科学瞎想系列之一一三 NVH那些事(16)

【部分来自网络如有侵权敬请邮箱联系。未经许可的媒体平台谢绝图片转载，如需转载或合作请邮件联系。联系邮箱laolicsiem@126.com，】 前面两期讲了声波的传播以及振动与噪声的关系，本期讲电机噪声的辐射，也就是说对于电机的周围环境来讲，电机就是一个噪声源，从这个噪声源是向周围环境是如何辐射噪声的？不同类型噪声的辐射途径和辐射特性是什么？ 1 电机噪声的分类及辐射途径 电机噪声按性质分可分为两大类：一是由机壳表面振动而产生的噪声，我们称之为结构噪声；另一类是空气湍流产生的噪声，我们称之为空气动力学噪声。 按噪声源分可分为三类：一是电磁激振力产生的噪声，我们称之为电磁噪声，即由气隙磁场谐波产生的径向力波和切向力波，经电机的机械结构传递到电机的外壳，进而对周围空气辐射噪声；二是机械激振力产生的噪声，我们称之为机械噪声，包括轴承、转子动平衡、对中等方面的因素引起的激振力产生的噪声，同样经电机机械结构传递到电机的外壳，再由外壳对外辐射，由于上述两种噪声都是由电机结构振动引起，并通过电机结构传递到外壳，因此它们都属于结构噪声；三是空气噪声，是电机内部的冷却空气在风扇、风道等通风系统中流动产生湍流，从而产生噪声。 如果电机是全封闭的，机壳外面没有风扇，那么，空气噪声只限于机壳内部，对外的辐射较小，可以忽略，但如果是开启式的电机或电机有外风机时，则空气噪声就不能再忽略，特别是有外风机的电机，风机产生的空气噪声会占主要成分，甚至会“淹没”电机本体的其它噪声。 2 结构噪声的辐射 如前所述，结构噪声首先是通过电机结构将振动从激振源传递到电机外壳，再由外壳辐射到周围空气中。前面的瞎想已经讲过了根据激振力和电机的固有结构参数如何计算出机壳的振动，上一期瞎想也讲了由外壳振动如何演变到分界面上的噪声，但这种推演是基于平面声波辐射的情况，当电机的尺寸远大于声波波长时，就可以把声源看作是一个平面辐射声源，就可以用前面的方法计算声波的辐射，即前述的方法仅适用于大中型电机辐射中高频声波的情况。 实际上，电机对外辐射的结构噪声不仅与机壳的振动强度有关，还与声源的尺寸、声波的波长(频率)、辐射表面的波节线分布(振动的空间阶次)等因素有关。如果声波的波长大于噪声源的尺寸时，那么随着声源尺寸的增大，辐射的声强也会随之增大，因此对于小尺寸电机，辐射高频声波的条件比辐射低频声波的条件为佳。如果电机的尺寸足够大，那么辐射的声强与频率关系不大，也就是说，大电机辐射的频带比较宽，对高频和低频均有良好的辐射效果。除此之外，机壳表面的辐射还与振动的阶次有关，当表面的振动幅值和相位都相同时，这种振动表面就称为0阶辐射器。如果表面的振动相位和幅值不相同，就会出现波节，这种情况称为高阶辐射器。振幅相同时，高阶辐射的能量要比0阶辐射能量小，这是由于具有不同振动相位的两个相邻部分的表面上产生的声压，具有一定程度的相互抵消，从而减弱了离机壳表面某一距离点处的声压，辐射的波长与电机尺寸之比越大，这种抵消作用越明显，因此对封闭式电机，其它条件相同的情况下，高阶振动产生的声强比0阶和低阶振动产生的声强要小。振动的球体是一个理想的0阶辐射器，而对于电机，则既是一个0阶辐射器又是一个高阶辐射器。 以上都是定性讲了电机结构噪声的某些辐射特性，仅有这些显然不能对电机噪声进行定量计算，接下来我们就讲一讲电机结构噪声的定量计算。 2.1 平面辐射器的辐射声强 当电机的尺寸远大于辐射声波的波长时，如：πD/λ＞5(D=2R为机壳外径，R为机壳半径)时，可以把电机看作平面辐射器，如前所述，平面辐射器的表面辐射声强为： Ip=(1/2)•ρCω²Y² =2ρCπ²f²Y² ⑴ 式中：ρ为介质的密度；C为声速；f为振动频率；ω为振动角频率；Y为振幅。对于空气ρC=408kg/(m²•s)。对于大型电机，当已知电机外表面的振动参数后，就可以按照⑴式进行声强的计算了。再次强调，平面辐射器只适用于大中型电机对中高频声波的辐射，当电机的尺寸与声波的波长相近或小于波长时就不再适用⑴式计算了，需要进行修正，但⑴式作为平面辐射声强的计算公式，是计算其它辐射器的基础，其它辐射器的辐射声强都是在⑴式基础上打一个折扣来修正的。 2.2 球形辐射器的辐射声强 当电机的长径比近似为1时，可把电机看作是球形辐射器，球形辐射器的辐射声强就是在⑴式的基础上打一个折扣系数Ib*，即： Ib=Ip•Ib* =(1/2)•ρCω²Y²•Ib* =2ρCπ²f²Y²•Ib* ⑵ 电机机壳辐射的声功率为： W=Ib•(2πRL) =2ρCπ²f²Y²•(2πRL)•Ib* ⑶ 式中：R为定子外壳半径；L为机壳长度。其中所打的折扣系数称为球形辐射器的相对辐射声强Ib*=Ib/(2ρCπ²f²Y²)，即球形辐射声强与平面辐射声强之比，可通过图1所示曲线查得。 2.3 圆柱形辐射器的辐射声强 当电机为细长型时，即长径比较大时，可以把电机看作一个圆柱形辐射器，这种辐射器的辐射声强同样是在平面辐射声强的基础上打一个圆柱形辐射器相对辐射声强的折扣系数Ic*，即： Ic=Ip•Ic* =(1/2)•ρCω²Y²•Ic* =2ρCπ²f²Y²•Ic* ⑷ 机壳辐射的声功率为： W=Ic•(2πRL) =2ρCπ²f²Y²•(2πRL)•Ic* ⑸ 圆柱形辐射器相对辐射声强系数Ic*=Ic/(2ρCπ²f²Y²)，可以通过图2所示的曲线查得。

由图1和图2可见，电机外壳对外辐射的声强除了与振动强度和电机尺寸有关外，还与振型的阶次有关。当πD/λ较小时，相对辐射的声强随电机尺寸按(2r+2)次幂成正比地增加，而当电机的尺寸远大于声波的波长时，即πD/λ＞＞1时，相对声强系数Ib*、Ic*就接近于1，与振型阶次r基本无关，也就是说，当电机尺寸相对于波长足够大时，就可以把电机看作平面辐射器了。另外从两图中还可以看到，对于一个尺寸一定的特定电机，振型阶次越低，辐射的声强越大，也就是说，在振幅相同的情况下，机壳表面对低阶振型的振动更易于辐射成噪声，高阶振型辐射效果较差，这也是我们一直强调的在电机设计时要特别注意呼吸振型(r=0)和低阶振型的振动，它们特别容易通过外壳对外辐射噪声。 3 空气噪声辐射

老师知道本公众号的BOSS们素质都很高，没有人喜欢偷听，但不是BOSS的可能有不少人有偷听的小爱好，这些人可能都曾有一种体验，就是在偷听某个房间的隐私时，如果门窗全都是密闭的，就很难听清房间里的动静，如果门窗略微有一点小缝隙或一个小孔，你就可以很容易地听清房间里发出的声音，当缝隙很小时，这种“漏”出来的声响会随着缝隙的增大而增大，但当缝隙大到一定程度，“漏”出的声响大小就基本和缝隙大小没有关系了，也就是说，缝隙大到一定程度，门半开和全开，听到的声音基本没有什么区别了。我们把这种现象称作空气噪声的小孔辐射或小孔泄露。对于全封闭的电机，外壳上不可避免地要开一些小孔，如观察窗、接线孔等，空气噪声主要就是通过外壳上的这些小孔或缝隙对外辐射的，因此要想降低全封闭电机的空气噪声，尽量减少开孔的数量和尺寸是非常重要的，别小看那些盖板的缝隙和小孔，它们是空气噪声的主要来源。这里重点说一下全封闭电机的小孔辐射噪声问题。空气噪声通过小孔辐射的声功率级为： Lwqj=Lpqj+10•lg(Sj/S0) dB ⑹ 式中：Lwqj为第j个小孔辐射的声功率；Lpqj为贴近小孔处的平均声压级(dB)；Sj为第j个小孔的面积(m²)；S0为基准面积S0=1m²。各个小孔的总辐射声功率为每个小孔辐射的声功率之和，即空气噪声通过小孔辐射总声功率级为： Lwq=10•lg[∑10^(Lwqj/10)] ⑺ 需要说明一下的是，空气噪声辐射的准确计算一般是相当困难的，⑺式也是一个经验公式，同样不会太准确，而且⑺式也是在已知小孔附近平均声压级的基础上才能计算的，而这个平均声压级一般需要测试得到，也就是说，在电机设计时，没有实物测试的情况下是很难进行空气噪声计算的。 既然说到小孔辐射的噪声必须结合测试和经验才能进行计算，那么除了⑺式这个经验公式以外，还可以从另外一个角度用经验公式来计算，如果已知一个隔声罩或密闭的外壳的隔声效果，即在已知机壳内外的声级差L的情况下，如果在机壳上开一个小孔，那么机壳隔声效果的减小程度ΔL可以按以下经验公式计算： ΔL＝10lg[1+k•s•10^(L/10)/S] （dB） ⑻ 式中：L为电机外壳的隔声能力(dB)；S为机壳表面积(m²)；s为孔的面积(m²)；k为经验系数，k取1～10，圆形孔和正方形孔等于1，若长宽比为1000的缝隙k可达到10。此公式对横截面很大的孔不适用。由⑻式可见，对于全封闭的电机，只要外壳上开一个小孔，就会辐射出很大的噪声，从而大大降低机壳的隔声能力，降低的程度不仅与小孔面积有关，而且还与小孔的形状有关，窄缝的泄露要比圆孔和正方形的小孔更易泄漏噪声，因此可以通俗地说“圆孔方孔便于偷窥，窄缝便于偷听”，所以温馨提醒BOSS们，在房间整动静时为了防止被外人偷听，务必要关好门窗！在电机设计时，要特别注意机壳盖板缝隙的密封，否则会有较大的噪声泄漏，良好的缝隙密封会显著降低全封闭电机的噪声。 对于开启式电机或有外风机的电机空气噪声直接由外风机或电机外壳的通风窗对外辐射空气噪声，这种电机的空气噪声可能是主要声源，甚至可能超过结构噪声。对于这种情况，可以把风机或风扇作为一个独立的声源，单独计算它们空气噪声，然后与其它声源辐射的噪声进行叠加计算总噪声。由于空气噪声很难精确计算，工程上都是采用一些经验公式进行估算，不同的文献上给出了多种不同的估算经验公式，这里列出一些经验公式供参考。 在国防工业出版社出版的《多相电动机噪声》这本书里，给出了独立风机对外辐射声功率级的三个经验公式： Lw=67+10lgP+10lgp ⑼ Lw=40+10lgQ+20lgp ⑽ Lw=94+20lgP-10lgQ (11) 式中：P为风机电机的额定功率(kW)；p为风扇的静压(Pa)；Q为风流量(m³/s)。同时该文献还给出了适用于自带风扇全封闭电机的声压级经验公式： Lp=24.4v^(1/3) dB(A) (12) 式中：v为风扇外径的线速度(m/s)。 在机械工业出版社出版的《电机的噪声和振动》这本书里，给出了距离电机外壳0.5米处空气噪声总响度级的经验公式： 对于防护式自通风电机： L=10lgP+20lg n+5 dB (13) 对于封闭式自通风电机： L=10lgP+20lg n dB (14) 对于水冷封闭式电机： L=10lgP+20lg n-10 dB (15) 以上各式中：P为电机的额定功率(kW)；n为电机转速(r/min)。 该文献还给出了外风机的噪声总响度级估算经验公式： L=14lgP+80 dB (16) 式中：P为风机电机的额定功率(kW)。 4 电机辐射的总噪声 在分别计算出电机的结构噪声和空气噪声后，电机辐射的总噪声即由这两部分噪声叠加而成，电机辐射的总声功率级为： Lwt=10•lg[10^(Lw/10)+10^(Lwq/10)] dB (17) 式中：Lw为外壳辐射的结构噪声的声功率级；Lwq为电机辐射的空气噪声的声功率级。 以上介绍了电机噪声的计算方法，需要再次强调的是，由于噪声受声源结构、环境的影响非常大，因此噪声的解析计算精度比振动的解析计算还要差，这里讲的计算方法和公式大多是基于忽略了很多因素的情况下得出的近似模型的计算方法，而且大多为经验公式，可以用这些计算方法和公式来估算电机的噪声。在计算机仿真技术飞速发展的今天，更准确的噪声振动噪声计算还是应该以先进的仿真计算为准，由于准确的振动噪声计算所需的计算机软硬件配置较高，而且振动噪声所受到的影响因素太复杂，即使是仿真计算仍然存在精度不高的问题，因此最靠谱的还是进行实物测试验证为准。尽管如此，并不是说我们这里讲的这些都一钱不值，这里讲这些计算方法和公式的最主要的目的和意义并不在于它们的计算精度有多高，而是让BOSS们了解噪声的辐射与哪些因素或参数有关，哪些影响因素更加敏感，以便在电机设计中如何进行减振降噪设计，提供一个方向性的宏观理论指导，这才是最近这几篇文章的真正意义，其实这也是最有价值的。今天的课就到这里，下课！