純電動汽車聲品質(zhì)評價(jià)及電磁噪聲分析

王永超，顧燦松，陳達(dá)亮

（中國汽車技術(shù)研究中心汽車工程研究院，天津 300300）

前言

純電動汽車采用電機(jī)驅(qū)動，由于缺少發(fā)動機(jī)噪聲及其掩蔽效應(yīng)，使得車內(nèi)聲壓級水平總體較低，但是電機(jī)會產(chǎn)生令人煩躁的高頻電磁噪聲，使得車內(nèi)人員主觀難以接受，從而會造成“噪聲低煩躁度高”的現(xiàn)象。傳統(tǒng)汽車的車內(nèi)噪聲大部分以A計(jì)權(quán)聲壓級作為評價(jià)指標(biāo)，但A計(jì)權(quán)聲壓級僅代表車內(nèi)噪聲總體幅值的大小，沒有考慮車內(nèi)的聲品質(zhì)水平，對于評價(jià)“噪聲低煩躁度高”特征的純電動汽車會出現(xiàn)較大偏差。而車內(nèi)聲品質(zhì)可以體現(xiàn)車內(nèi)人員對車內(nèi)特定噪聲水平下的主觀感受，并可利用心理聲學(xué)客觀參數(shù)并可以進(jìn)行量化分析[1]。這些參數(shù)反映了人作為評價(jià)主體的感受，可以代表各種噪聲信號造成的主觀心理感受差別。同時(shí)，在純電動汽車車內(nèi)噪聲來源中，電機(jī)電磁噪聲是主要噪聲源之一。已有的研究成果表明，電磁噪聲聲品質(zhì)對純電動汽車車內(nèi)整體聲品質(zhì)有重要影響[2]。本文以計(jì)算多個(gè)心理聲學(xué)參數(shù)為前提，進(jìn)行純電動汽車車內(nèi)聲品質(zhì)評價(jià)及電磁噪聲分析，對于現(xiàn)代電動汽車噪聲的評價(jià)和分析具有重要的意義。

1 車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)采集

為了更準(zhǔn)確地獲取純電動汽車的噪聲樣本，盡可能地減少外界噪聲的干擾，本試驗(yàn)選擇在半消聲試驗(yàn)室中進(jìn)行，將試驗(yàn)樣車放置在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺上，不計(jì)風(fēng)噪聲的影響，近似認(rèn)為采集到的噪聲信號全部由試驗(yàn)樣車所產(chǎn)生。

試驗(yàn)選用 Head Acoustics公司HEAD SQuadrigaⅡ多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄噪聲信號，信號采集設(shè)備是HEAD頭戴式耳機(jī)和GRAS傳聲器。頭戴式耳機(jī)由駕駛員佩戴，傳聲器布置在距電機(jī)10cm近場處。如圖1所示：

圖1 樣車半消聲轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)臺及傳感器布置方式

本試驗(yàn)選用四輛純電動樣車為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示，試驗(yàn)工況為20KPH、30KPH、40KPH、50KPH、60KPH、70KPH、80KPH、90KPH、100KPH 勻車速工況及POT工況，主要分析四輛樣車在常用行駛工況下電機(jī)引起的車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)。

表1 樣車基本參數(shù)

2 車內(nèi)A計(jì)權(quán)聲壓級對比及聲品質(zhì)分析

2.1 純電動汽車噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級對比

在評價(jià)車內(nèi)噪聲時(shí)，首先需要衡量車內(nèi)聲壓級的大小。分別對四輛樣車進(jìn)行勻速工況噪聲測試，通過A計(jì)權(quán)的均方根計(jì)算得出如圖2所示的曲線，從圖2(a)電機(jī)近場聲壓級可以得出，四輛樣車的電機(jī)近場噪聲聲壓級隨車速的增大而增加，但對比差異不大；從圖2(c)中可以得出樣車1從電機(jī)近場傳遞到車內(nèi)駕駛員右耳的聲壓級降低百分比最大；同時(shí)，從四輛樣車可以總結(jié)出，通過有效的聲學(xué)包裹，可以使電機(jī)近場傳遞到車內(nèi)駕駛員右耳的噪聲聲壓級降低30%以上；從圖 2(b)中得出四輛樣車車內(nèi)駕駛員右耳的噪聲聲壓級整體較低，但是通過聲壓級很難評價(jià)4個(gè)樣車的優(yōu)劣。

圖2 勻車速工況聲壓級對比

2.2 車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)分析

評價(jià)車內(nèi)聲品質(zhì)的好壞，不僅需要計(jì)算車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級大小，也需要做基于心理聲學(xué)主觀感受的多個(gè)參數(shù)的聲品質(zhì)分析。本文選取4個(gè)心理學(xué)參數(shù)：語言清晰度（Articula-tion Index）、響度（Loudness）、尖銳度(Sharpness)、粗糙度（Roughness）進(jìn)行車內(nèi)噪聲進(jìn)行評價(jià)。

語言清晰度，反映車內(nèi)人員在交流過程中語言受噪聲影響及人耳聽到的語言清晰度發(fā)生改變的程度，其大小與背景噪聲大小及其噪聲特性有關(guān)，越大說明語言越清晰。

響度反映的是人耳對噪聲響亮水平的主觀感受，響度高低表示聲音響亮程度的高低，單位為宋(song )。響度的數(shù)學(xué)模型大多數(shù)采用ISO532B中規(guī)定的 Zwicker模型：

粗糙度反映的是噪聲調(diào)制幅度、頻率等特點(diǎn)的大小，體現(xiàn)聲音進(jìn)行調(diào)制的程度大小[4]，單位為asper。主要用于分析頻率范圍20Hz～200Hz范圍頻率調(diào)制的聲音。粗糙度數(shù)學(xué)模型如下[5]：

式中：R為粗糙度值，f為頻率，噪聲變化量

計(jì)算得到4個(gè)樣車在各個(gè)工況的客觀心理聲學(xué)參數(shù)如表2所示：

表2 樣車各聲品質(zhì)參數(shù)

電動汽車的聲品質(zhì)客觀量化模型大多數(shù)是以多元線性回歸分析方法求得，建立起主觀評價(jià)與各個(gè)客觀聲品質(zhì)心理聲學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，本文使用以舒適性為主的聲品質(zhì)客觀量化模型[6]：

式中：SQ為電動汽車聲品質(zhì)客觀量化數(shù)值，數(shù)值越大表示聲品質(zhì)越好；SPL(A)為車內(nèi)A計(jì)權(quán)聲壓級，N為響度，S為尖銳度，R為粗糙度，AI為語言清晰度，擬合出的結(jié)果如圖3，樣車1和3的聲品質(zhì)優(yōu)于樣車2和4，且樣車1在低速聲品質(zhì)表現(xiàn)極好。圖中所示的樣車噪聲聲品質(zhì)與駕駛員的主觀感受基本一致，說明此聲品質(zhì)分析可以反映車內(nèi)的噪聲水平。

3 電磁噪聲分析

電磁噪聲是電機(jī)噪聲的主要因素，也是電動汽車車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)來源。電磁噪聲主要是由于電機(jī)氣隙內(nèi)的永磁磁場和電樞反映磁場相互作用，會產(chǎn)生徑向電磁力，由于徑向電磁力隨時(shí)間、空間發(fā)生變化，使電機(jī)殼體、定子鐵心等隨時(shí)間產(chǎn)生周期性變化的振動和噪聲[7]。電磁噪聲的主要階次為電機(jī)極數(shù)及其諧階次、定子槽數(shù)及其諧階次、極槽配合階次等，其中對于永磁同步電機(jī)，極槽配合階次的計(jì)算公式為：

式中：O為極槽配合對應(yīng)的階次，Nc為電機(jī)定子槽數(shù)，k為電相位數(shù)，nj電機(jī)極數(shù)，例如三相永磁同步48槽8極數(shù)電機(jī)，根據(jù)公式可得極槽配合對應(yīng)的階次為24階。

而對于交流異步電機(jī)，電磁噪聲的主要階次為電機(jī)極數(shù)及其諧階次、定子槽數(shù)及其諧階次。因此本次試驗(yàn)的四輛樣車的電磁噪聲主要階次如表3所示：

表3 樣車電磁噪聲階次

圖 4為本次 POT工況試驗(yàn)的階次彩圖分析結(jié)果，其中(a)(b)分別代表電機(jī)近場彩圖和車內(nèi)駕駛員右耳階次彩圖。由樣車1(a)(b)可知，此三相交流感應(yīng)電機(jī)的主要階次與理論分析階次一致，經(jīng)過聲學(xué)包裹后，電磁噪聲仍然是車內(nèi)噪聲的主要噪聲源；由于樣車2、3、4電機(jī)類型和參數(shù)相同，聲學(xué)包裹相似，采集的噪聲階次彩圖特點(diǎn)相同，所以圖中的樣車3的階次彩圖作為三輛樣車的代表，本次試驗(yàn)的三輛三相永磁同步電機(jī)主要階次與理論分析階次一致，經(jīng)過聲學(xué)包裹后傳遞到車內(nèi)后主要為極數(shù)對應(yīng)階次和極槽配合對應(yīng)階次，而槽數(shù)對應(yīng)階次大幅衰減，已不是車內(nèi)噪聲主要貢獻(xiàn)部分；由四輛樣車POT工況彩圖總結(jié)可知，在3000r/min之前，電磁噪聲不是車內(nèi)噪聲的主因，當(dāng)車輛加速到 3500r/min以上，電磁噪聲逐漸顯現(xiàn)，成為車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)部分。

圖4 POT工況噪聲階次彩圖

4 總結(jié)

通過對四輛純電動樣車進(jìn)行勻車速和 POT工況整車噪聲試驗(yàn)，主要分析純電動汽車噪聲聲壓級、車內(nèi)聲品質(zhì)及電磁噪聲，得出以下4個(gè)結(jié)論：

1）電機(jī)近場噪聲很大，但車內(nèi)噪聲很小，通過有效的聲學(xué)包裹，可以使電機(jī)近場傳遞到車內(nèi)駕駛員右耳的噪聲聲壓級降低30%以上。

2）建立聲品質(zhì)客觀量化模型，得出樣車1和樣車3的車內(nèi)聲品質(zhì)要優(yōu)于樣車2和4，其中樣車1在低速時(shí)的聲品質(zhì)更好，這也與駕駛員主觀感受相一致。同時(shí)利用A計(jì)權(quán)聲壓級的客觀數(shù)據(jù)與心理聲學(xué)參數(shù)的主觀評價(jià)，可有效對純電動汽車車內(nèi)噪聲水平進(jìn)行評價(jià)。

3）電磁噪聲是純電動汽車車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)部分。異步交流電機(jī)電磁噪聲主要是極數(shù)所對應(yīng)的階次及其諧階次，傳遞至車內(nèi)駕駛員右耳噪聲聲壓級雖然有所衰減，但能量仍然較大；永磁同步電機(jī)電磁噪聲主要是極數(shù)、槽數(shù)、極槽配合所對應(yīng)的階次，傳遞至車內(nèi)駕駛員右耳處主要是極數(shù)、極槽配合所對應(yīng)階次，而槽數(shù)對應(yīng)階次衰減至很小。

4）由四輛樣車總結(jié)，在3000r/min之前，電磁噪聲不是車內(nèi)噪聲的主因，當(dāng)車輛加速到 3500r/min以上，電磁噪聲逐漸顯現(xiàn)，成為車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)成分。

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