基于麦克风阵列的变速器噪声源定位研究

施 全，郭 栋，石晓辉，易 鹏

(1.重庆理工大学 汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室，重庆 400054;2.西南交通大学 机械工程学院，成都 610031)

目前自主品牌汽车企业满足产品可靠及耐久、动力经济性的能力较强，满足操纵稳定性能力次之，满足安全性能力相对薄弱，NVH(Noise，Vibration＆Harshness)控制能力则最差［1］。同时国家法规对整车噪声控制要求的日益严格，以及汽车购买者对乘坐舒适性的要求越来越高，迫切需要展开对汽车NVH性能的研究。变速器是汽车动力传动的主要部分，同时也是汽车NVH主要的来源之一。变速器啸叫因噪声敏感颇受关注。Becker［2］从声品质的角度对变速器啸叫进行了评价与研究。Lee［3］对某商务车车内存在的啸叫问题，通过车内噪声实验，利用阶次分析得到特征谱。利用工作变形分析和经验模态分解找到了噪声源。Donald等［4］基于结构声的产生传递过程，以静态分析的方法，重点讨论轮齿齿形修形和噪声的关系。葛如海［5］等建立了齿轮静传递误差模型，结合接触斑点并采用多因素实验设计得出最佳的齿面微观修形参数，降低了啸叫声。

本文以存在啸叫的变速器为研究对象。分析变速器噪声的组成部分，进行半消声室台架实验，通过频谱分析、贡献量分析等方法找到噪声的特征频率。通过计算分析发现该问题比较特殊，由于设计参数不当出现了不同传动部件特征频率一致的情况。对此利用声学照相机技术确定了辐射声源的位置，考虑到噪声特征频率范围与箱体的模态频率范围较为接近，通过有限元法计算箱体的模态频率，发现箱体出现共振。研究为修改传动部件参数、变速器箱体结构提供了参考依据。

1 变速器噪声分析

变速器噪声主要包括空气声和结构声两部分。变速器噪声产生过程［6］如图1所示:

图1 变速器噪声产生过程Fig.1 Process of transmission noise production

对汽车变速器等闭式传动系统，通常结构声为主要噪声源。结构声的产生传递过程如图2所示。啮合的齿轮对产生动态啮合力，动态啮合力经过结构的传递到达箱体，引起箱体的振动，并在箱体刚度较低的位置辐射出噪声。

2 台架试验

2.1 试验设备

图2 结构声产生传递过程Fig.2 Process of structure noise production

在半消声室中对该变速器进行了稳态和瞬态两种实验，实验装置简图如图3所示。数据采集系统采用德国HEAD公司的 OctoBox。变速器辐射出的噪声是通过三个电容式声压传感器(G.R.A.S46AE)来测量的。转速传感器采用小野公司的LG－916型光电转速传感器。传感器的布置依据QC/T 568－1999的要求，同时结合箱体有限元分析的结果来布置。转速传感器布置在变速器输入轴一端的联轴器处，测量输入轴的转速。三个声压传感器分别布置在变速器的左、右、上三个方向且与输入轴中心线垂直相交。

2.2 试验规范

根据本次试验的目的以及变速器试验标准，制定了在半消声室中台架试验规范。分别为稳态与瞬态两种。

稳态试验:在5个不同的转速(1000 r/min、2000 r/min、3000 r/min、4000 r/min、5000 r/min)下进行。

瞬态试验:从转速1000 r/min到4000 r/min的匀变速过程。反拖试验:1000 r/min。

每次实验采集记录三次数据，选择一致性较好的数据作为分析数据。

图3 NVH台架试验简图Fig.3 NVH testbench

2.3 数据分析

通过对各种工况下的一致性较好的数据统计分析，发现各种工况下的噪声频谱特征较为一致。3000 r/min工况下平均噪声值在68 dB(A)。3000 r/min频谱图如图4。反拖工况频谱图如图5。

通过对比及统计分析得到了特征频率为:524.8 Hz，915 Hz，1054.4 Hz，1577 Hz。其中 1054.4 Hz处噪声值最大。该变速器为中间轴式传动结构，2档传动结构如图6所示。

轴的转频公式:

图6 2挡传动结构Fig.6 2nd gear structure

啮合频率计算公式:

其中:n为轴转速(r/min)，Z为齿数:

根据频率公式计算出在3000 r/min下2档频率成分如表1所示:

表1 频率成分Tab.1 Mesh frequency

由表1可知，齿轮对的啮合频率与台架试验得到的特征频率一致(误差范围内)。但2档的啮合频率基频为主减齿轮对的啮合频率的2倍频，出现不同传动部件特征频率一致的情况。由于边频等其他识别特征不明显，噪声源不确定。同时912 Hz未确定来源，故难以通过台架试验确定噪声源。

3 声学照相机

3.1 基本原理

声学照相机是一种声场可视化工具，即将声源的实景视频图像与声场的测量结果相结合［7］，确定声源位置。声场的测量多采用应用广泛的麦克风阵列［8－10］方式。该定位方法分波束成形法、高分辨率方法及波达时延差方法。其中波束成形法是利用声阵列进行声场信号采样，基于“延时＆累加”波束成型原理对信号进行叠加。波束成形基本原理如图(7)所示。

声源平面上有一点声源q在时刻t的位置为(xq，yq，zq)，传声器阵列中第 i个传声器 mi的位置为(xi，yi，zi)Diq是时刻t点声源q到mi的距离。各传声器测量到的来自声源点q的信号的相位关系是确定的。用延迟累加波束形成方法对各传声器测量信号进行处理，可得到q点声源的声场值。使用相同的处理方法遍历整个声源表面，即可得到整个面的声场分布从而识别出声源位置。

图7 波束成形基本原理Fig.7 Theory of beamforming

声源点q在t时刻发射的声波到达传声器mi的时刻是t+Diq/c。根据“延迟－累加”波束形成原理，平面阵列聚焦的声源点q的波束形成输出为:

其中:Dmin为参考距离;c为声速;公式(4)中的ωi为阵列的空间窗函数;M为传声器的总数。

3.2 声源识别试验

按照声学照相机测试要求在半消声室中布置安装传感器，尽量保证麦克风阵列平面与箱体辐射平面平行。采用与台架试验相同的试验规范，对变速器的左面、右面、上面进行了大量的测量。一种布置位置如图8所示。

图8 声学照相机布置位置Fig.8 Layout of the acoustic camera

图9 1050 Hz照片Fig.9 Photo of1050 Hz

通过综合分析各个测量位置的数据发现麦克风阵列测量得到的特征频率与台架试验基本一致。各个特征频率对应的声源位置是确定的。典型的1050 Hz数据如图9所示。

综合分析1050 Hz时变速器左面、上面、右面的声学照片发现，噪声是通过主减齿轮对所对应的位置处发出的。基本可以确定主减齿轮对为主要的噪声激励源。915 Hz处的声学照片如图(10)所示。从图中可知，噪声源覆盖了变速器较大的面积，不能通过声学照相机确定该频率来源。

图10 915 Hz照片Fig.10 Photo of 915 Hz

4 箱体模态分析

通过台架试验基本确定了噪声源的特征频率，通过声学照相机基本确定了噪声的激励源。考虑到几个特征频率所处的频带范围与变速器箱体的模态范围较为接近，不排除箱体引发共振的可能，及915 Hz未确定。因此，需要确定变速器箱体的模态。采用有限元法计算箱体的模态。根据箱体实际的装配条件，在箱体与发动机的连接面上各个螺栓孔处施加固定约束，左右箱体的结合面利用刚性单元来模拟螺栓连接。箱体的有限元模型见图11，前十阶模态见表2。

表2 箱体模态频率Tab.2 Nature frequency of housing

图11 箱体有限元模型Fig.11 FEM model of housing

由箱体模态频率计算结果发现，箱体的第三、四阶模态频率与噪声的特征频率基本一致。说明箱体发生共振，加大了该变速器的噪声。针对共振问题，需要修改箱体的固有特性以避开共振区域:做轻量化设计，修改结构刚度。由于结构噪声是通过变速器箱体表面辐射出的，因此修改的重点为变速器箱体上大的辐射面。对该变速器左右箱体大辐射面增加加强筋的密度及强度，从而提高了结构的刚度，避开了共振区域。

5 结论

本文研究了一款变速器存在的啸叫问题。分析了变速器噪声的产生过程。对该变速器进行了半消声室台架试验，声学照相机试验，通过频谱分析、贡献量分析、对比声学照片等方法找到噪声的激励源。该变速器啸叫为设计参数不当导致出现不同传动部件特征频率一致引起变速器箱体的共振。研究为以降低噪声为目的，修改传动部件参数、变速器箱体结构提供了参考依据。

［1］张 宁.中国汽车整车企业产品开发能力研究报告［R］.北京:国家发改委产业协调司，2009.

［2］Becker S，Yu S.Objective noise rating of gear whine［J］.SAE Technical Paper，1999，1 －1720.

［3］Lee S K，Go S K，Yu D J，et al.Identification and reduction ofgear whine Noise ofthe axle system in a passenger van［J］.SAE Technical Paper，2005，1 －2302.

［4］Houser D R，Harianto J.The effect of micro-geometry and load on helical gear noise excitations［J］.SAE Technical Paper，2005，1 －2295.

［5］葛如海，姜旭义，杨文涛，等.齿面微观修形在汽车变速器降噪中的应用研究［J］.汽车工程，2009，31(6):557－560.

［6］李润芳，王建军.齿轮系统动力学［M］.北京:科学出版社，1997.

［7］邵 林，杨殿阁，李 兵，等.基于双目视觉和声阵列的声学摄像机的开发［J］.仪器仪表学报，2009，30(4):823－827.

［8］Brandstein M S，Adcock J E，Silverman H F.A practicaltime delay estimator for localizing speech sources with a microphone array［J］.Computer Speech and Language，1995，9(2):153－169.

［9］Brandstein M S，Silerman H.A practical methodology for speech source localization with microphone arrays［J］.Computer Speech and Language，1997，11(2):91－126.

［10］Brandstein M S.A framework for speech source localization using sensorArrays［D］. Rhode Island， USA:Brown University，1995.