汽车噪声控制方法的研究与应用

汽车噪声控制方法的研究与应用
专业：车辆工程班级：车辆1102 学号：2011131 姓名：杨全花
【摘要】汽车的普及给人们带来方便的同时，汽车噪声对人们的生活、工作及身心健康也产生了日益严重的影响。

汽车噪声的大小是衡量汽车质量水平的重要指标, 因此, 汽车噪声防治成为世界汽车工业的一个重要课题。

汽车所产生的车外和车内噪声成因复杂,分析困难,要有效地控制汽车车外加速噪声,首先要能准确地确定各声源所产生的部位从而寻求主声源,再结合各主声源噪声产生机理和传播途径,制定经济有效!切实可行的降噪措施进行噪声控制，提出了降低汽车噪声的一些方法措施。

【关键词】噪声车内噪声车外噪声控制方法
引言
随着国民经济的日益繁荣,汽车工业和城市交通得到了迅速发展,但带来的交通噪声污染也日益严重"汽车作为人们一种主要的交通工具,由于其功率不断提高,速度越来越快,汽保有量大幅度提高,使得汽车噪声成为最主要的交通噪声污染源"据统计资料表明,城市环境声的70%来源于机动车辆,各种机动车辆已成为环境噪声的最大污染源[1]。

过高的汽车噪声严地影响着人们的生活!工作和健康,也给世界的可持续发展带来了很大的挑战。

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，我国汽车噪声控制水平和国外相比差距更大，国外发达国家由于对环境污染的重视，法规要求和执行都非常严格，以及激烈的市场竞争，使得国外汽车生产企业都非常重视汽车产品的噪声控制。

国外的汽车噪声控制工作进展非常快，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[2~3]。

汽车噪声控制研究的重点已经转向结构振动噪声，轮胎噪声及发动机隔声罩的研究方面。

国外目前车内噪声控制技术已普遍达到实用阶段，如德国Benz公司声称已经能够根据顾客要求制定各种低噪声车，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。

下面笔者浅谈一下汽车噪声的种类、噪声控制方法并对国内外的研究现状作一综述。

一：噪声的危害
众所周知，汽车噪声污染是最为严重的环境污染之一，它不仅对汽车本身及驾乘人员构成严重的危害，而且还对周围环境造成污染。

因此，对汽车振动与噪声控制势在必行。

噪声
的危害是多方面的，必须引起人们的高度重视。

经科学研究和长期实践证明:由于噪声的影响，会导致驾驶员神经系统功能卜降。

例如:条例反射受到抑制，神经末梢受损，震动觉、痛觉功能减退，对环境温度变化的适应能力降低;车辆的震动使手掌多汗，指甲松脆;震动过强时，驾驶员会感到手臂疲劳、麻木，握力卜降。

长此卜去，会使肌肉痉挛、萎缩，引起关节的病变，出现脱钙、局部骨质增生或变形关节炎[4]。

强烈的震动和伴随的噪音长期刺激人体，会使植物神经功能紊乱，出现恶心、呕叶、失眠和眩晕等症状，女驾驶员还会出现月经失调、痛经、流产、子宫脱垂等病症。

二：噪声的分类
根据噪声源发声机理通常将噪声分成三类:机械传动噪声、空气动力噪声、电磁噪声机械噪声往往由于机械部件的振动、撞击、摩擦、不平衡等造成。

空气动力噪声是由于气体动中的相互作用或固体间的作用而产生的[5~7]。

电磁噪声则是由于电磁场的交变造成机械部件或空间容积的振动而产生的。

从结构上可分为发动机(发动机、进气及排气)，底盘噪声(驱动系及轮胎等)，车身噪声，电器设备噪声。

汽车外部噪声示意如图：
汽车的各噪声源之间相互作用，同时，因汽车上的各个声源位置和辐射噪声大小不同以及噪声传播途径的差别，使得某些方向的噪声较高，在某些方向就较低。

所以在整车噪声控制中，必须分析各种声源对汽车总噪声的影响幅度，即噪声源辐射的大小，分布特点及传播方向，这对如何采用既经济又切实可行的噪声控制措施来降低汽车整车车外加速噪声是至关重要的。

由于目前国产汽车的车外加速噪声主要以发动机本体噪声、汽车的进气噪声和排气噪声为主。

2.1.1 发动机噪声
发动机噪声包括燃烧、机械、进气、排气、冷却风扇及其他部件发出的噪声。

在发动机各类噪声中，发动机燃烧噪声和机械噪声占主要成分。

燃烧噪声产生于四冲程发动机工作循
环中进气、压缩、做功和排气四个行程，快速燃烧冲击和燃烧压力振荡构成了气缸内压力谱的中高频分量。

燃烧噪声是具有一定带宽的连续频率成份，在总噪声的中高频段占有相当比重。

机械噪声是指发动机工作时，各零件相对运动引起的撞击，以及机件内部周期性变化的机械作用力在零部件上产生的弹性变形所导致的表面振动而引起的噪声，包括活塞敲击声、气门机构声、正时齿轮声[8]。

燃烧噪声和机械噪声都是由发动机本体发出的，并且随着发动机转速的增加，噪声也相应增加。

一般情况下，低转速时燃烧噪声占主导地位，高转速时机械噪声占主导地位。

空气动力噪声是指汽车行驶中，由于气体扰动以及气体和其他物体相互作用而产生的噪声。

在发动机中，它包括进气噪声、排气噪声和风扇噪声。

实践表明，减少振动是降低噪声的根本措施。

增加发动机结构的刚度和阻尼，是减少表面振动的办法，从而达到降低噪声的目的[9]。

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。

发动机噪声源示意图如图
2.1.1结构振动噪声
通过发动机外表而以及与发动机外表而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而辐射噪声。

根据发动机表而噪声产生的机理，结构振动噪声又可分为燃烧噪声和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[10~11]。

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。

如冷却系中的水流循环对水套的冲击而产生的噪声。

2.1.2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直接使空气质点振动产生的噪声为空气动力性噪声。

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噪声、涡流噪声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的;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的空气柱在周期性排气噪声的激发下发生共鸣而产生的[12]。

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。

2.2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，而大部分则成了变速器驱动桥的激振使各部分产生振动而变为噪声。

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[13~15]:
(1)气流生机理。

随着轮胎的滚动，在与路而接触区，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。

此声源为作起伏变化的气体.属气流噪声。

(2)机械声机理。

由胎而花纹块不断撞击路而、轮胎结构的不均匀性以及路而的不平性等因素激发机械噪声，是光而胎及纵向花纹的主要噪声源。

(3)滤波放大机理。

轮胎与路而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，胎而花纹沟与路而所围管道内的空气共振以及轮胎花纹块离开路而处形成的亥姆霍兹共振效应主要为袋状沟的噪声机理。

2.3传动系噪声
汽车传动系包括发动机与汽车驱动轮之间的一系列旋转部件。

传动系是多质量的弹性系统，当传动系的固有频率之一与干扰力矩频率吻合时，便会产生扭振，产生噪声，传动系的弯曲振动通过支撑传给车身部件，使之产生振动与噪声[16]。

传动系中的齿轮噪声也较明显，齿轮噪声包括两种频率成分:高频噪声主要是由齿轮的基节发生偏差引起的，是齿轮噪声的主要成分。

基节偏差会使齿轮在啮合与分离时产生撞击，
即啮合撞击。

在定轴系中啮合频率几= nZ /60(Hz)(n为齿轮转速，r/min; z为齿数)。

实际上齿轮传动装置总要有某种偏心，而偏心了的齿轮旋转一周时，两个齿轮啮合的松紧程度要发生变化，导致啮合力幅值被调制为齿轮位移的函数。

这样就会发生齿轮轴传动的频率调制器啮合频率，从而出现边频。

若轴的回转频率为关.，则上下边频带为;
f上=f m+f r f下=f m-f r,
除基节误差外，齿形误差、齿面光洁度等也会产生高频噪声[17]。

齿轮的低频噪声主要是由周节积累误差引起，由于有此误差，齿轮每转一周就产生一次撞击，其频率为几=n/60。

一般它不是主要噪声成分，只有当周节累计误差很大时才会对整个噪声有较大影响。

齿轮啮合时，由于外力的作用，齿轮本身也会产生一些固有振动，在负荷较大时或在低速运转时，此噪声一般较为突出。

如果齿轮的啮合频率和齿轮的某阶固有频率相同时，就要激发共振噪声。

此外，齿轮箱壁的振动噪声也很大，尤其应避免齿轮的啮合频率与箱壁的固有自振频率相同。

2.4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而和孔道时产生的噪声。

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。

三：汽车嗓声控制方法现状
3.1发动机嗓声控制
直接从发动机机体及其主要附件向空间传出的声音，都属于发动机噪声。

发动机噪声随机型、转速、负荷及运行情况等的不同而有差异，如在转速相同的条件下，柴油机的噪声要比汽油机高。

按噪声产生的性质，发动机噪声可分为燃烧噪声、机械噪声。

发动机是产生振动和噪声的根源，降低发动机噪声是汽车噪声控制的重点[18]。

国内现阶段主要通过以下途径降低发动机噪声[19~20]:
A.改善发动机燃烧过程，减少粗暴燃烧，降低燃烧压力波动;
B.改善运动件的运行平稳，减小机械运动而产生的振动(平衡轴，动力减震器等);
C.采用优化设计提高缸体等主要噪声辐射部件(尤其是刚体裙部、油底壳等)刚度降低了表面振动速度，从而减小噪声辐射。

比如:台阶型的缸体裙部设计，不仅减小了油底壳的辐射面积，而且增加了缸体和油底壳的刚度;
D.结合发动机轻量化设计采用新型材料，降低材料的噪声辐射效率;
E.采用各种复合材料、阻尼材料生产冲压部件;改变传动机理减小机械噪声;比如改齿正时机构为皮带或链条机构，有效地减小齿轮啮合噪声。

目前，已有一些国家的专家设计了一种发动机主动隔振系统，用于减少发动机振动，以达到降低噪声的目的。

3.2进气噪声控制
发动机工作时，高速气流经空气滤清器、进气管、气门进入气缸、在此气流流动过程中会产生一种强烈的空气动力噪声，有时比发动机本身噪声高出SdB( A)左右，成为仅次于排气噪声的主要噪声源。

该噪声随着发动机转速的提高而增强，与负荷的变化无关，其成分主要包括:周期性压力脉动噪声、涡流噪声、气缸的玄姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声[21]。

现阶段进气噪声的控制策略主要是:
(1)合理的设计和选用空气滤清器。

合理设计进气管道和气缸盖进气通道，减少进气系统内压力脉动的强度和气门通道处的涡流强度。

(2)引进消声措施。

3.3排气噪声控制
排气噪声主要在排气开始时，废气以脉冲形式从排气门缝隙排出，并迅速从排气口大气，形成能量很高、频率很复杂的噪声，包括基频及其高次谐波的成分。

该噪声是汽车及发动中能量最大最主要的噪声源，它的噪声往往比发动机整机噪声高l 0dB -15dB。

除基频噪声及其高次谐波噪声外，排气噪声还包括排气总管和排气歧管中存在的气柱共振噪声气门杆背部的涡流噪声、排气系统管道内壁面的紊流噪声等，此外，排气噪声还包括废气喷和冲击噪声[22]。

现阶段排气噪声的控制策略主要是:
(1)从排气系统的设计方面人手，如合理设计排气管的长度与形状，以避免气流产生共振和减少涡流。

(2)废气涡轮增压器的应用可降低排气噪声，但最有效的方法还是采用高消声技术，使用低功率损耗和宽消声频率范围的排气消声器。

3.4风扇嗓声控制
风扇噪声是发动机中不可忽视的噪声源，尤其风冷发动机更为突出，在高速全负荷时甚至和进排气噪声不相上下。

它主要是空气动力噪声，由旋转噪声和涡流声所组成。

旋转噪声是由旋转叶片周期性地打击空气质点，引起空气的压力脉动所产生的。

涡流噪声是由于风扇旋转时使周围的空气产生涡流，这些涡流又因粘滞力的作用分裂成一系列独立的小涡流，这些涡流和涡流的分裂会使空气发生扰动，形成压力波动，从而激发出的噪声，涡流噪声一般是宽频带噪声[23~24]。

发动机的风扇噪声在低速运转时涡流噪声占优势，高速时旋转噪声占优势，风扇的转速越高，直径越大，风扇的扇风量就越大，其噪声也越高;风扇的效率越低，消耗功率越大，风扇噪声越大。

现阶段风扇噪声的控制策略主要是:
(1)适当控制风扇转速，风扇噪声随转速的增长远比其他噪声大。

(2)风扇叶片不均匀分布，叶片均匀分布会产生一些声压级很高的有调节器成分。

(3)用塑料风扇代替钢板风扇，能达到降低噪声和减少风扇消耗功率的效果。

(4)采用电子风扇。

可使发动机在适宜温度下工作，不仅能减少功率消耗，同时还能达到降噪的效果。

(5)风扇和散热器系统的合理设计。

3.5发动机舱嗓声控制
在发动机舱内安装吸音材料，可以有效的减少发动机舱内噪声向辐射。

3.6轮胎嗓声控制
可以采用多种花纹节距胎面，采用高阻尼橡胶材料，调整好轮胎的负载平衡以减少自激振动，以及采用变节距花纹的轮胎或在轮胎和车体之间增加隔振材料等措施。

3.7驱动系统噪声控制
可以通过减小齿轮传动中噪声不仅要从设计、生产制造工艺及加工情度等方面考虑，同时在维修中对于齿轮的安装应该注意其啮合间隙和印痕的调整。

四：噪声控制的方法
噪声控制主要包括从机械原理出发的噪声控制、从声学原理出发的噪声控制和主动控制[25]。

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。

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。

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而，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而的声辐射系数，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而的结构形状和附加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[26~27]。

4.1从机械原理出发的噪声控制措施
随着材料科技的发展，各种新型材料应运而生，用一些内摩擦较大的合金，高强度塑料生产机器零件，对于风扇可以选择最佳叶片形状降低噪声;齿轮改用斜齿轮或螺旋齿轮，啮合系数大，可降低噪声3-16dB;改用皮带传动代替一般的齿轮传动，由于皮带能起到减震阻尼作用;选择合适的传动比也能降低噪声。

随着材料科技的发展，各种新型材料应运而生，用一些内摩擦较大的合金、高强度塑料生产机器零件，对于风扇可以选择最佳叶片形状降低噪声;齿轮改用斜齿轮或螺旋齿轮，啮合系数大，可降低噪声3-16dB;改用皮带传动代替一般的齿轮传动，由于皮带能起到减震
阻尼作用;选择合适的传动比也能降低噪声。

4.2从声学原理出发的噪声控制措施
4.2.1吸声降噪
在任何有限的空间内，噪声源辐射噪声形成的声场都包含直达声和混响声两部分。

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，使混响声部大大降低，从而达到降噪的目的。

这种降噪方法叫做吸声法。

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.大量的研究和实验表明: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的改善[28]。

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，将产生振动，容器内的介质将产生压缩或膨胀变形。

当赫姆霍兹共振吸声器达到共振时，其声抗最小，振动速度达到最大，对声的吸收也达到最大。

吸声材料主要用在发动机壳体上来吸收和降低其声辐射效率。

在汽车发动机罩壳体内侧表而使用吸声材料时车内噪声降低效果，在500Hz以上的区域，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的吸声材料的基体的材料，用非织物进行表明处理，背后设计成空气层结构。

4.2.2隔声降噪
声波在传播途径中，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回去，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去，透射声能仅是入射声能的一部分。

由于反射与吸收的结果，从而降低噪声的传播。

对于发动机的噪声，可采用各种隔声材料和结构措施来隔离。

采用的隔壁面密度愈大噪声的频率愈高，隔声效果愈好。

由于在汽车设计上，质量受到限制，而隔壁本身振动会增加透过声能，所以在工艺上允许时，可采用双层隔壁以提高隔声效果[29~30]。

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而积质量有密切关系。

单位而积质量越大，其隔声量越高，同样厚度的钢板比铝板隔声效果好，同样材料的结构厚度大的隔声效果好，这个规律称为隔声的质量定律[31]。

双壁层就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。

在汽车中一般都采用发动机罩将辐射噪声强烈的发动机遮蔽起来，发动机罩就是一种典型的隔声罩。

根据隔声罩的封闭范围分成三种型式的隔声罩:全隔声罩、半隔声罩和局部隔声罩。

全隔声罩可用于机车发动机组降噪。

国际上已经成功设计出低噪声机组[32]。

汽车驾驶室和客车车厢都属于隔声室这类隔声装置。

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。

4.2.3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，从而达到减振的目的。

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而的潜力，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，减少因机械振动所产生的声辐射，降低机械噪声[33]。

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。

这是在汽车设计中普遍使用的另一种减少噪声的力、法。

在一些容易引起振动的饭金件上、如她板、顶盖、前围板等.涂以沥青、橡胶树脂等内耗大均高分子涂料,从而对噪声进行衰减处理一般涂料厚度可定为金属板厚度的2至3倍,而且必须粘附紧密才有效因此.在汽车设计上,车身内饰的采用.不但要考虑艺术造型及安全性对室内软化的要求,还要满足控制振动和噪声的要求,才能达到最佳的设计一效果。

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响。

4.2.4空气动力噪声的控制
它是由气体振动而产生的。

如汽车工作时,发动机及其附件的工作噪声、排气噪声、传动系和行驶系等噪声,就会以空气作媒介通过前围板及地板由车身外传人车内,此外当汽车高速行驶时,从窗周围以及车地板和前围板上的孔隙中透进空气的风啸声以及流经车身表面的局部凸起物(如流水槽、视镜、手柄等不光顺表面)产生的涡流而引起的风噪声。

消声器能有效地阻比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。