考慮聲強測試網格的汽車雨刮器驅動系統噪聲定位精度研究

郭帥平，廖子豪，黃 源，賓光富,

(1.湖南科技大學 機械設備健康維護湖南省重點實驗室，湖南 湘潭411201；2.湖南科技大學 機電工程學院，湖南 湘潭411201)

由于汽車后雨刮器驅動系統設置在車內，難以進行消聲處理，工作時產生的噪聲直接影響乘車的舒適度。控制噪聲主要從3 個方面入手：控制噪聲源、切斷噪聲傳播途徑以及隔絕噪聲[1]；其中，控制噪聲源是最有效的方法，如何快速準確找到主噪聲源的位置是噪聲控制的關鍵。傳統的聲強級定位測試方法有兩種：掃描法和離散法。掃描法在測量時需保持一定的進給速度，沿著被測件上布置的掃描軌跡進行連續掃描，通過所測得的聲音信號繪制出被測件的聲強分布圖。離散法是在被測件上布置測點，將每個測點所測得的聲音信號繪制成聲強分布圖。對于小、微型設備，由于其尺寸小、布置的測點少，尤其是在沒有配套繪圖模塊而無法使用掃描法時，離散法測量更能精確定位噪聲源位置；對于小、微型設備中包含多個零、部件，存在多個聲源的問題，在測量過程中保證測點定位準確是得到較高精度聲強分布圖的關鍵。

許多學者[2-4]針對不同環境下的驅動系統進行了大量的研究。胡伊賢等[5]總結噪聲源識別的各種方法，得出傳統聲壓噪聲識別方法雖然簡單，但信息分析不全面。李晶等[6]研究了近場碰摩聲音特性并提出一種定位方法。程志偉等[7]對聲壓法和聲強法進行對比試驗，并在汽車車身上進行實際驗證。舒歌群等[8]用聲強測量法內燃機噪聲進行測量，并證明聲強測量適用于近場測量。顏猛等[9]研究了聲強探頭到測量表面距離對測量值的影響。宋艷華等[10]對聲場求展開系數，證明測量點位置分布不均時識別效果最好。金巖等[11]利用聲強云圖對汽油機進行噪聲識別。程發斌等[12]基于FFT分析儀對電動機進行聲強測量。楊遠等[13]對電動汽車動力裝置進行聲源定位并進行噪聲控制。韓軍等[14]用聲強云圖對柴油機進行噪聲識別。戴冠幫等[15]針對如火箭之類的大型結構提出一種新的配置測點的方法。以上研究多針對于大型測件，且網格尺寸的設置都是按照操作者個人經驗進行，對于有多個零、部件組成的小、微型測件，以及測量時對劃分網格尺寸的定量研究涉及較少。

本文基于聲強測量法、國家標準GB/T16404-1996《聲學聲強法測定噪聲源的聲功率級第1部分：離散點上的測量》，針對某型汽車雨刮器驅動系統，采用不同尺寸的測試網格進行聲強測量，得到驅動系統表面聲輻射的聲強云圖。通過對比不同網格尺寸所測的聲強云圖，研究噪聲聲源位置定位精度和網格尺寸之間的關系，用最少測量點來實現較高精度聲源定位。同時，針對密集網格下網格尺寸遠小于傳聲器探頭，測點定位精度低直接影響聲強分布圖精度的問題，提供一種可以精確定位測點的輔助測量方法，并通過實驗驗證了此方法的有效性。

1 聲強測量法

聲強是描述聲能流動大小和方向的聲學量[16]是單位時間內通過垂直于單位面積聲波傳播方向的聲能。空間上某點A在r方向的聲強可表示為

式中：Ir(t)為點A在r方向的聲強；P(t)為A點的瞬時聲壓；Ur(t)為A 點r方向上的空氣質點瞬時振動速度；t為時間。

設在沿r方向且在A點附近相距為d的兩點A1、A2的聲壓分別記為PA、PB，對于無黏性理想液體，A點的歐拉方程為

式中：ρ為空氣的密度；d為2 傳聲器之間的距離。用A1、A22 點聲壓差分近似式(2)中A 點聲壓梯度，即

A 點的聲壓也可用A1、A22 點的聲壓平均值來近似，即

根據式(4)得出的質點速度和式(4)的平均聲壓，代入(1)中可以求出空間中A點的聲強

式中：G1,2是PA和PB的互譜(雙邊譜)；Im表示虛部。這樣，用2個相距為d的傳聲器，測得A1和A2兩點的聲壓PA和PB，通過求它們的互譜，即可求得聲強。

測量網格尺寸大小會影響測點的數量與分布，網格尺寸過大則測點較少，影響定位精度；網格尺寸過小，雖能提高測量精度，但會使得測點數量呈幾何級增長，測量周期變長，并且測點間距過小，相互影響系數增加，可能造成主噪聲源輻射區域向著其他無噪聲或噪聲強度低的方向輻射，使得測量精度和測量成本之間不相稱。

2 主噪聲源的定位試驗

2.1 測試系統介紹

試驗對象為某型汽車后雨刮器驅動系統，包括驅動直流電機、蝸輪和蝸軸3種零部件，其結構示意圖如圖1所示，試驗地點處于較為安靜的地下室，備有一張大于該型汽車后雨刮器驅動系統尺寸的海綿墊，模擬實際裝配時的支撐；聲強測試系統采用3599型手持式聲強探頭儀器箱，傳聲器為1/2 英寸4197型聲強傳聲器組，軟件為PULSE 噪聲、振動多分析儀系統中的Labshop 聲強測試模塊，其聲強測器結構為(P-P)型，采用5269 型間隔器(長度為12 mm)可以測量頻率在250 Hz～5 kHz 之間的聲強，用CPB進行數據采集分析，對1/3 倍頻中心頻率進行測量。測量前已對傳聲器進行標定，為了更好地反映平均噪聲水平，每個測點的測量時間為10 s。

2.2 測試方案

由于所使用的測量系統中無掃描法所需繪圖模塊，且所測電機為微型電機，故本次試驗選用離散點測試法進行聲強的測試。

根據該電機結構，電機有兩處嚙合，直流電機與蝸輪嚙合以及蝸輪與輸出蝸桿嚙合。由驅動系統的整體結構推測，噪聲源可能出現位置為2 處嚙合位置以及電機位置。根據試驗所用雨刮器驅動系統的實際尺寸，選取有效測量平面為19.5 cm×13.5 cm。依照測量點盡可能接近噪聲源的原則，結合研究網格尺寸和噪聲源定位精度之間關系的目的，將網格尺寸按照等差數列進行設置，分別為4.5 cm、3 cm和1.5 cm。

圖1 某型汽車雨刮器驅動系統結構示意圖

如圖2所示，由于輸出端蝸桿伸出過多，將蝸桿朝上進行擺放，且根據驅動系統的整體結構，測量面中測點的測量順序定為從右到左，從下到上，該方法有利于測得的聲強云圖清楚完整地顯示噪聲源位置。設坐標軸，橫向為X軸，方向朝右，豎向為Y軸，方向朝上，原點位置為右下角。

本次測量起始網格尺寸為4.5 cm，將測量面劃為15格網格，共24個測點，右側偏離噪聲位置較遠，即最右側區域所測聲強受驅動系統噪聲影響較小，受背景噪聲影響較大，故而將右側3格劃為1.5 cm×4.5 cm，其余網格為4.5 cm×4.5 cm。

在原測量平面上，選取網格尺寸為3 cm，將所測面劃分為35 格網格，共48 個測點，下側和右側偏離噪聲源可能出現位置較遠，故而下方的6 個網格尺寸為3 cm×1.5 cm，右側4 個網格尺寸為1.5 cm×3 cm，右下角1 個網格尺寸為1.5 cm×1.5 cm，中間的24個單元網格尺寸為3 cm×3 cm。

圖2 15格驅動系統網格劃分示意圖

在35 格網格基礎上將其進一步細化。選取網格尺寸為1.5 cm，將所測面劃分為117 格網格，共140個測點，每個網格尺寸均為1.5 cm×1.5 cm。

2.3 測試結果與分析

圖3為15 格24 測點網格所測聲強云圖。由聲強云圖可知，在坐標點(13.5、9)上的聲強為最大值45.3 dB，對應的是電機處，但不是電機中心，而是接近電機齒輪和渦輪嚙合處，電機中心的聲輻射面等級和電機齒輪與渦輪嚙合處的等級有差異，故排除電機是主噪聲源的可能性。

圖3 15格網格聲強分布圖

坐標點(9、9)和坐標點(13.5、9)屬于同一聲強級，兩點連線穿過的電機齒輪和渦輪嚙合區域為主噪聲源可能出現位置。由于4.5 cm 網格過大，得到的聲強分布圖沒有準確地指示出主噪聲源，可能導致重要的噪聲信息被遺漏，故對于該型汽車雨刮器驅動系統，需進一步的加密網格進行測試。

圖4顯示了尺寸為3 cm 的網格所測聲強云圖。由聲強云圖可看出，在坐標點(12、12)上的聲強為最大值47 dB，此位置為電機輸出齒輪和蝸輪嚙合區域。44 dB～44 dB 聲強區域呈較明顯的不對稱分布，說明在左側偏下區域可能存在較強噪聲源，但其聲強等級沒有電機輸出齒輪和蝸輪嚙合處高，根據汽車雨刮器驅動系統的結構可知，左側偏下區域為蝸輪和蝸桿嚙合處，說明在蝸輪和蝸桿嚙合時也產生了較大的噪聲；而驅動電機部分，除了在和渦輪嚙合處的聲強高之外，其余地方呈梯度減少，和外圍區域處于同一梯度，說明電機的電磁噪聲是非主要噪聲源。基于尺寸為3 cm 的網格基本可以確定雨刮器驅動系統的主噪聲源在電機輸出齒輪和蝸輪嚙合處。

圖4 35格聲強分布圖

圖5顯示了在尺寸為1.5 cm的網格上的聲強云圖，共117 格140 測點。由圖可知，在坐標點(12、10.5)點上的聲強最大為49.2 dB，此位置為電機輸出齒輪和蝸輪嚙合區域，與尺寸為3 cm網格上測得位置是一致的，說明加密網格后主噪聲源位置已經收斂。所以當網格尺寸為3 cm 時已經準確的顯示出主噪聲源位置。

圖5 117格網格聲強分布圖

通過尺寸分別為4.5 cm、3 cm 和1.5 cm 的3 種網格進行聲強測試可知，隨著網格的細化，噪聲源定位精確將提高，整個聲強分布圖顯示的噪聲梯度也會愈加明確；但細化后網格過多，將給測量者帶來更多的測量工作，且對于一些不適合長時間運行的設備，如長時間持續運行造成設備溫度過高，磨損加劇，反而會影響到最終的測量結果，不利于噪聲測量定位精度的提升。綜合考慮測量效果和測量工作的經濟性，尺寸為3 cm的網格對該型汽車雨刮器驅動系統測得主噪聲源的最佳網格。

3 整體聲強分布測試試驗

對于該型汽車雨刮器驅動系統，主噪聲源通過劃分尺寸為3 cm的網格即可實現聲源定位，但該驅動系統可能存在一個能量較強的次噪聲源未能識別。主噪聲源測試結果在對主噪聲源進行降噪優化后，次噪聲源可能會取代原主噪聲源，尤其當次噪聲源能量僅略小于主噪聲源時更加明顯，所以對于主噪聲源和次噪聲源的能量較為接近的聲強測試中，整體聲強分布測試十分重要。

本次測量試驗在尺寸為19.5 cm×13.5 cm 的有效測量平面上，在已開展的測試實驗數據基礎上，進一步選取網格尺寸為1 cm，共劃分280個網格和315個測點。劃分網格后存在不足1 cm的部分，其中下方劃分20 個網格尺寸為1 cm×0.5 cm，右側劃分14個尺寸為0.5 cm×1 cm的網格，右下角存在一個尺寸為0.5 cm×0.5 cm 的網格。由于網格尺寸已經很小而聲強探頭的U 型彎跨度為3.6 cm，僅用目力進行聲強探頭的定位已十分困難。

本文采用輔助測量方法進行聲強探頭定位，在2683 型探頭的U 型彎上用細線懸掛一根細針，細線位于U 型彎中點，細針由于自身重力拉扯使細線形成一個鉛錘。如圖6所示。

圖6 輔助定位測量方法

針尖A 和聲音測量探頭B 之間有1.8 cm 的間距，若在原測量網格節點上使用針尖進行測點定位，會造成定位測點和所需測點位置不相符。為了避免定位偏差，沿BA方向平移1.8 cm形成針尖定位網格面，通過針尖對準定位網格節點，確保聲強探頭對準測試網格節點，即可準確地得到測量面的聲強分布圖。測試網格、定位網格與AB 線段測量方向示意圖如圖7所示。

圖7 輔助測量面偏移示意圖

其中虛線為測量面的測試網格，實線為偏移后的輔助定位網格面即針尖定位面，手柄位置保證AB線段與網格平移方向重合。

圖8為未加懸針時所測得的280 格網格聲強云圖，其主噪聲源點出現在坐標點(12、9)處，此位置偏離電機輸出齒輪和蝸輪嚙合區域；次噪聲源為坐標點(5、6)處。

圖9為加懸針輔助定位后測得的280 格網格聲強云圖，其主噪聲源點為坐標點(12、9)處，此位置為電機輸出齒輪和蝸輪嚙合區域；次噪聲源為坐標點(6、6)處，此位置為蝸輪和蝸桿嚙合區域。

對比圖8和圖9可知，兩次測量所得到的聲強云圖整體相近，圖9中各級聲強圖邊緣更加光滑，且兩圖中的主噪聲源位置存在偏差，圖5中主噪聲源與圖8收斂位置不相符，與圖9中收斂位置相同，說明圖8的聲強云圖存在較大的誤差，此時的測試網格尺寸已足夠小，測量誤差主要來源于實際測量中的定位偏差。通過分析，懸針輔助定位方法能有效減少小尺寸網格測試時的定位偏差，顯著提高聲強測試精度。

為研究雨刮器驅動系統的整體聲強分布，進一步對比圖9和圖5中的次噪聲源位置，兩圖中顯示的次噪聲源距離X邊位置有0.5 cm 差距，但兩圖顯示的次噪聲源位置都處于蝸輪和蝸桿嚙合區域，說明次噪聲源的定位準確；圖9中網格點(20、10)處出現一個可能的第三噪聲源，此處為伸出的蝸桿，由于蝸桿伸出高度高于測量平面，蝸桿處的測試點無法直接測量，對測試結果有一定影響，即使再次加密網格，此處的測試精度也無法改善，且在圖9中已顯示出了此噪聲源，所以針對該雨刮器驅動系統，尺寸為1.0 cm的測試網格為雨刮器驅動系統整體聲強分布測試的最佳網格。

4 結語

(1)在聲強分布測試中，測試網格尺寸將影響測試精度的重要因素，針對含多個零部件的小微型設備的汽車雨刮器驅動系統包，采用文中提出的懸針輔助定位方法可確保測試位置的準確性。

(2)主噪聲源定位測試中，最佳測試網格尺寸為3 cm，整體聲強分布測試時，最佳測試網格尺寸為1.0 cm，通過聲強測試與噪聲源分析，雨刮器驅動系統主噪聲源在電機輸出齒輪和蝸輪嚙合處；次噪聲源為蝸輪和蝸桿的嚙合處，第三噪聲源為蝸桿處；

(3)類似汽車雨刮器驅動系統之類的小微型設備劃分聲強測試網格時，聲強測試網格的設置應基于被測物的結構特征，測試網格平面應覆蓋可能的噪聲源，測試網格設置應同時考慮適當減小網格尺寸和控制測試定位誤差兩個因素來提高測試精度。