汽车发电机声品质研究

侯艳芳，张凯，韩国华

（1.同济大学 电信学院，上海 200092；

2.常熟理工学院机械工程学院，江苏 常熟 215500；

3.上海大众汽车有限公司，上海 210805）

汽车发电机声品质研究

侯艳芳1，张凯2，韩国华3

（1.同济大学 电信学院，上海 200092；

2.常熟理工学院机械工程学院，江苏 常熟 215500；

3.上海大众汽车有限公司，上海 210805）

针对某轿车乘员舱内在加速工况下的发电机噪声抱怨，通过在消声室内进行固体声和空气声识别，找到了发电机噪声抱怨的产生原因为固体声.针对此抱怨，采取优化发电机爪极的措施来优化电磁噪声.主观评价和客观分析结果表明：优化方案解决了发电机噪声抱怨问题，改善了发电机的声品质.

发电机；心理声学；主观评价

随着汽车技术的迅猛发展，汽车的主要噪声源（发动机噪声）已经得到了比较好的控制，因此汽车的附件噪声（如摇窗机噪声、发电机噪声、雨刮噪声、燃油泵噪声等）引起了人们越来越多的重视[1].但目前关于汽车发电机噪声抱怨的研究还不多，尤其是通过发电机结构优化来解决发电机噪声抱怨的研究更少.某轿车乘员舱内在加速工况下可以明显听到发电机的高频啸叫声抱怨，严重影响了汽车乘坐舒适性.本文针对电机噪声抱怨，进行了噪声源识别，给出了问题的解决方案，并且进行了声品质心理声学客观参量的分析[2].结果显示：该方案解决了发电机的噪声抱怨，同时提升了发电机的声品质.

1 问题来源及分析

1.1 理论分析

汽车上采用的交流发电机是三相同步发电机，是在激励磁场下由发动机带动发电，由发电机定子绕组感应的交变电流，通过半导体整流器改变为直流电.

汽车发电机噪声虽然比较复杂，从产生机理上主要分为两类：电磁噪声、机械噪声.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.此径向分量使定子铁芯产生的振动是电磁噪声的主要来源；另两个电磁噪声的重要来源是切向分量使定子齿根产生的振动形变和在某些转速下爪极的振动变形.发电机的机械噪声主要包括转子不平衡、电刷的摩擦以及轴承自身振动等引起的噪声.由于现代制造业技术的飞速发展，发电机的机械噪声问题已得到了很好的解决，下面主要分析电磁噪声.

根据麦克斯韦定律，气隙磁场中单位面积的径向电磁力计算如下式：

式中：B—气隙磁密；θ—机械角位移；μ0—真空磁导率.

由于定、转子绕组中存在主波磁势与各谐波磁势，它们相互作用可以产生一系列的力波.改变爪极形状能调节气隙磁密波形的谐波分量，从而显著调节电机各项电磁性能，特别是电机的效率和噪声等，根据应用的特性和约束，可以采用不同形状的爪极，最普通的是矩形、三角形和梯形；气隙厚度可以沿爪极面变化，这样可以改变气隙中和爪极不同部位的磁感应强度的空间分布，而调节爪极内表面侧的倾斜角，可以显著调节电机定子和爪极转子之间的磁通量多少，相应显著调节漏磁通的大小，反映到气隙磁场中即各谐波含量的多少，从而对发电机的电磁噪声进行有效地消减控制[3].本文通过对梯形爪极形状和爪极面倾斜角度进行优化来改进电磁噪声.

1.2 试验分析

针对轿车发电机高频啸叫声抱怨的加速工况，进行主观评价后，确认此工况下噪声不可接受.由于电磁噪声是由于电机内部定子的径向振动产生的，因此可以通过测量发电机的振动信号，进一步对电磁噪声进行分析.为此分别在车辆驾驶员位置和发电机上布置了传声器和加速度传感器.通过对传声器和加速度传感器进行数据分析，发现固体声而非空气声是引起此噪声抱怨的主要原因.图1是改进前后发电机阶次对比，其中横轴为发电机转速rpm，纵轴为加速度g.从图中可知，发电机的主阶次36阶电磁噪声是引起噪声抱怨的主要原因，改进前4200转附近的36阶是引起高频啸叫的原因，改进后，仍然是36阶，但电磁噪声却有了显著的改善.

2 抱怨解决方案

由于此发电机高频啸叫抱怨是由电磁噪声引起，因此最根本的解决办法是改进发电机的结构由于发电机噪声特性极其复杂，对一种配置的发电.机有效的结构改进，对另外一种配置不一定有效，同时发电机噪声研究作为发电机企业的高度保密的技术，其技术参数的详细描述是很难获取的.针对此款产品，发电机企业通过试制样件，反复摸索尝试，前后历经1年才将问题最终解决.

通过将发电机爪极的形状由三角形改为梯形，同时对梯形形状进行优化，并改变爪极面进入磁场和离开磁场的角度，此发电机噪声抱怨得以消除.其中改变爪极形状，就是对励磁绕组产生磁通的关键部位（爪极）进行形状上的优化，优化后的爪极能调节气隙磁场和感应电势的波形，进而优化电磁噪声（图2a），而改变爪极面进入磁场和离开磁场的角度，可以影响到气隙磁场中的磁密分布波形，从而对发电机的电磁噪声进行优化，并达到发电机运行效率和噪声的最佳平衡（图2b）.

3 声品质分析

声品质的心理声学客观参量是描述不同声音信号所造成主观感受差别程度的物理量，采用心理参数分析，可以定量的反映听觉感受的差别，消除个体的影响[4].下面从尖锐度方面进行分析评价.

3.1 尖锐度（Sharpness）分析

尖锐度（sharpness）是描述高频成分在声音频谱中所占比例的参量，反映噪声的刺耳程度，其值越高，感觉越刺耳.图3是改进前后发电机尖锐度对比结果，可知尖锐度在发电机结构改进后有明显改善.同样可以看出，在抱怨转速4200转附近，改进后发电机的高频成份有了明显的降低.

3.2 主观评价

我们组织人员在乘员舱内对改进后的发电机在加速转速工况下的电磁噪声进行主观评价，评价结果显示：之前明显听到发电机的高频啸叫声抱怨已经消除.这与心理声学客观参量的评价结果一致：发电机噪声抱怨消除.

4 结论

本文对汽车发电机的噪声源进行了理论分析，在消声室对某轿车发电机的噪声源进行了识别，发现固体声引起的电磁噪声是发电机噪声抱怨的主要来源.针对此电磁噪声，从发电机的结构上进行了改进，并进行了客观试验和主观评价.结果表明：优化后的发电机不仅解决了噪声抱怨，而且声品质得到了明显提高.

[1]庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动：理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006：391-392.

[2]毛东兴.声品质研究与应用进展[J].声学技术，2007（1）：159-164.

[3]刘谋志，鲍晓华，吴锋，等.基于气隙磁场谐波分析的汽车发电机爪极优化选择[J].微特电机，2013（2）：1-4.

[4]毛东兴.车内声品质主观评价与分析方法的研究[D].上海：同济大学，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

侯艳芳，讲师，博士，研究方向：汽车NVH控制，E-mail∶houyanfang@tongji.edu.cn.