level and noise frequency. Different SeeSV frequency bands are chosen to locate and identify the noise source, and isolate motor noise spectrum. Microphones are used to measure the motor noise intensity, which is verified by vibrating signal. The result shows that noise frequency and sound pressure level from drive-motors can be identified in complex noises by using the combination of SeeSV with sound transmission meter in practical engineer noise evaluation. The noise frequency and sound pressure level is 2666.25 Hz and 60.7 dB, respectively.

driving motor; noise test; noise separation; acoustic source localization

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.018

2015--11 10

余慧杰 (1978-)，男，博士。研究方向：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化。徐強(qiáng)(1990-), 男，碩士研究生。 研究方向：振動(dòng)與噪聲。

TM301.4+3; TB52+ 1

A

1007-7820(2016)08-061-03