摘要

        雨刷系統(tǒng)由電機(jī)、聯(lián)動(dòng)裝置、手臂和葉片組成，通過(guò)清除雨雪和擋風(fēng)玻璃上的異物，為駕駛員提供清晰的前方視野。這是一個(gè)系統(tǒng)組件，需要一個(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)，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(gè)前視圖。然而，近年來(lái)，隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和噪音水平的降低，客戶對(duì)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(biāo)準(zhǔn)。此外，通過(guò)聲場(chǎng)分析預(yù)測(cè)了雨刷噪聲對(duì)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(jī)、聯(lián)動(dòng)裝置、手臂和葉片組成，通過(guò)清除雨雪和擋風(fēng)玻璃上的異物，為駕駛員提供清晰的前方視野。這是一個(gè)系統(tǒng)組件，需要一個(gè)強(qiáng)大的設(shè)計(jì)，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(gè)前視圖。然而，在分析客戶對(duì)雨刷系統(tǒng)的投訴后，確認(rèn)客戶最不滿意的是雨刷片的噪音/振動(dòng)。通過(guò)對(duì)客戶投訴車型的分析，確認(rèn)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(rèn)，我們的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重于情感評(píng)價(jià)，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(tīng)覺(jué)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(tīng)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(zhǎng)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(gè)部分的基膜對(duì)不同的頻率作出反應(yīng)。也就是說(shuō)，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(xì)胞是不同的。近基膜上的高音在遠(yuǎn)基膜上共振良好。聲音的重要物理量是頻率和強(qiáng)度。一個(gè)人可以通過(guò)聲音的頻率和強(qiáng)度來(lái)區(qū)分聲音。頻率的差異可以通過(guò)檢測(cè)到的毛細(xì)胞類型來(lái)確定，頻率的差異可以通過(guò)聲音的音調(diào)來(lái)識(shí)別。聲音的強(qiáng)度可以通過(guò)毛細(xì)胞檢測(cè)到的信號(hào)的大小來(lái)確定，聲音的強(qiáng)度除以振幅。換句話說(shuō)，由于人耳的結(jié)構(gòu)形式，僅僅根據(jù)聲音的大小來(lái)識(shí)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(lái)管理雨刷噪聲，但其他認(rèn)識(shí)到需要提高噪聲質(zhì)量的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手已經(jīng)通過(guò)引入使用Zwicker參數(shù)的心理聲學(xué)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)管理雨刷噪聲。實(shí)驗(yàn)人員的噪聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是基于對(duì)情感音質(zhì)的評(píng)價(jià)，以及對(duì)雨刷噪聲影響最大的各種環(huán)境條件下的葉片性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。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(yàn)證方法。

噪音測(cè)量及評(píng)估

        在本研究中，我們通過(guò)對(duì)大型/中型/小型/小型/小型/ RV車輛進(jìn)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(jìn)行感官評(píng)估，對(duì)雨刷噪音的首選/非首選車輛進(jìn)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(jī)及連桿機(jī)構(gòu)噪聲、新舊葉片噪聲變化趨勢(shì)。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(píng)價(jià)結(jié)果，我們與被分類為優(yōu)選組的車輛對(duì)被分類為非優(yōu)選雨刷噪聲的車輛進(jìn)行了比較分析。

可視化噪聲分析

對(duì)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(yùn)行噪聲進(jìn)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(píng)估規(guī)范連續(xù)運(yùn)行30萬(wàn)次，確認(rèn)葉片壓力、迎角、超量指標(biāo)滿足要求后，進(jìn)行對(duì)比評(píng)估。在消聲室內(nèi)分別對(duì)優(yōu)選組和非優(yōu)選組車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉和擋風(fēng)玻璃濕化條件下的室內(nèi)和室外進(jìn)行了可視化噪聲測(cè)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(cè)量時(shí)噪聲位置在新車和舊車之間沒(méi)有變化，而在室內(nèi)測(cè)量時(shí)低頻反轉(zhuǎn)噪聲增加。在非優(yōu)選組中，老化雨刷在室外測(cè)量時(shí)噪聲位置與新雨刷相比發(fā)生變化，在室內(nèi)測(cè)量時(shí)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(wú)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(dòng)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(guò)分析刮水器傳動(dòng)噪聲和擦拭操作來(lái)分析刮水器噪聲的特性。

噪聲特性分析

分析了雨刷運(yùn)行過(guò)程中室外噪聲和室內(nèi)噪聲的特點(diǎn)。圖3為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)，在玻璃濕狀態(tài)下，雨刷速度較低時(shí)的室外和室內(nèi)雨刷噪聲譜。室外噪聲有一個(gè)頻譜范圍從2000到8000Hz。

但主要在室內(nèi)聽(tīng)到的噪聲主要在1500hz以下頻段。通過(guò)對(duì)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(guò)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(guò)室內(nèi)時(shí)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?jiàn)，應(yīng)用于豪華轎車的擋風(fēng)玻璃隔音PVB膜在高頻范圍內(nèi)阻隔風(fēng)噪聲，對(duì)擦拭噪聲的影響并不大。

        當(dāng)雨刷噪聲傳遞到室內(nèi)并傳遞到低頻噪聲時(shí)，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(jī)及聯(lián)動(dòng)裝置的運(yùn)行而產(chǎn)生的傳遞噪聲。表3為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)雨刮片關(guān)閉狀態(tài)下電機(jī)及連桿傳動(dòng)噪聲分析結(jié)果。

        因此，刮水電機(jī)和連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)噪聲可分為兩種類型?？煞譃樾∮?00Hz的低頻結(jié)構(gòu)噪聲和500Hz左右的頻段，與電機(jī)產(chǎn)生的噪聲相對(duì)應(yīng)。特別是，第8條和第2條的設(shè)計(jì)彼此相似。但#8對(duì)電機(jī)運(yùn)行噪聲的傳輸效果較好，而#2對(duì)結(jié)構(gòu)噪聲的傳輸效果較好。#2是顧客情感評(píng)價(jià)結(jié)果中屬于偏好組的車輛，#8是顧客噪聲評(píng)價(jià)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(hào)雨刷電機(jī)和連桿運(yùn)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(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲顯示相同的峰值?？梢钥闯觯@種噪聲掩蔽效應(yīng)實(shí)際上使雨刷電機(jī)及連桿噪聲小于其他車輛噪聲。

        也就是說(shuō)，確認(rèn)了雨刷電機(jī)及聯(lián)動(dòng)噪聲的傳遞特性受到發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)噪聲。本文分析了在發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)。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(shì)。雖然聲音的大小不大，但可以確認(rèn)的是，高頻段的吱吱聲噪音引起客戶對(duì)聆聽(tīng)感的不滿。

        根據(jù)客戶的聽(tīng)覺(jué)評(píng)價(jià)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(gè)頻段的噪聲敏感客戶?？蛻魧?duì)高頻橡膠吱吱聲和電機(jī)傳動(dòng)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(duì)影響雨刷噪聲的基本持續(xù)時(shí)間因素進(jìn)行識(shí)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(yùn)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(guò)對(duì)a、b、c的橡膠硬度評(píng)價(jià)、拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)得到Mooney-Rivlin參數(shù)，并對(duì)a、b、c進(jìn)行噪聲分析。

        采用聲場(chǎng)分析技術(shù)實(shí)現(xiàn)了噪聲因子的分類。聲場(chǎng)分析方法是利用歐姆聲學(xué)定律將雨刷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析所測(cè)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(guò)實(shí)際聲場(chǎng)分析來(lái)預(yù)測(cè)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(chǎng)模型，并根據(jù)耐久性變化進(jìn)行了噪聲分析。通過(guò)對(duì)雨刮器葉片耐久性和動(dòng)態(tài)特性的分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)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(duì)雨刷葉片的聲壓(SPL)值、響度、銳度、粗糙度和波動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)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(guò)聲場(chǎng)分析，確定葉片缺陷發(fā)生時(shí)聲壓(SPL)值、響度、銳度、粗糙度和波動(dòng)強(qiáng)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。“b”葉片在玻璃污染和低溫條件下也表現(xiàn)出高噪聲波動(dòng)。此外，如圖8所示，通過(guò)對(duì)聲場(chǎng)的分析，確認(rèn)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(shuō)，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(yàn)證上述結(jié)果，對(duì)實(shí)際車輛雨刷片的動(dòng)態(tài)特性分析與行為進(jìn)行了對(duì)比分析。將老化葉片附著在實(shí)際車輛的玻璃上，對(duì)玻璃進(jìn)行污染，改變摩擦系數(shù)。通過(guò)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(shí)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(shí)車評(píng)價(jià)結(jié)果和高速攝像機(jī)對(duì)葉片垂直振動(dòng)成像測(cè)量結(jié)果。通過(guò)分析，確認(rèn)了葉片在玻璃上的振動(dòng)位置和振動(dòng)現(xiàn)象與分析結(jié)果一致。這可以通過(guò)預(yù)先模擬雨刷器中可能出現(xiàn)的噪音問(wèn)題來(lái)防止，使用反映雨刷系統(tǒng)物理特性和環(huán)境條件的聲場(chǎng)分析。

總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)雨刮器噪聲的基礎(chǔ)研究，探討我國(guó)雨刮器噪聲標(biāo)準(zhǔn)存在的不足，并探討其改進(jìn)方向。

本研究得出以下結(jié)論:

1. 根據(jù)客戶標(biāo)準(zhǔn)建立雨刷穿透噪聲的定性標(biāo)準(zhǔn)。

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(guò)聲場(chǎng)分析技術(shù)和茨威克噪聲靈敏度評(píng)價(jià)對(duì)雨刮器系統(tǒng)的頻率比噪聲進(jìn)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(chǎng)分析技術(shù)，作為我們的初步問(wèn)題預(yù)防技術(shù)。

4. 此外，我們還介紹了一種建立雨刷噪聲問(wèn)題質(zhì)量控制流程的方法，通過(guò)引入我們的可靠性評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)來(lái)考慮與上述分析考慮相同的葉片劣化情況

文章來(lái)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