摘要

        雨刷系統(tǒng)由電機、聯(lián)動裝置、手臂和葉片組成，通過清除雨雪和擋風玻璃上的異物，為駕駛員提供清晰的前方視野。這是一個系統(tǒng)組件，需要一個強大的設(shè)計，以滿足系統(tǒng)的剛性，擦洗性能，以及任何外部條件下的操作噪音，為駕駛員提供一個前視圖。然而，近年來，隨著汽車發(fā)動機和噪音水平的降低，客戶對雨刷噪音的投訴有所增加。在分析雨刷噪聲的基礎(chǔ)上，提出了各種雨刷噪聲的定量判斷標準。此外，通過聲場分析預測了雨刷噪聲對環(huán)境因素的影響，并提出了解決方案。

引言

        雨刷系統(tǒng)由電機、聯(lián)動裝置、手臂和葉片組成，通過清除雨雪和擋風玻璃上的異物，為駕駛員提供清晰的前方視野。這是一個系統(tǒng)組件，需要一個強大的設(shè)計，以滿足系統(tǒng)剛性，擦洗性能，以及在任何外部環(huán)境下的操作噪音，為駕駛員提供一個前視圖。然而，在分析客戶對雨刷系統(tǒng)的投訴后，確認客戶最不滿意的是雨刷片的噪音/振動。通過對客戶投訴車型的分析，確認豪華車的噪音比中小型乘用車更令人抱怨。我們已經(jīng)確認，我們的評價標準側(cè)重于情感評價，不足以改善客戶不滿意的各種雨刷操作噪音。因此，本文提出了一種定量分析方法，可以分析雨刷系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種噪聲。

        人的聽覺系統(tǒng)主要由外耳、中耳和內(nèi)耳組成。聲音傳播路徑由顱腦->外耳道->鼓膜->聽骨->耳蝸組成。耳蝸的基底膜被稱為基底膜，它是由硬而短的纖維組成的，但它是由長而軟的纖維組成的，一直延伸到耳蝸的末端。由于這種結(jié)構(gòu)上的差異，每個部分的基膜對不同的頻率作出反應(yīng)。也就是說，由于基底膜在不同的位置沿著聲音的頻率彎曲，激活的毛細胞是不同的。近基膜上的高音在遠基膜上共振良好。聲音的重要物理量是頻率和強度。一個人可以通過聲音的頻率和強度來區(qū)分聲音。頻率的差異可以通過檢測到的毛細胞類型來確定，頻率的差異可以通過聲音的音調(diào)來識別。聲音的強度可以通過毛細胞檢測到的信號的大小來確定，聲音的強度除以振幅。換句話說，由于人耳的結(jié)構(gòu)形式，僅僅根據(jù)聲音的大小來識別聲音的質(zhì)量是不可能的。     

        雖然我們?nèi)匀恢桓鶕?jù)雨刷噪聲的噪聲水平來管理雨刷噪聲，但其他認識到需要提高噪聲質(zhì)量的競爭對手已經(jīng)通過引入使用Zwicker參數(shù)的心理聲學質(zhì)量標準來管理雨刷噪聲。實驗人員的噪聲評價標準是基于對情感音質(zhì)的評價，以及對雨刷噪聲影響最大的各種環(huán)境條件下的葉片性能評價標準。本文提出了雨刮器噪聲的定量情感噪聲判別方法，并建立了考慮環(huán)境影響的驗證方法。

噪音測量及評估

        在本研究中，我們通過對大型/中型/小型/小型/小型/ RV車輛進行分類，記錄雨刷器的工作噪聲。82名客戶使用車內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)進行感官評估，對雨刷噪音的首選/非首選車輛進行分類。在此基礎(chǔ)上，分析了室內(nèi)外噪聲特性、隔聲膜應(yīng)用影響分析、電機及連桿機構(gòu)噪聲、新舊葉片噪聲變化趨勢。因此，可以區(qū)分出雨刷噪聲質(zhì)量迅速惡化的非首選車輛組。下表2顯示了偏好組和非偏好組車輛分類的結(jié)果和示例?；诖嗽u價結(jié)果，我們與被分類為優(yōu)選組的車輛對被分類為非優(yōu)選雨刷噪聲的車輛進行了比較分析。

可視化噪聲分析

對優(yōu)選車輛和非優(yōu)選車輛的新雨刷系統(tǒng)和舊雨刷系統(tǒng)的運行噪聲進行了比較。老化雨刮器系統(tǒng)在不更換雨刮器葉片的情況下，按照耐久性評估規(guī)范連續(xù)運行30萬次，確認葉片壓力、迎角、超量指標滿足要求后，進行對比評估。在消聲室內(nèi)分別對優(yōu)選組和非優(yōu)選組車輛在發(fā)動機關(guān)閉和擋風玻璃濕化條件下的室內(nèi)和室外進行了可視化噪聲測量。圖2為優(yōu)選車輛和非優(yōu)選車輛的噪聲可視化分析結(jié)果。偏好組車輛在室外測量時噪聲位置在新車和舊車之間沒有變化，而在室內(nèi)測量時低頻反轉(zhuǎn)噪聲增加。在非優(yōu)選組中，老化雨刷在室外測量時噪聲位置與新雨刷相比發(fā)生變化，在室內(nèi)測量時低頻反演噪聲增大。雨刷器噪聲最高的頻率主要發(fā)生在車外1.5 ~ 3Khz，車內(nèi)1KHz或更低，無論車輛的劃分和雨刷系統(tǒng)的使用壽命如何。此外，刮水器噪聲在上下?lián)Q向位置比移動范圍大，在上換向位置比下?lián)Q向位置大。隨著雨刷系統(tǒng)的老化，在低于500赫茲的頻率下，傳輸噪聲的大小受到顯著影響。考慮到各種噪聲的影響因素，僅憑上述結(jié)果不可能知道噪聲的位置和噪聲變化的原因。因此，有必要通過分析刮水器傳動噪聲和擦拭操作來分析刮水器噪聲的特性。

噪聲特性分析

分析了雨刷運行過程中室外噪聲和室內(nèi)噪聲的特點。圖3為發(fā)動機關(guān)閉時，在玻璃濕狀態(tài)下，雨刷速度較低時的室外和室內(nèi)雨刷噪聲譜。室外噪聲有一個頻譜范圍從2000到8000Hz。

但主要在室內(nèi)聽到的噪聲主要在1500hz以下頻段。通過對噪聲特性的可視化分析，可知擦拭噪聲分布在3000Hz以上的室外波段。另一方面，通過車輛內(nèi)部傳播的擦拭噪聲主要存在于小于500赫茲的頻率。

        如圖4所示，從室外穿過室內(nèi)時雨刷擦洗噪聲總體上呈現(xiàn)出高頻衰減和低頻增加的特征?？梢?，應(yīng)用于豪華轎車的擋風玻璃隔音PVB膜在高頻范圍內(nèi)阻隔風噪聲，對擦拭噪聲的影響并不大。

        當雨刷噪聲傳遞到室內(nèi)并傳遞到低頻噪聲時，噪聲在很大程度上可以分為兩種。第一種是刮水片與玻璃的摩擦噪聲，第二種是由于電機及聯(lián)動裝置的運行而產(chǎn)生的傳遞噪聲。表3為發(fā)動機關(guān)閉時雨刮片關(guān)閉狀態(tài)下電機及連桿傳動噪聲分析結(jié)果。

        因此，刮水電機和連桿機構(gòu)的傳動噪聲可分為兩種類型。可分為小于300Hz的低頻結(jié)構(gòu)噪聲和500Hz左右的頻段，與電機產(chǎn)生的噪聲相對應(yīng)。特別是，第8條和第2條的設(shè)計彼此相似。但#8對電機運行噪聲的傳輸效果較好，而#2對結(jié)構(gòu)噪聲的傳輸效果較好。#2是顧客情感評價結(jié)果中屬于偏好組的車輛，#8是顧客噪聲評價結(jié)果中屬于非偏好組的車輛。這可以讓我們推斷出什么樣的噪音是敏感的和不舒服的客戶。

        優(yōu)選組4號雨刷電機和連桿運行噪聲在房間內(nèi)約300和500 Hz處出現(xiàn)峰值，與表4中的4號發(fā)動機噪聲顯示相同的峰值?？梢钥闯?，這種噪聲掩蔽效應(yīng)實際上使雨刷電機及連桿噪聲小于其他車輛噪聲。

        也就是說，確認了雨刷電機及聯(lián)動噪聲的傳遞特性受到發(fā)動機噪聲特性、車身結(jié)構(gòu)特性和隔聲性能的影響。

雨刷噪聲分類

        刮水器刮片劣化影響刮片、玻璃摩擦系數(shù)和摩擦力，造成直接傳動噪聲。本文分析了在發(fā)動機關(guān)閉的情況下，在雨刷低和玻璃濕的情況下，新葉片和內(nèi)部部件的噪聲。

        如表5所示，老化葉片噪聲大于新葉片噪聲。但是，車輛噪聲增加的頻率范圍是不同的。

        客戶首選的雨刷噪聲在雨刷倒轉(zhuǎn)段20 ~ 500Hz的頻率范圍內(nèi)，低頻聲音有增加的趨勢。而客戶不喜歡的雨刷噪聲，在1500 ~ 2500hz的高頻段有增加吱吱聲的趨勢。雖然聲音的大小不大，但可以確認的是，高頻段的吱吱聲噪音引起客戶對聆聽感的不滿。

        根據(jù)客戶的聽覺評價結(jié)果，分析優(yōu)選組和非優(yōu)選組的雨刷噪聲特性，可按頻率分析噪聲特性，如圖5所示。此外，我們能夠區(qū)分每個頻段的噪聲敏感客戶?？蛻魧Ω哳l橡膠吱吱聲和電機傳動噪音反應(yīng)敏感。

雨刷噪聲模擬

        理論上，影響雨刷噪聲的因素有橡膠截面及物理性能、摩擦系數(shù)變化、壓緊壓力、接觸角，如圖6所示。

為了確定這些理論參數(shù)的影響，對影響雨刷噪聲的基本持續(xù)時間因素進行識別和分類，如下表6所示。可引起噪聲的典型耐久性因素有推力壓力變化、運轉(zhuǎn)速度變化、橡膠性能變化、摩擦系數(shù)變化、葉片磨損、玻璃污染、低溫/高溫環(huán)境變化。

        表6中的圖a、b、c為我公司使用的葉片截面。A、b、c具有不同的形狀、摩擦系數(shù)和橡膠性能。因此，本文通過對a、b、c的橡膠硬度評價、拉伸試驗、剪切試驗得到Mooney-Rivlin參數(shù)，并對a、b、c進行噪聲分析。

        采用聲場分析技術(shù)實現(xiàn)了噪聲因子的分類。聲場分析方法是利用歐姆聲學定律將雨刷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析所測得的雨刷在玻璃上的表面速度轉(zhuǎn)換成聲壓的方法。這使得構(gòu)建具有各種條件的雨刷環(huán)境條件，并通過實際聲場分析來預測雨刷的噪聲成為可能。

        利用耐久性分析得到的表面速度建立了聲場模型，并根據(jù)耐久性變化進行了噪聲分析。通過對雨刮器葉片耐久性和動態(tài)特性的分析，對分析結(jié)果進行了頻率比噪聲的比較和分析。

        利用Zwicker的音質(zhì)分析參數(shù)對雨刷葉片的聲壓(SPL)值、響度、銳度、粗糙度和波動強度進行對比，靈敏度分析結(jié)果如圖7所示。圖的橫軸表示葉片的缺陷，這些缺陷可能根據(jù)環(huán)境條件的變化而發(fā)生。通過聲場分析，確定葉片缺陷發(fā)生時聲壓(SPL)值、響度、銳度、粗糙度和波動強度的變化規(guī)律。圖上的斜率越大，新葉片和老化葉片之間的噪聲變化越大。分析表明，a葉片和c葉片在退化和冷變形條件下的圖斜率都很大，這可能表明退化和低溫變形條件下噪聲較差?！癰”葉片在玻璃污染和低溫條件下也表現(xiàn)出高噪聲波動。此外，如圖8所示，通過對聲場的分析，確認了“a”葉片在劣化和低溫條件下產(chǎn)生顫振和吱吱聲噪聲，“b”葉片在玻璃污染條件下，在玻璃摩擦系數(shù)不恒定的情況下，可逆噪聲增加。

        此外，在劣化和低溫條件下，發(fā)現(xiàn)“c”葉片具有較大的反轉(zhuǎn)噪聲和抖振噪聲。圖8顯示了“a”、“b”和“c”葉片五種環(huán)境條件下的噪聲水平。在顫振、反轉(zhuǎn)和吱吱噪聲頻率區(qū)，根據(jù)環(huán)境條件分析了葉片的噪聲大小。

        結(jié)果表明，a和c葉片在葉片變形和寒冷條件下表現(xiàn)出更高的噪聲水平。然而，“a”葉片表現(xiàn)出較高的吱吱噪聲，而“c”葉片則表現(xiàn)出較大的反轉(zhuǎn)噪聲。在玻璃污染條件下，“b”葉片有較大的反轉(zhuǎn)噪聲。也就是說，即使在相同的環(huán)境條件下，噪聲的類型也可以根據(jù)葉片的特性而改變。為了驗證上述結(jié)果，對實際車輛雨刷片的動態(tài)特性分析與行為進行了對比分析。將老化葉片附著在實際車輛的玻璃上，對玻璃進行污染，改變摩擦系數(shù)。通過改變玻璃的摩擦系數(shù)和不均勻分布葉片壓力，模擬了與實際情況相似的分析條件。

        結(jié)果表明，“a”和“c”葉片在倒轉(zhuǎn)后出現(xiàn)滑粘和抖振現(xiàn)象。圖9為實車評價結(jié)果和高速攝像機對葉片垂直振動成像測量結(jié)果。通過分析，確認了葉片在玻璃上的振動位置和振動現(xiàn)象與分析結(jié)果一致。這可以通過預先模擬雨刷器中可能出現(xiàn)的噪音問題來防止，使用反映雨刷系統(tǒng)物理特性和環(huán)境條件的聲場分析。

總結(jié)

本文通過對雨刮器噪聲的基礎(chǔ)研究，探討我國雨刮器噪聲標準存在的不足，并探討其改進方向。

本研究得出以下結(jié)論:

1. 根據(jù)客戶標準建立雨刷穿透噪聲的定性標準。

給出了雨刷器顫振噪聲、反轉(zhuǎn)噪聲和掃頻噪聲的頻率范圍和噪聲特性。

2. 分析了雨刮器噪聲的影響因素，并通過聲場分析技術(shù)和茨威克噪聲靈敏度評價對雨刮器系統(tǒng)的頻率比噪聲進行了分析。

3.我們建議引入反映雨刷劣化、磨損狀況、高溫/低溫狀況、玻璃污染狀況的聲場分析技術(shù)，作為我們的初步問題預防技術(shù)。

4. 此外，我們還介紹了一種建立雨刷噪聲問題質(zhì)量控制流程的方法，通過引入我們的可靠性評估標準來考慮與上述分析考慮相同的葉片劣化情況

文章來源：

Kong, N., Lee, K., and Park, J., "Study on Basic Principles of Operation Noise of Wiper System on Vehicle," SAE Int. J. Adv. & Curr. Prac. in Mobility 1(2):474-479, 2019,https://doi.org/10.4271/2019-01-1421