來源：朗德科技，ID：landtop-tech，作者：NVH測試。部分資料和圖片來源于網絡。

現代工業體系中，無論大到汽車、小到鐘表都涉及到旋轉機械，當這些旋轉機械處于運動狀态時，其本身或與之關聯的結構會産生一定幅值的噪聲信号，當轉速發生變化時，相應幅值也會随之變化。一般從噪聲信号的測試結果看，噪聲信号所對應的頻率總是轉速（轉頻）的倍數，這種倍數關系即是階次。

什麼是階次

階次主要針對旋轉機械，它代表的意義是旋轉部件每旋轉一圈某事件發生的次數。作為一個處于旋轉狀态的部件，它會産生一定幅值的響應（振動或/和噪聲）。随着轉速的變化，這個響應也會發生變化。這個階次響應與轉速和轉頻之間有對應關系。确切地說階次是轉速或轉頻的倍數，對轉速保持不變。獨立于軸的實際轉速，是參考軸轉速的倍數或者分數。而結構的振動噪聲響應通常出現在轉速的倍數或者分數處，也就是這些階次處。

為什麼要關心階次

旋轉部件産生的響應大多數情況下都與特定的階次（當然還有共振頻率産生的響應）相關，在特定的階次上會出現相應的響應。旋轉系統的每一個零部件（如曲軸、傳動齒輪、發動機活塞、輪胎等）對系統的振動噪聲Overall level 都有貢獻。階次分析幫助确定每一個獨立零部件對Overalllevel 有多大的貢獻。

同時，階次分析也能夠幫助工程師确定問題來源。在發動機振動噪聲分析中，在測試之前，試驗工程師需要确定發動機各旋轉部件與曲軸轉速之間的階次關系，當實際測試時，如果發現某階次的響應特别大，就可以通過階次關系确定是發動機哪個部件産生的響應，從而針對這個部件進行減振降噪工作。

階次和轉頻的關系

階次是表示旋轉部件每旋轉一圈某事件發生的次數，轉動頻率是表示旋轉部件每秒鐘旋轉的圈數。那麼，階次對應事件的發生頻率則是階次乘以轉頻。

我們知道：F=RPM/60。對于發動機來說，通常定義曲軸旋轉對應的頻率為基頻，即1階，基頻的n 倍噪聲被稱為n 階噪聲，如下圖：

例如帶有6個葉片的風扇，轉速為1500RPM，主軸頻率為1500rpm/60=25Hz，葉片旋轉通過頻率為25Hz*6=150Hz，葉片的通過階次為6，即旋轉軸每轉一圈，将有6個葉片通過，則葉片的通過階次是6階。

階次的表現方式

1. 瀑布圖

旋轉機械的轉軸部件從啟動、升速到額定轉速的過程經曆了全部轉速的變化，因此在各個轉動下的振動狀态可用來對機器的臨界轉速、固有頻率等參數進行辨識。啟動和停止過程包含了豐富的信息，是常規狀态下無法獲得的，描述這種瞬态過程的一種方法是瀑布圖法，是将不同轉速下的頻譜圖按轉速逐漸增加或是逐漸較小順序排列得到的一組頻譜，能夠反應加速/減速過程中信号頻率成分的變化，這種圖形的結構類似瀑布，所以稱為瀑布圖”。

（圖片來源于網絡）

2. Colormap

Colormap是通過顔色深淺的變化，将兩個變量以及其對應的函數同時顯示的一種方法，在處理試驗數據時經常用到，其原理是通過一個mx3的矩陣，将具體的顔色變為Colormap中對應的Index，即相應的數值通過矩陣轉算，将指定的數值向量（矩陣）映射到相應的顔色，形成Colormap。Colormap是NVH數據分析的重要途徑，通過Colormap将噪聲、振動數值與發動機轉速、頻率同時顯示，可以清晰全面地反映當前的振動或噪聲狀态。

3. 階次切片

還有一種顯示方式是階次切片圖，在以上兩種圖形顯示方式中，如果要比較兩個或多個階次之間的相對大小，這是很不方便的，因而，此時需要把這些階次作切片，将切出來的階次放在同一個二維圖中進行比較，則方便得多，這就是所謂的階次切片圖，如下圖所示。另外，階次切片計算需要考慮一定的帶寬，實際上是因為能量發生了洩漏，導緻頻譜拖尾到這些譜線上了，轉速變化速率越快，頻譜拖尾現象越嚴重。因此，轉速的變化速率對階次切片帶寬是有影響的，轉速變化速率越大，階次切片所對應的階次寬度越寬。

空調鼓風機階次實例

随着汽車電子技術的發展越來越快，人們對汽車舒适性要求越來越高，要求在整車上操作空調風量時，其聲音是平滑且可以接受的，包括空調在各檔風速的時候，也包括在空調切換模式、溫度、内外循環等各個風門的時候。空調鼓風機運轉中的異常噪聲都對乘客的舒适性造成不适。

汽車空調鼓風機通常采用的是永磁直流電機，空調鼓風機通過葉輪旋轉，将車内或者車外的空氣吸入鼓風機，并在離心力的作用下，進入空調箱内。通過改變鼓風機輸入電壓的方式，來改變鼓風機轉速，從而改變風量的大小。在鼓風機轉速變化的過程中也會産生階次噪聲。

汽車空調永磁鼓風機電機的階次噪聲和電機的結構特性相關，由于馬達本身的結構不可能構建連續的磁場，所以在轉子和定子的磁場相互作用時，在磁場間隙會由于磁場的變化産生受力變動，這也是振動噪音的源頭。階次噪聲是描述旋轉機械中某信号及其諧波的對應關系，可以理解為在旋轉部件上的不平衡質量産生的振動，振動頻率與轉頻存在一定的倍數關系。

空調鼓風機階次噪聲的測試方法是：從2.5V的最低電壓開始，風扇在90S内持續達到13.5V的最大啟動電壓。要求在整個速度範圍内，所有和電機特性相關的階次噪聲相對于整體水平噪聲的最小差值要大于10dB。

下面是某新能源汽車空調鼓風機的colormap圖，可以看到在12、24、36、48階時噪聲明顯。對此colormap做階次切片，可以看到12階在1600rpm時有峰值；36階在900rpm時有峰值。而且12階和36階噪聲和整體噪聲差距小于10dB。

同時從上圖中，我們可以發現colormap中還存在諧波階次，諧波是指對周期性非正弦信号進行傅裡葉變換所得到的大于基頻整數倍的各次分量，通常稱為高次諧波。諧波的頻率等于基頻的整數倍，如基頻3倍的波稱之為三次諧波，基頻5倍的波稱之為五次諧波，以此類推。在與旋轉機械相關的colormap中，諧波稱之為諧階次，如上圖。

北京神州翔宇技術有限公司

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!