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摘要：如何提升轨道牵引电机的性能，降低牵引电动机运转的噪音，对于提高乘客乘坐轨道交通出行的舒适度尤为重要。针对轨道交通牵引电动机在正常工作中所产生的噪音，为了能够在牵引电动机的设计中提供有效降噪措施，准确地对整个牵引电动机系统的噪音进行测试与分析是非常有意义的。本文给出了某型牵引电动机噪声频谱的初步测试结果和分析，包括噪声窄带频谱与总声压级的分析以及距离与指向性的影响分析等。

关键词：噪声测试，带谱分析，声压级分析，风速

1、引言

牵引电动机的空间尺寸受到轨距和动轮直径的限制，在设计和结构上需要充分利用机体内部空间使结构紧凑，那么在保证电动机内部绕组温升的条件下就对整台电机通风散热条件具有极高的要求。为保证牵引电动机的充分冷却，大都采用强制通风换热形式，即电动机轴端安装换热风扇。为了提高强制通风换热的效果，在环境温度和换热面积确定的情况下，提高风速往往是唯一可以采用的技术措施。这一技术措施在提高换热效果的同时，却又带来了能耗高、噪音大的问题，导致牵引电机整体性能降低。因此，有必要从其运转噪音着手分析，以提高牵引电机整体性能。

2、研究内容

该款牵引电动机噪声频谱试验的主要目的是通过某型牵引电动机的噪声频谱试验研究，搭建合理的噪声测量平台，设定噪声测量位置并设定相应测点，进行噪声窄带谱测量分析，完成相关噪声试验研究。结合噪声频谱得到某型牵引电动机的噪声特性，为后续牵引电机的降噪分析奠定数据基础。

测试分析主要内容包括：

（1） 搭建噪声测量平台。测试空间在半消声室内搭建，依据噪声测量标准，在距离电机1m和2m以及四个不同角度位置处布置了八个麦克风，测量得到噪声频谱特性。

（2）测试电机在1200、1500、1800、2100、2400、2700、3000、3300、3600、3900、4200、4500和4800rpm等13个转速下的噪声级以及在这13个转速下电机出风口轴线方向地面上方1米处和电机轴前1米以及出口侧45°方向，在不同距离下的噪声频谱;测试距离包括近场（1米）、远场（2米左右）等不同距离要求测试可以得到电机在不同转速下从近场到远场的噪音衰减规律并可以进行噪声源识别，测量噪声频率范围为20-10KHz。

（3）针对以上各项测试内容，对各个方位测试的实时信号进行噪声频谱分析，对噪声各频段及其来源进行分析。

3 噪声测量结果与分析

3.1 噪声频谱特性

在转速3600rpm下如图3-1所示为电机轴向正前方2米处位置噪声窄带谱，噪声频谱由宽频噪声和离散频率噪声两者构成。后者表现在频谱上是一系列尖的凸起，又称为离散纯音噪声，离散纯音噪声一般与周期性的激励相关。离散频率噪声之外的部分是宽频噪声，宽频噪声覆盖了从低频到高频的很宽的频率范围，在这个频率范围内，频谱上观察不到明显的凸起[5]。当频域内频率高于2kHz时，噪声幅值低于50dB，对总声压级贡献率很小，故可以分析2kHz以内的频率范围信息，如图3-1（b）和3-1（c）。

从频谱上提取具有较大幅值以及相比该频率附近宽频噪声相差比较大的典型的离散纯音噪声，如表3-1所示。电动机典型的离散频率噪声包括两个主要的方面：转子频率噪声和叶片通过频率噪声[15]。其中，转子频率噪声主要来自于转子旋转产生的影响，包括转动不平衡，周期性的磨损等。这部分噪声频率与旋转频率及其整数倍相关，表达式为[2]

叶片通过频率噪声是由于叶片周期性击打周围空气介质或者由于干涉等影响，在叶片表面产生了周期性脉动，这部分噪声频率除与旋转频率有关，还和叶片数相关，其频率表达式为：

当离散频率落在相邻两阶叶片通过频率之间时，该频率受到了叶片和转子的影响，该频率可以表示成转子频率和叶片通过频率的组合，表达式为[14]：

分析3600rpm下牵引电动机离散频率噪声对应的i，j，得到3600rpm下的离散频率噪声特性。其中，牵引电动机离散频率噪声中包括了1阶和3阶转子频率，1阶、2阶和6阶叶片通过频率噪声，以及3阶叶片通过频率噪声和分别1阶和5阶转子频率影响的峰值，如表3-1所示。这一测试结果表明，测试仪器和数据处理方法正确可靠。

不同转速下的电机噪声频谱特性基本特征与3600rpm转速下一致。为了对比不同转速对噪声频谱的影响，不同转速下的转子频率和叶片通过频率前5阶谐波如表3-2所示：

随着转速的增加风扇流量的增大，对应叶片宽频的整体分布趋势没有明显变化，幅值有明显增加。不同转速下的1阶叶片通过频率可以明显观察到，该频率随转速增加明显线性增大。在低频范围内（0-600Hz），电机影响逐渐增大。随着转速的增加，低频处除了对应叶片转子频率的离散纯音外，其低频处的拱起影响越来越大，能明显观察到拱起的中心频率随转速的增加而增加，且中心频率处的噪声幅值也相应地越来越大，从3600rpm开始到最高的4800rpm，这个拱起的中心频率增加和对应中心频率处的噪声幅值增加趋势越来越明显，影响牵引电动机声压级。

以上分析表明，牵引电动机的噪声频谱包含了离散频率噪声和宽频噪声。离散频率噪声受电机和风扇影响，由转子频率噪声和叶片通过频率噪声以及相互之间的干涉组成。宽频噪声整体分布趋势随电动机转速增加而变化不大，幅值随转速的增加而显著增加。在低频处有明显的拱起，中心频率随转速的增加而增加。对应中心频率处的噪声幅值随转速增加而明显增加。

3.2 牵引电动机总声压级

3.2.1 不同频带影响

不同转速下牵引电动机的A计权总声压级如图3-3所示，由于在低频处有明显的电机旋转影响，因此在进行数据处理时，分别提取了全频带和高通400Hz的总A计权声压级。

不同测点A计权总声压级随转速变大也变大，由图3-3可知，噪声与转速大致呈线性关系，前者随后者线性增大，噪声总声压级在电机高转速下无突出的凸起。高通400Hz以上的A计权总声压级也保持了上述规律，说明高通400Hz以上数据可以用于数据分析，基本频率特征是一致的。

根据声压绝对贡献量的计算方法[12] ，进一步分析了0-100Hz和0-400Hz两个不同频带下的声压绝对贡献量。前者主要考虑100Hz以下电机噪声的影响，兼顾消声室的截止频率的影响分析。后者主要考虑在转速范围内，电机噪声的影响。100Hz以下噪声对总声压级贡献在不同测点处和不同转速情况下，均小于0.04 dBA，即100Hz以下噪声对总声压级影响很小，这点也与人耳对于低频噪声不敏感，所带来的较大的A计权衰减有一定关联。

对于0-400Hz，也即100-400Hz处的噪声，对总声压级影响明显，噪声总声压级在绝大部分转速和测点下都大于0.5 dBA。而电机转速大于3600rpm时，频率在100-400Hz时影响较明显，特别是在轴向2米处测点，在该点影响具有迅速增大趋势;电机转速为4200rpm时，影响为2.1 dBA;而电机转速为4500rpm时，影响大于3.5 dBA，已是最大的影响因素;而电机转速为4800 rpm时，该频带影响在3.8dBA 附近。对比前面提到的噪声频谱，总声压级受该频带的影响决定性因素是低频拱起的快速变大，还和电机结构的影响有联系。

3.2.2 测量距离对总声压级的影响

相对角度一致时，当距离分别为1m、2m时，总声压级随着距离增加而减小，各测点变化趋势基本一致，总声压级差值在距离分别为1m、2m时为4-6dBA。

根据经验，距点声源的距离增加一倍，噪声强度衰减6dBA;距线声源的距离增加一倍，噪声强度衰减3dBA;距面声源距离随长短边不同，在0-3-6dBA之间。各测点在不同转速下对应的差别均在4-6dBA之间，考虑到电机气流出口周向布置的特点，在1m外区域可以将其作为点声源处理。

3.2.3 指向性影响

不管是距离1m的测量点还是距离2m测量的点，均表现出靠近风扇正负45°位置处声压最大，靠近电机位置处声压相对较小，有一定周向指向性特点。由于正负45°位置距离电机气流出口更近，总声压级量值更高。

4、结论

本文通过测量牵引电动机多个测点多种转速的噪声频谱，研究并计算出了噪声声压级特征等[15]，并得出了牵引电动机的噪声特性：

（1）牵引电动机噪声频谱包含了离散频率噪声和宽频噪声。离散频率噪声受电机和风扇影响，由转子频率噪声和叶片通过频率噪声以及相互之间的干涉组成。

（2）不同测点处A计权总声压级随转速的变化基本保持了线形增大趋势，其中0-100 Hz频带范围的噪声对总声压级绝对贡献量小于0.1 dBA[11]，而0-400 Hz频带范围的噪声对总声压级影响显著，在高转速情况下其绝对贡献量超过3 dBA，成为主要影响因素。

（3）相对角度不同测点距离处的噪声声压级随转速变化规律基本接近，随距离增大一倍，其声压级变化满足远场特性。

（4）不同角度的指向性特点表明在靠近风扇的正负45°位置处噪声的总声压级最大，而在靠近电机侧的总声压级相对小一点。

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