电动摩托车及电动轻便摩托车用电机噪声测试方法的研究

　张力伟　付俊俊（1-西安建筑科技大学信息与控制工程学院陕西西安710055 -国家摩托车质量监督检验中心）

·综述·

电动摩托车及电动轻便摩托车用电机噪声测试方法的研究

张力伟1,2付俊俊2
（1-西安建筑科技大学信息与控制工程学院陕西西安710055 2-国家摩托车质量监督检验中心）

电动摩托车及电动轻便摩托车（简称电动摩托车）用电机噪声测试项目是电动摩托车用电机及控制器测试项目之一，更是各类电机的通用试验项目，也是电机性能的重要评价指标。正确测定电机的噪声是个相当复杂的问题，它不仅与测试方法有关，还与测试场地的声学环境条件有关。根据电机尺寸和测试场地的声学环境，正确选取基础测试标准，正确安装电机和设置测点，以及有效地抑制测试环境中的背景噪声，将在很大程度上影响测试结果的准确性。

电机噪声声压级声功率级弹性安装测点布置

引言

《QC/T 792-2007电动摩托车和电动轻便摩托车用电机及控制器技术条件》是目前我国电动摩托车用电机及控制器检测的唯一标准。目前，机动车公告管理中对电动摩托车检测样车，要求其电机和控制器单体必须满足QC/T 792-2007的要求。本标准中规定了电动摩托车用电机及控制器产品检测项目33项，而电动摩托车用电机噪声测试项目是其中之一。QC/T 792-2007要求电机悬持在弹性元件上，在额定电压下空载运行，按GB/T 10069.1-2006所规定的方法进行噪声试验，其噪声应不大于65dB(A)[1]。而《GB/T 10069.1-2006旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》中根据不同的声学环境条件、不同的背景噪声等级、不同的精度等级和不同的测试量又引用了不同的基础标准。因此，本文将以QC/T 792-2007为基本要求，通过研究GB/T 10069.1-2006和相关基础标准来阐述电动摩托车用电机噪声测试方法，并提出注意事项和标准改进建议。

1　声学基础标准的选择

《QC/T 792-2007电动摩托车和电动轻便摩托车用电机及控制器技术条件》中要求，电动摩托车用电机噪声测试方法按照《GB/T 10069.1-2006旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》标准中的要求进行试验。而GB/T 10069.1-2006在第5章声功率级的测定中规定：按照以下类型选择可使用的声学测量基础标准，这些基础标准中规定了电机噪声测量点的布置以及数据处理方法[2]。因此，正确选择合适的声学基础标准是准确、高效测量电机噪声的基本条件。

1）测试场地不同的声学环境条件；

2）与被试电机噪声级相关的背景噪声级不同的要求；

3）不同的精度等级；

4）不同的测试量：声压或声强。

GB/T 10069.1-2006中列出的可以选择的基础标准如下：

1级精度：GB/T 6881.1-2002，GB/T 6882-2002，GB/T 16404.1-1996；

2级精度：GB/T 6881.2-2002，GB/T 6881.3-2002，GB/T 3767-1996，GB/T 16538-1996，

GB/T 16539-1996，GB/T 16404.1-1996，GB/T 16404.2-1996；

标准规定一般推荐2级精度的工程法。但是，如果证实没有更为精确的方法可用，也可用3级精度的简易法：

3级精度：GB/T 3768-1996，GB/T 16404.1-1996，GB/T 16404.2-1996，GB/T 16539-1996。

主要基础标准的应用场合如表1所示。

表1　声功率级测定程序及其相关应用场合

标准规定一般推荐2级精度的工程法，因此，在基础标准的选用上，如果测试环境条件允许，尽量选取2级精度的基础标准。同时，标准在5.3附加条件中明确规定，对于近似自由场的测试场地，采用GB/ T 3767-1996或GB/T 3768-1996两个基础标准规定的声压法进行测量时，可采用GB/T 10069.1-2006附录C规定的简化测点的方法进行测量，这样可以大大简化测点，减少传声器数量。而在这两个标准中，选取2级精度的GB/T 3767-1996基础标准更加合适。

GB/T 3767-1996中要求测试场地声学环境为反射面上方近似自由场。它可以是：

1）满足GB 6882附录A的半消声室：提供一个反射面上方自由场的试验室。（环境修正K2可忽略不计）。

2）室外平坦空地：测试环境除反射面外应没有其他反射体，使声源能够向反射面上方的自由空间辐射。（需要按照GB/T 3767-1996附录A要求计算环境修正值K2）。

因此，针对我单位半消声室的测试条件，《GB/T 3767-1996声学声压法测定噪声源声功率级反射面上方近似自由场的工程法》为最合适的基础标准。

注意：当GB/T 10069.1-2006与选取的声学基础标准在测量方法和要求上有差异时，以GB/T 10069.1-2006中的要求为准。

因此，电动摩托车电机噪声测试方法的标准采用流程按照优先级从高到低可写为：

2　电动摩托车用电机噪声声压级测量和声功率级计算

电动摩托车用电机噪声的最终考核结果为声功率级，但是声功率级一般无法直接测量。因此，我们先根据选取的声学基础标准《GB/T 3767-1996声学声压法测定噪声源声功率级反射面上方近似自由场的工程法》和《GB/T 10069.1-2006附录C》规定的简化测点的方法测量出电机噪声声压级后，再根据GB/T 3767-1996中声功率级计算公式计算出最终结果。

2.1电机的安装

测试时，电机的安装有弹性安装和刚性安装两种方式。QC/T 792-2007中规定，电机的安装方式为弹性安装。

GB/T 10069.1-2006中对弹性安装规定：支撑装置和被测电机组成系统的最高固有频率应低于电机最低转速相应频率的1/3。安装电机的弹性装置应与GB 10068-2000一致。

结合标准GB 10068-2000，电动摩托车电机噪声测试弹性安装要求归纳如下：

1）弹性安装：弹性安装是指用弹性悬挂或支撑装置将电机与地面隔离，标准GB10068中称其为"自由悬置"。

2）材料种类：弹性悬挂采用弹簧或强度足够的橡胶带等，弹性支撑可采用乳胶海绵、胶皮或弹簧等。为了电机安装稳定和压力均匀，弹性材料上可加放一块有一定刚度的平板。但应注意，该平板和弹性材料的总质量不应大于被试电机的1/10。

3）尺寸：标准中没有规定弹性支撑海绵、胶皮垫和刚度过渡平板的尺寸要求，但在使用中，建议按电机噪声测试方法原标准GB/T 10069.1-1988中的相关要求，即按被试电机投影面积的1.2倍裁制[3]，或简单地按被试电机长b（不含轴伸长）和宽a（不含设在侧面的接线盒等）各增加10%，作为它们的长与宽进行裁制，即弹性支撑海绵、胶皮垫和刚度过渡平板的尺寸为1.1b×1.1a。

图1为采用胶皮垫作为弹性支撑的电动三轮摩托车直流串励电机。如果电机质量过大使得胶皮垫接触部位形变明显，也可在胶皮垫和电机底座之间放置与胶皮垫一样大小的刚性过渡板。如图3所示。图2为采用胶皮垫和带弹簧的橡胶底脚作为弹性支撑的电动两轮摩托车轮毂电机。

图1　采用胶皮垫/胶皮垫加刚性过渡板的弹性安装方式

图2　采用胶皮垫和弹簧橡胶脚作为弹性支撑的电动两轮摩托车轮毂电机

4）弹性安装装置的伸长量或压缩量

在弹性安装状态下测量电机的噪声，与弹性安装装置的伸长量或压缩量有直接的关系，但标准中没有直接给出规定值。GB 10068-2000规定：“电机在规定的条件下运转时，沿6个可能自由度的固有振动频率应小于被试电机相应转速频率的1/3[4]。”GB/T 10069.1-2006中规定：“支撑装置和被测电机组成系统的最高固有频率应低于电机最低转速相应频率的1/3。”这里按照GB/T 10069.1-2006中的规定执行。（注意：这里的电机最低转速应为噪声测试周期内电机运转的最低转速，由于电动摩托车用电机噪声测试运转状态为额定电压下空载稳定运转，该最低转速应为额定电压下最高空载转速运行周期内的转速最低值）这种描述对于一般操作人员很难理解，下面笔者通过理论推导的方式得出当电机采用弹性安装后，弹性支撑装置压缩量的最小值Z（mm）与其额定转速nN（r/min）的关系。

“电机及其自由悬置系统沿6个可能自由度的固有振动频率”用f0(H z)表示，应用下述理论公式求出：

式中K——弹性材料的弹性常数；

m——振动系统的质量，kg。

由于弹性材料的弹性常数K=mg/Z，g为重力加速度，取g=9800mm/s2；Z为电机安装之后弹性材料的压缩量（mm）。将这些关系和数据代入式（1）中，得出式（2）。

被试电机相应转速频率fN(Hz)用下式求取：

式中n——电机的转速，r/min。

根据标准中“支撑装置和被测电机组成系统的最高固有频率应低于电机最低转速相应频率的1/3。”的要求：

通过上式（2）、（3）和（4），得出电机安装之后弹性悬挂或支撑装置的伸长量或压缩量的Z（mm）与被试电机相应转速n（r/min）的关系：

GB 10068-2000规定：根据被试电机的质量，电机转速在600~3600r/min范围内，悬置系统应具有的弹性位移与转速的关系如图3所示。

图3弹性悬挂或支撑装置的伸长量或压缩量的Z（mm）与被试电机相应转速n（r/min）的关系

实际上图3是根据式（5）绘制出的。表2给出了几对常用值，试验中的电机转速代入（5）式也可求出最小伸长或压缩量。

表2弹性安装装置的最小伸长或压缩量

2.2电机的运行状态

QC/T 792-2007中规定，电机的运行状态为在额定电压下空载运行。标准并未给出空载运行的状态，因此为了测量空载运行时的最大噪声，应为空载最高转速运行。

2.3测试设备

笔者单位使用的测试设备为丹麦B&K公司的3053型噪声振动测试系统，配合传声器可以进行电机噪声的测试。图4为丹麦B&K 3053型噪声振动测试系统,这套系统由B&K 3053噪声振动分析仪、

图4丹麦B&K 3053型噪声振动测试系统

2.4电机噪声测量点的布置

结合GB/T 10069.1-2006附录C和GB/T 3767-1996的测点布置要求可以将测点的布置方式总结如下：

根据GB/T 10069.1-2006中附录C的规定，根据电机轴中心高度的不同，传声器安放测点的数目，测试半径以及测试面型式的选取都不一样，简要总结如表3所示：

表3　旋转电机噪声测定方法简化测点的布置

1）半球面测试面测点布置法：将电机安放在测量场地中心位置。以电机在地面上的垂直投影中心为球心，测面为一个下扣的半球，传声器测点应在这个半球面上，并使其轴线对准球心位置，高度0.25m。测点分布图如图5所示。

图5　半球面测点布置法测点位置

2）平行六面体测试面测点布置法：平行六面体测试面测点布置法常称为等效矩形或方箱形面测点布置法。它可以想象为被试电机放在一个方形的包装箱内，该包装箱的底就是安放被试电机的地面，所有的测点就分布在包装箱上。各测点距被试电机表面的距离为1m。对于较小尺寸的电机，可在电机的前、后、左、右及正上方各设置一个测点，距地面的高度为电机的轴中心高加弹性支撑高度，但最低为0.25m，如图6所示。

图6　平行六面体测试面测点布置法测点位置

3）增加测点布置方法。相邻测点间的声级差若大于5dB，则应在其间增加测点，直至小于5dB为止。平行六面体增加的测点位置为原两点的中间位置或六面体相对地面投影的顶点位置。

对较大尺寸的电机也应增加测点，其测点间的直线距离不得大于1m。（即仅对于平行六面体布置的测量面，相邻两个测点之间的距离超过1m时，应在左右两侧增加测点）。但是这类电机在电动摩托车上基本不可能使用，增加测点方法如图7所示。图8为电动摩托车轮毂电机和小型差速电机的试验图。

图8　电动摩托车轮毂电机和小型差速电机试验图

2.5测量方法

GB/T 3767-1996中规定：在声源工作的典型周期上（电机的运行状态为在额定电压下空载运行）观察时间平均声压级，在测试的频率范围内，在每个传声器位置上读取时间平均声压级[5]。测量以下量：

b)背景噪声的A计权声压级。

对中心频率160Hz及其以下的频带，观察周期应至少30s，对中心频率200Hz及其以上的频带，观察周期至少为10s。我们可以通过计算被测量声源的中心频率来确定观察周期（测量时间），也可以全部以30s作为观察周期。下图为一组轮毂电机的5点A计权声压级测试数据。的测试方法与一样，只是电机处于不工作状态，测试结果也为5组传声器的测试数据。图9为某轮毂电机测试数据。注意：为了减少背景噪声的影响，应尽量采用噪声值较小的直流源或蓄电池组作为电机动力电源。

图9　一组轮毂电机的5点A计权声压级测试数据（68.1、68.8、69.2、68.7、68.8）（dB（A））

2.6表面声压级和声功率级的计算

在现行的电机噪声考核标准中，大部分采用声功率级，少部分采用声压级。这是因为，声功率级只与声源的功率有关；而声压级则与声压和测量点到声源的距离两个因素有关，即在给出声压级数值的同时，还应给出测量距离，所以表述不如声功率级方便。电动摩托车用电机噪声测试方法采用声功率级作为试验结果进行最终考核。

1）测量表面平均声压级的计算。测量表面平均声压级和测量表面平均背景噪声声压级用式（6）和式（7）计算：

L"p——测量表面平均背景噪声声压级，dB；

L'pi——在第i个传声器上测得的声压级，dB；

L"pi——在第i个传声器上测得的背景噪声声压级，dB；

N——传声器位置数目。

2）背景噪声修正。修正值K1用式（8）计算：

3）表面声压级计算。表面声压级Lp按式（9）计算：

这里的环境修正K2在测试场地为半消声室的情况下可忽略不计。

4）最终声功率级的计算。声功率级LW按式（10）计算：

S——测量表面的面积，m2；

S0——单位面积，1m2。

对于测点距离声源中心（半径）为1m的半球面，S=6.28m2，对于半径为0.4m的半球面，S=1.00m2。我们可以看出，当半径为1m时］近似为8dB， LW比近似大8dB；当半径为0.4m时，10lg］近似为0.021，可以认为在测点半径为0.4m时，表面声压级近似等于声功率级。

以2.5中某轮毂电机5点法测得的数据为例，声功率级计算结果如表4所示。

表4某轮毂电机5点法噪声测试结果dB（A）

因此，该电动两轮摩托车用轮毂电机测试结果超出65dB（A）的限值，测量结果为不合格。

2.7测试数据与建议

2.7.1电动摩托车及电动轻便摩托车用几种特殊电机测试数据

目前，国内电动摩托车及电动轻便摩托车常用的电机型式主要为：电动两轮摩托车和电动两轮轻便摩托车用轮毂式永磁无刷直流电机，电动三轮摩托车和电动三轮轻便摩托车用差速式永磁无刷直流电机。其中电动两轮摩托车用轮毂电机额定转速在680r/min~850r/min之间，电动三轮摩托车和电动三轮轻便摩托车用差速电机额定转速在2 500r/min~ 6 000r/min之间。除此之外，也有些电动两轮摩托车或大功率电动两轮摩托车采用皮带或者轴传动的中置式电机。表5是随机抽取10台不同类型常用电机的声功率级测试结果。

表5　不同类型常用电机的声功率级噪声测试结果

从表5可以看出，从随机抽取的10台电机中，只有两台功率较小的电机噪声测量结果满足65dB（A）的限值要求。

2.7.2噪声测试数据超标原因分析

结合现行国家电机噪声测试标准，电动摩托车用电机产品特性、功率和额定转速范围，以及A计权的测量特性分析测试数据超标原因有以下几点：

1）与电动自行车、电动轻便摩托车用小功率电机相比，电动摩托车用电机电压高，功率大，转速高。GB 7258-2012中要求电动摩托车最大设计车速大于50km/h，或其电动机最大输出功率总和大于4kW。因此，为了满足此要求，电动两轮摩托车用轮毂电机额定电压和额定功率大部分保持在48V/ 60V；1 200W/1 500W。电动三轮摩托车用差速电机额定电压和额定功率基本在60V，1 800W以上。相同的特点是功率大、转速高，因此噪声测量结果必然会高。

2）与现行国家电机噪声测试标准相比，QC/T 792-2007中针对电动摩托车及电动轻便摩托车用电机噪声测试标准限值更加严格。QC/T 792-2007中引用《GB/T 10069.1-2006旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法》作为测量方法，但未引用其限值部分《GB 10069.3-2008旋转电机噪声测定方法及限值第3部分：噪声限值》。国家标准GB 10069.3-2008规定的旋转电机噪声限值如图10所示。

图10　 GB 10069.3-2008中规定的不同电机的噪声限值[6]

我们可以看出，对于绝大多数电动两轮摩托车用1 200W/1 500W，680r/min~850r/min的轮毂电机其噪声限值为74dB（A）。而对于大多数2kW~5kW，2 500r/min~5 000r/min的电动三轮摩托车差速电机来说，其限值分别为85dB（A）、89dB（A）和86dB（A）、93dB（A）。

3）电机特性与A计权测量原理共同决定。在测量中发现，电动两轮摩托车用轮毂电机和电动三轮摩托车用差速电机噪声多为高频段噪声，也就是说噪声表现非常尖锐。测试结果较高与A计权的测量原理有直接联系。声级的计权是指使用仪器对人耳所能听到的声音频率范围内，不同频率段的声级进行不同的衰减。有3种计权方式，即A、B、C，其中A计权是对低频段进行较大衰减、对高频段较少衰减直至不衰减的一种计权方式，它较准确地反映了人耳对不同频率噪声的反应程度，即对于相同声压或声功率的声音，人耳对频率较高的反应较灵敏，而对频率较低的反映不太灵敏；B计权是对低频进行少量衰减；C计权是所有频率都不衰减[7]。电机噪声测试采用A计权，正好对高频段噪声灵敏度较高，这是噪声超标的主要原因之一。因此，为了减少电动摩托车用电机噪声，应从减少高频段噪声上下功夫。

2.7.3标准改进建议

针对我国电动摩托车和电动轻便摩托车用电机测试唯一标准《QC/T 792-2007电动摩托车和电动轻便摩托车用电机及控制器技术条件》，在噪声测试项目中有以下几点建议：

1）是否可结合电机噪声国家测试标准和我国电动摩托车用电机产品噪声实际水平提高标准限值。

2）对于一些无法稳定运行在空载转速的电机如直流串励电机，是否考虑带负载运行状态下的噪声测量。

3）对于带减速器的差速电机，是否考虑带变速机构的噪声测量。

4）是否可根据车辆型式、电机额定功率和额定转速，驱动电机数量进行限值划分。

3　结束语

随着电动摩托车检验标准的不断加严和电动摩托车及其零部件专项检验标准的逐渐制定。与摩托车发动机一样，电动摩托车用电机的强制性产品认证要求势在必行。因此，电动摩托车整车及其电机、控制器等相关零部件产品的技术提升是电动摩托车发展的必由之路。

1全国汽车标准化技术委员会.QC/T 792-2007电动摩托车和电动轻便摩托车用电机及控制器技术条件[S].北京：中国计划出版社，2008

2全国旋转电机标准化技术委员会.GB/T 10069.1-2006旋转电机噪声测定方法及限值第1部分：旋转电机噪声测定方法[S].北京：中国标准出版社，2006

3全国旋转电机标准化技术委员会.GB 10069.1-1988旋转电机噪声测定方法及限值噪声工程测定方法[S].北京：中国标准出版社，1988

4全国旋转电机标准化技术委员会.GB 10068-2000轴中心高为56mm及以上电机的机械振动振动的测量、评定及限值[S].北京：中国标准出版社，2000

5全国声学标准化技术委员会.GB/T 3767-1996声学声压法测定噪声源声功率级反射面上方近似自由场的工程法[S].北京：中国标准出版社，1996

6全国旋转电机标准化技术委员会.GB 10069.3-2008旋转电机噪声测定方法及限值第3部分：噪声限值[S].北京：中国标准出版社，2008

7才家刚,吴亚琪.电机试验技术及设备手册[M].北京:机械工业出版社,2011

Research on theMeasurementMethod of AirborneNoise Emitted byMotor for ElectricMotorcyclesand ElectricMopeds

Zhang Liwei1,2,Fu Junjun2
1-Schoolof Information and Control Engineering,Xi`an University ofArchitectureand Technology(Xi'an,Shanxi, 710055,China)2-China NationalMotorcycle Testing Center

Motor noise test for electric motorcycles and electric mopeds(hereinafter referred to as electric motorcycles)is one of themotors and controllers test items for electricmotorcycles.Motor noise test is one of themotor general test items too.It is an important evaluation index ofmotor performance.How to correctly determinemotor noise isa very complicated problem.It isnotonly related to the testmethod,butalso related to the acoustic environmentof the test room.Correct selection of base teststandard,properly installedmotor and effectively restraining thebackground noisewill influence theaccuracy of the test results.

Motor noise,Sound pressure level,Sound power level,Elasticmounting,Microphone arrangement

U483

A

2095-8234（2016）02-0068-09

2016-02-03）

张力伟(1984-),男，工程师，主要研究方向为新能源电动车及电机、控制器、蓄电池、充电器等电器零部件检测与产品应用技术。