汽车NVH控制技术的研究现状

汽车NVH控制技术的研究现状
杨宗富
车辆2班222011322220154
摘要：NVH：噪声、振动与声振粗糙度（Noise、Vibration、Harshness）的英文缩写。

这是衡量汽车制造质量的一个综合性问题，它给汽车用户的感受是最直接和最表面的。

车辆的NVH问题是国际汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。

有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系，而各大公司有近20%的研发费用消耗在解决车辆的NVH问题上。

而汽车NVH中的噪声问题已引起国内外相关科技工作者的极大关注，因此本文阐述了汽车国内噪声的种类。

主要介绍了发动机NVH问题及控制方法，并综述噪声控制的研究现状。

关键词：汽车噪声种类NVH控制技术
0 引言
近年来，汽车拥有数量逐年增加。

汽车产生的噪声已成为现代城市主要的噪声源之一。

汽车噪声中，人们最关注车内噪声．车内噪声过大会严重影响汽车的舒适性、语言清晰度、听觉损失程度、乘坐安全性、人在车内对各种信号的识别能力及入的心理状态。

因此，车内噪声作为汽车舒适性重要指标之一，正受到用户的严格挑选；降低车内噪声水平，已是各国政府和车辆生产厂家共同关注的问题。

目前，我国在汽车噪声控制方面与国外先进水平差距很大，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，首先体现在噪声测量方法及噪声限值的法规上。

国外企业由于对环境污染的重视，法规的要求和执行都非常严格；激烈的市场竞争，使得国外非常重视汽车产品的噪声控制。

从声源的控制角度来看，对发动机、消声器、变速箱、冷却系统等声源已经有深刻的研究已有成熟的理论计算和产品开发设计程序。

国外目前车内噪声控制技术已普遍达到实用阶段。

例如德国Benz公司声称已能根据顾客要求制造各种低噪声车，所增加的价格约为350美元左右。

我国要缩短与世界先进水平的差距．目前还有许多工作要做。

因此，本文介绍汽车噪声的种类、噪声控制方法、以及国内外的研究现状。

1 汽车噪声的分类
为了有效地控制汽车噪声，首先必须确定汽车的各类噪声源及其产生的机理。

汽车噪声可划分为车内噪声和车外噪声。

车内噪声是指汽车车厢内存在的噪声。

车内噪声极易使乘客感到疲劳，对汽车的舒适性有着重要的影响。

根据声源性质不同，汽车噪声可划分为发动机燃烧噪声、空气动力性噪声、机构噪声以及结构噪声。

发动机燃烧噪声：发动机缸内燃烧过程直接产生的噪声。

空气动力性噪声：气体流动过程产生的噪声，包括进气噪声、排气噪声、风扇噪声和空气流过汽车结构表面或孔道时产生的噪声等。

机构噪声：汽车中机构运动的不平稳、摩擦、惯性冲击和不平衡等引起的噪声。

结构噪声：汽车中的各种结构受激励产生振动而辐射的噪声，如罩、壳类零件、车身壁板等的噪声。

图1 车内噪声声源分解
2 汽车主要噪声源产生机理及控制方法
影响整车车内噪声的主要因素：
发动机噪声
轮胎噪声
进气噪声
排气噪声
各噪声在整车噪声中占的比例如图2所示。

理想状态下各噪声源占整车噪声的比例
图2 车内主要声源比例
2.1 发动机的噪声
发动机是整车噪声最主要的来源。

其产生机理如图3所示。

图3发动机噪声产生机理
燃烧噪声是发动机噪声的主要来源，在正常情况下，发动机噪声大致随转速增加而直线上升，汽油机转速每提高10倍，噪声上升50dB。

另外，由于力的激励使得结构产生振动从而产生噪声，如活塞的敲击、曲轴的撞击、缸盖及机体的变形振动，以及配气机构、齿轮传动组和各种泵类的运动产生的振动。

内燃机结构上很小的振幅会造成很高的噪声，一台四冲程直列柴油机，表面振动在1000Hz时平均振幅为1μm时，在离表面1m处的噪声约100dB。

解决的方法：
1.内燃机燃烧噪声的控制
气缸压力与噪声都是周期现象。

燃烧噪声对气缸压力有依赖关系。

气缸压力谱的低频部分由最高压力决定，而中高频部分由升高的压力梯度决定。

控制燃烧压力上升梯度是降低燃烧噪声的关键。

降低燃烧噪声的措施：
1）适当提高压缩比，适当延迟喷油提前角，以缩短着火延迟期；
2）减少初期燃料喷射率；
3）采用增压。

2.内燃机结构振动的噪声控制
1）调整结构件的质量，如增加缸体的壁厚、降低活塞等的质量等，降低动力总成能量的传递。

根据能量守恒原理，如图4所示，设计时适当增加缸体的质量以降低发动机
表面的振动速度，同时尽量考虑较轻的活塞及曲轴系统以降低总的振动能量。

从而达到降低整车的振动及噪声的目的。

图4整车能量的传递
M车V车=M发V发+E衰减=M活塞V活塞+E衰减
2）降低激振力，如改善燃烧室形式，使燃烧柔和。

3）提高结构件薄弱环节的刚度，如加筋、加隔板等，增加机体刚度。

往复式发动机其中气缸盖刚度较大，而缸体、曲轴箱刚度较差，振动也较大，通常是表面辐射噪声的主要部分。

因此提高它们的刚度，降低其对振动的响应是控制发动机噪声的基本途径。

4）设置阻尼，对发动机壁面采用阻尼措施，发动机的工作是粗暴的，产生了强大的振动。

这些振动能量直接传递至发动机表面，从而使表面振动产生噪声。

尤其是发动机的一些大的表面。

如正时齿轮罩盖、油底壳、气门室罩盖等，对这些较大表面采取有效的阻尼措施，可以有效的降低其振动的能量，从而减少噪声的产生。

通常采用较高的阻尼，但要求阻尼材料耐高温。

5）阻断振动的传递，如用粘弹阻尼垫片。

现代汽车中，发动机悬置是非常重要的部
件，悬置是将发动机连接到车身的部件。

发动机工作时产生的振动通过悬置传递至车身，从而车身产生结构响应，产生噪声。

合理设计悬置系统可有效地减小振动的传递。

动力总成和悬置构成了一个六自由度的振动系统，设计时，必须对六个自由度进行解藕。

通常各自由度的固有频率安排在
4~15Hz范围内；悬置系统支架的固有频率至少避开发动机的第二个主要激励阶次，否则将引起共振；悬置软垫的动刚度设置在250N／mm左右，过高则衰减不够，过低动力总成位移大，易产生干涉，同时可靠性受到影响。

悬置的安装位置应该选择在车身刚度较大的位置，同时要求局部固有频率达到200Hz左右。

6）减小结构声辐射表面隔声措施，在噪声辐射表面装设隔声装置，特别是气门室盖、油底壳正时齿轮室罩盖等。

但要求隔声材料耐高温且不易变形。

同时还要考虑发动机的散热性。

以控制结构噪声来控制噪声辐射是有效的，但是在控制之前应先确定结构振动特性，如固有频率，固有振型和阻尼。

2.2 汽车NVH的控制技术
车辆噪声控制方面，国内外专家学者很早就开始了试验研究。

李卡多试验室用，在大型车辆上采用屏蔽和隔声罩所得到的结果证实，把附有吸声材料的屏蔽贴层紧贴在发动机表面上。

能有效地降低车辆噪声4—5 dB(A)。

还有人员的试验，是在发动机变速箱底部采用0．9 mm厚的钢板制成简单隔声罩，曾使车辆外部噪声降低2 dB(A)。

在我国，对降低噪声也作了不少的试验研究，例如张沛商通过试验研究发现．对球磨机采取隔声措施，能使其对外辐射噪声降低30 dB(A)。

声学专家马大酞等针对吸声材料吸收低频噪声性能较差的特点，提出了微穿孔板吸声结构，大大地加宽了吸声频带向低频方向扩展，已在工程中得到了广泛应用。

2.2.1噪声源的控制
降低汽车上任一声源的噪声能量。

对车内噪声都是有利的；尤其是降低发动机噪声和传动系噪声，对车内噪声的降低更有意义。

例如对发动机进行屏蔽处理可使舱室内噪声降低10 dB左右。

如果对屏蔽罩的壁板涂敷阻尼层，则可进一步降低臊声2 dB左右。

对车内噪声源的控制，大致分为：被动控制、主动控制等。

2.2.1.1被动控制
内腔噪声的被动控制方面．现有文献很多。

例如,英国谢菲尔德工学院的Ling M K，研究了一种由钢板、泡沫聚氨醋层和减振层组成的隔离层，布置在汽车驾驶室或乘客室底板下面。

用以降低内部噪声；并研究了减振层质量大小和泡沫聚氨醋压缩模数对隔
层效果的影响。

近年来，我国对不同车型的车内噪声被动控制技术进行了大量的研究．并取得一定成绩，研制出多种先进的吸声、隔音材料、不同压缩模数的复合板、穿孔板等。

吉林大学南京理工大学对壁面有吸声材料时拖拉机驾驶室内噪声的影响做了
分析。

上海铁道大学提出将吸声材料的声抗率转化到声阻率中去的当量声阻率。

既能简化计算，又能保证较高计算精度。

例如张红军等人探讨了被动降噪中的吸声降噪和隔
声降噪，通过边界元法(BEM)对特定的吸声模型、隔声模型进行了声学分析，为实验提供了理论支持。

2.2.1.2主动控制
由于吸声材料对高频噪声的效用较显．而对低频噪声的效果欠佳。

所以其在噪声控制的应用有一定局限性。

控制中，降低低频噪声和低频振动一直是困难较大、成本较高的工程。

例如，一般吸声材料的低频吸声系数很小，共振型低频吸声结构要占很大空间，且吸声频带很窄．构件的低频吸声量很小。

因此，近年来噪声主动控制在降低低频噪声中得到了广泛应用。

主动控制一般包括：有源噪声控制和有源振动控制。

Active Noise Control(简称ANC)方法是近年发的一种全
新的噪声控制方法。

有源噪声控制是指定区域内人为地、有目的地产生一个次级声信号去控制初级声信号，达到降噪目的的技术。

该项技术早在20世纪30年代由德国物理学家Lueg提出并申请了专利。

封闭空间声场的有源控制研究是从20世纪80年代中期
才开始进行的。

英国ISVR的Nelson等人研究了有源消声系统次级声源阵列和监测传
声器的最优布防问题．并开始在飞机舱室和
轿车车内进行自适应有源降噪研究。

20世纪80年代末期发展了自适应有源降噪技术。

可实现选择性降噪，并能自动跟踪声场参数和噪声源的变化，可以有效解决车辆上传统降噪措施对同一型号车辆治理中存在的高散
度问题。

国外某些汽车公司及研究机构于20世纪80年代后期开始尝试将有源降噪技术用到车内噪声控制上．并相继推出一些试验性系统。

日本尼桑公司1991年在Blue Bird 轿车上开始装备有源降噪系统，降低车内噪声5．6 dB。

近几年来，国外在该领域又取得了较大的进展。

国内开展有源降噪技术研究相对较晚。

沙家正等人1979年开始对管道有源降噪进行研究；马大酞等人对封闭空间的声场形式作了探讨；清华大学、西安交通大学的学者对有源降噪及其工程应用作
了大量工作。

Active Vibration Control(简称A VC)方法是用另一振动源产生某种振动，迭加到原有振动上，达到减振、隔振、吸振的目的。

较早的结构振动有源控制研究始于20世纪70年代。

苏联学者A．S．Knyazey l967年发表了第一篇采用振动控制方法降低辐射噪声
的论文。

1989年，Hansen等人比较了采用振源和声源控制矩形板声辐射的不同效率。

1990年～1991年。

Pan等人用该方法对矩形空间的的声传人进行了控制．既有理论分析、又有试验研究。

美国、英国、日本等国，A VC的研究与应用也取得了很大进展。

目前，美国和澳大利亚等在主动振动控制的研究方面处于领先地位。

主要倾向于采用次级振源进行结构声的主动控制。

并已在谐振结构噪声的主动控制中获得初步验证。

3 结束语
综上所述，汽车噪声的影响因素十分复杂，只有通过对各个子系统进行研究，并逐一加以控制，才可能有效的控制汽车噪声。

通常在设计之初，我们需要对车辆的总体噪声性能进行目标设定，并将这些目标值分摊到各子系统上，在保证各子系统性能的前提下，进行合理的匹配，最终获得优良的噪声性能。

充分研究产生噪声的机理和控制方法，在设计阶段对各类因素加以控制和避免，不但可以有效的降低车内噪声，而且可以做到事半功倍的效果，极大的节约成本和节省时间。

随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，人们对汽车舒适性的要求越来越高．汽车工业将面临残酷的存亡竞争。

如何改善车辆内部乘员室声学环境，降低车内噪声水平已成为各国政府和车辆生产厂家
共同关注的问题。

研究降低汽车噪声。

对提高国产车的形象和参与国际竞争具有重要
的现实意义。

随着物理学、电声学、工程学、数字信号处理、自动控制、人工智能、系统科学等技术的发展，汽车噪声控制技术将会发生历史性变革。

参考文献：
［1］周永麟。

汽车噪声原理、检测和控制［M］北京：中国环境科学出版社，1992. ［2］黎志勤.汽车排气噪声和消声器设计［M] 北京：中国环境科学出版社,1991. [3] 张沛商，等．噪声控制工程[M]．北京：北京经济学院出版社，1991．
[4 ] 马大酞．噪声控制学[M]．北京：科学出版社．1987．
[5] 张红军．客车内外噪声控制的研究．硕士学位论文[D]．合肥工业大学。

2006．[6]毛剑琴，b庆忠，张杰，等．结构振动控制的新进展[J]．振动控制理论及应用，2001，18(5)：647—652．。