传声器阵列声场分析系统实验研究成果

时间：2023-10-06 理论教育 版权反馈

【摘要】：软件部分包括采样数据格式转换模块和自制的基于传声器阵列的声场分析系统。分析主要包括驱动电机噪声信号的时域分析、频域分析和噪声声场重建分布，以考察驱动电机在不同工况、不同测试条件下，进行稳态运行时的噪声分析。结合驱动电机在实验室台架上的位置，而且驱动电机没有起动，可以确认噪声源主要来自驱动电机两端电力测功机的风扇和驱动电机控制器位置。

传声器阵列声场分析系统实验研究成果

1.试验设备

试验在交流电力测功机电驱动系统测试平台上进行，平台采用单路传动设计，通过模块配置可适应不同车型电动汽车电驱动的综合测试。电动汽车动力驱动系统测试平台原理图以及主要构成模块如图9-17所示。

图9-17 电动汽车动力驱动系统测试平台原理图及主要构成模块

1—台架可逆电源 2—驱动电机控制器 3—被测试驱动电机 4—联轴器 5—转速转矩仪 6—电力测功机 7—测功机控制器

被测试驱动电机3、转速转矩仪5和电力测功机6之间采用弹性联轴器顺序连接以传递动力。台架可逆电源1、驱动电机控制器2与被测试驱动电机3之间采用电气连接，测功机控制器7与电力测功机6之间也是电气连接，用以实现对测功机的控制。中央计算机完成测试平台各种信号的采集和测试平台的控制。台架可逆电源1作为车载电池的模拟器，为被测试驱动电机3提供直流电，同时可将驱动电机的发电回收。由电力测功机6实现负载的施加，采用电惯量实现车辆行驶惯性负载的模拟，同时由电力测功机模拟惯性负载。电力测功机也可以反拖被测试驱动电机，实现发电特性的测试。测功机采用德国HORIBA ATS公司生产的DYNAS3 HT460交流电力测功机，该系统由负载部分、测试部分、控制部分、操作及安全部分、计算机仿真部分以及相关电缆及配件组成。交流电力测功机的最大转速为8000r/min，最大转矩为1400N·m，最大功率为460kW，转矩测试精度为0.1%级，转矩响应≤3ms。

噪声测试分析系统包括硬件部分和软件部分。硬件部分即传声器阵列系统和数据采集设备，其中传声器阵列系统及数据采集设备如图9-18所示。它由27个传声器组成，传声器型号为MPA201，其频率响应范围为20Hz～20kHz，开路灵敏度为50mV/Pa（250Hz），使用温度范围为-35～80℃，温度系数为-0.01dB/K（250Hz）。将这27个传声器安装在固定装置上，组成一个水平方向与垂直方向分别为15个和12个传声器的十字形平面传声器阵列。传声器之间的等间距为0.1m。软件部分包括采样数据格式转换模块和自制的基于传声器阵列的声场分析系统。

图9-18 阵列系统及数据采集设备

1—被测试驱动电机 2—阵列 3—测功机 4—传声器 5—MKⅡ数据采集设备

MKⅡ数据采集设备为27通道MKⅡ数据采集前端，7个ICP模块，27通道ICP/电压输入，采样频率为102.4kHz。信号通过数据采集前端，最后在PC上利用自编程序进行分析和计算。分析主要包括驱动电机噪声信号的时域分析、频域分析和噪声声场重建分布，以考察驱动电机在不同工况、不同测试条件下，进行稳态运行时的噪声分析。

测量前，对传声器测量通道的相位和增益进行了校正，以便保证测量误差小于1dB。测试时探头高度正对着驱动电机中心位置，水平距离为1m。驱动电机稳态运行后取10s内的数据。

试验用电驱动系统是纯电动客车用交流异步驱动电机，基本参数为：额定功率为100kW，额定电压为DC 386V，额定转速为2000r/min，额定转矩为471N·m，质量为368kg，几何尺寸φ435mm×L600mm，体积V=πD2L/4=0.089m³，电驱动系统冷却方式为自带风扇冷却。试验时测试环境湿度为20%，温度为22.9℃。

2.典型工况试验过程及分析

进行驱动电机在不同工况下的噪声试验时，选取驱动电机运行过程中几种典型工况分别进行测试，分别是低速低转矩、低速高转矩、额定转速转矩、高速低转矩和高速高转矩。同时为剔除背景噪声的影响，先使测功机运行，而驱动电机不转动进行环境背景噪声测试，其中用声级计测量背景噪声为68dB。通过PAK软件模块将数据转换为MATLAB可调用的格式。通过自编程序进行分析，可以分别得出整个电驱动系统在不同运行工况下的噪声源定位图。

背景噪声的分析如下所述。

首先将信号在时域里表现出来，即时域曲线显示，1s内背景噪声条件下全部信号的时域曲线如图9-19所示。

图9-19 背景噪声条件下全部信号的时域曲线

同时，驱动电机背景噪声的声场频谱分析如图9-20和图9-21所示。其中图9-20为人耳可听声的频率范围（0～20kHz），简称全频段。后面提到的全频段均为此范围，不再加以说明。

通过全频段频谱图可以看到，背景噪声主要频段主要分布在低频段。为更进一步地分析主要频段情况，查看低频段的频谱，低频段的频谱分布如图9-21所示。

图9-20 背景噪声全频段频谱分布

图9-21 低频段频谱图

通过低频段的频谱分布图可以看出，主要频率在200Hz和700Hz附近。结合现场情况，背景条件下该频率为测功机风扇噪声的频率。其次通过分析，得到驱动电机背景噪声的声场重建如图9-22所示。其中图9-22a中通道加权因子均为1，图9-22b中通道加权因子满足能量最小化的原则。图中的坐标原点为阵列架的中心位置，其坐标范围即为声场重建的范围。其他工况下的噪声分布图坐标意义与此相同，就不再另外说明。

为了更好地显示主要噪声源的位置，利用程序图显示噪声强度相对大的地方，即主要噪声源分布情况。图9-22所示为背景噪声条件下的主要噪声分布图。

由图9-22可知，基于能量最小化原则确定的通道加权因子的噪声声场重建相对比通道加权因子均为1的主次更为分明，效果更好。所以在其他的噪声分布图中，凡是没有特别说明的，都是基于能量最小化原则确定的通道加权因子。

由图9-23分析可知道，在背景噪声条件下，主要噪声分布在驱动电机上半部分的两端位置。结合驱动电机在实验室台架上的位置，而且驱动电机没有起动，可以确认噪声源主要来自驱动电机两端电力测功机的风扇和驱动电机控制器位置。

3.低速、低转矩工况的分析

低速、低转矩工况是指驱动电机在转速800r/min和转矩为200N·m条件下进行工作时的工况，驱动电机在低速、低转矩工况条件下全部信号的时域曲线如图9-24所示。

同时，低速、低转矩工况条件下驱动电机噪声声场的全频段频谱图如图9-25所示。

通过全频段频谱图9-25可以看到，背景噪声主要频段主要分布在低、中频段。为更进一步地分析主要频段情况，再分别查看低、中、高频段的频谱，其分布如图9-26～图9-28所示。

通过频谱分布图9-26～图9-28可以看出，主要频率在200Hz、700Hz、1400Hz、6000Hz和11600Hz附近。如果忽略背景噪声，则该工况下，驱动电机主要噪声频率为1400Hz、6000Hz和11600Hz附近。结合工业电机噪声的频谱及电动汽车驱动电机该工况下主要噪声的分布图，可知噪声源主要来自驱动电机轴承自身噪声。通过分析，驱动电机在低速、低转矩工况下的声场重建图和主要噪声分布分别如图9-29和图9-30所示。

由图9-30可知，在低速、低转矩工况条件下，主要噪声分布在驱动电机中部和下半部分的两端位置。结合驱动电机在实验室台架上的位置，可以确认噪声源主要来自驱动电机中间的位置，结合驱动电机的结构，而两端噪声则主要是由于地面的反射作用造成的。