汽车噪声与振动

汽车噪声与振动
概述：随着汽车发动机功率的不断提高，噪声与振动的问题日渐突现出来，开始成为汽车开发工程中的主要问题之一。

在汽车界，人们在讨论噪声与振动时，常用的一个词就是NVH，即是噪声（Noise）、振动（Vibration）和不舒适（Harshness）三个英文单词首字母的简写。

汽车噪声振动有两个特点，一是与发动机转速与汽车行驶速度有关，二是不同的噪声振动源有不同的频率范围。

在低速时，发动机是主要的噪声和振动源，在中速时，轮胎与路面的摩擦是主要的噪声和振动源，而在高速时，车身与空气之间的摩擦变成了最主要的噪声和振动源。

近年来汽车噪声振动问题研究现状
行驶汽车的噪声包括发动机、底盘、车身以及汽车附件和电气系统噪声。

发动机噪声是汽车的主要噪声源。

在我国，车外噪声中发动机噪声约占60%左右。

1.发动机噪声
发动机噪声按其机理可分为结构振动噪声和空气动力性噪声。

1.1结构振动噪声
通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性连接件的振动向大气辐射的噪声称为结构振动噪声或者称为表面辐射噪声。

根据发动机表面噪声产生机理，结构振动噪声又可分为燃烧噪声、机械噪声以及液体动力噪声。

燃烧噪声的发生机理相当复杂，主要是由于气缸内周期性变化的压力作用而产生的，与发动机的燃烧方式和燃烧速度密切相关。

机械噪声是发动机工作时各运动件之间及运动件与
固定件之间作用的周期力、冲击力、撞击力所引起的，它与激发力的大小和发动机结构动态特性等因素有关。

一般在低速时，燃烧噪声占主导地位；在高转速时，由于机械结构的冲击振动加剧而使机械噪声上升到主导地位。

车用发动机的辐射噪声频率范围主要在500～3000Hz内，而其主要噪声辐射部件的临界频率大致在500—800Hz范围内。

发动机中液体流动产生的力对发动机结构激振产生的噪声称为液体流动噪声，如冷却系中水流循环对水套冲击产生的噪声。

1.2空气动力性噪声
空气动力性噪声直接向大气辐射噪声源，即由于空气动力学的原因使空气质点振动产生的噪声。

空气动力噪声包括进、排气噪声和风扇或风机噪声。

排气噪声是发动机的最大声源，进气噪声次之。

风扇噪声也是发动机的主要噪声源之一。

排气噪声由周期性排气、涡流和空气柱共鸣噪声组成。

周期性排气噪声是排气门开启时一定压力的气体急速排出而产生；涡流噪声是高速气流通过排气门和排气管道时产生的；空气柱共鸣噪声是管道中空气柱在周期性排气噪声的激发下发生共鸣而产生。

对于发动机噪声的评价，除考虑其辐射噪声能量总水平外，还应考察以下噪声特性：噪声级及其随发动机工作状态的变化关系、发动机周围空间各点噪声级数值的分布状态、空间各点的噪声频谱以及发动机工作过程各阶段的瞬时声压级。

通过这些信息，不但可以比较和评价发动机辐射噪声的大小，还可以深入研究辐射声能频率的分布情况，判断发动机工作循环中辐射声最大的阶段，以便分析产生高噪声的原因，提高噪声控制措施并比较和评价这些措施的有效性和经济上的合理性。

2.底盘噪声
汽车底盘结构固体声源产生噪声主要是传动系噪声和轮胎噪声。

传动系噪声频率为400—2000Hz。

其中齿轮传动的机械噪声是主要部分。

齿轮噪声以声波向空间传出的仅是一小部分，大部分则是变速器驱动桥的激振使各部分产生振动而变为噪声。

按声源的激励性质不同，轮胎噪声主要产生机理可分三大类：
(1)气流声机理。

随着轮胎的滚动，在与路面接触区，花纹沟内空气不断被吸入与挤出，由此形成“空气泵”噪声，这是横向花纹的一种主要噪声机理。

此声源为起伏变化的气体，属气流噪声。

(2)机械声机理。

由胎面花纹块撞击路面、轮胎结构的不均匀性以及路面的不平性等因素激发机械噪声，是光面胎及纵向花纹的主要噪声源。

(3)滤波放大机理。

轮胎与路面接触处形成喇叭口几何体，对上述噪声起着滤波放大作用。

另外，胎面花纹沟与路面所围管道内的空气共振以及轮胎花纹块离开路面处形成的赫姆霍兹共振效应主要为袋状沟的噪声机理。

3.车身噪声
车身噪声主要是由于汽车加速行驶时空气流过汽车表面和孑L道时产生的噪声。

该噪声主要来源于气流有明显折弯的地方，在该区域内气流分离，分离区内旋涡脱落，形成噪声。

噪声控制的基本技术
降低声源噪声是噪声控制的最根本、最直接和最有效的途径。

首先必须识别出噪声源，弄清声源产生噪声的机理和规律，然后改进机器设计方案和结构，降低产生噪声的激振力，降低发声部件对激振力的响应，从而达到根治噪声的目的。

降低发声部件对激振力的响应包含2层意思，其一是分析辨别机器主要辐射噪声的部件或表面，改善激振力源到该部位的传递特性，使之对激振力具有较小响应；其二是降低噪声辐射表面的声辐射系数，使同样大小的振动所辐射的噪声能量更小，常用措施是改善辐射表面的结构形状和附加一些内损耗系数较大的阻尼材料。

常用的噪声振动控制技术包括吸声、隔声、消声、隔振和阻尼减振，也称为无源控制技术。

1.吸声降噪
在任何有限空间内，噪声源辐射噪声形成的声场都包含直达声和混响声。

如果在噪声源周围的有限空间内布置一些可吸声的材料，就会降低声能的反射量，使混响声大大降低，从而达到降噪目的。

采用吸声材料进行声学处理是最常用的吸声降噪措施。

工程上具有吸声作用并有工程应用价值的材料多为多孔性吸声材料，而穿孔板等具有吸声作用的材料，通常被归为吸声结构。

多孔材料主要吸收中高频噪声，大量研究和实验表明：多孔性吸声材料，如矿棉、超细玻璃棉等，只要适当增加厚度和容重，并结合吸声结构设计，其低频吸声性能也可以得到明显改善。

吸声结构的吸声机理就是利用赫姆霍兹共振吸声原理。

当声波入射到赫姆霍兹共振吸声器的入口时，容器内口的空气受到激励，产生振动，容器内的介质压缩或膨胀变形。

当赫姆霍兹共振吸声器达到共振时，其声抗最小，振动速度最大，对噪声的吸收也最大。

吸声材料主要用于发动机壳体，吸收和降低其声辐射效率。

在汽车发动机罩壳体内侧表面使用吸声材料时，500Hz以上区域，车室内噪声可降低2—3dBA。

发动机罩内侧吸声层一般是以玻璃纤维和毛毡系为吸声材料的基体材料，用非织物进行表面处理，背后设计成空气层结构。

2.隔声降噪
声波在传播途中，遇到匀质屏障物时，由于介质特性阻抗的变化，使部分声能被屏障物反射，一部分被屏障物吸收，只有一部分声能可以透过屏障物辐射到另一空间，透射声能仅是入射声能的一部分。

通过反射与吸收，降低噪声的传播。

隔声构件隔声量的大小与隔声构件的材料、结构和声波的频率有关。

常见的基本隔声结构有单层壁和双层壁两种。

最简单的隔声结构是单层均匀密实壁，如钢板、铅板、砖墙、钢筋混泥土墙等。

试验发现，单层壁的隔声量与壁的单位面积质量有密切关系。

单位面积质量越大，其隔声量越高，同样厚度的钢板比铝板隔声效果好，同样的材料，结构厚度大的隔声效果好，这个规律称为隔声的质量定律。

双壁层是在双列平行的单层壁之间保留一定尺寸的空气层。

一般情况下，双层墙比单层匀质墙隔声量大5～10dBA；如果隔声量相同，双层墙的总重比单层墙减少2／3—3／4。

这是由于空气层的作用提高了隔声效果。

其机理是当声波透过第一层墙时，由于墙外及夹层中空气与墙板特性阻抗的差异，造成声波的两次反射，形成衰减，并且由于空气层的弹性和附加吸收作用，使振动的能量衰减，然后再传给第二层墙，又发生声波的两次反射，使透射声能再次减少，因而总的透射损失更多。

隔声法常用的隔声装置有隔声罩、隔声室和隔声屏。

在汽车中一般采用发动机罩将辐射噪声强烈的发动机遮蔽起来。

根据隔声罩的封闭范围可分成3种形式：全隔声罩、半隔声罩和局部隔声罩。

全隔声罩可用于发动机组降噪。

国际上已经成功设计出低噪声机组。

汽车驾驶室和客车车厢都属于这类隔声装置。

在高速公路两旁可以采用声屏障来抑制交通噪声对两旁居民的干扰。

3.阻尼降噪
对于金属薄板振动辐射的噪声，常采用阻尼降噪技术。

阻尼是指系统损耗能量的能力。

从减振的角度看，就是将机械振动的能量转变成热能或其他可以损耗的能量，从而达到减振目的。

阻尼技术就是充分运用阻尼耗能的一般规律，从材料、工艺、设计等各项技术发挥阻尼在减振方面的潜力，以提高机械结构的抗振性，降低机械产品的振动，增强机械与机械系统的动态稳定性，减少因机械振动产生的声辐射，降低机械噪声。

此外，阻尼还可以使脉冲噪声的脉冲持续时间延长，降低峰值噪声强度。

衡量材料阻尼特性的参数是材料损耗因子，大多数阻尼材料的损耗因子随环境条件变化而变化，特别是温度和频率对损耗因子具有重要影。

向。

4.空气动力噪声的控制。

消声器能有效阻止或减弱噪声向外传播，是控制空气动力性噪声的主要技术措施。

在空气动力机械的输气管道中或进、排气口上安装合适的消声器，就能使进、出口噪声降低20—50dBA。

因此，消声器广泛用于各种风机、内燃机、空气压缩机、燃气轮机及其它高速气流排放的噪声控制中。

汽车噪声控制工程的基本过程：
(1)噪声现状评价、声源分离和主要声源识别。

噪声源的分离技术包括整车加速噪声分离的道路试验与整车、主要总成噪声分离的台架试验。

表面声源识别技术包括铅覆盖法、声强法等近场测试方式，声振相关分析、功率流分析技术、统计能量分析技术。

(2)主要声源的发生、传播机理分析和控制措施研究。

(3)控制措施的实施、效果验证、总结评估。

目前国内各类车型噪声较大。

只要控制噪声方法得当，正确识别声源，采用基于试验分析技术和解析分析技术的汽车噪声控制方法，可以降低汽车噪声。

但随着噪声标准的提高，要降低汽车噪声达到新的国标困难很大，必须在现有技术的基础上提高研究和检测手段。

从汽车振动与噪声控制方面看，主要进行以下工作。

(1)提高噪声声源检测手段，解决运动中多个声源的检测问题。

如高速列车、
汽车运动中的噪声源依次通过声波束时，系统应能测量噪声的声源强度，并能给出三维的噪声声源分布。

在汽车行驶中区别发动机、轮胎、排气和空气动力学噪声等检测问题。

(2)研究汽车智能子系统，减少汽车振动，降低汽车噪声。

(3)研究汽车在多场耦合作用下，噪声产生机理，减少多场作用产生的噪声
(4)从系统理论出发，研究车一路一人的噪声传播机理，研究低噪声路面、低噪声轮胎和隔声设备以降低汽车噪声对人类的影响。

2.整车振动平顺性的研究发展动态
汽车动力传动系由动力总成、传动轴、驱动桥总成组成,是车辆振动和噪声的重要来源。

基于车辆振动学可将动力传动系振动分为弯曲振动和扭转振动,主要因为发动机和路面周期性振动的频率与动力传动系的固有频率接近时导致共振。

这种振动不仅影响动力传动系的正常运转产生噪声,还会引起车身的垂直振动、纵向角振动和侧倾振动。

因此,建立动力传动系的振动分析模型,寻求降低振动的影响措施, 是整车振动的重要研究课题之一。

依据系统的动能和势能不变的原则,将振动系统简化为由无弹性的惯性盘和无质量的弹性轴组成的当量系统,测定各零部件的结构参数建立相应的力学和数学模型计算扭振的固有特性。

动力传动系弯曲振动的研究方法目前主要是模态综合法和有限元法。

模态综合法的基本思想是将动力传动系分为若干子系统进行模态分析建立自由模态方程, 利用约束条件简化自由度,获得自由度大大缩减又保持系统特性的组合系统方程, 最后分析整个系统的固有振动特性。

由于车辆动力传动系结构复杂边界条件难以确定,目前有限元方法仅局限于各总成弯曲振动分析,整个动力传动系弯曲振动的有限元模型还难以实现。

整车振动平顺性的研究发展趋势
综合分析整车振动平顺性的研究概况可知,对整车振动平顺性的评价指标和方法、整车车身振动和动力传动系振动、路面不平度的频域时域模型等的研究已相对成熟。

但对于整车车身与动力传动系耦合振动、路面不平度的时频激励模型、非平稳的路面激励模型以及虚拟激励法还有待深入研究。

综上所述, 汽车整车振动平顺性的研究将主要集中在以下几方面:
(1)深入研究整车车身与动力传动系的耦合振动关系,建立真实综合反映整车车身与动力传动系耦合振动关系的的仿真模型;
(2)在路面激励方面,深入研究虚拟激励法在整车高自由度系统上的应用,研究和发展新型的路面不平度时频激励的虚拟激励模型;
(3)在非平稳随机过程领域,建立一个科学的非平稳的路面激励模型全面揭示整车在平稳随机过程和非平稳随机过程中的振动机理;
(4)研究发展更加精确的检测仪器对汽车振动特性进行充分测试, 全面掌握汽车的实际振动特性;
(5)在整车研发商业应用方面,急需开发能够提供具体的汽车结构系统振动数学模型的新型商业化软件,满足工程人员的实际研究应用。

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