汽车噪声及其控制

汽车噪声控制技术及其进展

一、引言

汽车噪声是指汽车驶过的噪声，即在汽车驶过时在其旁边测得的噪声，这个噪声是汽车制造鉴定中一个重要的指标，它是交通噪声中最主要的一部分，对其影响非常大。现代汽车的噪声特性是衡量汽车质量的重要标志之一。汽车噪声不仅造成周围环境的污染，影响人们的生活和工作，而且车内的噪声与振动、温度、湿度等环境因素相比是降低车辆舒适性的主要因素之一。为了提高车辆的舒适性，世界各大汽车公司都对车内噪声的控制作为重要的研究方向。特别是轿车，车内噪声状况更是衡量轿车档次的标准之一。

一般而言，汽车的噪声主要有三个来源，一个是汽车机械件本身产生的噪声，例如发动机和驱动桥等；一个是轮胎，一个是气流噪声（风噪）。这三个来源不是一下子涌现出来，而是随着速度不同而依次出现。因此有人将它们划分为三类噪声。由轿车驱动系统引起的噪声称为第一类噪声，一般轿车启动时就会产生，例如发动机的运转噪声，并随车速增大而增大。当车速升高至100公里/小时左右，轮胎的噪声随之增大，被称为第二类噪声。这两种噪声都是逐步增大的。当车速超过100公里/小时，随着车速的增加，风噪则会迅速增加，被称为第三类噪声。经过测定，轿车在高速区间，风噪的声级会以车速的5～7次幂（乘方）增强，而第二类噪声仅以车速的3～4次幂增强。轿车速度在120公里/小时左右，迅速增强的第三类噪声与第二类噪声的声级相同，当轿车速度再继续增加，第三类噪声就会超过其它噪声成为主要的噪声。汽车噪声的传递有固体波动和空气波动两种传播形式。两种传递形式所传播的噪声能量比例会因车型和结构而变化，而且与频率有很大关系。通常500Hz以下的低、中频率噪声主要以固体波动形式传播，而在较高的频带内则以空气传播为主。

图1 汽车噪声示意图

二、汽车噪声产生部位及原因

汽车噪声可以分为车内噪声和车外噪声两种。车内噪声与车外噪声产生机理有相同之处与不同之处。

1.车内噪声产生部位及原因

车辆内部噪声的来源十分复杂，但可以从两个传播途径加以分类，即固体传播和空气传播。影响车内噪声的各种因素和方式如图2所示。具体来讲，产生车内噪声的主要振动源和声源有：发动机燃烧和惯性力引起的振动，通过发动机悬置和副车架传到车身上，引起车身结构的振动，并进一步向车内辐射中频噪声；伴随发动机运行产生的排气噪声、进气噪声、风扇噪声、结构噪声等则由空气通过车身的孔、洞、缝隙传至车内或通过车身板壁透声至车内。

传动系由于质量不平衡及齿轮啮合产生的振动，传到车身引起车身振动并进而辐射中频噪声至车内；运转发出的噪声则由空气传播至车内。

汽车高速行驶时，空气紊流对车身的激励造成车身高频振动，并在车内产生高频噪声；由后视镜产生高频空气噪声则由空气传至车内。

悬架系统由路面不平激起振动，这种振动通过悬架与车身的支点传至车身引起车身的振动，进一步造成车内低频噪声；作为悬架系统组成部分的减振器、轮胎等在工作过程中所产生的噪声则通过车身的缝隙，由空气传至车内。

由此可见，固体传播振动通过结构件传播至车身，引起车身的振动，再由车身板壁振动辐射噪声至车内，形成车内噪声；空气传播则将各种噪声源所辐射的噪声通过空气，由车身的缝隙或空洞传播至车内，形成车内噪声。而对于车身而言，它也不是完全被动地接收外界的影响。车身结构的固有频率、振型、阻尼等模态参数，对车内噪声的形成有着重要的作用。当外界激励与车身固有频率一致时，车身发生共振，可使噪声放大；同时，车身上外界振动点的动刚度对振动能量的输入也有很大影响，在一定程度上影响着车内噪声水平。

空气、固体传播噪声能量的比例因车型结构和噪声频率的变化有所差别。实践表明，中低频车内噪声（30Hz—400Hz）主要由固体传播这一途径造成，而高频车内噪声则以空气传播为主。如果能够削弱或者消除固体传播，则可使车内噪声大大降低。

图2 影响汽车噪声的各种因素及其方式

2.车外噪声产生部位及原因

行驶汽车的噪声包括发动机噪声、底盘噪声、车身噪声以及汽车附件和电气系统的噪声。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。按照噪声辐射的方式来分类，可将汽车发动机的噪声源分为直接向大气辐射的和通过发动机表面向外辐射的两类。直接向大气辐射噪声源有进、排气噪声和风扇噪声，它们都是由气流振动而产生的空气动力性噪声。发动机内部的燃烧过程和结构振动所产生的噪声，是通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性连接的零件的振动向大气辐射的。根据发动机表面噪声产生的机理，又可分为燃烧噪声和机械噪声。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变化的力所引起的，它与激发力的大小和发动机结构动态特性等因素有关。一般说来，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。对于发动机噪声的评价，除考虑其辐射噪声声能量总水平外，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在频率上的分布情况，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。

汽车底盘结构固体声源产生噪声机理与车内噪声相同。

轮胎噪声的主要产生机理，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）气流生机理。随着轮胎的滚动，在与路面接触区，花纹沟内空气不断地被吸入与挤出，由此形成“空气泵”噪声，这是横向花纹的一种主要噪声机理。此生源为作起伏变化的气体，属气流噪声。

（2）机械声机理。由胎面花纹块不断撞击路面、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共振效应主要为袋状沟的噪声机理。

三、噪声控制技术

降低声源噪声是治本，是噪声控制的最根本、最直接和最有效的途径。为了降低声源噪声，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。常见的降低激振力的措施有：提高旋转件的动平衡精度；改善运动副的润滑；提高装配精度，选取适当配合间隙；降低气流噪声源的流速；改进气流通道，避免过多的湍流；对振动件进行隔离等。降低发声部件对激振力的响应包含两层意思，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的响应；其二是降低噪声辐射表面的声辐射系数，即使得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。对汽车振动噪声的主要控制方法如图3所示，主要噪声源的控制措施表1所示，不同阶段汽车噪声控制措施如表2所示。