機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)

即使電機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，電機(jī)的瞬間轉(zhuǎn)速仍然會(huì)出現(xiàn)一定程度的波動(dòng)。當(dāng)這種波動(dòng)現(xiàn)象的頻率比較低時(shí)，常常給人帶來很差的主觀感受。因此，在試驗(yàn)中需要測(cè)試電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)被測(cè)電機(jī)較小或其他原因不方便直接測(cè)試轉(zhuǎn)速時(shí)，也可采用振動(dòng)噪聲信號(hào)提取出轉(zhuǎn)速。PULSE Labshop和BK Connect均具有轉(zhuǎn)速自動(dòng)提取功能，其中PULSE Labshop支持在線實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速提取。

以下圖左側(cè)圖形為例，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，導(dǎo)致電機(jī)振動(dòng)的頻率出現(xiàn)明顯的周期變化，這種頻率的周期變化與轉(zhuǎn)速的周期變化存在線性等比關(guān)系，所以可以利用這些振動(dòng)頻譜，提取轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。下圖右側(cè)圖形的結(jié)果，即為左側(cè)數(shù)據(jù)提取出來的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。

相對(duì)音高(Relative Pitch)

在電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，如果出現(xiàn)轉(zhuǎn)速的偏移和波動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)噪聲的諧波成分發(fā)生偏移和波動(dòng)。為了量化此類現(xiàn)象，可以使用相對(duì)音高參數(shù)。參考SAE論文（SAE 2019-01-1521），相對(duì)音高的定義為Relative Pitch = 19.9317 * log10(f/fmax)

其中f為運(yùn)行過程中各個(gè)時(shí)刻的諧波頻率，fmax為該諧波頻率在運(yùn)行過程中的最大值。

如果噪聲諧波頻率不方便獲得，也可采用轉(zhuǎn)速信號(hào)或振動(dòng)信號(hào)中的諧波成分進(jìn)行計(jì)算。下圖為相對(duì)音高分析結(jié)果的實(shí)例，根據(jù)偏移的平均結(jié)果和容差范圍，設(shè)置相對(duì)音高變化量的上下限。

階次分析與階次跟蹤

對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械，階次分析與階次跟蹤是兩種比較常見的分析方法。在階次分析結(jié)果中，橫坐標(biāo)為頻率，如下圖左圖所示，存在一些明亮的斜線，斜線的斜率，對(duì)應(yīng)于X軸頻率與 Y軸轉(zhuǎn)頻之比，即為對(duì)應(yīng)的階次。圖中存在第69階的明亮斜線，意味著第69階噪聲較大。在右側(cè)的階次跟蹤結(jié)果中，以同樣的原始時(shí)域數(shù)據(jù)為例，橫坐標(biāo)是階次，對(duì)應(yīng)的第69階為豎直亮線。

兩種方法能夠提供類似的信息，但是也存在明顯區(qū)別，左圖的階次分析中，方便查看固有頻率與階次的關(guān)系，右圖的階次跟蹤中方便查看不同階次數(shù)據(jù)。另外一個(gè)區(qū)別在于階次分辨率，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，階次分析中各階次亮線非常密集（距離原點(diǎn)越近，各斜線越密集），不利于區(qū)分不同階次，而階次跟蹤中，無論轉(zhuǎn)速處于何種范圍，均能保持相同的階次分辨率（ 各階次為固定間隔的豎線）。兩種方法各有優(yōu)勢(shì)，實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)分析側(cè)重點(diǎn)選擇合適的方法。

(非零原點(diǎn))正負(fù)階次

在電機(jī)的噪聲振動(dòng)信號(hào)中，在控制器開關(guān)頻率周圍存在正負(fù)階次。BK Connect可以在頻譜云圖中顯示正負(fù)階次，如下圖左圖所示，在1720Hz周圍存在±2 Order噪聲（兩條明亮的斜線）。其中的+2 Order在高轉(zhuǎn)速時(shí)的顏色更明亮，說明噪聲更大。為了對(duì)比±2Order噪聲，對(duì)頻譜云圖做階次切片（也稱為階次提取），如下圖右圖所示，在2000RPM以上，+2 Order明顯高于-2 Order，且與全頻帶Total值非常接近，因此+2 Order是此電機(jī)噪聲在高轉(zhuǎn)速時(shí)的主要成分。

峭度(Kurtosis)與峰值因子

電機(jī)在啟停階段和運(yùn)行過程中，經(jīng)常出現(xiàn)沖擊噪聲。在評(píng)價(jià)沖擊噪聲的幅值時(shí)，除了聲壓級(jí)、響度等常見參數(shù)以外，還可能需要峭度(Kurtosis)和峰值因子(Crest Factor)。峭度（或稱為峰度）多用于統(tǒng)計(jì)學(xué)，主要評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的散布特點(diǎn)，數(shù)據(jù)越發(fā)散，峭度越大。

以下圖為例，當(dāng)噪聲原始時(shí)域信號(hào)中的聲壓數(shù)據(jù)出現(xiàn)沖擊噪聲時(shí)（藍(lán)色方框內(nèi)），聲壓數(shù)值的絕對(duì)值變大，遠(yuǎn)離0Pa，比沒有沖擊噪聲的時(shí)候更發(fā)散，因此在左圖的Kurtosis vs. time結(jié)果中，沖擊噪聲時(shí)刻的峭度會(huì)明顯大于其他時(shí)刻。峰值因子是信號(hào)中峰值與有效值的比值，以同樣的電機(jī)沖擊噪聲數(shù)據(jù)為例，在CrestFactor vs. time也能反映出沖擊噪聲的峰值。

總結(jié)

電動(dòng)零部件通常包含驅(qū)動(dòng)電機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)，它們?cè)谶\(yùn)行時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生不同特性的異響。在對(duì)此類異響問題進(jìn)行測(cè)試分析時(shí)，需要使用一些專門的參數(shù)對(duì)異響現(xiàn)象進(jìn)行量化。HBK公司的BK Connect軟件中包含多種客觀參數(shù)計(jì)算功能，用戶可以直接利用這些參數(shù)，也可以根據(jù)實(shí)際問題，借助MS Excel、MATLAB等其他工具，衍生出其他的參數(shù)。

本文結(jié)合了一些實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行介紹，包括：

? 聲壓級(jí)(SPL)

? 心理聲學(xué)參數(shù)：響度(Loudness)、尖銳度(Sharpness)、抖動(dòng)度(Fluctuation Strength)、粗糙度(Roughness)

? 調(diào)幅參數(shù)：調(diào)制(Modulation)、包絡(luò)分析(Envelope)

? 純音類參數(shù)：突出比(Prominence Ratio)、純音比(Tone-to-noise Ratio)、音調(diào)(Tonality)

? 頻譜參數(shù)：FFT、1/3倍頻程(1/3 Octave)、臨界頻帶(Critical Band)

? 統(tǒng)計(jì)參數(shù)：百分位數(shù)、百分位頻率

? 偏移與波動(dòng)參數(shù)：顫音(Warble)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)、相對(duì)音高(Relative Pitch)

? 階次分析與階次跟蹤

? (非零原點(diǎn))正負(fù)階次

? 峭度(Kurtosis)與峰值因子(Crest Factor)

在HBK公司以往的實(shí)際應(yīng)用案例和咨詢服務(wù)項(xiàng)目中，這些參數(shù)能有效地應(yīng)對(duì)絕大多數(shù)異響問題，通過適當(dāng)?shù)目陀^參數(shù)，對(duì)異響進(jìn)行定量研究。除了電動(dòng)零部件行業(yè)以外，本文提及的客觀參數(shù)同樣適用于其他類似行業(yè)的異響問題。