汽車雨刮系統(tǒng)噪聲品質(zhì)分析*

徐中明，張 瑜，劉建利，賀巖松，袁 瓊

(1.重慶大學(xué)，機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030； 2.重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400030)

前言

汽車前風(fēng)窗玻璃上的雨刮器是汽車的安全部件，用來擦拭玻璃上附著的雨雪和塵土。幾乎所有的汽車都必須配備雨刮器，因?yàn)轳{駛員的視野清晰是道路交通安全的先決條件之一。但是，當(dāng)雨刮系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生惱人的噪聲。國外學(xué)者已從有限元分析、數(shù)值分析和試驗(yàn)仿真等方面對(duì)雨刮系統(tǒng)噪聲做了大量研究，以期能降低其噪聲和振動(dòng)，如降低雨刮電機(jī)聲[1]和刮片橡膠與風(fēng)窗玻璃之間的摩擦聲，分為雨刮換向聲[2]、雨刮低頻咔嗒聲[3-4]和高頻尖叫聲[5]等。除了這些研究，還對(duì)雨刮刮片的結(jié)構(gòu)尺寸、刮片的材料和表面處理[6]等進(jìn)行了改進(jìn)。近年來，為提高汽車的競(jìng)爭優(yōu)勢(shì)，汽車行業(yè)越來越重視汽車的感知環(huán)境，因而有必要從聲品質(zhì)方面去研究雨刮噪聲。

在舒適的聽音環(huán)境下，回放雨刮系統(tǒng)噪聲樣本時(shí)，可以清晰地從中聽辨出換向聲、電機(jī)嗚嗚聲和摻雜的刮片的刮刷聲這3個(gè)明顯的主觀感受噪聲成分。電機(jī)噪聲貫穿雨刮器運(yùn)行的始末，在聽覺感受上是連續(xù)的；換向噪聲是雨刮片改變運(yùn)行方向翻轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的噪聲；剩下的就是刮刷聲，它是在雨刮換向以外的時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的噪聲，它們?cè)诼犛X感受上是間歇的。

目前，幾乎所有的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型都是以物理聲學(xué)參數(shù)和心理聲學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)建立的客觀評(píng)價(jià)模型。本文中在傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，采用以換向噪聲、電機(jī)噪聲和刮刷噪聲這3個(gè)主觀感覺到的成分噪聲的煩惱度值來建立雨刮系統(tǒng)聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型。3種成分噪聲的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型是采用傳統(tǒng)方法建立的。

1 雨刮系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)

1.1 雨刮系統(tǒng)噪聲試驗(yàn)

采用LMS公司的SCADAS多通道數(shù)據(jù)采集器和B&K雙耳傳聲器，分別采集了4輛常見的家用車在低、高速擋位下的噪聲信號(hào)，得到8個(gè)聲樣本。采樣頻率為44 100Hz，每個(gè)樣本采樣時(shí)間為1min。試驗(yàn)在空曠場(chǎng)地進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，門窗處于關(guān)閉狀態(tài)，12V車載蓄電池供電，試驗(yàn)人員佩戴B&K傳聲器，坐在駕駛座，模擬駕駛員。試驗(yàn)分兩部分：第一部分模擬雨水狀態(tài)下雨刮系統(tǒng)的運(yùn)行，在風(fēng)窗頂部放置兩根小口徑軟管供水，控制水流速度，確保風(fēng)窗玻璃處于濕潤狀態(tài)，并使水產(chǎn)生的噪聲最小，以采集雨刮系統(tǒng)噪聲信號(hào)；第二部分將雨刮懸空，主要采集雨刮電機(jī)的噪聲信號(hào)。

1.2 雨刮噪聲信號(hào)時(shí)域分析

雨刮噪聲是一個(gè)典型的周期性信號(hào)。圖1為3號(hào)樣車雨刮器噪聲在一個(gè)刮刷周期內(nèi)的時(shí)域信號(hào)。顯然，雨刮噪聲信號(hào)還具有局部沖擊性特征。根據(jù)雨刮器的工作過程，將其一個(gè)工作循環(huán)劃分為4個(gè)運(yùn)行階段：下止點(diǎn)換向階段、下上止點(diǎn)間的上刮階段、上止點(diǎn)換向階段、上下止點(diǎn)間的下刮階段[7]。

2 主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)

主觀評(píng)價(jià)以評(píng)審者對(duì)噪聲煩惱度的直觀感覺作為判斷聲音好壞的標(biāo)準(zhǔn)。本文中的主觀評(píng)價(jià)試驗(yàn)由兩部分組成：成對(duì)比較法對(duì)雨刮系統(tǒng)總體噪聲煩惱度的評(píng)價(jià)和參考語義細(xì)分法對(duì)系統(tǒng)噪聲中各成分噪聲煩惱度的評(píng)價(jià)。

成對(duì)比較法常按照排列組合的方式將聲樣本兩兩組隊(duì)，評(píng)價(jià)者對(duì)每對(duì)樣本進(jìn)行比較，以“-1”“0”“1”表示相應(yīng)結(jié)果，該方法可以辨識(shí)樣本間的細(xì)微差別[8]。

語義細(xì)分法常用一些極性化的形容詞來度量聲音的屬性，并進(jìn)行5級(jí)、7級(jí)及以上的評(píng)價(jià)詞程度等級(jí)劃分[9]。由于評(píng)價(jià)個(gè)體在評(píng)價(jià)過程中采用的評(píng)價(jià)尺度不同，則將評(píng)價(jià)結(jié)果以比例分布于0～1之間的方法進(jìn)行歸一化處理。采用5級(jí)評(píng)價(jià)，見表1。

表1 煩惱度主觀評(píng)價(jià)表

3 成分噪聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型

3.1 基本方法

由于主觀評(píng)價(jià)結(jié)果都是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的結(jié)果，需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，而且評(píng)價(jià)結(jié)果的主觀性太強(qiáng)，一致性較差，必須通過一些處理來對(duì)主觀評(píng)價(jià)值進(jìn)行客觀量化，即建立客觀評(píng)價(jià)模型?？陀^評(píng)價(jià)模型常用的客觀參量有線性聲壓級(jí)、A計(jì)權(quán)聲級(jí)、響度、尖銳度、粗糙度和波動(dòng)度等，用以描述噪聲主觀感覺的差異程度。

采用SPSS統(tǒng)計(jì)學(xué)分析軟件，對(duì)主觀評(píng)價(jià)結(jié)果和上述客觀參量進(jìn)行多元回歸分析[10]?；貧w分析通過F檢驗(yàn)來確定能夠進(jìn)入回歸方程的自變量。校正復(fù)相關(guān)決定系數(shù)R2，是衡量回歸方程的擬合優(yōu)度的指標(biāo)，R2越接近于1，回歸方程的擬合效果越好。

3.2 換向噪聲

3.2.1 換向噪聲沖擊性影響分析

雨刮刮刷頻率過高或過低都會(huì)影響刮刷效果，因此美國聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車安全標(biāo)準(zhǔn)(FMVSS)規(guī)定雨刮刮刷頻率不得低于20次/min，一般為45～60次/min[11]。在雨刮系統(tǒng)噪聲時(shí)域信號(hào)中，選擇30個(gè)周期信號(hào)大概估算出各車型高低速擋位的雨刮刮刷頻率，結(jié)果如表2所示，各車型的雨刮刮刷頻率均符合國際標(biāo)準(zhǔn)。

表2 各樣車高低擋的雨刮刮刷頻率

換向噪聲是瞬態(tài)沖擊噪聲，沖擊頻率與雨刮刮刷頻率成正比，為研究沖擊頻率對(duì)換向噪聲煩惱度的影響，將煩惱度與雨刮刮刷頻率(沖擊頻率)的關(guān)系繪制成圖2。從圖2中可以看出，各車型的雨刮刮刷頻率在高低速擋位的排序一致，都是4-2-1-3，說明家用車在雨刮高低擋的速度同步且協(xié)調(diào)。從總體上看，換向聲煩惱度與刮刷頻率并不呈現(xiàn)一定的關(guān)系，但對(duì)于同一輛車，刮刷頻率高的煩惱度值要高于刮刷頻率低的，說明高的沖擊頻率會(huì)增強(qiáng)人們對(duì)換向聲的煩惱感。

3.2.2 換向噪聲描述詞匯分析

一直以來，人們總是用“雨刮換向時(shí)響”或“雨刮換向時(shí)異響”來形容雨刮換向聲，并未像用“嗚嗚聲”來形容電機(jī)噪聲一樣，形成具體的描述詞匯。根據(jù)各車型雨刮系統(tǒng)換向時(shí)的聲音特點(diǎn)，對(duì)雨刮換向聲的評(píng)價(jià)詞匯進(jìn)行研究。試驗(yàn)時(shí)，由來自不同專業(yè)的150名在校學(xué)生組成的評(píng)審人員，在充分了解試驗(yàn)任務(wù)后，任意地不限次數(shù)地播放聲樣本，從8個(gè)描述詞匯中選出他們認(rèn)為可以描述換向聲的詞匯，不限詞匯地選擇個(gè)數(shù)，然后將詞匯進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見圖3。

在8個(gè)詞匯中，“哐當(dāng)?shù)摹焙汀稗Z隆的”的選擇頻率最高，也有不少人選擇“砰砰的”和“咚咚的”，說明人們對(duì)換向聲的認(rèn)識(shí)具有差異性，但總體上可以用“哐當(dāng)聲”和“轟隆聲”來描述雨刮換向噪聲。

3.2.3 換向噪聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)模型

換向噪聲是雨刮系統(tǒng)噪聲頻譜的主要成分，頻率主要分布在0～500Hz范圍內(nèi)[7]。由于換向噪聲的頻帶范圍比較突出，受其他噪聲頻率干擾小，故只須對(duì)雨刮系統(tǒng)噪聲信號(hào)進(jìn)行截止頻率為500Hz的8階低通濾波。

計(jì)算聲樣本濾波后的物理聲學(xué)參數(shù)(線性聲壓級(jí)和A計(jì)權(quán)聲壓級(jí))和心理聲學(xué)參數(shù)(響度、最大響度、粗糙度、尖銳度和波動(dòng)度)，并通過逐步回歸法，建立換向噪聲主觀煩惱度與所計(jì)算的客觀參量間的聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型為

Ra=17.879lgXA-1.577lgXr-1.57lgXsm-28.964

R2=0.964

式中：Ra為換向噪聲主觀煩惱度得分；XA、Xr、Xsm分別為A計(jì)權(quán)聲壓級(jí)、粗糙度和最大響度。復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.964，回歸方程擬合優(yōu)度非常高，表明上述的頻率截取和濾波是合理的。

3.3 電機(jī)噪聲

3.3.1 電機(jī)噪聲組成

轎車上的雨刮器電機(jī)基本都采用雙速直流鐵氧體永磁有刷電動(dòng)機(jī)。電機(jī)噪聲主要由機(jī)械噪聲、電磁噪聲和空氣動(dòng)力噪聲組成，機(jī)械噪聲和電磁噪聲占據(jù)主要成分[12]。

機(jī)械噪聲主要包括軸承、電刷、轉(zhuǎn)子不平衡和結(jié)構(gòu)共振噪聲，其中，轉(zhuǎn)子不平衡噪聲主要是由基頻和高頻諧波成分組成，基頻很低，處于低頻段，其它噪聲源則會(huì)產(chǎn)生許多中高頻噪聲。

電磁噪聲是由電磁場(chǎng)交替變化，在定、轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生氣隙磁波，引起相關(guān)部件振動(dòng)而產(chǎn)生，它主要是溝槽諧波噪聲(頻率與轉(zhuǎn)子的槽數(shù)和電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān))和階次波噪聲[13]。

3.3.2 電機(jī)噪聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)模型

雨刮懸空時(shí)，由于刮片和刮臂的長度一般大于700mm，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)雨刮運(yùn)行到換向狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生微小的抖動(dòng)，因而，試驗(yàn)第二部分所采集的雨刮電機(jī)的噪聲信號(hào)中還混有部分該抖動(dòng)所產(chǎn)生的噪聲。由于機(jī)械噪聲、電磁噪聲和空氣動(dòng)力噪聲的貢獻(xiàn)，使電機(jī)噪聲成為寬頻帶噪聲，因而很難從上述噪聲中將電機(jī)噪聲單獨(dú)分離出來。但是，通過頻譜分析，知其頻率成分主要處于500Hz以下，因此，對(duì)上述噪聲信號(hào)進(jìn)行截止頻率為500Hz的8階高通濾波，可以隔離大部分的抖動(dòng)噪聲。

計(jì)算聲樣本濾波后的客觀參數(shù)，并通過逐步回歸法，建立電機(jī)噪聲主觀煩惱度與所計(jì)算的客觀參量間的聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型為

Ma=0.549Xs+1.183Xf-0.763

R2=0.954

式中：Ma為電機(jī)噪聲主觀煩惱度得分；Xs、Xf分別為響度和波動(dòng)度。復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.954，顯然，回歸方程的擬合優(yōu)度也非常高，表明截取500Hz以下的濾波信號(hào)能夠很好地描述電機(jī)噪聲。

3.4 刮刷噪聲

上下止點(diǎn)間刮片與風(fēng)窗玻璃間的摩擦噪聲就是刮刷噪聲；它和上下止點(diǎn)換向時(shí)的換向噪聲都屬于摩擦噪聲?？梢哉f，刮刷噪聲主要是摩擦噪聲中頻率為1 000Hz左右的尖叫聲[14]。

因而，截取上下?lián)Q向止點(diǎn)之間的雨刮系統(tǒng)噪聲信號(hào)，并進(jìn)行截止頻率為1 000Hz的8階高通濾波，可以消除大部分的換向噪聲、電機(jī)噪聲和水噪聲的頻率干擾。同樣，計(jì)算聲樣本濾波后的客觀參量，并通過逐步回歸法，建立刮刷噪聲主觀煩惱度與所計(jì)算的客觀參量間的聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型為

Sa=5.066lgXr-0.184lgXs-8.801

R2=0.829

式中：Sa為刮刷噪聲主觀煩惱度得分；Xs、Xr分別為響度和粗糙度。復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.829，回歸方程的擬合優(yōu)度也比較高，表明截取1 000Hz以上的濾波信號(hào)能夠較好地描述刮刷噪聲信號(hào)。

4 雨刮系統(tǒng)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型

4.1 系統(tǒng)噪聲與成分噪聲的影響分析

3種成分噪聲是雨刮系統(tǒng)噪聲的主要成分，它們對(duì)雨刮系統(tǒng)噪聲煩惱度的影響分析如圖4所示。圖中橫坐標(biāo)樣本序號(hào)是按照8個(gè)聲樣本的雨刮系統(tǒng)噪聲煩惱度值從低到高排序的樣本序號(hào)括弧中的數(shù)值表示該樣本的系統(tǒng)噪聲煩惱度。從圖4中可以看出，電機(jī)聲、換向聲和刮刷聲煩惱度的變化與雨刮系統(tǒng)噪聲煩惱度的變化總體趨勢(shì)一致。而且，如圖中虛線所示，除樣本7外，系統(tǒng)噪聲煩惱度隨著3種成分噪聲煩惱度值中最大值的增大而增大，說明3種成分噪聲中，只要其中之一的煩惱度較大，雨刮系統(tǒng)噪聲就讓人感到煩惱。

利用SPSS進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，得到雨刮系統(tǒng)噪聲與電機(jī)噪聲、換向噪聲和刮刷噪聲的相關(guān)系數(shù)分別為0.926、0.862、0.819，說明電機(jī)噪聲對(duì)系統(tǒng)噪聲煩惱度的貢獻(xiàn)最大，換向噪聲次之，刮刷噪聲的影響相對(duì)較小。

4.2 系統(tǒng)噪聲品質(zhì)的評(píng)價(jià)模型

利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件，以雨刮系統(tǒng)噪聲煩惱度得分為因變量，3種成分噪聲煩惱度得分為自變量，采用全回歸法對(duì)它們進(jìn)行回歸分析，得到雨刮系統(tǒng)噪聲的聲品質(zhì)預(yù)測(cè)模型為

Ya=2.462Ra+2.818Ma+1.304Sa+0.215

R2=0.936

復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.936，擬合效果很好，不僅說明采用系統(tǒng)噪聲的3種成分噪聲來建立雨刮系統(tǒng)聲品質(zhì)模型是可行的，而且表明它們能夠很好地描述系統(tǒng)噪聲聲品質(zhì)，有較好的預(yù)測(cè)能力。

5 結(jié)論

通過對(duì)雨刮系統(tǒng)噪聲和其3種主要的主觀成分噪聲的聲品質(zhì)分析，建立了系統(tǒng)噪聲的聲品質(zhì)評(píng)價(jià)模型，并得出以下結(jié)論。

(1) 采用3種成分噪聲的煩惱度值建立的雨刮系統(tǒng)的煩惱度預(yù)測(cè)模型能夠很好地預(yù)測(cè)系統(tǒng)噪聲的聲品質(zhì)。而且，在3種噪聲成分中，電機(jī)噪聲的影響程度最大，換向噪聲次之，刮刷噪聲相對(duì)小些。

(2) 換向沖擊頻率對(duì)換向聲煩惱度的影響雖然并不呈現(xiàn)一定的規(guī)律，但在一定條件下，它會(huì)增強(qiáng)人們對(duì)換向噪聲的煩惱感。描述詞匯“哐當(dāng)聲”和“轟隆聲”可以用來形容換向時(shí)的聲響。

(3) 對(duì)換向噪聲進(jìn)行500Hz的低通濾波，電機(jī)噪聲進(jìn)行500Hz的高通濾波和對(duì)刮刷噪聲進(jìn)行1 000Hz的高通濾波后的信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，所得到的客觀參量都能夠很好地描述它們各自的煩惱度。

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