机转速波动
即使电机处于稳定运转的状态下,电机的瞬间转速仍然会出现一定程度的波动。当这种波动现象的频率比较低时,常常给人带来很差的主观感受。因此,在试验中需要测试电机转速。当被测电机较小或其他原因不方便直接测试转速时,也可采用振动噪声信号提取出转速。PULSE Labshop和BK Connect均具有转速自动提取功能,其中PULSE Labshop支持在线实时转速提取。
以下图左侧图形为例,由于电机转速的波动,导致电机振动的频率出现明显的周期变化,这种频率的周期变化与转速的周期变化存在线性等比关系,所以可以利用这些振动频谱,提取转速数据。下图右侧图形的结果,即为左侧数据提取出来的转速数据。
相对音高(Relative Pitch)
在电机稳定运行时,如果出现转速的偏移和波动,就会导致电机噪声的谐波成分发生偏移和波动。为了量化此类现象,可以使用相对音高参数。参考SAE论文(SAE 2019-01-1521),相对音高的定义为Relative Pitch = 19.9317 * log10(f/fmax)
其中f为运行过程中各个时刻的谐波频率,fmax为该谐波频率在运行过程中的最大值。
如果噪声谐波频率不方便获得,也可采用转速信号或振动信号中的谐波成分进行计算。下图为相对音高分析结果的实例,根据偏移的平均结果和容差范围,设置相对音高变化量的上下限。
阶次分析与阶次跟踪
对于旋转机械,阶次分析与阶次跟踪是两种比较常见的分析方法。在阶次分析结果中,横坐标为频率,如下图左图所示,存在一些明亮的斜线,斜线的斜率,对应于X轴频率与 Y轴转频之比,即为对应的阶次。图中存在第69阶的明亮斜线,意味着第69阶噪声较大。在右侧的阶次跟踪结果中,以同样的原始时域数据为例,横坐标是阶次,对应的第69阶为竖直亮线。
两种方法能够提供类似的信息,但是也存在明显区别,左图的阶次分析中,方便查看固有频率与阶次的关系,右图的阶次跟踪中方便查看不同阶次数据。另外一个区别在于阶次分辨率,在低转速时,阶次分析中各阶次亮线非常密集(距离原点越近,各斜线越密集),不利于区分不同阶次,而阶次跟踪中,无论转速处于何种范围,均能保持相同的阶次分辨率( 各阶次为固定间隔的竖线)。两种方法各有优势,实际应用中需要根据分析侧重点选择合适的方法。
(非零原点)正负阶次
在电机的噪声振动信号中,在控制器开关频率周围存在正负阶次。BK Connect可以在频谱云图中显示正负阶次,如下图左图所示,在1720Hz周围存在±2 Order噪声(两条明亮的斜线)。其中的+2 Order在高转速时的颜色更明亮,说明噪声更大。为了对比±2Order噪声,对频谱云图做阶次切片(也称为阶次提取),如下图右图所示,在2000RPM以上,+2 Order明显高于-2 Order,且与全频带Total值非常接近,因此+2 Order是此电机噪声在高转速时的主要成分。
峭度(Kurtosis)与峰值因子
电机在启停阶段和运行过程中,经常出现冲击噪声。在评价冲击噪声的幅值时,除了声压级、响度等常见参数以外,还可能需要峭度(Kurtosis)和峰值因子(Crest Factor)。峭度(或称为峰度)多用于统计学,主要评价数据的散布特点,数据越发散,峭度越大。
以下图为例,当噪声原始时域信号中的声压数据出现冲击噪声时(蓝色方框内),声压数值的绝对值变大,远离0Pa,比没有冲击噪声的时候更发散,因此在左图的Kurtosis vs. time结果中,冲击噪声时刻的峭度会明显大于其他时刻。峰值因子是信号中峰值与有效值的比值,以同样的电机冲击噪声数据为例,在CrestFactor vs. time也能反映出冲击噪声的峰值。
总结
电动零部件通常包含驱动电机和执行机构等结构,它们在运行时可能会产生不同特性的异响。在对此类异响问题进行测试分析时,需要使用一些专门的参数对异响现象进行量化。HBK公司的BK Connect软件中包含多种客观参数计算功能,用户可以直接利用这些参数,也可以根据实际问题,借助MS Excel、MATLAB等其他工具,衍生出其他的参数。
本文结合了一些实测数据和分析结果,对各种参数进行介绍,包括:
• 声压级(SPL)
• 心理声学参数:响度(Loudness)、尖锐度(Sharpness)、抖动度(Fluctuation Strength)、粗糙度(Roughness)
• 调幅参数:调制(Modulation)、包络分析(Envelope)
• 纯音类参数:突出比(Prominence Ratio)、纯音比(Tone-to-noise Ratio)、音调(Tonality)
• 频谱参数:FFT、1/3倍频程(1/3 Octave)、临界频带(Critical Band)
• 统计参数:百分位数、百分位频率
• 偏移与波动参数:颤音(Warble)、转速波动、相对音高(Relative Pitch)
• 阶次分析与阶次跟踪
• (非零原点)正负阶次
• 峭度(Kurtosis)与峰值因子(Crest Factor)
在HBK公司以往的实际应用案例和咨询服务项目中,这些参数能有效地应对绝大多数异响问题,通过适当的客观参数,对异响进行定量研究。除了电动零部件行业以外,本文提及的客观参数同样适用于其他类似行业的异响问题。