汽车车内噪声分析及控制技术的发展

第20卷增刊重庆交通学院学报2001年11月VOI.20Sup.JOURNAL OF CHONGOING JIAOTONG UNIVERSITY NOv.，
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2001文章编号：1001-716 （2001）S0-0091-04
汽车车内噪声分析及控制技术的发展"
邵毅明，王文兴
（重庆交通学院交通及汽车工程系，重庆400074）
摘要：分析了当今汽车乘坐室内部噪声的主动控制及被动控制技术，对汽车车内噪声分析计算方法的发展及现状进行了综述.
关键词：汽车；乘坐室；噪声；控制；分析
中图分类号：U491.9+1文献标识码：B
近些年来，随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高和人们环保意识的加强，各国对汽车噪声的要求也越来越严格.改善车辆内部声学环境，降低车内噪声水平，是各国政府和车辆生产厂家共同关注的问题，汽车车内噪声的研究已受到普遍重视.到目前为止，对于控制内腔噪声的方法，人们作了许多研究.综合起来可大致分为被动控制、主动控制和基于声固耦合振动分析的声场优化.
1车内噪声的控制
1.1车内噪声的被动控制［2］［8］［3］［5］
噪声的被动控制又叫做被动降噪，无源降噪.它主要用来降低车内中、高频噪声.早期的车辆内部噪声控制主要采用被动降噪.被动降噪主要针对噪声的传播途径采取以下措施：①改善车身结构的密封性能，防止外部噪声经由孔隙传播形成空气传播声；②采用多层隔声结构对发动机等外部噪声辐射源进行隔离；③在车身与底盘各联接处、发动机支承处采用隔振、减振措施降低振动向车身传递；
④在车身内表面采用阻尼减振材料，改善壁面振动特性；⑤车身内表面进行吸声处理，降低车内混响声.
这些措施对车辆内部噪声的降低确实起到了一定作用，但由于理论分析方法和试验手段的不足，控制方法运用中带有较多的经验因素.另一方面，由于这些方法简单易行，成本较低，便于实施和应用，易于取得明显的降噪效果，故这些方法是汽车生产厂家主要采用的降噪措施.
被动降噪经过长期的实践已十分成熟，其发展方向大致如下：①采用CAD进行优化设计，可以做到针对性强、多方案比较，以最简单的结构和最少的费用，达到比较满意的效果.例如消声器的设计采用CAD，其结构形式更加简化，消声效果得到提高；②低频吸声、隔声、消声等难题有所突破；③新型吸声、隔声、阻尼材料与结构的开发与利用；④发动机、传动系、车身的减振、隔振技术.
1.2车内噪声的主动控制（有源噪声控制）［1］［7］［4］［9］
有源噪声控制方法（Active NOise COntrOI，简称ANC）又叫有源消声，是近20年发展起来的一种全新的噪声控制方法.
与传统的降噪措施相比，它突出的优势在于低频噪声控制效果好，此外还具有对原系统的附加质量小和占用空间小等优点.1933年，德国物理学家Lueg在其提出的名为“PrOcess Of SiIencing sOund OsciIIatiOn”的专利申请中最早提出了有源消声这一概念和实现思路，由于当时电子技术水平的限制，Lueg的这一创造性设想并未变成现实.直到1956年美国通用电气公司（GE）的COnver开始尝试将有源消声技术应用于大型变压器线谱噪声控制，才使有源消声技术在实际噪声控制场合中得到应用. 60年代末期到80年代初，由于电子技术和信号处
"收稿日期：2001-02-28
作者简介：邵毅明（1955-），男，四川资阳县人，教授，汽车节能与污染研究.
理技术的迅猛发展，早期束缚有源消声技术发展的困难逐步得到解决.CheIsea单极系统将传声器后面的时延电路用具有适当传递函数的有源校正网络来替代，把次级声源向检测传声器处辐射的反馈声作为控制系统的一个部分来考虑，此外还有采用双传声器补偿、紧耦合反馈系统等方法.Swinbank对这一问题进行了深入的研究，提出采用多个次级声源并在其相应的驱动电路中加入时延环节来构成单指向性次级声源阵.在此基础上，许多学者提出各种不同结构的管道有源消声系统，如偶极系统、多级系统，比较典型的有CheIsea偶极系统和JesseI多级系统等，这些有源消声系统的控制部分均采用模拟电路实现.1981年，Burgess首次采用Widrow等人提出的电噪声自适应抵消算法进行管道自适应有源消声的仿真研究.1982年，Ross首次将自适应数字滤波技术应用于管道有源消声系统，研究了宽带有源消声系统的专门算法，针对风洞中的环境噪声进行了抵消试验，取得了令人满意的结果.此后的管道有源消声系统多采用自适应方法.70年代后期，法国的JesseI、Mangiante和Canevet等人从Huygens原理出发，推导了自由场三维空间的JMC 有源消声理论，并将其应用于大型变压器环境噪声全空间降噪上.三维封闭空间声场形式的噪声源分布较为复杂，且空间形状和边界条件的复杂性，使得声场描述较为困难.封闭空间声场的有源控制研究工作是从80年代中期才开始进行的.英国ISVR 的NeIson等人在封闭空间有源消声理论研究和控制技术方面做了大量工作，提出了本征相干理论，研究了有源消声系统次级声源阵和监测传声器阵的最优布放问题，并开始在飞机舱室和轿车车内进行自适应有源降噪研究.
国内开展有源消声技术研究相对较晚.沙家正等从1979年开始对管道有源消声器进行研究；马大猷等人对封闭空间的声场形式等作了探讨；清华大学、西安交通大学和西北工业大学的有关学者在有源消声及其工程应用方面做了大量工作.
80年代末期发展起来的采用自适应滤波方法的自适应有源消声技术还可以实现选择性消声，并能自动跟踪声场参数噪声源的变化，运用到车辆上有望解决传统降噪措施对同一型号车辆治理中存在的离散度问题.国外一些汽车公司及研究机构于80年代中、后期开始尝试将有源消声技术应用到车内噪声控制上，并相继推出了一些试验性系统.日本尼桑公司1991年在其新型BIue Bird轿车上开始试装备有源消声系统，可降低车内噪声5~6dB.由于国外轿车一般噪声级较低，有源降噪的潜力较小.国产汽车由于整体技术水平等原因，长期以来存在噪声过高问题，因此通过对国产汽车车内噪声分析，研究有源消声技术在降低车内噪声中的应用，改善国产汽车的乘坐舒适性，具有较大的潜力.
车辆内腔的有源降噪是有源噪声控制技术应用于车辆噪声控制的研究热点.除采用有源以声消声的方法外，也有一些学者尝试采用有源减振消声的方法来降低车内噪声.Wood曾提出采用激振器对发动机支承处振动进行有源控制来降低车内噪声，但这种方法需要消耗较多能量，且布置起来较为困难，因而没有得到重视.1993年，挪威学者Berge 开始试验在柴油汽车驾驶室内采用局部静区有源消声系统，取得了驾驶员耳旁噪声在怠速时点火频率处降低15dB的降噪效果.其原理类似于OIson电子消声器，成本较低.但消声区域有限.
1984年，美国通用汽车公司的J.OswaId采用自适应有源消声方法研究了柴油车驾驶室的有源消声问题.系统由分立元件构成，采用发动机转速信号分频方法产生多阶正弦波参考信号，经过控制器进行调幅相处理，反馈给次级电声系统，产生抵消初始噪声的反噪声.声学部分采用单次级源、单监测传声器.试验结果表明，对由发动机几个低谐阶量引起的室内低频噪声效果明显，可降低谐阶噪声至仅高出本底噪声5~7dB的水平.并研究了消声区域为消声点周围噪声的波长，但是由于系统跟随时间较长（约为2s），尚不能反应车速变化时的消声要求.
1987年~1990年，英国Lotus汽车公司与ISVR 合作，将自适应有源消声技术应用于轿车噪声控制.控制器的核心是数字计算机，采用发动机转速信号分频方法产生多阶正弦波参考信号.在发动机转速为3000r/min~5000r/min范围内取得了明显的车内低频发动机谐阶噪声降噪效果，可降低车内轰鸣声（对应发动机点火频率谐阶噪声）10dB左右.由于采用了多个监测传声器和次级声源，消声区域较大，跟随时间较短，能快速跟随车内低频发动机谐阶噪声的变化.吉林工业大学在国内首先开展车辆内部噪声的有源控制研究，参考信号选用发动机支承处加速度宽带信号，声学部分为单次级源、单传声器布置.试验室测量稳态工况噪声，低频总声级最大降低5dB.后来清华大学也开展了车内自适应有源消声的研究，取得了试验室效果.
由于有源噪声控制的成本和技术问题，要达到车辆内腔的整体噪声控制条件尚不充分，但局部区域降噪（例如，驾驶员耳旁位置降噪等）已成为可能，
29重庆交通学院学报第20卷
这是目前人们的研究热点.
2车内噪声分析方法［13］［11］［10］［6］近20年来，随着数值计算技术和信号处理技术的发展，声学理论分析方法和测试分析手段也逐步完善，使得在设计和试制阶段对车内噪声的预测和诊断以及合理降噪措施的运用成为可能.而在我国，关于车内噪声分析及控制的研究近10年才得到重视.
人们对结构振动产生的噪声用各种方法进行分析，前期工作主要有：①古典噪声传递分析；②统计能量分析；③声弹试验比例模型；④模态分析.模态分析是随着测试手段和分析设备的发展而发展起来的，是一种较先进的分析方法.基于有限元分析方法的发展，从60年代中期开始，人们对振动与声的耦合理论进行研究并采用有限元分析，取得了具有标志性的进展.通用公司、尼桑公司曾经采用有限元法对车身结构振动声学特性及车内空间声学特性进行研究，优化设计避开车身结构和车内空间的固有频率.英国南安普敦大学的ISVR及清华大学汽车系曾进行过发动机、变速器的低噪声优化设计研究.由于缺乏类似结构分析的通用程序，影响了声学数值分析方法在实际车辆设计中的应用.
由于驾驶室或乘客室内部结构、边界条件的复杂情况，使得特征问题和响应求解困难，计算成本过高（因当时计算机速度相当低）.这就导致了后来的模型简化、单元划分数目相对减少、模态截尾等手段得到利用，这对当时分析方法的发展起到了一定的推动作用.当然，其负效应也是明显的：精度过低，分析范围变小等.
随着模态分析技术的发展，1976年，Wolf首次把模态综合技术应用到车内噪声与振动耦合的计算中，后来又有人进一步进行了研究.这些研究使声固耦合的模态分析方法有了进一步的发展.但在这些研究中所采用的模态截断技术并未考虑补偿问题，使分析结果的置信度降低.
随着模态分析技术的不断完善与发展，鉴于能量方法和被动隔振吸声技术对低频段难以处理，车内声场与车身边界耦合振动研究的数值方法有了较大的发展.车辆运行过程中，随着车速、载重量、路面以及车外声场的变化，内部声场将发生变化，根据声波小扰动理论，车内声场由三维线性波动方程（齐次的Helmholtz方程）表示.建立声场的积分方程一般有两种方法：①加权余量法；②利用Green定理和稳定声场声辐射问题的边界条件建立积分方程.
车辆内腔声固耦合振动分析的方法有许多，总结起来主要可分为以下几种：①FEM（Finite Ele-ment Method）；②BEM（Boundary Element Method）；
③BBAM（Building Block Approach Method）；④SMFM （Symmetric Modal Formulation Method）；⑤HSM（Hy-brid Substructure Method）；③GCMSM（Generalized Combinatorial Modal Synthesis Method）；①SGHSM （Several Grid Hybrid Substructure Method）.
在以上分析方法中，前4种方法已为许多研究者所提出并得到推广应用.但它们不但具有前面已提到的共同的缺陷：分析代价高、精度低，而且还具有无法解决的（但常被忽视和掩盖）问题，即每一种边界条件只有单独考虑，才能进行分析.后3种方法实际上是为弥补以前方法的不足和解决复杂边界条件的问题而提出并发展的.第5种方法是在舰船与水的流固耦合振动分析方法基础上发展起来的，其边界条件由液体的无限远边界改为不同约束的边界，内部由弹性体结构改为空腔，而基本方程、分析方法相同.第6种方法是把第4种方法进行了总结，在第3种方法的块体子结构的模态缩聚中，在方法上进行了改进与推广.实际分析表明，GCMSM是一种行之有效的方法.第7种方法是从其他结构的流固耦合分析中提炼出来的.利用这种方法，可以把汽车内腔的不同边界（金属蒙皮、玻璃、开口、金属骨架和刚性板等）划分成不同的子结构，使分析方法灵活且易于实现.这种方法的噪声空间定位精度高，具有较好的适用性，是车辆内腔声固耦合研究的重要发展方向.
另外，还有一些研究者将复合结构与声场耦合振动的计算方法应用到汽车内腔噪声的分析中，从不同的侧面进行研究，给出了模态频率响应分析的方法，还对所给出的方法进行了特性比较并给出了应用实例.这种方法具有整体分析模型简单、易于程序实现等优点，在噪声的空间定位要求不太高的情况下，可以用该方法分析车辆内腔噪声.
前述声固耦合振动分析和有源消声的目的都是为了改善汽车内腔的声学环境，往往单一的分析方法或控制措施是难以实现的.应当把这两方面结合起来，并利用车辆内腔声场优化技术进行边界优化，才能达到降低车内噪声、提高乘员舒适性的目的.
3结语
汽车内腔噪声问题是一个具有极强实际意义的问题，许多学者已经和正在进行这方面的工作.在不同的研究方法中，声固耦合振动分析及噪声控制
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第3期邵毅明，等：汽车车内噪声分析及控制技术的发展
在理论及应用方面发展较快.其中，在声固耦合振动分析基础上进行声场优化是一个正在发展的方向.
目前，我国在汽车噪声控制方面与国外先进水平比差距很大，研究工作开展得也很不够，我国汽车产品噪声控制水平和国外先进水平的差距还体现在噪声测量方法及噪声限值的法规上.我国由于法规要求不高，执行不严格，并且这方面的市场竞争要求也不高，因此我国汽车生产厂家对噪声控制工作尚未引起足够的重视，其产品的实际控制水平也较差，以客车为例，许多产品只能免强达到、甚至达不到Gb1495-79的限值要求.因此，我国的汽车产品噪声控制尚有大量工作要做.
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80.
Development of the andyzation of vehicle innernoise and noise control technology
SHAO Yi-ming，WANG Wen-xing
（Department of AutomobiIe Engineering，Chongging Jiaotong University，Chongging400074，China）
Abstract：This paper studied the passive and active controI technigues of vehicIe inner noise，summarized the deveIop-ment and current situation of anaIyzing and caIcuIating methods of vehicIe inner noise.
Key words：vehicIe；inner；noise；controI；anaIysis
责任编辑：袁本奎；责任校核：万仁玉49重庆交通学院学报第20卷。