鄭志昊，齊兵兵，陳俊杰，王志鵬

(拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 洛陽(yáng)拖拉機(jī)研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，用戶對(duì)拖拉機(jī)駕乘舒適性的要求越來(lái)越高，拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)噪聲問(wèn)題日益突出。耳旁噪聲是評(píng)價(jià)拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)噪聲的主要指標(biāo)，耳旁噪聲過(guò)大，會(huì)嚴(yán)重?fù)p害拖拉機(jī)駕駛員的聽(tīng)力，長(zhǎng)期工作情況下會(huì)對(duì)駕駛員的身心健康造成很大傷害。根據(jù)《GB 6376-2008拖拉機(jī) 噪聲限值》[1]，駕駛室封閉的直連傳動(dòng)輪式拖拉機(jī)駕駛員操作位置處噪聲不得大于89 dB(A)，但通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)拖拉機(jī)噪聲測(cè)量發(fā)現(xiàn)其駕駛室內(nèi)的噪聲值普遍徘徊在90 dB(A)左右。國(guó)外拖拉機(jī)的駕駛室內(nèi)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(jī)駕駛室內(nèi)噪聲的主要因素有駕駛室的密封性、駕駛室內(nèi)材料的吸聲性能、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系噪聲大小等，而拖拉機(jī)的主要噪聲源為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、進(jìn)排氣噪聲、傳動(dòng)系噪聲以及風(fēng)扇噪聲等，由于拖拉機(jī)駕駛室密封不夠好、駕駛室內(nèi)材料吸聲效果差等原因，噪聲會(huì)通過(guò)門縫隙、操縱機(jī)構(gòu)縫隙等位置泄漏到駕駛室內(nèi)部，使其駕駛室內(nèi)部反射形成混響場(chǎng)，成為耳旁噪聲的主要來(lái)源。為了解決駕駛室內(nèi)的噪聲問(wèn)題，以便后續(xù)降噪研究，找到其噪聲源位置至關(guān)重要。

噪聲源識(shí)別技術(shù)分為兩大類，一類是物理聲源分離識(shí)別技術(shù)，包括分別消去法、運(yùn)行法、傳遞路徑分析法、頻譜特征分析及濾波法、偏相關(guān)函數(shù)法等；另一類是基于聲學(xué)成像的表面噪聲源成像技術(shù)，包括聲壓分布成像、聲強(qiáng)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(cè)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(duì)三維空間內(nèi)聲壓信號(hào)進(jìn)行采集和測(cè)量，并利用一定的球面波束形成方法對(duì)聲壓信號(hào)進(jìn)行聚焦，找到其在三維空間內(nèi)的方向，進(jìn)而得到聲源的位置。球型陣列的優(yōu)點(diǎn)是靈活性很大，能夠?qū)θS空間內(nèi)任意方向的聲源進(jìn)行測(cè)試并定位，其測(cè)量速度較快，可以識(shí)別入射噪聲和反射噪聲，能夠在任何聲場(chǎng)環(huán)境中使用，是目前內(nèi)場(chǎng)噪聲源識(shí)別領(lǐng)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(shè)單極子點(diǎn)聲源位于（r0，Ω0）位置，強(qiáng)度為s，輻射球面聲波的頻率為f，k=2πf/c為波數(shù)，c為聲速，根據(jù)散射理論，半徑為a的實(shí)心球面上方向?yàn)棣竡的位置的聲壓信號(hào)p(ka,Ωq)可表示為[7]

2 使用球陣列進(jìn)行噪聲源識(shí)別測(cè)試

圖2 使用球陣列進(jìn)行噪聲源識(shí)別測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)圖

本次試驗(yàn)采用B&K公司生產(chǎn)的36通道球陣列測(cè)試系統(tǒng)識(shí)別駕駛室內(nèi)部的噪聲源，主要對(duì)中高頻率（800 Hz～5 000 Hz）范圍內(nèi)的噪聲源進(jìn)行識(shí)別，測(cè)試時(shí)調(diào)整陣列中心同駕駛員頭部保持高度一致，測(cè)試工況為拖拉機(jī)處于原地靜止?fàn)顟B(tài)，確保周圍環(huán)境沒(méi)有噪聲源干擾測(cè)試，測(cè)試工況分別為在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為怠速、1 500 r/min空負(fù)荷和2 200 r/min空負(fù)荷條件下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)測(cè)試，并運(yùn)用PULSE軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 原地怠速工況測(cè)試

圖3為拖拉機(jī)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(cè)依次為前風(fēng)擋玻璃、車門及駕駛員兩側(cè)觀察窗，最邊側(cè)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(cè)門鎖機(jī)構(gòu)處和儀表臺(tái)左邊緣（圖3中A字母所示區(qū)域），其產(chǎn)生原因可能是門鎖機(jī)構(gòu)附近和中控儀表臺(tái)密封不嚴(yán)，由外部的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)噪聲泄漏入駕駛室所致。右側(cè)車門玻璃（圖3中B區(qū)域）形成較大的噪聲源的主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲通過(guò)泄漏、透射以及在駕駛室內(nèi)玻璃和頂棚的反射形成較為嚴(yán)重混響場(chǎng)。

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(shí)別測(cè)試頻譜圖，噪聲頻率分析中發(fā)現(xiàn)低頻噪聲所占比重較大，中心頻率為800 Hz的噪聲值在整個(gè)頻率分析范圍內(nèi)貢獻(xiàn)最大。

圖4 原地怠速工況下噪聲源識(shí)別測(cè)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(cè)車門鎖機(jī)構(gòu)附近及天花板。分析其原因有兩種，第一種原因是左側(cè)門鎖機(jī)構(gòu)位置密封不嚴(yán)，噪聲直接泄漏進(jìn)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(tái)位于發(fā)動(dòng)機(jī)后側(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲由儀表臺(tái)左側(cè)透射進(jìn)入駕駛室，如果儀表臺(tái)與發(fā)動(dòng)機(jī)間的立板有孔洞或線束管路，噪聲會(huì)直接泄漏進(jìn)入駕駛室。噪聲方向正對(duì)準(zhǔn)門鎖機(jī)構(gòu)，在該處反射形成主要聲源。右側(cè)車門也是較大聲源，分析其原因可能是噪聲通過(guò)右側(cè)玻璃透射加反射形成及車門在輪拱處密封不嚴(yán)所致。

2.2 原地1 500 r/min工況測(cè)試

拖拉機(jī)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(méi)有太大變化。圖6原地1 500r/min工況噪聲源識(shí)別測(cè)試頻譜圖，仍是以800 Hz為中心頻率的噪聲貢獻(xiàn)最大，主要噪聲源集中在左側(cè)門鎖機(jī)構(gòu)附近和兩側(cè)車門玻璃處，儀表臺(tái)附近噪聲源貢獻(xiàn)有所增大。

圖6 原地1 500 r/min工況下噪聲源識(shí)別測(cè)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(jìn)入駕駛室或由左側(cè)儀表臺(tái)透射噪聲反射形成。車門玻璃噪聲應(yīng)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(nèi)噪聲反射形成混響。

2.3 原地2 200 r/min工況測(cè)試

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

圖7 原地2 200 r/min工況下噪聲源識(shí)別測(cè)試頻譜圖

分析其原因，應(yīng)為從儀表臺(tái)兩側(cè)和操縱機(jī)構(gòu)泄漏的噪聲在駕駛室內(nèi)反射形成混響場(chǎng)，在駕駛員兩側(cè)觀察窗處聲源也因?yàn)榉瓷湫纬伞?/p>

3 聲強(qiáng)測(cè)試

為了對(duì)球陣列測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和進(jìn)一步的分析，運(yùn)用聲強(qiáng)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行噪聲源定位測(cè)試。聲強(qiáng)是在聲場(chǎng)中給定方向上的聲能通過(guò)量，是矢量。在流體介質(zhì)中，空間給定方向上某點(diǎn)聲強(qiáng)矢量I可定義為

式中：P(x,t)為測(cè)量點(diǎn)的瞬時(shí)聲壓，v(x,t)為測(cè)量方向上的瞬時(shí)微粒速度。當(dāng)聲壓波動(dòng)和微粒速度均為時(shí)諧變量時(shí)，式（1）可簡(jiǎn)化為

實(shí)際應(yīng)用的聲強(qiáng)測(cè)量系統(tǒng)包括兩個(gè)間隔很近的聲壓傳感器，這兩個(gè)傳感器相位匹配精度非常高，能同時(shí)測(cè)量瞬時(shí)波動(dòng)聲壓，基于此兩個(gè)聲壓采用Euler方程可以計(jì)算得到聲強(qiáng)。由于聲強(qiáng)是垂直測(cè)量表面的平均值，背景噪聲存在于測(cè)量表面周圍，由背景噪聲產(chǎn)生的聲強(qiáng)被消去了，這樣測(cè)量得到的值是聲源傳來(lái)的聲強(qiáng)。這是聲強(qiáng)測(cè)試技術(shù)能有效辨別聲源的原因[8]。本次試驗(yàn)設(shè)備為BK公司生產(chǎn)的3599型聲強(qiáng)探頭，該探頭由2個(gè)4197型傳聲器組成，測(cè)試頻率范圍為20 Hz到6 300 Hz，最大可以擴(kuò)大到10 000 Hz。

3.1 原地怠速工況測(cè)試

圖8為怠速工況下左前檔玻璃聲強(qiáng)測(cè)試頻譜圖。結(jié)果顯示在中控儀表臺(tái)的左側(cè)為發(fā)動(dòng)機(jī)艙噪聲主要泄漏位置，而且該位置處800 Hz頻率噪聲較大，驗(yàn)證了在該工況下球陣列的分析結(jié)果，800 Hz噪聲主要是由儀表臺(tái)左側(cè)泄漏進(jìn)入駕駛室。

圖8 怠速工況下左前檔風(fēng)玻璃聲強(qiáng)測(cè)試頻譜圖

圖9為怠速工況下右側(cè)車門聲強(qiáng)測(cè)試頻譜圖。結(jié)果顯示右側(cè)車門下部密封不嚴(yán)，由于泄漏進(jìn)入駕駛室的噪聲較多。

圖9 怠速工況下右側(cè)車門聲強(qiáng)測(cè)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(nèi)部射向玻璃，這部分噪聲是由于儀表臺(tái)及附近的操縱機(jī)構(gòu)泄漏而進(jìn)入駕駛室，在右側(cè)車門玻璃處反射，在駕駛室內(nèi)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(cè)試所得結(jié)果一致。

3.2 原地1 500 r/min工況測(cè)試

圖10為操縱機(jī)構(gòu)及方向盤的聲強(qiáng)測(cè)試頻譜圖。聲強(qiáng)云圖分析結(jié)果顯示座椅下方及兩側(cè)的操作機(jī)構(gòu)附近有較強(qiáng)的聲泄漏，泄漏的噪聲在拖拉機(jī)駕駛室天花板處反射形成混響場(chǎng)，也就是球陣列測(cè)試中天花板位置的聲源。

圖10 方向盤及操縱機(jī)構(gòu)聲強(qiáng)測(cè)試頻譜圖

圖11為左側(cè)車門的聲強(qiáng)測(cè)試頻譜圖。聲強(qiáng)云圖分析結(jié)果顯示門鎖機(jī)構(gòu)下方是主要噪聲源，噪聲方向是由儀表臺(tái)左側(cè)指向左側(cè)車門玻璃，在門鎖下方反射回駕駛室。與球陣列所測(cè)試的結(jié)果一致。

圖11 左側(cè)車門聲強(qiáng)測(cè)試頻譜圖

3.3 原地2 200 r/min工況測(cè)試

圖12為22 00 r/min時(shí)方向盤及操縱機(jī)構(gòu)聲強(qiáng)測(cè)試結(jié)果，圖13為其測(cè)試頻譜圖。

圖12 方向盤及操縱機(jī)構(gòu)聲強(qiáng)測(cè)試結(jié)果圖

可以看出噪聲主要就是由于操縱機(jī)構(gòu)泄漏而進(jìn)入駕駛室，并在駕駛室內(nèi)形成反射噪聲，而車門位置測(cè)試結(jié)果顯示中車門與輪拱貼合位置由于泄漏有較大噪聲進(jìn)入駕駛室。在門把手下側(cè)有從內(nèi)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(jī)構(gòu)聲強(qiáng)測(cè)試頻譜圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)運(yùn)用球型陣列對(duì)駕駛室進(jìn)行噪聲源識(shí)別，可以直觀顯示出駕駛室內(nèi)主要噪聲源位置，在此次研究的拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)左側(cè)門鎖機(jī)構(gòu)處、儀表臺(tái)左邊緣、兩側(cè)車門玻璃處及天花板為主要噪聲源位置。

(2)運(yùn)用聲強(qiáng)探頭對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和駕駛室局部位置進(jìn)行聲強(qiáng)測(cè)試，分析出駕駛室左側(cè)門鎖機(jī)構(gòu)處噪聲由儀表臺(tái)透射噪聲在門鎖處反射形成，兩側(cè)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(tái)和操縱機(jī)構(gòu)附近，驗(yàn)證了在各種工況下根據(jù)球陣列測(cè)試所得到的結(jié)果，為下一步降低拖拉機(jī)駕駛室內(nèi)噪聲打下了基礎(chǔ)。