纯电动汽车声品质评价及电磁噪声分析
摘 要：以四辆不同类型的纯电动汽车在匀速和 POT（缓油门加速）工况下电机近场和驾驶员右耳旁噪声采集样本为评价对象，对电机近场和车内噪声 A 计权声压级进行对比，计算噪声传递的衰减百分比，并计算车内噪声的心理学客观参数。同时，利用声品质客观量化数学模型进行四辆样车的车内声品质评价。同时，通过对电机电磁噪声阶次的提取和分离评价，分析了电磁噪声对电动汽车声品质的影响。相关试验分析结果对电动汽车的声学设计和电磁噪声改进具有一定的指导意义。纯电动汽车采用电机驱动，由于缺少发动机噪声及其掩蔽效应，使得车内声压级水平总体较低，但是电机会产生令人烦躁的高频电磁噪声，使得车内人员主观难以接受，从而会造成“噪声低烦躁度高”的现象。传统汽车的车内噪声大部分以 A 计权声压级作为评价指标，但 A 计权声压级仅代表车内噪声总体幅值的大小，没有考虑车内的声品质水平，对于评价“噪声低烦躁度高”特征的纯电动汽车会出现较大偏差。而车内声品质可以体现车内人员对车内特定噪声水平下的主观感受，并可利用心理声学客观参数并可以进行量化分析[1]。这些参数反映了人作为评价主体的感受，可以代表各种噪声信号造成的主观心理感受差别。同时，在纯电动汽车车内噪声来源中，电机电磁噪声是主要噪声源之一。已有的研究成果表明，电磁噪声声品质对纯电动汽车车内整体声品质有重要影响[2]。本文以计算多个心理声学参数为前提，进行纯电动汽车车内声品质评价及电磁噪声分析，对于现代电动汽车噪声的评价和分析具有重要的意义。为了更准确地获取纯电动汽车的噪声样本，尽可能地减少外界噪声的干扰，本试验选择在半消声试验室中进行，将试验样车放置在转毂试验台上，不计风噪声的影响，近似认为采集到的噪声信号全部由试验样车所产生。试验选用 Head Acoustics 公司 HEAD SQuadrigaⅡ多通道数据采集系统记录噪声信号，信号采集设备是 HEAD 头戴式耳机和 GRAS 传声器。头戴式耳机由驾驶员佩戴，传声器布置在距电机 10cm 近场处。如图 1 所示：本试验选用四辆纯电动样车为研究对象，其主要参数如表 1 所示，试验工况为 20KPH、30KPH、40KPH、50KPH、60KPH、70KPH、80KPH、90KPH、100KPH 匀车速工况及POT 工况，主要分析四辆样车在常用行驶工况下电机引起的车内噪声声品质。在评价车内噪声时，首先需要衡量车内声压级的大小。分别对四辆样车进行匀速工况噪声测试，通过 A 计权的均方根计算得出如图 2 所示的曲线，从图 2(a)电机近场声压级可以得出，四辆样车的电机近场噪声声压级随车速的增大而增加，但对比差异不大；从图 2(c)中可以得出样车 1 从电机近场传递到车内驾驶员右耳的声压级降低百分比最大；同时，从四辆样车可以总结出，通过有效的声学包裹，可以使电机近场传递到车内驾驶员右耳的噪声声压级降低 30%以上；从图 2(b)中得出四辆样车车内驾驶员右耳的噪声声压级整体较低，但是通过声压级很难评价 4 个样车的优劣。评价车内声品质的好坏，不仅需要计算车内噪声 A 计权声压级大小，也需要做基于心理声学主观感受的多个参数的声品质分析。本文选取 4 个心理学参数：语言清晰度（Articula-tion Index）、响度（Loudness）、尖锐度(Sharpness)、粗糙度（Roughness）进行车内噪声进行评价。语言清晰度，反映车内人员在交流过程中语言受噪声影响及人耳听到的语言清晰度发生改变的程度，其大小与背景噪声大小及其噪声特性有关，越大说明语言越清晰。响度反映的是人耳对噪声响亮水平的主观感受，响度高低表示声音响亮程度的高低，单位为宋(song )。响度的数学模型大多数采用 ISO532B 中规定的 Zwicker 模型：式中： 
其中 E 为噪声源激励，ETQ 为绝对音阈的激励，E0 为基准声强的激励。尖锐度反映的是人耳对噪声尖锐程度的主观感受，单位是为 acum。尖锐度数学模型一般采用 Zwicker 模型[3]：式中：N 为响度值，N’(z)是第 z Bark 域内的特征响度值，粗糙度反映的是噪声调制幅度、频率等特点的大小，体现声音进行调制的程度大小[4]，单位为 asper。主要用于分析频率范围 20Hz~200Hz 范围频率调制的声音。粗糙度数学模型如下[5]：计算得到 4 个样车在各个工况的客观心理声学参数如表2 所示：电动汽车的声品质客观量化模型大多数是以多元线性回归分析方法求得，建立起主观评价与各个客观声品质心理声学参数之间的关系，本文使用以舒适性为主的声品质客观量化模型[6]：式中：SQ 为电动汽车声品质客观量化数值，数值越大表示声品质越好；SPL(A)为车内 A 计权声压级，N 为响度，S 为尖锐度，R 为粗糙度，AI 为语言清晰度，拟合出的结果如图 3，样车 1 和 3 的声品质优于样车 2 和 4，且样车 1 在低速声品质表现极好。图中所示的样车噪声声品质与驾驶员的主观感受基本一致，说明此声品质分析可以反映车内的噪声水平。电磁噪声是电机噪声的主要因素，也是电动汽车车内噪声的主要贡献来源。电磁噪声主要是由于电机气隙内的永磁磁场和电枢反映磁场相互作用，会产生径向电磁力，由于径向电磁力随时间、空间发生变化，使电机壳体、定子铁心等随时间产生周期性变化的振动和噪声[7]。电磁噪声的主要阶次为电机极数及其谐阶次、定子槽数及其谐阶次、极槽配合阶次等，其中对于永磁同步电机，极槽配合阶次的计算公式为：式中：O 为极槽配合对应的阶次，Nc 为电机定子槽数，k 为电相位数，nj 电机极数，例如三相永磁同步 48 槽 8 极数电机，根据公式可得极槽配合对应的阶次为 24 阶。而对于交流异步电机，电磁噪声的主要阶次为电机极数及其谐阶次、定子槽数及其谐阶次。因此本次试验的四辆样车的电磁噪声主要阶次如表 3 所示：图 4 为本次 POT 工况试验的阶次彩图分析结果，其中(a)(b)分别代表电机近场彩图和车内驾驶员右耳阶次彩图。由样车 1(a)(b)可知，此三相交流感应电机的主要阶次与理论分析阶次一致，经过声学包裹后，电磁噪声仍然是车内噪声的主要噪声源；由于样车 2、3、4 电机类型和参数相同，声学包裹相似，采集的噪声阶次彩图特点相同，所以图中的样车3 的阶次彩图作为三辆样车的代表，本次试验的三辆三相永磁同步电机主要阶次与理论分析阶次一致，经过声学包裹后传递到车内后主要为极数对应阶次和极槽配合对应阶次，而槽数对应阶次大幅衰减，已不是车内噪声主要贡献部分；由四辆样车 POT 工况彩图总结可知，在 3000r/min 之前，电磁噪声不是车内噪声的主因，当车辆加速到 3500r/min 以上，电磁噪声逐渐显现，成为车内噪声的主要贡献部分。通过对四辆纯电动样车进行匀车速和 POT 工况整车噪声试验，主要分析纯电动汽车噪声声压级、车内声品质及电磁噪声，得出以下 4 个结论：1）电机近场噪声很大，但车内噪声很小，通过有效的声学包裹，可以使电机近场传递到车内驾驶员右耳的噪声声压级降低 30%以上。2）建立声品质客观量化模型，得出样车 1 和样车 3 的车内声品质要优于样车 2 和 4，其中样车 1 在低速时的声品质更好，这也与驾驶员主观感受相一致。同时利用 A 计权声压级的客观数据与心理声学参数的主观评价，可有效对纯电动汽车车内噪声水平进行评价。3）电磁噪声是纯电动汽车车内噪声的主要贡献部分。异步交流电机电磁噪声主要是极数所对应的阶次及其谐阶次，传递至车内驾驶员右耳噪声声压级虽然有所衰减，但能量仍然较大；永磁同步电机电磁噪声主要是极数、槽数、极槽配合所对应的阶次，传递至车内驾驶员右耳处主要是极数、极槽配合所对应阶次，而槽数对应阶次衰减至很小。4）由四辆样车总结，在 3000r/min 之前，电磁噪声不是车内噪声的主因，当车辆加速到 3500r/min 以上，电磁噪声逐渐显现，成为车内噪声的主要贡献成分。作者单位：（中国汽车技术研究中心汽车工程研究院，天津 300300）著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-03-13
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