汽車雨刮系統噪聲品質分析*

徐中明，張 瑜，劉建利，賀巖松，袁 瓊

(1.重慶大學，機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030； 2.重慶大學機械工程學院，重慶 400030)

前言

汽車前風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，因為駕駛員的視野清晰是道路交通安全的先決條件之一。但是，當雨刮系統工作時，會產生惱人的噪聲。國外學者已從有限元分析、數值分析和試驗仿真等方面對雨刮系統噪聲做了大量研究，以期能降低其噪聲和振動，如降低雨刮電機聲[1]和刮片橡膠與風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，還對雨刮刮片的結構尺寸、刮片的材料和表面處理[6]等進行了改進。近年來，為提高汽車的競爭優勢，汽車行業越來越重視汽車的感知環境，因而有必要從聲品質方面去研究雨刮噪聲。

在舒適的聽音環境下，回放雨刮系統噪聲樣本時，可以清晰地從中聽辨出換向聲、電機嗚嗚聲和摻雜的刮片的刮刷聲這3個明顯的主觀感受噪聲成分。電機噪聲貫穿雨刮器運行的始末，在聽覺感受上是連續的；換向噪聲是雨刮片改變運行方向翻轉時所產生的噪聲；剩下的就是刮刷聲，它是在雨刮換向以外的時間內所產生的噪聲，它們在聽覺感受上是間歇的。

目前，幾乎所有的聲品質評價模型都是以物理聲學參數和心理聲學參數為基礎建立的客觀評價模型。本文中在傳統預測方法的基礎上，采用以換向噪聲、電機噪聲和刮刷噪聲這3個主觀感覺到的成分噪聲的煩惱度值來建立雨刮系統聲品質預測模型。3種成分噪聲的聲品質評價模型是采用傳統方法建立的。

1 雨刮系統測試試驗

1.1 雨刮系統噪聲試驗

采用LMS公司的SCADAS多通道數據采集器和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，得到8個聲樣本。采樣頻率為44 100Hz，每個樣本采樣時間為1min。試驗在空曠場地進行，試驗時發動機停機，門窗處于關閉狀態，12V車載蓄電池供電，試驗人員佩戴B&K傳聲器，坐在駕駛座，模擬駕駛員。試驗分兩部分：第一部分模擬雨水狀態下雨刮系統的運行，在風窗頂部放置兩根小口徑軟管供水，控制水流速度，確保風窗玻璃處于濕潤狀態，并使水產生的噪聲最小，以采集雨刮系統噪聲信號；第二部分將雨刮懸空，主要采集雨刮電機的噪聲信號。

1.2 雨刮噪聲信號時域分析

雨刮噪聲是一個典型的周期性信號。圖1為3號樣車雨刮器噪聲在一個刮刷周期內的時域信號。顯然，雨刮噪聲信號還具有局部沖擊性特征。根據雨刮器的工作過程，將其一個工作循環劃分為4個運行階段：下止點換向階段、下上止點間的上刮階段、上止點換向階段、上下止點間的下刮階段[7]。

2 主觀評價試驗

主觀評價以評審者對噪聲煩惱度的直觀感覺作為判斷聲音好壞的標準。本文中的主觀評價試驗由兩部分組成：成對比較法對雨刮系統總體噪聲煩惱度的評價和參考語義細分法對系統噪聲中各成分噪聲煩惱度的評價。

成對比較法常按照排列組合的方式將聲樣本兩兩組隊，評價者對每對樣本進行比較，以“-1”“0”“1”表示相應結果，該方法可以辨識樣本間的細微差別[8]。

語義細分法常用一些極性化的形容詞來度量聲音的屬性，并進行5級、7級及以上的評價詞程度等級劃分[9]。由于評價個體在評價過程中采用的評價尺度不同，則將評價結果以比例分布于0～1之間的方法進行歸一化處理。采用5級評價，見表1。

表1 煩惱度主觀評價表

3 成分噪聲品質評價模型

3.1 基本方法

由于主觀評價結果都是基于統計學意義上的結果，需要耗費大量的人力和時間，而且評價結果的主觀性太強，一致性較差，必須通過一些處理來對主觀評價值進行客觀量化，即建立客觀評價模型。客觀評價模型常用的客觀參量有線性聲壓級、A計權聲級、響度、尖銳度、粗糙度和波動度等，用以描述噪聲主觀感覺的差異程度。

采用SPSS統計學分析軟件，對主觀評價結果和上述客觀參量進行多元回歸分析[10]。回歸分析通過F檢驗來確定能夠進入回歸方程的自變量。校正復相關決定系數R2，是衡量回歸方程的擬合優度的指標，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影響刮刷效果，因此美國聯邦機動車安全標準(FMVSS)規定雨刮刮刷頻率不得低于20次/min，一般為45～60次/min[11]。在雨刮系統噪聲時域信號中，選擇30個周期信號大概估算出各車型高低速擋位的雨刮刮刷頻率，結果如表2所示，各車型的雨刮刮刷頻率均符合國際標準。

表2 各樣車高低擋的雨刮刮刷頻率

換向噪聲是瞬態沖擊噪聲，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調。從總體上看，換向聲煩惱度與刮刷頻率并不呈現一定的關系，但對于同一輛車，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增強人們對換向聲的煩惱感。

3.2.2 換向噪聲描述詞匯分析

一直以來，人們總是用“雨刮換向時響”或“雨刮換向時異響”來形容雨刮換向聲，并未像用“嗚嗚聲”來形容電機噪聲一樣，形成具體的描述詞匯。根據各車型雨刮系統換向時的聲音特點，對雨刮換向聲的評價詞匯進行研究。試驗時，由來自不同專業的150名在校學生組成的評審人員，在充分了解試驗任務后，任意地不限次數地播放聲樣本，從8個描述詞匯中選出他們認為可以描述換向聲的詞匯，不限詞匯地選擇個數，然后將詞匯進行統計，見圖3。

在8個詞匯中，“哐當的”和“轟隆的”的選擇頻率最高，也有不少人選擇“砰砰的”和“咚咚的”，說明人們對換向聲的認識具有差異性，但總體上可以用“哐當聲”和“轟隆聲”來描述雨刮換向噪聲。

3.2.3 換向噪聲品質的評價模型

換向噪聲是雨刮系統噪聲頻譜的主要成分，頻率主要分布在0～500Hz范圍內[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，故只須對雨刮系統噪聲信號進行截止頻率為500Hz的8階低通濾波。

計算聲樣本濾波后的物理聲學參數(線性聲壓級和A計權聲壓級)和心理聲學參數(響度、最大響度、粗糙度、尖銳度和波動度)，并通過逐步回歸法，建立換向噪聲主觀煩惱度與所計算的客觀參量間的聲品質預測模型為

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計權聲壓級、粗糙度和最大響度。復相關系數R2為0.964，回歸方程擬合優度非常高，表明上述的頻率截取和濾波是合理的。

3.3 電機噪聲

3.3.1 電機噪聲組成

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

機械噪聲主要包括軸承、電刷、轉子不平衡和結構共振噪聲，其中，轉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，其它噪聲源則會產生許多中高頻噪聲。

電磁噪聲是由電磁場交替變化，在定、轉子間產生氣隙磁波，引起相關部件振動而產生，它主要是溝槽諧波噪聲(頻率與轉子的槽數和電機轉速有關)和階次波噪聲[13]。

3.3.2 電機噪聲品質的評價模型

雨刮懸空時，由于刮片和刮臂的長度一般大于700mm，當電機帶動雨刮運行到換向狀態時，會產生微小的抖動，因而，試驗第二部分所采集的雨刮電機的噪聲信號中還混有部分該抖動所產生的噪聲。由于機械噪聲、電磁噪聲和空氣動力噪聲的貢獻，使電機噪聲成為寬頻帶噪聲，因而很難從上述噪聲中將電機噪聲單獨分離出來。但是，通過頻譜分析，知其頻率成分主要處于500Hz以下，因此，對上述噪聲信號進行截止頻率為500Hz的8階高通濾波，可以隔離大部分的抖動噪聲。

計算聲樣本濾波后的客觀參數，并通過逐步回歸法，建立電機噪聲主觀煩惱度與所計算的客觀參量間的聲品質預測模型為

Ma=0.549Xs+1.183Xf-0.763

R2=0.954

式中：Ma為電機噪聲主觀煩惱度得分；Xs、Xf分別為響度和波動度。復相關系數R2為0.954，顯然，回歸方程的擬合優度也非常高，表明截取500Hz以下的濾波信號能夠很好地描述電機噪聲。

3.4 刮刷噪聲

上下止點間刮片與風窗玻璃間的摩擦噪聲就是刮刷噪聲；它和上下止點換向時的換向噪聲都屬于摩擦噪聲。可以說，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，截取上下換向止點之間的雨刮系統噪聲信號，并進行截止頻率為1 000Hz的8階高通濾波，可以消除大部分的換向噪聲、電機噪聲和水噪聲的頻率干擾。同樣，計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算的客觀參量間的聲品質預測模型為

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。復相關系數R2為0.829，回歸方程的擬合優度也比較高，表明截取1 000Hz以上的濾波信號能夠較好地描述刮刷噪聲信號。

4 雨刮系統聲品質評價模型

4.1 系統噪聲與成分噪聲的影響分析

3種成分噪聲是雨刮系統噪聲的主要成分，它們對雨刮系統噪聲煩惱度的影響分析如圖4所示。圖中橫坐標樣本序號是按照8個聲樣本的雨刮系統噪聲煩惱度值從低到高排序的樣本序號括弧中的數值表示該樣本的系統噪聲煩惱度。從圖4中可以看出，電機聲、換向聲和刮刷聲煩惱度的變化與雨刮系統噪聲煩惱度的變化總體趨勢一致。而且，如圖中虛線所示，除樣本7外，系統噪聲煩惱度隨著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，雨刮系統噪聲就讓人感到煩惱。

利用SPSS進行Pearson相關分析，得到雨刮系統噪聲與電機噪聲、換向噪聲和刮刷噪聲的相關系數分別為0.926、0.862、0.819，說明電機噪聲對系統噪聲煩惱度的貢獻最大，換向噪聲次之，刮刷噪聲的影響相對較小。

4.2 系統噪聲品質的評價模型

利用SPSS統計軟件，以雨刮系統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，采用全回歸法對它們進行回歸分析，得到雨刮系統噪聲的聲品質預測模型為

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

R2=0.936

復相關系數R2為0.936，擬合效果很好，不僅說明采用系統噪聲的3種成分噪聲來建立雨刮系統聲品質模型是可行的，而且表明它們能夠很好地描述系統噪聲聲品質，有較好的預測能力。

5 結論

通過對雨刮系統噪聲和其3種主要的主觀成分噪聲的聲品質分析，建立了系統噪聲的聲品質評價模型，并得出以下結論。

(1) 采用3種成分噪聲的煩惱度值建立的雨刮系統的煩惱度預測模型能夠很好地預測系統噪聲的聲品質。而且，在3種噪聲成分中，電機噪聲的影響程度最大，換向噪聲次之，刮刷噪聲相對小些。

(2) 換向沖擊頻率對換向聲煩惱度的影響雖然并不呈現一定的規律，但在一定條件下，它會增強人們對換向噪聲的煩惱感。描述詞匯“哐當聲”和“轟隆聲”可以用來形容換向時的聲響。

(3) 對換向噪聲進行500Hz的低通濾波，電機噪聲進行500Hz的高通濾波和對刮刷噪聲進行1 000Hz的高通濾波后的信號進行計算，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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