基于麥克風陣列的變速器噪聲源定位研究

施 全，郭 棟，石曉輝，易 鵬

(1.重慶理工大學 汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054;2.西南交通大學 機械工程學院，成都 610031)

目前自主品牌汽車企業(yè)滿足產(chǎn)品可靠及耐久、動力經(jīng)濟性的能力較強，滿足操縱穩(wěn)定性能力次之，滿足安全性能力相對薄弱，NVH(Noise，Vibration＆Harshness)控制能力則最差［1］。同時國家法規(guī)對整車噪聲控制要求的日益嚴格，以及汽車購買者對乘坐舒適性的要求越來越高，迫切需要展開對汽車NVH性能的研究。變速器是汽車動力傳動的主要部分，同時也是汽車NVH主要的來源之一。變速器嘯叫因噪聲敏感頗受關注。Becker［2］從聲品質(zhì)的角度對變速器嘯叫進行了評價與研究。Lee［3］對某商務車車內(nèi)存在的嘯叫問題，通過車內(nèi)噪聲實驗，利用階次分析得到特征譜。利用工作變形分析和經(jīng)驗模態(tài)分解找到了噪聲源。Donald等［4］基于結(jié)構聲的產(chǎn)生傳遞過程，以靜態(tài)分析的方法，重點討論輪齒齒形修形和噪聲的關系。葛如海［5］等建立了齒輪靜傳遞誤差模型，結(jié)合接觸斑點并采用多因素實驗設計得出最佳的齒面微觀修形參數(shù)，降低了嘯叫聲。

本文以存在嘯叫的變速器為研究對象。分析變速器噪聲的組成部分，進行半消聲室臺架實驗，通過頻譜分析、貢獻量分析等方法找到噪聲的特征頻率。通過計算分析發(fā)現(xiàn)該問題比較特殊，由于設計參數(shù)不當出現(xiàn)了不同傳動部件特征頻率一致的情況。對此利用聲學照相機技術確定了輻射聲源的位置，考慮到噪聲特征頻率范圍與箱體的模態(tài)頻率范圍較為接近，通過有限元法計算箱體的模態(tài)頻率，發(fā)現(xiàn)箱體出現(xiàn)共振。研究為修改傳動部件參數(shù)、變速器箱體結(jié)構提供了參考依據(jù)。

1 變速器噪聲分析

變速器噪聲主要包括空氣聲和結(jié)構聲兩部分。變速器噪聲產(chǎn)生過程［6］如圖1所示:

圖1 變速器噪聲產(chǎn)生過程Fig.1 Process of transmission noise production

對汽車變速器等閉式傳動系統(tǒng)，通常結(jié)構聲為主要噪聲源。結(jié)構聲的產(chǎn)生傳遞過程如圖2所示。嚙合的齒輪對產(chǎn)生動態(tài)嚙合力，動態(tài)嚙合力經(jīng)過結(jié)構的傳遞到達箱體，引起箱體的振動，并在箱體剛度較低的位置輻射出噪聲。

2 臺架試驗

2.1 試驗設備

圖2 結(jié)構聲產(chǎn)生傳遞過程Fig.2 Process of structure noise production

在半消聲室中對該變速器進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種實驗，實驗裝置簡圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用德國HEAD公司的 OctoBox。變速器輻射出的噪聲是通過三個電容式聲壓傳感器(G.R.A.S46AE)來測量的。轉(zhuǎn)速傳感器采用小野公司的LG－916型光電轉(zhuǎn)速傳感器。傳感器的布置依據(jù)QC/T 568－1999的要求，同時結(jié)合箱體有限元分析的結(jié)果來布置。轉(zhuǎn)速傳感器布置在變速器輸入軸一端的聯(lián)軸器處，測量輸入軸的轉(zhuǎn)速。三個聲壓傳感器分別布置在變速器的左、右、上三個方向且與輸入軸中心線垂直相交。

2.2 試驗規(guī)范

根據(jù)本次試驗的目的以及變速器試驗標準，制定了在半消聲室中臺架試驗規(guī)范。分別為穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)兩種。

穩(wěn)態(tài)試驗:在5個不同的轉(zhuǎn)速(1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min、5000 r/min)下進行。

瞬態(tài)試驗:從轉(zhuǎn)速1000 r/min到4000 r/min的勻變速過程。反拖試驗:1000 r/min。

每次實驗采集記錄三次數(shù)據(jù)，選擇一致性較好的數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

圖3 NVH臺架試驗簡圖Fig.3 NVH testbench

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過對各種工況下的一致性較好的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)各種工況下的噪聲頻譜特征較為一致。3000 r/min工況下平均噪聲值在68 dB(A)。3000 r/min頻譜圖如圖4。反拖工況頻譜圖如圖5。

通過對比及統(tǒng)計分析得到了特征頻率為:524.8 Hz，915 Hz，1054.4 Hz，1577 Hz。其中 1054.4 Hz處噪聲值最大。該變速器為中間軸式傳動結(jié)構，2檔傳動結(jié)構如圖6所示。

軸的轉(zhuǎn)頻公式:

圖6 2擋傳動結(jié)構Fig.6 2nd gear structure

嚙合頻率計算公式:

其中:n為軸轉(zhuǎn)速(r/min)，Z為齒數(shù):

根據(jù)頻率公式計算出在3000 r/min下2檔頻率成分如表1所示:

表1 頻率成分Tab.1 Mesh frequency

由表1可知，齒輪對的嚙合頻率與臺架試驗得到的特征頻率一致(誤差范圍內(nèi))。但2檔的嚙合頻率基頻為主減齒輪對的嚙合頻率的2倍頻，出現(xiàn)不同傳動部件特征頻率一致的情況。由于邊頻等其他識別特征不明顯，噪聲源不確定。同時912 Hz未確定來源，故難以通過臺架試驗確定噪聲源。

3 聲學照相機

3.1 基本原理

聲學照相機是一種聲場可視化工具，即將聲源的實景視頻圖像與聲場的測量結(jié)果相結(jié)合［7］，確定聲源位置。聲場的測量多采用應用廣泛的麥克風陣列［8－10］方式。該定位方法分波束成形法、高分辨率方法及波達時延差方法。其中波束成形法是利用聲陣列進行聲場信號采樣，基于“延時＆累加”波束成型原理對信號進行疊加。波束成形基本原理如圖(7)所示。

聲源平面上有一點聲源q在時刻t的位置為(xq，yq，zq)，傳聲器陣列中第 i個傳聲器 mi的位置為(xi，yi，zi)Diq是時刻t點聲源q到mi的距離。各傳聲器測量到的來自聲源點q的信號的相位關系是確定的。用延遲累加波束形成方法對各傳聲器測量信號進行處理，可得到q點聲源的聲場值。使用相同的處理方法遍歷整個聲源表面，即可得到整個面的聲場分布從而識別出聲源位置。

圖7 波束成形基本原理Fig.7 Theory of beamforming

聲源點q在t時刻發(fā)射的聲波到達傳聲器mi的時刻是t+Diq/c。根據(jù)“延遲－累加”波束形成原理，平面陣列聚焦的聲源點q的波束形成輸出為:

其中:Dmin為參考距離;c為聲速;公式(4)中的ωi為陣列的空間窗函數(shù);M為傳聲器的總數(shù)。

3.2 聲源識別試驗

按照聲學照相機測試要求在半消聲室中布置安裝傳感器，盡量保證麥克風陣列平面與箱體輻射平面平行。采用與臺架試驗相同的試驗規(guī)范，對變速器的左面、右面、上面進行了大量的測量。一種布置位置如圖8所示。

圖8 聲學照相機布置位置Fig.8 Layout of the acoustic camera

圖9 1050 Hz照片F(xiàn)ig.9 Photo of1050 Hz

通過綜合分析各個測量位置的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)麥克風陣列測量得到的特征頻率與臺架試驗基本一致。各個特征頻率對應的聲源位置是確定的。典型的1050 Hz數(shù)據(jù)如圖9所示。

綜合分析1050 Hz時變速器左面、上面、右面的聲學照片發(fā)現(xiàn)，噪聲是通過主減齒輪對所對應的位置處發(fā)出的?；究梢源_定主減齒輪對為主要的噪聲激勵源。915 Hz處的聲學照片如圖(10)所示。從圖中可知，噪聲源覆蓋了變速器較大的面積，不能通過聲學照相機確定該頻率來源。

圖10 915 Hz照片F(xiàn)ig.10 Photo of 915 Hz

4 箱體模態(tài)分析

通過臺架試驗基本確定了噪聲源的特征頻率，通過聲學照相機基本確定了噪聲的激勵源。考慮到幾個特征頻率所處的頻帶范圍與變速器箱體的模態(tài)范圍較為接近，不排除箱體引發(fā)共振的可能，及915 Hz未確定。因此，需要確定變速器箱體的模態(tài)。采用有限元法計算箱體的模態(tài)。根據(jù)箱體實際的裝配條件，在箱體與發(fā)動機的連接面上各個螺栓孔處施加固定約束，左右箱體的結(jié)合面利用剛性單元來模擬螺栓連接。箱體的有限元模型見圖11，前十階模態(tài)見表2。

表2 箱體模態(tài)頻率Tab.2 Nature frequency of housing

圖11 箱體有限元模型Fig.11 FEM model of housing

由箱體模態(tài)頻率計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，箱體的第三、四階模態(tài)頻率與噪聲的特征頻率基本一致。說明箱體發(fā)生共振，加大了該變速器的噪聲。針對共振問題，需要修改箱體的固有特性以避開共振區(qū)域:做輕量化設計，修改結(jié)構剛度。由于結(jié)構噪聲是通過變速器箱體表面輻射出的，因此修改的重點為變速器箱體上大的輻射面。對該變速器左右箱體大輻射面增加加強筋的密度及強度，從而提高了結(jié)構的剛度，避開了共振區(qū)域。

5 結(jié)論

本文研究了一款變速器存在的嘯叫問題。分析了變速器噪聲的產(chǎn)生過程。對該變速器進行了半消聲室臺架試驗，聲學照相機試驗，通過頻譜分析、貢獻量分析、對比聲學照片等方法找到噪聲的激勵源。該變速器嘯叫為設計參數(shù)不當導致出現(xiàn)不同傳動部件特征頻率一致引起變速器箱體的共振。研究為以降低噪聲為目的，修改傳動部件參數(shù)、變速器箱體結(jié)構提供了參考依據(jù)。

［1］張 寧.中國汽車整車企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)能力研究報告［R］.北京:國家發(fā)改委產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)司，2009.

［2］Becker S，Yu S.Objective noise rating of gear whine［J］.SAE Technical Paper，1999，1 －1720.

［3］Lee S K，Go S K，Yu D J，et al.Identification and reduction ofgear whine Noise ofthe axle system in a passenger van［J］.SAE Technical Paper，2005，1 －2302.

［4］Houser D R，Harianto J.The effect of micro-geometry and load on helical gear noise excitations［J］.SAE Technical Paper，2005，1 －2295.

［5］葛如海，姜旭義，楊文濤，等.齒面微觀修形在汽車變速器降噪中的應用研究［J］.汽車工程，2009，31(6):557－560.

［6］李潤芳，王建軍.齒輪系統(tǒng)動力學［M］.北京:科學出版社，1997.

［7］邵 林，楊殿閣，李 兵，等.基于雙目視覺和聲陣列的聲學攝像機的開發(fā)［J］.儀器儀表學報，2009，30(4):823－827.

［8］Brandstein M S，Adcock J E，Silverman H F.A practicaltime delay estimator for localizing speech sources with a microphone array［J］.Computer Speech and Language，1995，9(2):153－169.

［9］Brandstein M S，Silerman H.A practical methodology for speech source localization with microphone arrays［J］.Computer Speech and Language，1997，11(2):91－126.

［10］Brandstein M S.A framework for speech source localization using sensorArrays［D］. Rhode Island， USA:Brown University，1995.