郭帥平，廖子豪，黃 源，賓光富,

(1.湖南科技大學 機械設(shè)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(qū)動系統(tǒng)設(shè)置在車內(nèi)，難以進行消聲處理，工作時產(chǎn)生的噪聲直接影響乘車的舒適度?？刂圃肼曋饕獜? 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(guān)鍵。傳統(tǒng)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(xù)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(shè)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(shè)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(guān)鍵。

許多學者[2-4]針對不同環(huán)境下的驅(qū)動系統(tǒng)進行了大量的研究。胡伊賢等[5]總結(jié)噪聲源識別的各種方法，得出傳統(tǒng)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(nèi)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(shù)，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(fā)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(jié)構(gòu)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(wǎng)格尺寸的設(shè)置都是按照操作者個人經(jīng)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(wǎng)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(qū)動系統(tǒng)，采用不同尺寸的測試網(wǎng)格進行聲強測量，得到驅(qū)動系統(tǒng)表面聲輻射的聲強云圖。通過對比不同網(wǎng)格尺寸所測的聲強云圖，研究噪聲聲源位置定位精度和網(wǎng)格尺寸之間的關(guān)系，用最少測量點來實現(xiàn)較高精度聲源定位。同時，針對密集網(wǎng)格下網(wǎng)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(nèi)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(zhì)點瞬時振動速度；t為時間。

設(shè)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(jù)式(4)得出的質(zhì)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(wǎng)格尺寸大小會影響測點的數(shù)量與分布，網(wǎng)格尺寸過大則測點較少，影響定位精度；網(wǎng)格尺寸過小，雖能提高測量精度，但會使得測點數(shù)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(shù)增加，可能造成主噪聲源輻射區(qū)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(tǒng)介紹

試驗對象為某型汽車后雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)，包括驅(qū)動直流電機、蝸輪和蝸軸3種零部件，其結(jié)構(gòu)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(qū)動系統(tǒng)尺寸的海綿墊，模擬實際裝配時的支撐；聲強測試系統(tǒng)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(tǒng)中的Labshop 聲強測試模塊，其聲強測器結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(jù)該電機結(jié)構(gòu)，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(qū)動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)推測，噪聲源可能出現(xiàn)位置為2 處嚙合位置以及電機位置。根據(jù)試驗所用雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)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(jié)合研究網(wǎng)格尺寸和噪聲源定位精度之間關(guān)系的目的，將網(wǎng)格尺寸按照等差數(shù)列進行設(shè)置，分別為4.5 cm、3 cm和1.5 cm。

圖1 某型汽車雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，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(shè)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(wǎng)格尺寸為4.5 cm，將測量面劃為15格網(wǎng)格，共24個測點，右側(cè)偏離噪聲位置較遠，即最右側(cè)區(qū)域所測聲強受驅(qū)動系統(tǒng)噪聲影響較小，受背景噪聲影響較大，故而將右側(cè)3格劃為1.5 cm×4.5 cm，其余網(wǎng)格為4.5 cm×4.5 cm。

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

圖2 15格驅(qū)動系統(tǒng)網(wǎng)格劃分示意圖

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

2.3 測試結(jié)果與分析

圖3為15 格24 測點網(wǎng)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(wǎng)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(qū)域為主噪聲源可能出現(xiàn)位置。由于4.5 cm 網(wǎng)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(qū)動系統(tǒng)，需進一步的加密網(wǎng)格進行測試。

圖4顯示了尺寸為3 cm 的網(wǎng)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(qū)域。44 dB～44 dB 聲強區(qū)域呈較明顯的不對稱分布，說明在左側(cè)偏下區(qū)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(jù)汽車雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知，左側(cè)偏下區(qū)域為蝸輪和蝸桿嚙合處，說明在蝸輪和蝸桿嚙合時也產(chǎn)生了較大的噪聲；而驅(qū)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(qū)域處于同一梯度，說明電機的電磁噪聲是非主要噪聲源?；诔叽鐬? cm 的網(wǎng)格基本可以確定雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)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(wǎng)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(qū)域，與尺寸為3 cm網(wǎng)格上測得位置是一致的，說明加密網(wǎng)格后主噪聲源位置已經(jīng)收斂。所以當網(wǎng)格尺寸為3 cm 時已經(jīng)準確的顯示出主噪聲源位置。

圖5 117格網(wǎng)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(wǎng)格進行聲強測試可知，隨著網(wǎng)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(wǎng)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(shè)備，如長時間持續(xù)運行造成設(shè)備溫度過高，磨損加劇，反而會影響到最終的測量結(jié)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(jīng)濟性，尺寸為3 cm的網(wǎng)格對該型汽車雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)測得主噪聲源的最佳網(wǎng)格。

3 整體聲強分布測試試驗

對于該型汽車雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)，主噪聲源通過劃分尺寸為3 cm的網(wǎng)格即可實現(xiàn)聲源定位，但該驅(qū)動系統(tǒng)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(jié)果在對主噪聲源進行降噪優(yōu)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進一步選取網(wǎng)格尺寸為1 cm，共劃分280個網(wǎng)格和315個測點。劃分網(wǎng)格后存在不足1 cm的部分，其中下方劃分20 個網(wǎng)格尺寸為1 cm×0.5 cm，右側(cè)劃分14個尺寸為0.5 cm×1 cm的網(wǎng)格，右下角存在一個尺寸為0.5 cm×0.5 cm 的網(wǎng)格。由于網(wǎng)格尺寸已經(jīng)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(wǎng)格節(jié)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(wǎng)格面，通過針尖對準定位網(wǎng)格節(jié)點，確保聲強探頭對準測試網(wǎng)格節(jié)點，即可準確地得到測量面的聲強分布圖。測試網(wǎng)格、定位網(wǎng)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(wǎng)格，實線為偏移后的輔助定位網(wǎng)格面即針尖定位面，手柄位置保證AB線段與網(wǎng)格平移方向重合。

圖8為未加懸針時所測得的280 格網(wǎng)格聲強云圖，其主噪聲源點出現(xiàn)在坐標點(12、9)處，此位置偏離電機輸出齒輪和蝸輪嚙合區(qū)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(wǎng)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(qū)域；次噪聲源為坐標點(6、6)處，此位置為蝸輪和蝸桿嚙合區(qū)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(wǎng)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(wǎng)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(qū)動系統(tǒng)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(qū)域，說明次噪聲源的定位準確；圖9中網(wǎng)格點(20、10)處出現(xiàn)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(jié)果有一定影響，即使再次加密網(wǎng)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(qū)動系統(tǒng)，尺寸為1.0 cm的測試網(wǎng)格為雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)整體聲強分布測試的最佳網(wǎng)格。

4 結(jié)語

(1)在聲強分布測試中，測試網(wǎng)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(shè)備的汽車雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)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(wǎng)格尺寸為3 cm，整體聲強分布測試時，最佳測試網(wǎng)格尺寸為1.0 cm，通過聲強測試與噪聲源分析，雨刮器驅(qū)動系統(tǒng)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(qū)動系統(tǒng)之類的小微型設(shè)備劃分聲強測試網(wǎng)格時，聲強測試網(wǎng)格的設(shè)置應基于被測物的結(jié)構(gòu)特征，測試網(wǎng)格平面應覆蓋可能的噪聲源，測試網(wǎng)格設(shè)置應同時考慮適當減小網(wǎng)格尺寸和控制測試定位誤差兩個因素來提高測試精度。