汽车振动与噪声控制-1概述.ppt

2019/8/12,1,汽车噪声分析与控制,2019/8/12,2,目前无十分合适的教材。参考书目有： 盛美萍等，噪声与振动控制技术基础，科学出版社 徐兀，汽车振动与噪声控制，人民交通出版社 1987 朱孟华 ，内燃机振动与噪声控制，国防工业出版社， 1995 何渝生，汽车噪声控制，机械工业出版社，1995 靳晓雄，汽车噪声的预测与控制，同济大学出版社，2004 庞剑等，汽车噪声与振动理论与应用，北京理工大学出版社，2006 赵玫等，机械振动与噪声学，科学出版社，2004 马大猷，噪声控制学，科学出版社，1987 马大猷，噪声与振动控制工程手册，机械工业出版社，2002,2019/8/12,3,专题书籍有： 王治国，MSC.ACTRAN工程声学有限元分析理论与应用，国防工业出版社，2007 陈克安等，声学测量，科学出版社 2005 周广林，扫描声强测量技术，哈尔滨工程大学出版社， 2007 蒋孝煜，连小珉，声强技术及其在汽车工程中的应用，清华大学出版社，2001 张绍栋，熊文波，噪声与振动测量技术，杭州爱华仪器有限公司，2005 （日）计量管理协会，噪声与振动测量，中国计量出版社，1990 王其政，统计能量分析原理及其应用 周新祥，噪声控制技术及其新进展，冶金工业出版社，2007,2019/8/12,4,主要内容,汽车与振动噪声概述 噪声控制的振动基础 噪声控制的声学基础： 声波基本方程、各参数间的关系 振动控制的基本措施 消振、隔振、吸振、减振 噪声控制的基本措施 消声、吸声、隔声,2019/8/12,5,第一章 汽车与振动噪声概述,1，声与噪声 2，振动 3，研究汽车振动噪声的意义 4，汽车的NVH问题 5，汽车发展与NVH技术进步 6，汽车的NVH 特征 7，汽车振动噪声分类 8，汽车振动噪声控制,2019/8/12,6,1，声（sound）与噪声（noise）,自然界中声是非常直观的一种物理现象，也是最早被人们认识的一种物理现象之一。 研究声的科学即为声学。 大约在19世纪中期，声学的基本理论已经达到了很完善的地步。 声学是当前非常活跃的学科之一，它的分支目前已经超过了20个，而且还有新的分支在不断的产生，因此声学被称为“古老而又年轻的学科”。 下图为声学的主要分支以及与一些基础领域的联系。 本课程关于声学方面，首先介绍一些声学领域的基础知识，而后介绍噪声学中的部分内容。,2019/8/12,7,2019/8/12,8,（1）声的描述量： 频率（frequency）、声压（sound pressure）、声强（sound intensity）、声功率（sound power）等。 频率在20Hz 20KHz之间的声波人类能够听到，为可听声（audible sound）。在该频率范围涉及对人们所需要的声音的研究（如音乐声学），也包括对人们所不需要的声音的研究（如噪声学）。 低于20Hz及高于20KHz声人们完全听不到吗？。 低于20Hz的声波为次声波(infrasound) ； 高于20KHz的声波为超声波(ultrasound) 。 次声波和超声波均难以称为噪声源。 只有可听声频域内结构的振动以及气体的脉动和涡流、空腔共鸣才能构成噪声源。,1，声与噪声,2019/8/12,9,不同声压级给人的感觉,1，声与噪声,2019/8/12,10,结构的振动是噪声产生的根源之一，因此，研究噪声时，常常将其与振动一起进行分析，对汽车来说，就是NVH（noise,vibration,Harshness)问题。 行驶时振动大的车辆往往噪声也大。因此，从汽车NVH问题的角度看，解决噪声不能头痛治头，脚痛治脚，而应该对车辆进行整体的考虑，例如要考虑到发动机、轮胎、弹性支承等诸方面。 结构的振动向周围的空间辐射声波。 振动还引起基础及相连的固体结构振动产生声波，如重型汽车的某些振动可能对频繁通过区附近的建筑物造成危害。 是不是所有的振动都能够产生噪声呢?,1，声与噪声,2019/8/12,11,在可听声频域内，（振动的两面性）振动可以产生刺耳的，对人有不良影响的噪音。振动也可以美妙动听的声音，如各种乐器的发声均是利用乐器结构的振动产生并放大。 通常人们将悦耳的声音称之为乐音，将不需要、会产生不利影响的声音叫做噪声。这是从主观感觉上进行区分。 从客观上乐音与噪音的区别在于具有不同频谱。 音乐：振幅和频率有明确的规律。 噪声：各种频率和振幅都无规律的声波的组合。 有没有可能将噪声通过改变变成乐音呢？,1，声与噪声,2019/8/12,12,噪声污染、大气污染、水污染和固体废弃物污染被称为环境方面的四大公害。大气污染、水污染、固体废弃物污染（电池、核废料）有一定的时间性，即污染源切断后，仍在一定的时间内保持有污染。 但是噪声源一旦停止则噪声污染也停止，所以噪声污染有其特殊性。,1，声与噪声,2019/8/12,13,噪声污染所导致的危害： 噪声对人的危害可表现在两方面： 心理方面：当人们在高噪声的环境下时，会感到心情烦躁注意力分散、反映迟钝、容易疲劳。从而造成工作和学习效率降低，引发工作中的差错，严重的会造成事故。 生理方面：长期暴露在高噪声的环境易于导致引起听力伤害（轻则高频听阈损伤，中则噪声性耳聋，重则耳鼓膜破裂）、另外还易于引发肠胃功能紊乱、心脏组织缺氧导致肠胃疾病和心血管疾病。 噪声可使机械设备、建筑等产生声疲劳。,1，声与噪声,2019/8/12,14,噪声污染是工业化所带来的直接后果，随工业发展进程的加快，噪声污染所涉及的范围仍不断扩大，同时随着生活水平的提高，对环境的要求越来越高，所以为噪声的控制提出了更高的要求。 汽车领域对交通噪声的控制和乘坐舒适性要求均日益严格。如对汽车等机动车辆，国家制定了“汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法”国家强制标准GB14952002，例如轿车允许的车外加速噪声74dB。随着国家强制性标准中噪声要求的提高，了解如何对（汽车的）噪声进行控制的意义显而易见。 噪声方面，本课程将学习声学基本知识以及噪声控制的基本措施：包括消声、隔声、吸声等。,1，声与噪声,2019/8/12,15,振动物体在一定位置附近随着时间作往复运动，称为机械振动。更广义的讲，物体或某种状态随着时间往复变化的现象，称为振动。 地面上的汽车、火车、拖拉机； 地下的地铁；空中的飞机；海洋中的舰船； 各种乐器的发声 空间存在的电磁波；（收音机的调台是利用电磁共振的原理） 建筑、桥梁受到激励也会振动； 洗衣机、电冰箱一旦启动，振动就始终伴随； 就人体本身，心脏的跳动、肺的呼吸、脑电的波动,2，振动,2019/8/12,16,振动的描述量： 振幅（位移、速度、加速度）、频率、 相位 振动的分类： 按响应性质分类： 确定性振动：确定性系统受到确定性的激励其响应也是确定性的。如不平衡转子激起的振动。 确定公式进行描述，可预测的。 随机振动：即使是确定性系统，在受到随机激励时，系统的响应也是随机的。例如汽车在路面上奔驰所受到的路面激励为随机激励。 不可预测，只能分析其统计特性,2，振动,2019/8/12,17,按振动产生的原因分类： 自由振动(free oscillation)：弹性系统具有初始位移或初始速度，此后不再受外界激励的情况下所发生的振 动。可用于分析系统的固有特性参数。 受迫振动(forced oscillation）：弹性系统在外界激励下发生的振动，外界激励是周期性的或交变的。 如：不平衡转子引起的振动，汽车行驶在不平路面激励下的振动等 包括确定性振动、随机振动,2，振动,2019/8/12,18,2，振动,2019/8/12,19,自激振动：作用在系统上的非周期性激励（或不变激励）被系统本身的振动变为周期性激励，把能量断续地输入到振动系统当中，从而维持或发展系统的振动。振动停止，激振源即停止。（摩擦、空气动力）,2，振动,2019/8/12,20,2，振动,2019/8/12,21,参变振动：通过周期或随机地改变系统的特征参数来实现。,2，振动,2019/8/12,22,按自由度多少分类： 单自由度系统振动：若仅考虑汽车的垂直振动且忽略汽车 前后悬挂质量的差别，忽略非悬挂质量的振动，可 以将汽车简化为单自由度模型进行分析。 多自由度系统振动：若考虑汽车的垂直振动，考虑非悬挂 质量的振动，同时考虑其俯仰运动，则至少需要将 其简化为四自由度模型。 弹性体振动：无穷自由度。由于许多情况下弹性体振动无 解析解，目前多采用有限元的方法将连续的弹性体 划分为若干离散单元的组合体进行研究。,2，振动,2019/8/12,23,按振动位移特征分类： 角振动：如车架的扭转振动，轴的扭转振动 直线振动：如车辆的垂直振动 按系统结构参数特性分类： 线性振动：如振动系统的质量、刚度、阻尼均不随系统运 动参数而变化，且弹性力、阻尼力均可简化为线性 模型，该系统发生的振动为线性振动。 非线性振动:凡是不能简化为线性系统的振动系统都为非线 性系统。如采用可变刚度的钢板弹簧时汽车振动为 非线性。 （参变振动为非线性振动）,2，振动,2019/8/12,24,工程中有大量的振动问题需要人们去分析解决，无论是什么振动问题，一般来说，都是在激励、响应、系统特性三者之间已知两个求第三个。通常将振动问题主要包括以下三类。 振动分析：已知激励与系统特性，求系统响应。 振动环境预测：已知系统特性及系统响应，反求激励。 系统识别：已知激励及系统响应，来确定系统的特性。 对系统识别问题的另一种提法是：在一定的激励条件下，如何设计系统的特性，使得系统的响应满足指定的条件，这也称为振动设计。,2，振动,2019/8/12,25,当遇到车厢噪声大时，一般考虑加强车厢隔音技术和材料，而对真正的噪声发生源可能无能为力，要从根本上减少噪声，就会涉及发动机、悬置及车架等的设计问题，因此，NVH问题实质是汽车设计中要解决的问题，而不是汽车试制或进入市场后要解决的问题。,2，振动,2019/8/12,26,为什么许多情况下要对振动进行控制？ 振动能够产生噪声，噪声会干扰人的工作和健康。 各类振动特别是1100HZ的低频振动直接对人有影响。长期暴露于强振环境，人的机体会受到损坏。 机械设备或建筑结构会受到破坏，任何结构承受动态载荷的能力均低于其承受静态载荷的能力。大幅度的振动将导致结构承受大的动态应力，容易产生疲劳破坏。 （振动疲劳、声疲劳） 为什么振动会对人体造成危害？,2，振动,2019/8/12,27,人体是一个复杂的系统，该系统包含着若干线性和非线性部件，人与人在身高、体重、骨骼、肌肉等方面有很大差别，所以各部件的性能也各不相同。但各部件有各自的固有频率，当激振的频率与固有频率相近时发生共振，这将使人很不舒服，甚至会使身体受到伤害。,2，振动,2019/8/12,28,2019/8/12,29,人能感受到的振动频率范围为1100Hz。根据人的感受将振动按频率划分可分为三类振动： 低频振动 130Hz 中频振动 30100Hz 高频振动 100HZ以上 实验表明人对频率为212Hz的振动感觉最敏感。高于12低于2Hz则敏感性逐渐降低。这是因为人体许多器官的共振频率分布在此频率范围内。对人最有害的频率是与各器官的固有频率相吻合的频率。 例如人肢体在6Hz；内脏器官在8Hz附近；7Hz左右对大脑和神经的影响较大等。人体感觉最舒服的频率：1.6Hz散步的频率。故乘坐舒适的轿车频率在1.6Hz附近。,2，振动,2019/8/12,30,由于人体的身体素质、年龄以及心理上的千差万别，对振动的敏感程度也不同，导致评价振动对人体的影响比较复杂，国际标准化组织（ISO）在综合了大量资料的基础上提出了ISO2631/11985 人体承受全身振动的评价，在1997年又做了修正，公布了ISO2631/11997。 关于汽车纵向振动要求的平顺性，中国也制定了相应的标准QC/T474-1999，即原GB/T12471-90。,2，振动,2019/8/12,31,振动的危害是多方面的，它损害或影响在振动环境内工作人员的身体健康和工作效率，对仪器、设备和建筑物造成损坏，特别是结构发生共振时，很容易导致结构的疲劳破坏。 振动除了有害的一面，也有有利的一面。例如：振动压路，振动捣实，振动筛选，振动打桩等等，通过学习振动规律可以利用有益的振动，控制有害的振动。 本课程将学习振动的基本理论以及振动控制的基本措施：包括消振、隔振、吸振、减振。,2，振动,2019/8/12,32,汽车可以看做是一个弹性振动系统，整个系统按照各总成部件又分成多个“弹性振动子系统”。当汽车因路面凸凹不平、发动机及传动系抖动或车轮不平衡而受激振动时，汽车作为弹性振动系统发生振动，同时由于结构振动、空气动力性以及空腔共鸣等原因将产生噪声。 汽车的振动噪声影响乘用舒适性。对于驾驶员大的振动与噪声将导致其疲劳，影响工作效率甚至行车安全。对于军用车辆，如坦克装甲车等，大的振动与噪声直接导致士兵的作战能力下降。 振动对舒适性直接产生影响的量：振动加速度、频率 噪声对舒适性产生直接影响的量是声压、频率,3，研究汽车振动噪声的意义,2019/8/12,33,汽车噪声对环境噪声影响很大。城市机动车辆的剧增使其成为城市的主要噪音源。且由于机动车辆的噪音是流动的，干扰范围大。 目前对于汽车的振动和噪声国家已有明确的标准，例如：GB1495-2002，不达标准的汽车不能投放市场。 振动和噪声大的汽车，顾客不满意，该汽车也将失去市场竞争力。 由于上述各方面原因，对汽车的振动、噪声进行控制非常必要而且刻不容缓，否则产品将失去市场。,3，研究汽车振动噪声的意义,2019/8/12,34,国际汽车企业非常重视汽车的NVH。以汽车王国美国的通用汽车公司（全球最大的汽车企业）为例，设计人员中有1/31/4、CAE人员中有1/3，试验人员中1/2与NVH有关。 国内目前对汽车噪声、振动的研究也已经比较重视，但相比之下对汽车噪声方面的研究还很不系统，难以有效地指导产品开发。因此，我国汽车行业面临的噪声研究工作任务是繁重的，也是非常紧迫的。,3，研究汽车振动噪声的意义,2019/8/12,35,（1）汽车性能 安全性； 可靠性； 噪声与振动（NVH)； 动力性能； 燃油经济性能； 排放与环境性能； 发动机控制与调节性能； 空调系统性能； 电子系统性能等。,模型制作； 装配工艺； 成本控制； 质量控制； 重量控制等,4，汽车NVH问题,2019/8/12,36,汽车界将噪声、振动与舒适性的英文缩写NVH（Noise、Vibration、Harshness）统称为车辆的NVH问题。,4，汽车NVH问题,2019/8/12,37,4，汽车NVH问题,（2）什么是NVH,噪声（Noise ）指的是顾客所能听到的声音 声音的频率大体上在20赫兹到10000赫兹之间。 通常用声音的频率、声级和音质来描述。 振动（Vibration）指的是顾客所感觉到的和看到的。 身体所能感知运动的频率范围通常在0.5赫兹到50赫兹之间。 通常用频率、振幅和振动方向来描述。 不舒适性（Harshness）指的是噪声和振动的综合影响。 粗野的，刺耳的或不和谐的感觉。,2019/8/12,38,NVH必须满足法规的要求。 NVH应该使乘员驾驶时有安全感和自信。 在各种工作环境。 在各种路面。 NVH应该避免任何不好的感觉。 令人不愉快的，粗俗的，意料之外的和令人讨厌的事情。 NVH应该能超过顾客的期望值。,（3）NVH的目标,4，汽车NVH问题,2019/8/12,39,早期对汽车NVH的抱怨与要求 发动机功率低，在城市道路低速行驶，噪声大。 汽车可靠性、动力性问题更为突出，噪声处于次要地位。 汽车技术进步带来NVH问题 发动机功率不断提高，噪声与振动增加，问题日益突出，已经成为四大污染之一（空气污染，水污染，噪声污染，固体废弃物污染）。 噪声与振动已经成为汽车产品开发工程中的主要问题。 为创造一个良好的环境，减少噪声污染，出台控制噪声的法规，并日益加严。,（4）汽车发展与NVH,4，汽车NVH问题,2019/8/12,40,各国汽车标准的发展趋势,4，汽车NVH问题,2019/8/12,41,我国噪声限值体系发展趋势： 1979年车外最大噪声，1996年增加了定置噪声要求； 1997年增加车内最大噪声限值、驾驶员耳旁声级和喇叭的声级。 机动车的噪声限值体系，由开始的车外扩大到车内，驾驶员耳旁等，噪声限值体系进一步完善。 我国噪声限值的发展趋势 轿车车外最大噪声由85年的82dB发展到2005年以后的74dB； 小型货车车外最大噪声也从85年的84dB降到2005年以后的76dB;等 噪声限值下降幅度十分巨大，噪声要求成倍加严。 标准限值体系与国际要求接轨 与世界先进水平的差距缩小，但还落后8年左右，噪声限值相差25Hz,4，汽车NVH问题,2019/8/12,42,（5）汽车NVH与消费者满意度,媒体对FORD产品的正面评价 “ Fiesta有一台令人惊讶的安静而且舒适的发动机” “F-150是乘坐舒适安静的4.6升发动机汽车” 即福特的嘉年华轿车和F-150皮卡把振动和噪声的优良性能作为卖点。 媒体对汽车所抱怨的事情 20%30%抱怨的产生都是与NVH有关系的。,4，汽车NVH问题,2019/8/12,43,4，汽车NVH问题,（6）NVH与汽车生产商的利益,FORD的统计： 1529%的保修的费用是花费在与噪声有关的。 1994年型车，3年的在用车，在噪声方面的保修费用为3.46亿美元占总费用的18%。,2019/8/12,44,4，汽车NVH问题,NVH研发的成本 综合成本明细 样机花费的组成 （TASE+安全+NVH）,Total Cost=$303M (Base on TASE,Safety,NVH Cost of Attribute Studies 总支出=3.03亿美元 （基于TASE，安全，NVH的研究费用）,2019/8/12,45,因此， 整车约有1/3的故障问题和NVH问题相关； 近20%的费用消耗在解决车辆的NVH问题的研发和保修上。,4，汽车NVH问题,2019/8/12,46,5，汽车发展与NVH技术进步,（1）汽车发展与噪声振动改进方法 20世纪60年代以前，基于试验与简单计算。如进排气系统使用Helmholtz消声器模型简单计算设计。 80年代后，计算机技术发展，模态综合技术应用； 有限元法主要解决低频问题； 高频问题，模态密度非常高，出现了统计能量法，90年代后得到飞速发展，已经成为解决高频问题的主要方法。 中频问题一直是个难题，直到90年代，各种混合法、偶合法，才使问题的解达到一定得精度。但还是与低频高频问题有差距。,2019/8/12,47,（2）汽车发展与噪声振动分析软件 汽车高速运动，车身与空气相互作用产生空气动力噪声； 气体在进排气管中高速流动产生摩擦噪声； 流体力学（CFD）发展； 出现CFD与声学混合的软件，用来计算分析流动引起的噪声和管道流场与噪声； 90年代一维和三维计算流体声场的软件逐步成熟，出现了如ANSYS;MSC.NASTRAN;MSC.ACTRAN;LMS-SYSNOISE等软件。,5，汽车发展与NVH技术进步,2019/8/12,48,（3）噪声振动控制技术 60年代，汽车噪声振动的主动控制研究开始； 90年代，随着控制技术的发展和成本的降低，主动和半主动控制开始应用来降低汽车的噪声与振动。 主动振动控制主要应用在发动机的隔振上 噪声控制主要在进气系统、排气系统和车内噪声控制上 吸声材料、隔声材料和阻尼材料应用，取得良好的吸声和隔声效果。 为抑制噪声辐射，双层板结构在排气管和消声器外壳中得到应用； 为减小某个频率的振动，动力吸振器在汽车很多部件上得到应用。,5，汽车发展与NVH技术进步,2019/8/12,49,（4）噪声振动测试技术 早期，声级计、加速度传感器等进行简单的噪声振动测量，学习机械工程测试技术； 电子技术与信号处理技术发展，频谱分析大量应用，倍频程、1/3倍频程、1/12倍频程等用于分析。 相干分析、相关分析应用到信号分析和噪声振动源的识别。 声强测量、小波分析、倒频谱法、声全息方法等新的测试和分析技术的应用，使研究手段先进。,5，汽车发展与NVH技术进步,2019/8/12,50,（5）汽车发展产生新的噪声振动问题 主要噪声振动源的性能改善后，使次要噪声振动源突出，降低系统和零部件噪声振动的要求越来越重要； 汽车结构轻量化，使汽车的噪声振动特征发生了变化，带来了新的挑战； 新的动力系统问世，如混合动力、燃料电池、变汽缸发动机、变气门发动机等，其噪声振动特点与传统汽车相差较大。,5，汽车发展与NVH技术进步,2019/8/12,51,6，汽车NVH特征,（1）汽车设计与NVH分析需考虑的四要素 政策法规必须满足。否则政府不给发生产许可证，就无法销售； 顾客的要求的分析。开发设计前进行调查，得到顾客（现实顾客和潜在顾客）的要求，找出市场标杆。 技术标杆分析。确定市场定位和竞争对手后需对竞争车型进行全面剖析，当然包含分析NVH性能，以制定相关NVH性能指标。 自身技术能力分析。分析有无技术实力实现相关指标。制定整车噪声与振动指标。 如：驾驶员与乘客耳朵处的噪声大小；方向盘的振动大小；地板的振动大小；椅子的振动、后视镜的振动等。 指标分解：分解到系统、子系统，再到零部件， 如系统：动力系统，车身系统等 子系统：发动机子系统，进气子系统，排气子系统等； 零部件：如排气子系统中，消声器的传递损失，挂钩隔振器的传递率等,2019/8/12,52,（2）汽车NVH特点 特点之一：噪声与发动机转速、汽车行驶速度有关。低速时，发动机为主要噪声与振动源； 中速时，轮胎和路面的摩擦为主要噪声和振动源； 高速时，车身与空气之间的摩擦为主要噪声与振动源。,6，汽车NVH特征,2019/8/12,53,（2）汽车NVH特点 特点之二：不同的噪声振动源有不同的频率范围。 低频时，发动机是主要噪声振动源，路面与轮胎摩擦和车身与空气摩擦的贡献随着频率增加而增加； 中频时，变速箱和风激励噪声占主导成分； 高频时，主要考虑的是说话和听话的声音是否清晰，即所谓的声品质问题。,6，汽车NVH特征,2019/8/12,54,7，汽车振动噪声分类,（1）汽车振动噪声分类 按频率分：低频问题、中频问题和高频问题。 按专题分：摩擦噪声、风激励噪声、机械噪声等。 按路径分：源传递途径接受体 按汽车结构分类： 动力传动系统的振动噪声 发动机及其附件的振动噪声； 动力子系统的振动噪声（包括管道、排气，动力装置) 车身与整车振动噪声 包括结构振动与结构噪声，风激励噪声，整车低频振动，整车噪声与振动传递途径分析，模态综合分析等,2019/8/12,55,（2）发动机的振动噪声 据统计分析，发动机振动噪声占整车的55%，是最重要的振动噪声源。 发动机的振动源：主要来自气缸内周期变化的气体压力，曲柄机构运动产生的惯性力。 汽缸内气体爆炸产生交变压力，作用在曲柄销上； 活塞、连杆、曲柄等运动产生惯性力和惯性力矩 多缸机惯性力可以平衡，但惯性力矩很难平衡； 曲柄的扭转振动和弯曲振动 进气排气阀机构振动等