汽车车内声场分析及降噪方法研究现状

汽车车内声场分析及降噪方法研究现状

摘要：本文首先对车内噪声的来源进行分析，然后建立了车室空腔声场的声学有限元模型，利用结构及声场动态分析技术，对车身结构的动态特性、车室空腔声场的声学特征进行了研究。在此基础上，分析了声固耦合系统在外界激励下的声学响应。阐述了车内被动噪声控制在低频噪声上的原理与应用。及决定主动噪声控制效果的决定因素及在车内噪声控制中应用的发展过程, 并指出当前研究中需解决的问题和今后的研究方向。

关键词：车内噪声；控制；车室空腔；主动降噪

Abstract：This article first interior noise sources were analyzed, and then the establishment of a finite element model of the vehicle compartment acoustic sound field in the cavity, the use of the structure and dynamic sound field analysis of the dynamic characteristics of the body structure, the acoustic characteristics of the vehicle compartment cavities were sound field the study. On this basis, the analysis of the acoustic excitation solid coupling system in the outside world under the acoustic response. It describes the principle and application of passive noise control car on the low-frequency noise. And determine the effect of active noise control determinants and development process in the car noise control applications, and pointed out that current research problems to be resolved and future research directions.

Keywords: interior noise; control; the passenger compartment of the cavity; Active Noise Reduction

0 引言

汽车车内噪声不但增加驾驶员和乘客

的疲劳,而且影响汽车的行驶安全。因此,车内噪声特性已成为汽车乘坐舒适性的评价

指标之一,日益受到人们的重视。车内噪声

主要由发动机、传动系、轮胎、液压系统及结构振动引起。而这些噪声有直接或间接地传到车身结构，在车室内形成声场。车内的噪声水平是体现其舒适性的一项重要指标。为了提高车辆的舒适性, 世界各大汽车公

司都对车内噪声水平制定了严格的控制标准, 将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。如何改善车辆内部乘员室声学环境, 降低车内噪声水平,提高车辆

乘坐舒适性已成为研究的热点。

1 车内噪声来源

一切向周围辐射噪声的振动物体都被

称为噪声源。噪声源的类型较多, 有固体的, 即机械性噪声;还有流体的, 即空气、水、

油的动力性噪声; 行驶汽车的噪声包括发

动机、汽车动力总成所产生的噪声, 车身因发动机、道路和空气流的作用而振动所产生的噪声以及附件噪声等。车内噪声产生机理如图1所示[1]。从声源来看,车内噪声的来源主要有: 发动机噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声等。车外噪声向车内传播的具体途径主要有两个: 一是通过车身壁板及门窗上所有的孔、缝直接传入车内;二是车外噪声声波作用于车身壁板,激发壁板振动,并向车内辐射噪声。从振动源来看,主要有两个方面: 发动机、底盘工作时产生的振动和路面激励产生的振动。后者频率较低,对激发噪声影响较小。车身壁板主要由金属板和玻璃构成,这些材料都具有很强的声反射性能。在车室门窗均关闭的条件下,上述传入车内的空气声和壁板振动辐射的固体声,都会在密闭空间内多次反射,相互叠加成为车内噪声。

图1 车内噪声产生机理

从上述可知,发动机、底盘、路面作为

声源和振源均可激发车内噪声,其传播途径

可分为空气传声和固体传声两种,其中由空

气传播的噪声主要为发动机表面辐射噪声

和气体流动噪声,而固体传播的噪声主要为

发动机、轮胎、路面及气流等引起车身振动而向车内辐射的噪声。

1.1 发动机噪声

发动机工作时产生的声强很大的声音，其声强和声频呈不规律的变化。强烈的噪声影响乘员的舒适性，长时间的噪声环境会使听力减弱，甚至失听。噪声还能引起飞行器结构的疲劳破坏和仪器设备失效。包括发动机工作时产生的进气噪声、排气噪声、冷却风扇噪声、结构噪声等通过空气, 由车身的缝隙或孔、洞传播至车内而形成的车内噪声, 以及由于发动机燃烧和惯性力矩引起的振动, 通过发动机悬架和副车架传动车身,

而引起车身弯曲振动, 扭转振动等, 同时

也会引起板件及结构产生局部振动, 进一

步向车内辐射的中、低频噪声。

发动机的噪声源有：①压气机和风扇：各级转子叶片和导向叶片与气流相互作用

引起的气动噪声;②涡轮：涡轮叶片与燃气

作用引起的噪声,转速越高噪声越大；③喷流：由喷管中高速排出的喷流与外部气流掺混时产生噪声，喷流速度越高噪声越大。涡轮喷气发动机喷流速度较高，喷流噪声比压气机和涡轮的噪声大。高流量比涡轮风扇发动机喷流速度低，风扇噪声占主要成分。火箭发动机主要是喷流掺混噪声，由于喷流能量大、速度高，所以噪声较大。

1.2 底盘噪声

主要包括由于轮胎快速滚动对其周围

空气形成扰动而产生的轮胎噪声, 齿轮系

啮合和振动而产生的变速器、驱动桥噪声, 旋转和振动传递而产生的传动轴噪声, 汽

车高速行驶时, 空气紊流对车身的激励造

成高频振动, 并在车内产生的高频噪声,

汽车制动时产生鸣叫声等几个方面。

1.3 车身噪声及车内附属设备噪

声

包括由于车身的振动和空气与车身的

冲击与摩擦而产生的噪声, 以及空调机或暖风装置工作而产生的噪声。这些噪声源所辐射的噪声, 在车身周围空间形成一个不均匀的声场, 并主要通过两个途径向车内传播: 一个是通过车身壁板及门窗上的所有孔、缝隙直接传入车内; 二是车外噪声声波作用与车身壁板振动, 并向车内辐射噪声, 这种辐射声的强度与壁板的隔声能力有关, 也就是说它服从质量定律的规律。

需要注意的是，由发动机和底盘传给车身的振动与车外噪声声源激发车身壁板的振动是叠加在一起的，用一般的测试方法很难将它们区分开来。但它们的传播路径不同，所服从的规律不同，频率特性也不尽相同，所采取的降噪措施也不同。车身壁板主要由金属和玻璃构成。这些材料都具有很强的声反射性能。在车室门窗都关闭的情况下，上述传入室内的空气声和壁板振动辐射的固体声，都会在密闭空间内多次反射，所以车内噪声实际是直达声和混响声叠加的结果。

所以车内噪声可用下式描述：

R

S

A

C I

I

I

I+

+

=

式中，C I——车内噪声总声强；

A

I——传入车内的空气声声强；

D

T

A I

I

I+

=

T

I——车外噪声透过乘坐室壁面进入车内的声强；

D

I——车外噪声通过壁板上的孔缝直接传入车内的声强；

S I——发动机和底盘传给乘坐室，引起乘坐室壁板振动所辐射的噪声声强；

R

I——上述噪声在车内封闭空间中多次反射所形成的混响声强。

2车内声场分析

车内声场的分析与研究一直是车辆工程界所关注的一大课题近年来, 随着计算机的普及。数值分析技术被广泛应用到声场分析领域。由于边界元方法离散化误差低。离散后的联立方程组数目少，便于在微机上应用, 并且具有适合各种几何边界形状和边界条件的优点。在车室的结构开发设计阶段实现车室的声学优化设计创造条件。