鄭志昊，齊兵兵，陳俊杰，王志鵬

(拖拉機動力系統國家重點實驗室 洛陽拖拉機研究所有限公司，河南 洛陽 471039)

隨著經濟的不斷發展，用戶對拖拉機駕乘舒適性的要求越來越高，拖拉機駕駛室內噪聲問題日益突出。耳旁噪聲是評價拖拉機駕駛室內噪聲的主要指標，耳旁噪聲過大，會嚴重損害拖拉機駕駛員的聽力，長期工作情況下會對駕駛員的身心健康造成很大傷害。根據《GB 6376-2008拖拉機 噪聲限值》[1]，駕駛室封閉的直連傳動輪式拖拉機駕駛員操作位置處噪聲不得大于89 dB(A)，但通過對國產拖拉機噪聲測量發現其駕駛室內的噪聲值普遍徘徊在90 dB(A)左右。國外拖拉機的駕駛室內噪聲值普遍在80 dB(A)以下，兩者之間有10 dB(A)左右的差距[2]。影響拖拉機駕駛室內噪聲的主要因素有駕駛室的密封性、駕駛室內材料的吸聲性能、發動機及傳動系噪聲大小等，而拖拉機的主要噪聲源為發動機噪聲、進排氣噪聲、傳動系噪聲以及風扇噪聲等，由于拖拉機駕駛室密封不夠好、駕駛室內材料吸聲效果差等原因，噪聲會通過門縫隙、操縱機構縫隙等位置泄漏到駕駛室內部，使其駕駛室內部反射形成混響場，成為耳旁噪聲的主要來源。為了解決駕駛室內的噪聲問題，以便后續降噪研究，找到其噪聲源位置至關重要。

噪聲源識別技術分為兩大類，一類是物理聲源分離識別技術，包括分別消去法、運行法、傳遞路徑分析法、頻譜特征分析及濾波法、偏相關函數法等；另一類是基于聲學成像的表面噪聲源成像技術，包括聲壓分布成像、聲強分布成像、表面速度分布成像等[3-5]。本文采用的是球型相控陣列測試法，其基本原理[6]為使用在球型表面上按照一定方式排列的傳聲器對三維空間內聲壓信號進行采集和測量，并利用一定的球面波束形成方法對聲壓信號進行聚焦，找到其在三維空間內的方向，進而得到聲源的位置。球型陣列的優點是靈活性很大，能夠對三維空間內任意方向的聲源進行測試并定位，其測量速度較快，可以識別入射噪聲和反射噪聲，能夠在任何聲場環境中使用，是目前內場噪聲源識別領域中的新方法。

1 波束形成理論

圖1 球陣列波束形成示意圖

設單極子點聲源位于（r0，Ω0）位置，強度為s，輻射球面聲波的頻率為f，k=2πf/c為波數，c為聲速，根據散射理論，半徑為a的實心球面上方向為Ωq的位置的聲壓信號p(ka,Ωq)可表示為[7]

2 使用球陣列進行噪聲源識別測試

圖2 使用球陣列進行噪聲源識別測試現場圖

本次試驗采用B&K公司生產的36通道球陣列測試系統識別駕駛室內部的噪聲源，主要對中高頻率（800 Hz～5 000 Hz）范圍內的噪聲源進行識別，測試時調整陣列中心同駕駛員頭部保持高度一致，測試工況為拖拉機處于原地靜止狀態，確保周圍環境沒有噪聲源干擾測試，測試工況分別為在發動機轉速為怠速、1 500 r/min空負荷和2 200 r/min空負荷條件下進行穩態測試，并運用PULSE軟件對試驗數據進行分析。

2.1 原地怠速工況測試

圖3為拖拉機在原地怠速工況下的中高頻段噪聲源定位云圖，圖中央位置為方向盤，兩側依次為前風擋玻璃、車門及駕駛員兩側觀察窗，最邊側為后玻璃。

彩色云圖中明亮部分表示噪聲源位置，顏色越亮噪聲聲壓幅值越大，從圖中可以看出主要聲源位置為左側門鎖機構處和儀表臺左邊緣（圖3中A字母所示區域），其產生原因可能是門鎖機構附近和中控儀表臺密封不嚴，由外部的發動機排氣側噪聲泄漏入駕駛室所致。右側車門玻璃（圖3中B區域）形成較大的噪聲源的主要原因是發動機噪聲通過泄漏、透射以及在駕駛室內玻璃和頂棚的反射形成較為嚴重混響場。

圖3 原地怠速工況下噪聲源定位云圖

圖4為原地怠速工況下噪聲源識別測試頻譜圖，噪聲頻率分析中發現低頻噪聲所占比重較大，中心頻率為800 Hz的噪聲值在整個頻率分析范圍內貢獻最大。

圖4 原地怠速工況下噪聲源識別測試頻譜圖

圖5是中心頻率為800 Hz的噪聲源定位云圖，主要噪聲源位置是左側車門鎖機構附近及天花板。分析其原因有兩種，第一種原因是左側門鎖機構位置密封不嚴，噪聲直接泄漏進入駕駛室。

圖5 原地怠速工況下中心頻率為800 Hz的噪聲源定位云圖

第二種原因是儀表臺位于發動機后側，發動機噪聲由儀表臺左側透射進入駕駛室，如果儀表臺與發動機間的立板有孔洞或線束管路，噪聲會直接泄漏進入駕駛室。噪聲方向正對準門鎖機構，在該處反射形成主要聲源。右側車門也是較大聲源，分析其原因可能是噪聲通過右側玻璃透射加反射形成及車門在輪拱處密封不嚴所致。

2.2 原地1 500 r/min工況測試

拖拉機原地1 500 r/min工況下的全頻帶最大噪聲源位置和怠速工況相比并沒有太大變化。圖6原地1 500r/min工況噪聲源識別測試頻譜圖，仍是以800 Hz為中心頻率的噪聲貢獻最大，主要噪聲源集中在左側門鎖機構附近和兩側車門玻璃處，儀表臺附近噪聲源貢獻有所增大。

圖6 原地1 500 r/min工況下噪聲源識別測試頻譜圖

分析其原因，門鎖附近噪聲可能是由于門鎖處泄漏而進入駕駛室或由左側儀表臺透射噪聲反射形成。車門玻璃噪聲應為反射噪聲。在天花板上也有較大的噪聲源，可能是駕駛室內噪聲反射形成混響。

2.3 原地2 200 r/min工況測試

圖7為拖拉機原地2 200 r/min工況時噪聲源定位測試頻譜圖。在此工況下駕駛室內混響較為嚴重，主要噪聲源集中在車門兩側玻璃及天花板位置，且最大噪聲源位置為右側車門玻璃中心。

圖7 原地2 200 r/min工況下噪聲源識別測試頻譜圖

分析其原因，應為從儀表臺兩側和操縱機構泄漏的噪聲在駕駛室內反射形成混響場，在駕駛員兩側觀察窗處聲源也因為反射形成。

3 聲強測試

為了對球陣列測試結果進行驗證和進一步的分析，運用聲強測試技術進行噪聲源定位測試。聲強是在聲場中給定方向上的聲能通過量，是矢量。在流體介質中，空間給定方向上某點聲強矢量I可定義為

式中：P(x,t)為測量點的瞬時聲壓，v(x,t)為測量方向上的瞬時微粒速度。當聲壓波動和微粒速度均為時諧變量時，式（1）可簡化為

實際應用的聲強測量系統包括兩個間隔很近的聲壓傳感器，這兩個傳感器相位匹配精度非常高，能同時測量瞬時波動聲壓，基于此兩個聲壓采用Euler方程可以計算得到聲強。由于聲強是垂直測量表面的平均值，背景噪聲存在于測量表面周圍，由背景噪聲產生的聲強被消去了，這樣測量得到的值是聲源傳來的聲強。這是聲強測試技術能有效辨別聲源的原因[8]。本次試驗設備為BK公司生產的3599型聲強探頭，該探頭由2個4197型傳聲器組成，測試頻率范圍為20 Hz到6 300 Hz，最大可以擴大到10 000 Hz。

3.1 原地怠速工況測試

圖8為怠速工況下左前檔玻璃聲強測試頻譜圖。結果顯示在中控儀表臺的左側為發動機艙噪聲主要泄漏位置，而且該位置處800 Hz頻率噪聲較大，驗證了在該工況下球陣列的分析結果，800 Hz噪聲主要是由儀表臺左側泄漏進入駕駛室。

圖8 怠速工況下左前檔風玻璃聲強測試頻譜圖

圖9為怠速工況下右側車門聲強測試頻譜圖。結果顯示右側車門下部密封不嚴，由于泄漏進入駕駛室的噪聲較多。

圖9 怠速工況下右側車門聲強測試頻譜圖

在靠近輪拱處聲源是反射形成，表示聲音的方向是從駕駛室內部射向玻璃，這部分噪聲是由于儀表臺及附近的操縱機構泄漏而進入駕駛室，在右側車門玻璃處反射，在駕駛室內形成混響。并且800 Hz頻率以及更低頻的噪聲所占成分很大，與球陣列測試所得結果一致。

3.2 原地1 500 r/min工況測試

圖10為操縱機構及方向盤的聲強測試頻譜圖。聲強云圖分析結果顯示座椅下方及兩側的操作機構附近有較強的聲泄漏，泄漏的噪聲在拖拉機駕駛室天花板處反射形成混響場，也就是球陣列測試中天花板位置的聲源。

圖10 方向盤及操縱機構聲強測試頻譜圖

圖11為左側車門的聲強測試頻譜圖。聲強云圖分析結果顯示門鎖機構下方是主要噪聲源，噪聲方向是由儀表臺左側指向左側車門玻璃，在門鎖下方反射回駕駛室。與球陣列所測試的結果一致。

圖11 左側車門聲強測試頻譜圖

3.3 原地2 200 r/min工況測試

圖12為22 00 r/min時方向盤及操縱機構聲強測試結果，圖13為其測試頻譜圖。

圖12 方向盤及操縱機構聲強測試結果圖

可以看出噪聲主要就是由于操縱機構泄漏而進入駕駛室，并在駕駛室內形成反射噪聲，而車門位置測試結果顯示中車門與輪拱貼合位置由于泄漏有較大噪聲進入駕駛室。在門把手下側有從內部射向車門玻璃的噪聲，在該處反射回駕駛室，形成混響。

圖13 方向盤及操縱機構聲強測試頻譜圖

4 結語

(1)運用球型陣列對駕駛室進行噪聲源識別，可以直觀顯示出駕駛室內主要噪聲源位置，在此次研究的拖拉機駕駛室內左側門鎖機構處、儀表臺左邊緣、兩側車門玻璃處及天花板為主要噪聲源位置。

(2)運用聲強探頭對發動機和駕駛室局部位置進行聲強測試，分析出駕駛室左側門鎖機構處噪聲由儀表臺透射噪聲在門鎖處反射形成，兩側車門玻璃處及天花板處噪聲也由反射形成。噪聲主要泄漏位置在儀表臺和操縱機構附近，驗證了在各種工況下根據球陣列測試所得到的結果，為下一步降低拖拉機駕駛室內噪聲打下了基礎。