一种气动噪声确定方法及装置

技术领域

本申请涉及噪声技术领域，特别是涉及一种气动噪声确定方法及装置。

背景技术

气动噪声是组成电机等旋转机械噪声的重要部分。目前对电机等设备实施的降噪措施主要是通过试验测试并结合技术人员的经验来判断主要噪声源，然后针对主要噪声源提出相应的整改方法。

然而这种方法对于气动噪声特性缺乏具体的分析和研究，常见的气动噪声计算方法多是基于非稳态计算流体场来计算气动声场，从而通过仿真模拟计算得到噪声。但是这种气动噪声方法无法适应诸如电机这类具有多种工况(例如根据电机转速的不同即可区别出多种工况)的复杂的工程模型，存在计算收敛性差、计算量大、计算效率低、设计周期长、成本高等诸多问题。

所以，现在本领域的技术人员亟需要一种气动噪声确定方法，可以实现电机模型多转速下的气动噪声预测，并满足实际工程应用的精度要求。

发明内容

本申请的目的是提供一种气动噪声确定方法及装置，以实现电机模型多转速下的气动噪声预测，并满足实际工程应用的精度要求。

为解决上述技术问题，本申请提供一种气动噪声确定方法，包括：

建立流场计算域以模拟电机当前的稳态流场，并确定稳态流场的气动特征量；

根据气动特征量确定噪声指标；

将噪声指标代入至预先建立的定量关系方程中，以确定噪声声功率级；

其中，定量关系方程的建立包括：

确定电机处于不同转速下的气动特征量，并根据各组气动特征量确定各转速对应的噪声指标；

测量各转速下电机的噪声声功率级；

根据最小二乘法对各转速下对应的噪声指标和噪声声功率级进行线性相关性分析，以确定噪声指标和噪声声功率级之间的线性关系方程作为定量关系方程。

另一方面，根据气动特征量确定噪声指标包括：

通过有限体积法对由气动特征量中物理量或物理量组合所得到的气流声源进行空间积分，以得到声源强度指标；再根据声源强度指标确定噪声指标。

另一方面，气流声源为气动特征量中某一物理量或物理量组合的散度、绝对值或动能。

另一方面，气动特征量包括：涡量和速度；气流声源为涡量与速度组合的散度；

相应的，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据第一公式确定气流声源的声源强度指标，并根据声源强度指标确定噪声指标；

其中，第一公式为：

S

另一方面，气动特征量包括：涡量或速度；气流声源为涡量或速度的散度；

相应的，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据第二公式确定气流声源的声源强度指标，并根据声源强度指标确定噪声指标；

其中，第二公式为：

S

或者，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据第三公式确定气流声源的声源强度指标，并根据声源强度指标确定噪声指标；

其中，第三公式为：

表示速度向量。

另一方面，气动特征量包括：涡量、速度或压力；气流声源为涡量、速度或压力的绝对值；

相应的，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据第四公式确定气流声源的声源强度指标，并根据声源强度指标确定噪声指标；

其中，第四公式为：

S

S

或者，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据第五公式确定气流声源的声源强度指标，并根据声源强度指标确定噪声指标；

其中，第五公式为：

表示速度向量；

或者，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据第六公式确定气流声源的声源强度指标，并根据声源强度指标确定噪声指标；

其中，第六公式为：

表示涡量向量。

另一方面，气动特征量包括：涡量或速度；气流声源为涡量或速度的动能；

相应的，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据第七公式确定气流声源的声源强度指标，并根据声源强度指标确定噪声指标；

其中，第七公式为：

S

或者，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据第八公式确定气流声源的声源强度指标，并根据声源强度指标确定噪声指标；

其中，第八公式为：

表示涡量向量。

另一方面，根据气动特征量确定噪声指标包括：

根据气动特征量中的所有物理量综合确定噪声指标。

为解决上述技术问题，本申请还提供一种气动噪声确定装置，包括：

流场模拟模块，用于建立流场计算域以模拟电机当前的稳态流场，并确定稳态流场的气动特征量；

指标确定模块，用于根据气动特征量确定噪声指标；

噪声预测模块，用于将噪声指标代入至预先建立的定量关系方程中，以确定噪声声功率级；

其中，定量关系方程的建立通过方程建立模块实现，所述方程建立模块包括：

参数模拟单元，用于确定电机处于不同转速下的气动特征量，并根据各组气动特征量确定各转速对应的噪声指标；

噪声测量单元，用于测量各转速下电机的噪声声功率级；

线性分析单元，用于根据最小二乘法对各转速下对应的噪声指标和噪声声功率级进行线性相关性分析，以确定噪声指标和噪声声功率级之间的线性关系方程作为定量关系方程。

本申请提供的一种气动噪声确定方法，通过预先建立稳态流场下计算得到的噪声指标与反映噪声大小的噪声声功率级之间线性关系的定量关系方程，将基于非稳态流场计算噪声声功率级的问题转换为计算稳态流场下的噪声指标的问题。进而，当实际需要进行噪声预测时，可以直接通过稳态流场计算得到噪声指标，再根据噪声指标与预先建立的定量关系方程确定噪声声功率级，即实现了噪声的间接预测。由于本方案不再需要在非稳态流场下进行计算，而是通过稳态流场下的计算进行替代，从而带来更高的计算精度、计算效率和更好的收敛性。并且本方案基于多转速电机工况下数据所建立的定量关系方程，使得可以很好地适应电机处于不同转速等工况下的气动噪声预测，从而还可以实现电机等工况复杂的旋转机械相关的气动噪声预测，也适用于外流场的气动优化设计等传统通过非稳态流场计算困难的气动噪声预测场景，更好地满足技术人员分析与控制旋转机械气动噪声的需要。

本申请提供的气动噪声确定装置，与上述方法对应，效果同上。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种气动噪声确定方法的流程图；

图2为本发明提供的一种气动噪声确定装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

本申请的核心是提供一种气动噪声确定方法及装置。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

目前，在针对设备进行降噪之前，首先需要对设备的噪声进行检测，才能根据噪声情况进行针对性的改进方案。目前对于噪声的检测主要有以下三种解决思路：

1、基于非稳态仿真的分离计算法；

该方法基于非稳态计算流体场来计算气动声场，以仿真模拟的方式实现噪声预测。但这种方案通常存在计算的收敛性不佳、计算量大、耗费时间长等问题，对于电机这类具有复杂、多变工况的设备难以应用。

2、基于稳态仿真的耦合计算法；

该方法相比于方法1计算量更小，但是也存在用于以动域为主的高速旋转的电机内部流场时误差较大的问题，同样不适用于工业行业衡量预测电机在全工况、多转速下的噪声。

3、基于试验的半经验法；

也即按照噪声测试标准实际对设备进行试验和噪声采集检测，再由经验公式进行后续噪声预测的方法。试验方法往往耗费资源较大，同时在设计参数改动后的噪声预测无法捕捉内部流动细节的变动等方面具有局限性。经验公式只适用于简单的风扇叶片结构，对于电机的噪音预测准确度有限。

所以目前亟需要一种新的噪声快速预测方法，以适应实际工业生产中，对诸如电机这类工况复杂的旋转机械噪声的检测。

基于此，本申请提供一种气动噪声确定方法，如图1所示，包括：

S11：建立流场计算域以模拟电机当前的稳态流场，并确定稳态流场的气动特征量；

S12：根据气动特征量确定噪声指标；

S13：将噪声指标代入至预先建立的定量关系方程中，以确定噪声声功率级；

其中，定量关系方程的建立包括：

S21：确定电机处于不同转速下的气动特征量，并根据各组气动特征量确定各转速对应的噪声指标；

S22：测量各转速下电机的噪声声功率级；

S23：根据最小二乘法对各转速下对应的噪声指标和噪声声功率级进行线性相关性分析，以确定噪声指标和噪声声功率级之间的线性关系方程作为定量关系方程。

需要说明的是，本申请所提供的气动噪声确定方法，又可以分为噪声预测方法(对应于步骤S11至S13)和方程建立方法(对应于步骤S21至S23)这两部分。而在实际噪声预测的工程应用中，对于同一设备的方程建立方法流程仅需进行一次，后续即使该设备出现修改、优化设计，或者工况出现改变(例如电机转速发生变化)，仍可以用之前建立的定量关系方程、通过噪声预测方法的流程实现对该设备的噪声预测。也即对于同一设备的多次噪声预测场景，方程建立方法仅需执行一次，而噪声预测方法则在每次噪声预测时都需要执行。

也因此，为进一步地说明本申请所提供的气动噪声确定方法，后续说明也从噪声预测方法和方程建立方法两部分分开进行说明：

首先针对噪声预测方法(步骤S11至S13)，对于步骤S11，即为一种利用流场计算域实现对待测设备的稳态流场仿真。由上述解决噪声预测的传统方案部分可知，对稳态流场进行仿真相比于对非稳态流场进行仿真的优点在于计算量小、收敛性好、计算效率高等。但是稳态流场仿真难以直接、准确地得到以动域为主的流场的气动噪声(实际工程中通常用噪声声功率级SPL表示气动噪声的大小)。因此，步骤S11转而对稳态流场的气动特征量进行收敛计算。

此外，本实施例未对稳态流场的仿真方式做出限制，但较为常用的方案为计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)仿真。

需要说明的是，本申请并未限制步骤S11中的气动特征量的具体实施形式，可以包括稳态流场仿真模拟出来的任意与气动特征有关的物理量，例如可以包括但不限于：压力(P)、速度(u)、涡量(ω)等参数。之后，通过步骤S12将由步骤S11仿真模拟稳态流场得到的气动特征量，转换为唯一的表征气动噪声的参数标准，即上述的噪声指标lgS

在确定设备不同转速下的各噪声指标lgS

特别需要说明的是，噪声声功率级SPL无法通过稳态流场直接计算出，而利用非稳态流场计算电机这类工况复杂的旋转机械的噪声声功率级SPL的准确性又不能满足实际工程需要。所以本方法将计算非稳态流场下噪声声功率级SPL的问题，转化为计算稳态流场下噪声指标lgS

另一方面，对于方程建立方法(步骤S21至S23)，不难看出的是，噪声预测方法实际对气动噪声预测的准确性，其中最重要的一个影响因素即为本方法中所确定的定量关系方程的准确性。

对于步骤S21，由于本申请提供的气动噪声确定方法目的还包括可以适用于电机等具有不同转速工况设备的噪声预测。所以在步骤S21中，需要对待测设备进行不同转速工况下的稳态流场预测，以获取待测设备处于不同转速工况下的气动特征量。并基于与上述步骤S12中相同的方式，将气动特征量转换为相应的噪声指标lgS

对于步骤S22，由于对于电机这类工况复杂设备的气动噪声检测，使用仿真等方式模拟存在准确性不足的问题，所以本步骤可采取实际检测的方式确定待测设备处于不同转速工况下的噪声声功率级SPL。具体的，也即根据气动噪声检测标准搭建相应的测试环境，将待测设备置于测试环境中，分别对待测设备处于不同转速下的气动噪声进行采集。也即确定不同转速下的噪声声功率级SPL。

需要说明的是，上述已经清楚地说明本方法对于同一待测设备仅需执行一次，所以虽然步骤S22中需要进行测试环境以实现实际气动噪声的检测。但这部分流程都可在设备出厂之前预先进行，待用户在实际工程中使用设备而需要预测气动噪声时，则无需再次重复本步骤，所以并不会对气动噪声预测的实际实施中带来过大的难度和成本。

对于步骤S23，此时待测设备处于不同转速下的噪声指标lgS

还需要说明的是，对于步骤S23中所使用到的线性关系分析方法具体为最小二乘方法仅为一种优选的实施方案，根据实际实施需要的不同，也可以替换为其他线性相关分析方法。

线性关系方程可以表现为：SPL＝A×lgS

其中，A为线性关系方程的斜率，B为线性关系方程的截距。

使用最小二乘法分析噪声指标lgS

由上述可知，本申请所提供的一种气动噪声确定方法，通过预先建立待测设备于不同转速下的稳态流场，计算得到相应的气动特征量和噪声指标lgS

本方法的核心在于实现噪声指标lgS

由上述实施例可知，无论是实际进行气动噪声确定的噪声预测方法流程中，还是预先执行的、建立定量关系方程的方程建立方法流程中，都涉及到根据气动特征量确定噪声指标lgS

在上述实施例中，说明了大概的流程为通过气动特征量确定声源强度指标S

通过有限体积法对由气动特征量中物理量或物理量组合所得到的气流声源进行空间积分，以得到声源强度指标；再根据声源强度指标确定噪声指标。

由上述实施例可知，气动特征量具体可以包括多个物理量参数，例如压力、速度和涡量等，所以如何根据这些气动特征量得到与噪声声功率级SPL呈线性相关的噪声指标lgS

进一步的，关于上述的气流声源如何得到本实施例也提供一种可能的实施方案：

气流声源为气动特征量中某一物理量或物理量组合的散度、绝对值或动能。

具体的，还以上述示例中气动特征量包括压力、速度和涡量为例，本实施例还提供具体确定声源强度指标S

1、所使用到的气动特征量包括：涡量和速度；气流声源为涡量与速度组合的散度；

通过如下第一公式实现的声源强度指标S

其中，S

2、所使用到的气动特征量包括：涡量；气流声源为涡量的散度；

通过如下第二公式实现的声源强度指标S

3、所使用到的气动特征量包括：速度；气流声源为速度的散度；

通过如下第三公式实现的声源强度指标S

4、所使用到的气动特征量包括：压力；气流声源为压力的绝对值；

通过如下第四公式实现的声源强度指标S

S

其中，P表示压力。

5、所使用到的气动特征量包括：速度；气流声源为速度的绝对值；

通过如下第五公式实现的声源强度指标S

6、所使用到的气动特征量包括：涡量；气流声源为涡量的绝对值；

通过如下第六公式实现的声源强度指标S

7、所使用到的气动特征量包括：速度；气流声源为速度的动能；

通过如下第七公式实现的声源强度指标S

8、所使用到的气动特征量包括：涡量；气流声源为涡量的动能；

通过如下第八公式实现的声源强度指标S

基于此，在上述实施例中需要根据气动特征量确定声源强度指标S

进一步的，上述也说明了上述实施例不限制具体使用上述八个公式中的某一个或某几个进行声源强度指标S

根据气动特征量中的所有物理量综合确定噪声指标。

也即，若气动特征量中包括压力、速度和涡量，则在确定噪声指标lgS

本实施例的目的在于通过最大程度利用稳态流场模拟仿真所得到的所有气动特征量，实现的声源强度指标S

在上述实施例中，对于一种气动噪声确定方法进行了详细描述，本申请还提供一种气动噪声确定装置对应的实施例。需要说明的是，本申请从两个角度对装置部分的实施例进行描述，一种是基于功能模块的角度，另一种是基于硬件的角度。

基于功能模块的角度，如图2所示，本实施例提供一种气动噪声确定装置，包括：

流场模拟模块11，用于建立流场计算域以模拟电机当前的稳态流场，并确定稳态流场的气动特征量；

指标确定模块12，用于根据气动特征量确定噪声指标；

噪声预测模块13，用于将噪声指标代入至预先建立的定量关系方程中，以确定噪声声功率级；

其中，定量关系方程的建立通过方程建立模块20实现，所述方程建立模块20包括：

参数模拟单元21，用于确定电机处于不同转速下的气动特征量，并根据各组气动特征量确定各转速对应的噪声指标；

噪声测量单元22，用于测量各转速下电机的噪声声功率级；

线性分析单元23，用于根据最小二乘法对各转速下对应的噪声指标和噪声声功率级进行线性相关性分析，以确定噪声指标和噪声声功率级之间的线性关系方程作为定量关系方程。

由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。

本实施例所提供的一种气动噪声确定装置，通过参数模拟单元预先建立待测设备于不同转速下的稳态流场，计算得到相应的气动特征量和噪声指标lgS

整个流程实现的气动噪声预测将非稳态流场的计算部分转换成稳态流场计算部分+线性相关计算部分，实现了免声场计算的气动噪声预测，即可避免由声场计算(非稳态流场)带来的计算不准确以及计算量大的问题，有利于实现气动噪声的快速预测，满足实际工程需要。另外，由本装置确定的定量关系方程，是基于多种转速工况下进行线性分析得到的，所以可以适应于待测设备处于不同转速工况下的气动噪声预测，因而在待测设备已经进行修改、优化设计或在其他转速下进行气动噪声预测时，也无需重新进行定量关系方程的确定，直接基于稳态流场和定量关系方程预测气动噪声即可，可以满足对于电机等工况复杂或者外流场的气动优化设计需要。

以上对本申请所提供的一种气动噪声确定方法及装置进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。