汽车雨刮系统噪声品质分析*

徐中明，张 瑜，刘建利，贺岩松，袁 琼

(1.重庆大学，机械传动国家重点实验室，重庆 400030； 2.重庆大学机械工程学院，重庆 400030)

前言

汽车前风窗玻璃上的雨刮器是汽车的安全部件，用来擦拭玻璃上附着的雨雪和尘土。几乎所有的汽车都必须配备雨刮器，因为驾驶员的视野清晰是道路交通安全的先决条件之一。但是，当雨刮系统工作时，会产生恼人的噪声。国外学者已从有限元分析、数值分析和试验仿真等方面对雨刮系统噪声做了大量研究，以期能降低其噪声和振动，如降低雨刮电机声[1]和刮片橡胶与风窗玻璃之间的摩擦声，分为雨刮换向声[2]、雨刮低频咔嗒声[3-4]和高频尖叫声[5]等。除了这些研究，还对雨刮刮片的结构尺寸、刮片的材料和表面处理[6]等进行了改进。近年来，为提高汽车的竞争优势，汽车行业越来越重视汽车的感知环境，因而有必要从声品质方面去研究雨刮噪声。

在舒适的听音环境下，回放雨刮系统噪声样本时，可以清晰地从中听辨出换向声、电机呜呜声和掺杂的刮片的刮刷声这3个明显的主观感受噪声成分。电机噪声贯穿雨刮器运行的始末，在听觉感受上是连续的；换向噪声是雨刮片改变运行方向翻转时所产生的噪声；剩下的就是刮刷声，它是在雨刮换向以外的时间内所产生的噪声，它们在听觉感受上是间歇的。

目前，几乎所有的声品质评价模型都是以物理声学参数和心理声学参数为基础建立的客观评价模型。本文中在传统预测方法的基础上，采用以换向噪声、电机噪声和刮刷噪声这3个主观感觉到的成分噪声的烦恼度值来建立雨刮系统声品质预测模型。3种成分噪声的声品质评价模型是采用传统方法建立的。

1 雨刮系统测试试验

1.1 雨刮系统噪声试验

采用LMS公司的SCADAS多通道数据采集器和B&K双耳传声器，分别采集了4辆常见的家用车在低、高速挡位下的噪声信号，得到8个声样本。采样频率为44 100Hz，每个样本采样时间为1min。试验在空旷场地进行，试验时发动机停机，门窗处于关闭状态，12V车载蓄电池供电，试验人员佩戴B&K传声器，坐在驾驶座，模拟驾驶员。试验分两部分：第一部分模拟雨水状态下雨刮系统的运行，在风窗顶部放置两根小口径软管供水，控制水流速度，确保风窗玻璃处于湿润状态，并使水产生的噪声最小，以采集雨刮系统噪声信号；第二部分将雨刮悬空，主要采集雨刮电机的噪声信号。

1.2 雨刮噪声信号时域分析

雨刮噪声是一个典型的周期性信号。图1为3号样车雨刮器噪声在一个刮刷周期内的时域信号。显然，雨刮噪声信号还具有局部冲击性特征。根据雨刮器的工作过程，将其一个工作循环划分为4个运行阶段：下止点换向阶段、下上止点间的上刮阶段、上止点换向阶段、上下止点间的下刮阶段[7]。

2 主观评价试验

主观评价以评审者对噪声烦恼度的直观感觉作为判断声音好坏的标准。本文中的主观评价试验由两部分组成：成对比较法对雨刮系统总体噪声烦恼度的评价和参考语义细分法对系统噪声中各成分噪声烦恼度的评价。

成对比较法常按照排列组合的方式将声样本两两组队，评价者对每对样本进行比较，以“-1”“0”“1”表示相应结果，该方法可以辨识样本间的细微差别[8]。

语义细分法常用一些极性化的形容词来度量声音的属性，并进行5级、7级及以上的评价词程度等级划分[9]。由于评价个体在评价过程中采用的评价尺度不同，则将评价结果以比例分布于0～1之间的方法进行归一化处理。采用5级评价，见表1。

表1 烦恼度主观评价表

3 成分噪声品质评价模型

3.1 基本方法

由于主观评价结果都是基于统计学意义上的结果，需要耗费大量的人力和时间，而且评价结果的主观性太强，一致性较差，必须通过一些处理来对主观评价值进行客观量化，即建立客观评价模型。客观评价模型常用的客观参量有线性声压级、A计权声级、响度、尖锐度、粗糙度和波动度等，用以描述噪声主观感觉的差异程度。

采用SPSS统计学分析软件，对主观评价结果和上述客观参量进行多元回归分析[10]。回归分析通过F检验来确定能够进入回归方程的自变量。校正复相关决定系数R2，是衡量回归方程的拟合优度的指标，R2越接近于1，回归方程的拟合效果越好。

3.2 换向噪声

3.2.1 换向噪声冲击性影响分析

雨刮刮刷频率过高或过低都会影响刮刷效果，因此美国联邦机动车安全标准(FMVSS)规定雨刮刮刷频率不得低于20次/min，一般为45～60次/min[11]。在雨刮系统噪声时域信号中，选择30个周期信号大概估算出各车型高低速挡位的雨刮刮刷频率，结果如表2所示，各车型的雨刮刮刷频率均符合国际标准。

表2 各样车高低挡的雨刮刮刷频率

换向噪声是瞬态冲击噪声，冲击频率与雨刮刮刷频率成正比，为研究冲击频率对换向噪声烦恼度的影响，将烦恼度与雨刮刮刷频率(冲击频率)的关系绘制成图2。从图2中可以看出，各车型的雨刮刮刷频率在高低速挡位的排序一致，都是4-2-1-3，说明家用车在雨刮高低挡的速度同步且协调。从总体上看，换向声烦恼度与刮刷频率并不呈现一定的关系，但对于同一辆车，刮刷频率高的烦恼度值要高于刮刷频率低的，说明高的冲击频率会增强人们对换向声的烦恼感。

3.2.2 换向噪声描述词汇分析

一直以来，人们总是用“雨刮换向时响”或“雨刮换向时异响”来形容雨刮换向声，并未像用“呜呜声”来形容电机噪声一样，形成具体的描述词汇。根据各车型雨刮系统换向时的声音特点，对雨刮换向声的评价词汇进行研究。试验时，由来自不同专业的150名在校学生组成的评审人员，在充分了解试验任务后，任意地不限次数地播放声样本，从8个描述词汇中选出他们认为可以描述换向声的词汇，不限词汇地选择个数，然后将词汇进行统计，见图3。

在8个词汇中，“哐当的”和“轰隆的”的选择频率最高，也有不少人选择“砰砰的”和“咚咚的”，说明人们对换向声的认识具有差异性，但总体上可以用“哐当声”和“轰隆声”来描述雨刮换向噪声。

3.2.3 换向噪声品质的评价模型

换向噪声是雨刮系统噪声频谱的主要成分，频率主要分布在0～500Hz范围内[7]。由于换向噪声的频带范围比较突出，受其他噪声频率干扰小，故只须对雨刮系统噪声信号进行截止频率为500Hz的8阶低通滤波。

计算声样本滤波后的物理声学参数(线性声压级和A计权声压级)和心理声学参数(响度、最大响度、粗糙度、尖锐度和波动度)，并通过逐步回归法，建立换向噪声主观烦恼度与所计算的客观参量间的声品质预测模型为

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

R2=0.964

式中：Ra为换向噪声主观烦恼度得分；XA、Xr、Xsm分别为A计权声压级、粗糙度和最大响度。复相关系数R2为0.964，回归方程拟合优度非常高，表明上述的频率截取和滤波是合理的。

3.3 电机噪声

3.3.1 电机噪声组成

轿车上的雨刮器电机基本都采用双速直流铁氧体永磁有刷电动机。电机噪声主要由机械噪声、电磁噪声和空气动力噪声组成，机械噪声和电磁噪声占据主要成分[12]。

机械噪声主要包括轴承、电刷、转子不平衡和结构共振噪声，其中，转子不平衡噪声主要是由基频和高频谐波成分组成，基频很低，处于低频段，其它噪声源则会产生许多中高频噪声。

电磁噪声是由电磁场交替变化，在定、转子间产生气隙磁波，引起相关部件振动而产生，它主要是沟槽谐波噪声(频率与转子的槽数和电机转速有关)和阶次波噪声[13]。

3.3.2 电机噪声品质的评价模型

雨刮悬空时，由于刮片和刮臂的长度一般大于700mm，当电机带动雨刮运行到换向状态时，会产生微小的抖动，因而，试验第二部分所采集的雨刮电机的噪声信号中还混有部分该抖动所产生的噪声。由于机械噪声、电磁噪声和空气动力噪声的贡献，使电机噪声成为宽频带噪声，因而很难从上述噪声中将电机噪声单独分离出来。但是，通过频谱分析，知其频率成分主要处于500Hz以下，因此，对上述噪声信号进行截止频率为500Hz的8阶高通滤波，可以隔离大部分的抖动噪声。

计算声样本滤波后的客观参数，并通过逐步回归法，建立电机噪声主观烦恼度与所计算的客观参量间的声品质预测模型为

Ma=0.549Xs+1.183Xf-0.763

R2=0.954

式中：Ma为电机噪声主观烦恼度得分；Xs、Xf分别为响度和波动度。复相关系数R2为0.954，显然，回归方程的拟合优度也非常高，表明截取500Hz以下的滤波信号能够很好地描述电机噪声。

3.4 刮刷噪声

上下止点间刮片与风窗玻璃间的摩擦噪声就是刮刷噪声；它和上下止点换向时的换向噪声都属于摩擦噪声。可以说，刮刷噪声主要是摩擦噪声中频率为1 000Hz左右的尖叫声[14]。

因而，截取上下换向止点之间的雨刮系统噪声信号，并进行截止频率为1 000Hz的8阶高通滤波，可以消除大部分的换向噪声、电机噪声和水噪声的频率干扰。同样，计算声样本滤波后的客观参量，并通过逐步回归法，建立刮刷噪声主观烦恼度与所计算的客观参量间的声品质预测模型为

Sa=5.066lgXr-0.184lgXs-8.801

R2=0.829

式中：Sa为刮刷噪声主观烦恼度得分；Xs、Xr分别为响度和粗糙度。复相关系数R2为0.829，回归方程的拟合优度也比较高，表明截取1 000Hz以上的滤波信号能够较好地描述刮刷噪声信号。

4 雨刮系统声品质评价模型

4.1 系统噪声与成分噪声的影响分析

3种成分噪声是雨刮系统噪声的主要成分，它们对雨刮系统噪声烦恼度的影响分析如图4所示。图中横坐标样本序号是按照8个声样本的雨刮系统噪声烦恼度值从低到高排序的样本序号括弧中的数值表示该样本的系统噪声烦恼度。从图4中可以看出，电机声、换向声和刮刷声烦恼度的变化与雨刮系统噪声烦恼度的变化总体趋势一致。而且，如图中虚线所示，除样本7外，系统噪声烦恼度随着3种成分噪声烦恼度值中最大值的增大而增大，说明3种成分噪声中，只要其中之一的烦恼度较大，雨刮系统噪声就让人感到烦恼。

利用SPSS进行Pearson相关分析，得到雨刮系统噪声与电机噪声、换向噪声和刮刷噪声的相关系数分别为0.926、0.862、0.819，说明电机噪声对系统噪声烦恼度的贡献最大，换向噪声次之，刮刷噪声的影响相对较小。

4.2 系统噪声品质的评价模型

利用SPSS统计软件，以雨刮系统噪声烦恼度得分为因变量，3种成分噪声烦恼度得分为自变量，采用全回归法对它们进行回归分析，得到雨刮系统噪声的声品质预测模型为

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

R2=0.936

复相关系数R2为0.936，拟合效果很好，不仅说明采用系统噪声的3种成分噪声来建立雨刮系统声品质模型是可行的，而且表明它们能够很好地描述系统噪声声品质，有较好的预测能力。

5 结论

通过对雨刮系统噪声和其3种主要的主观成分噪声的声品质分析，建立了系统噪声的声品质评价模型，并得出以下结论。

(1) 采用3种成分噪声的烦恼度值建立的雨刮系统的烦恼度预测模型能够很好地预测系统噪声的声品质。而且，在3种噪声成分中，电机噪声的影响程度最大，换向噪声次之，刮刷噪声相对小些。

(2) 换向冲击频率对换向声烦恼度的影响虽然并不呈现一定的规律，但在一定条件下，它会增强人们对换向噪声的烦恼感。描述词汇“哐当声”和“轰隆声”可以用来形容换向时的声响。

(3) 对换向噪声进行500Hz的低通滤波，电机噪声进行500Hz的高通滤波和对刮刷噪声进行1 000Hz的高通滤波后的信号进行计算，所得到的客观参量都能够很好地描述它们各自的烦恼度。

[1] Yukiho Murata, Yasuo Ohasi, Masaru Ishikawa, et al. Windshield Wiper Motor Noise Reduction[J]. Journal of Society of Automotive Engineers of Japan,1997,51(2):24.

[2] Shigeki Okura, Tohru Sekiguchi. Dynamic Analysis of Blade Reversal Behavior in a Windshield Wiper System[C]. SAE Paper 2000-01-0127.

[3] Ahmad A, Md Zain M Z, Abu-Bakar A R, et al. Application of Input Shaping Control Strategy for Reducing Chatter Noise in the Automotive Wiper System[J]. Information Technology,2008,4(1):1-5.

[4] Ryosuke Suzuki, Kimihiko Yasuda. Analysis of Chatter Vibration in an Automotive Wiper Assembly[J]. JSAE International Journal,1998,41(3):616-620.

[5] Stallaert B, Doucet F, Rys J, et al. Application of Dither Control for Automotive Wiper Squeal[C]. International Conference on Noise and Vibration Engineering,2006:263-272.

[6] Goto S, Takahashi H, Oya T. Investigation of Wiper Blade Squeal Noise Reduction Measures[C]. SAE Paper 2001-01-1410.

[7] 张立军,徐飞,王小博.汽车刮水器摩擦引起的噪声特性试验分析[J].同济大学学报(自然科学版),2010,38(7):1062-1068.

[8] 毛东兴.车内声品质主观评价与分析方法的研究[D].上海:同济大学,2003.

[9] 张宝龙.声品质主观评价语义细分法研究[D].上海:同济大学,2005.

[10] 赖国毅,陈超.SPSS 17中文版统计分析典型实例精粹[M].北京:电子工业出版社,2010.

[11] 谷正气.轿车车身[M].北京:人民交通出版社,2002.

[12] 刘冬霞,史天录.微型电机噪声研究[J].噪声与振动控制,2008(1):145-147.

[13] 伍先俊,李志明.汽车电机噪声机理和降噪方法[J].微特电机,2003(1):14-16.

[14] Shinya Goto, Hiroshi Takahashi, Takio Oya. Clarification of the Mechanism of Wiper Blade Rubber Squeal Noise Generation[J]. Society of Automotive Engineers of Japan,2001,22(1):57-62.