（载运工具运用工程专业论文）汽车车内噪声的预测与控制.pdf

摘要 摘要 研究汽车车内噪声问题是一个具有极强实际意义的问题，车内噪声是评价 汽车n v h ( n o i s ev i b r a t i o na n dh a r s h n e s s ) 特性的重要指标。随着现代汽车技术的 不断发展，要求汽车的速度越来越高，质量越来越轻，这就更进一步增强了车 内噪声。所以汽车的噪声问题已引起国内外相关科技工作者的极大关注，并投 入大量人力物力进行研究。 在不同的研究方法中，声固耦合振动分析及噪声控制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。因此对结构振动与空腔声学耦合的研究是降低车内噪声，特别是低频噪声 的重要手段，它是声场优化、车身结构动力修改和声学c a d 的基础。 论文研究所涉及的主要内容为：通过道路试验数据深入分析汽车车内噪声 产生机理、噪声频率特性和对车内噪声贡献最大的主要噪声源。建立客车车身 的有限元模型、车内空腔有限元模型和车内空腔及声固耦合有限元模型，用 a n s y s 软件进行模态分析，将结构振动和声学系统结合起来进行整个客车振动声 学系统研究。运用m a t l a b 软件，建立客车悬架系统7 自由度振动模型和发动机 振动模型，计算客车在不平路面匀速行驶情况下悬架和发动机对车身的激振力。 将仿真得到的激振力施加到车身声固耦合有限元模型上，对该耦合系统进行车 内噪声1 3 倍频程的谐分析。根据试验和计算机仿真计算结果，以对客车增加吸 声材料及修改车身结构为主，对车内嗓声进行优化降噪，并取得了较好的效果。 这些研究工作，是对我国汽车产品噪声控制的有益探索，将为今后进一步 开展这方面的工作打下一定的基础。 关键词：振动，噪声，有限元，模态分析，声固耦合 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es t l l d yo ft h ev e h i c l ei n t e r i o rn o i s eh a sa l li m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n ga n d i n t e r i o rn o i s ei sa ni m p o r t a n ti n d e xt oe v a l u a t et h en v h p e c u l i a r i t y t h ed e v e l o p m e n t o ft h em o d e mt e c h n o l o g ym a k e st h ea u t o m o b i l e sm o r ea n dm o r ef a s ta n dl i g h t ，b u t w h i c he n l a r g et h en o i s ea tt h es a m et i m e s oi th a sg r e a t l ya t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no f s c i e n t i s t sa n dr e s e a r c h e r sw h oa 舱i nr e l a t i v ef i e l d sa l lo v e rt h ew o r l d t h e yd e v o t e d l o t so f m a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e si ni t a m o n gt h e s ed i v e r s em e t h o d s ，t h en o i s ec o n t r o la n dc o u p l i n gs o u n df i e l db a s e d o nt h ev i b r a t i o na n a l y s i sh a sar a p i dd e v e l o p m e n ti nb o t ht h e o r e t i ca n da p p l i c a t i o n b a s e do nt h i s ，t h eo p t i m i z a t i o no f s o u n df i e l di sad e v e l o p i n gd i r e c t i o n t h e r e f o r e ，t h e s t u d yo nt h ec o u p l i n gb e t w e e ns t r u c t u r a lv i b r a t i o na n dc a v n mn o i s eh a sr e a l s i g n i f i c a n tt od e b a s et h ei n s i d en o i s eo ft h ea u t o m o b i l e ，e s p e c i a l l yi nl o wf r e q u e n c y b a n d i tb e c o m e st h ef o u n d a t i o nf o ro p t i m i f i n gs o u n df i e l d ，m o d i f y i n gb o d y w o r k s t r u c t u r ed y n a m i c a l l y , a n dr e a l i m n ga c o u s t i c a lc a d t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r cf i t sf o l l o w i n g ：a n a l y s e dt h eo r i g i n s ，t h e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h em a i nf o u n t a i no ft h ei n t e r i o rn o i s eb yt h ed a t af r o m r o a de x p e r i m e n t a t i o n s ；f o u n d e dt h ef e mm o d e lo fb o d y w o r k c a v l l ma c o u s t i c s m o d e la n dc o u p l i n gm o d e l ，a n da n a l y s e dt h em o d e so ft h e mb yt h ea n s y ss o f t w a r e ； f o u n d e dt h e7f r e e d o mm o d e lo ft h eb u ss u s p e n s i o ns y s t e ma n dt h ee n g i n ev i b r a t i o n m o d e li nm a a b a n dg o tt h ef o r c e st ob o d y w o r ka tt h es a m et i m e t h e nb r o u g h tt h e f o r c et ot h ef e mc o u p l i n gm o d e lt oc a r r yt h r o u g ht h eh a r m o n i ca n a l y s i so f1 3 f r e q u e n c yo r d e r ；o p t i m i z e dt h ei n t e r i o rn o i s ep r e s s u r eb ya d d i n gs o u n da b s o r p t i o n m a t e r i a la n dm o d i f y i n gt h ec o n s t r u c t i o no ft h eb o d y w o r kw h i c hw a st e s t e dt ob e e f f i c i e n c y t h e s er e s e a r c h e sa r ec o n d u c i v e l ye x p l o r et ov e h i c l en o i s ec o n t r o lo fo u rc o u n t r y s a u t o m o b i l ep r o d u c t sw h i c hc a nf o u n daf o u n d a f i o nf o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ：n o i s e ，v i b r a t i o n , f e m ，m o d ea n a l y s i s ，a c o u s t i c - c o n s t r u c t i o nc o u p l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书面 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名日期：州参，厂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规 定，即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借 阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：壹墨导师签名：乙龇日期：之翌! ：! ：f ， 嫩 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 声场设计和噪声控制，是工程中相当普遍而又重要的问题，车辆乘座室( 舱 内1 的n v h 特性是影响乘客乘坐舒适性的最重要因素之一。近年来，随着人们 环境意识的增强以及对乘坐舒适性要求的不断提高，其乘座室内噪声问题越来 越引起人们的高度重视。随着高速数字电子计算机的出现和其性能的逐步提高 及有限单元方法的发展，数值分析方法的应用领域越来越宽广1 1 j ，声场及其与结 构耦合系统的数值分析在汽车工业等有着广泛的应用【2 “。 本课题结合大型结构分析软件a n s y s 中的声学( a c o u s t i c s ) 分析功能，来研究 客车车内声场结构耦台系统的声振特性，开发具有车内低噪声的新产品。本章 将对本课题的选题依据及研究概况作一概述。 本课题研究工作是河北省科技攻关项目客车振动声学系统新技术研究 r 项目编号：0 3 1 0 8 4 8 1 a ) 课题的部分内容。 1 。2 选题背景及意义 随着我国社会经济的快速发展，汽车保有量迅速增加，交通噪声日益成为 污染城市环境、降低工作效率、引起工伤事故和危害工作人员身心健康的主要 因素，成为威胁人类生存的三大公害之一p ”。 根据资料统计，交通噪声是目前城市环境中最主要的噪声源。汽车噪声约 占整个环境噪声的7 5 。噪声的危害是多方面的，它能使人们的听力下降，甚 至耳聋。噪声也能诱发一些其他疾病，噪声作用于人的中枢神经系统，能使大 脑皮层兴奋，抑制功能失调，产生头晕、耳鸣、心慌、失眠、昏晕等症状：当 然噪声更能影响人们的正常工作、学习和休息。据我国4 7 个城市噪声调查资料， 白天平均声级为5 9d b ( a ) ，夜间为4 9d a ( a ) 。道路交通噪声绝大部分超过7 0 d b ( a ) ，平均达到7 4d b ( a ) 。城市人口有2 ，3 暴露在较高噪声环境下，有近3 0 在难以忍受噪声环境下生活( 一般认为超过5 5d b ( a ) 是较高噪声环境，6 5d b ( a ) 以上是难以忍受的噪声) 。实验证明，4 0d b ( a ) 的噪声对睡眠过程中人们的内分 泌系统就有一定影响；4 5d b ( a ) 的噪声对正常人的睡眠有影响：5 0d b ( a ) 以上的 噪声可使人们讲话可懂率下降：6 0d b ( a ) 以上的噪声可妨碍正常讲话；6 5d b ( a ) 第一章绪论 以上的噪声使电话通话较困难；8 5d b ( a ) 的噪声使电话通话无法进彳亍。因此控制 和降低汽车噪声是减少环境噪声污染的最根本途径。 许多国家的政府都很重视噪声控制工作，颁布了有关的行业法规，成立了 噪声控制的专门机构；例如，美国汽车工程师协会( s a e ) 提出重载汽车驾驶室噪 声不应超过8 8d b ( a ) ，小客车噪声应低于7 0 d b ( a ) 。原苏联的国家标准( 1 9 7 4 ) 中 规定：旅游大客车内腔噪声不应超过7 5d b ( a ) ，轿车不应超过8 0d b ( a ) ，载货和 大客车驾驶室不应超过8 5d b ( a ) 等等。我国对车内噪声研究不多，还没有较为 系统的限值标准，在g b 7 2 5 8 1 9 9 7 机动车运行安全技术条件l s 】和汽车定 型试验规程的补充规定( 2 0 0 l 版) 中，规定了客车车内噪声不得超过8 2d b ( a ) ， 大型豪华客车车内噪声不得超过7 8d b ( a ) ：g b 7 2 5 8 - - 2 0 0 4 ( 报批稿1 不得超过7 9 d b ( a 1 。另外，我国交通运输业的飞速发展对汽车的需求量急剧增加，为了适应 新形势的需要，加快了轻型车、客车、轿车的开发和生产，推出了轻型车、大 客车、轿车等系列车型。这些车型具有高动力性、高经济性、高可靠性等特点， 但乘坐舒适性差、车身振动严重、噪声超标，由此带来的噪声问题变的越来越 突出，车内噪声污染已成为困扰乘用车发展的因素之一。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，这些问题的存在严重地损害了产 品的形象，影响了国产车的声誉。 此外，随着我国加入w t o ，汽车工业将面临残酷的存亡竞争，如果不革新 技术，改造现有的落后车型和开发具有自主知识产权的新车型，势必会让国外 产品抢占市场，这将对我国的汽车工业产生巨大冲击。因此，如何改善车辆内 部乘员室声学环境，降低车内嗓声水平成为各国政府和车辆生产厂家共同关注 的问题。所以研究降低车内噪声，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。 1 3 国内外研究现状 在国外汽车行业中，为了保持产品的竞争能力，节约能源、符合越来越严 格的污染控制标准及满足用户对客车舒适性和外形多样化等方面的更高要求， 汽车制造厂商在产品的开发设计中竞相采用计算机辅助分析方法，在汽车设计 阶段可以预测产品的振动、噪声特性。他们在8 0 年代已开始用声学有限元方法 来分析空腔共振频率和声学振型，以及乘客室内的振动响应，9 0 年代，有限元 方法已经应用到了整个结构声学车辆系统，即包括发动机舱、乘客室、行李舱 和乘客室内的空气模块的整个系统。2 0 0 3 年5 月份的s a e 噪声和振动会议的研 究显示，从1 9 8 0 年至2 0 0 0 年车内噪声水平以每年平均0 3d b 的速度下降。随 一2 一 第一章绪论 着车辆噪声的越来越低，像通用、戴姆勒克来斯勒等汽车公司，现在的控制目 标不再是降低或消除某一种或两种噪声而是调整和平衡各噪声，以使汽车的整 个n v h 特性趋于协调。此外，各汽车公司与大型软件商联合开发n v h 交互仿 真工具，该软件可以与c a e 软件一起综合测试数据，来预测动态模型以论证设 计中的汽车n v h 性能。像美洲虎轿车与m s x 国际公司和m t s 系统供应商的合 作等【9 】。 近二十年来，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。在我国，关于车内噪声分析及测试的研究 近l o 年才得到重视。长春汽车研究所、清华大学等单位进行了汽车传动轴、发 动机安装位罱对货车振动的影响等研究，同济大学汽车工程系应用有限元方法 分析了轿车室内噪声”2 】。吉林大学也进行了轿车车内噪声的仿真分析眇1 4 l 。 江苏大学对高速气流对车内噪声的影响做了初步分析。 对车内噪声的控制综合起来大致可分为被动控制、主动控制和基于声固耦 台振动分析的声场优化与结构动力学的修改。 在内腔噪声的被动控制方面，现有的文献很多【l “”】。例如，英国谢菲尔德 工学院的l i n gmk ，研究了一种由钢板、泡沫聚氨酯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 最大小和泡沫聚氨酯压缩模数对隔音层效果的影响。近年来，我国对不同车型 的车内噪声被动控制技术也进行了大量的研究并取得了一定的成绩。并且研制 出各种先进的吸声、隔音材料( 像泡沫铝、不同压缩模数的复合板、穿孔板) 。马 大猷主编的噪声与振动控制工程手册详述了各种吸声、隔声材料的材料特 性、各频率下的吸声系数等，对工程实践有着重要的指导意义；吉林大学和南 京理工大学分别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 海铁道大学提出了将吸声材料的声抗率转化到声阻率中去的当量声阻率，这样 既能简化计算，又能保证具有较高的计算精度。 由于吸声材料对高频噪声的作用较为明显，而对低频噪声的效果不佳，所 以其在噪声控制的应用方面有定的局限性。 振动控制中，降低低频噪声和低频振动一直是既困难成本又高的工程。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。有源噪声控制( a c t i v en o i s ec o n t r o l 简称a n c ) 方法是近年来发展起来的一种全新的噪声控制方法。与传统的降噪技 术相比其突出的优势在于对低频噪声控制效果好及对原系统的附加质量小，因 此近年来主动噪声控制在降低低频噪声中得到了广泛应用。 3 第一章绪论 有源噪声控制是在指定区域内人为地、有目的地产生一个次级声信号去控 制初级声信号，以达到降噪目的的技术，依据的原理是两列声波干涉相消原理。 若次级声源产生与初级声源的声波幅值相等、相位相反的声波，则与该区域内 的原始声场相互抵消就达到了降噪的目的。该项技术早在3 0 年代由德国物理学 家l u e g 提出并申请了专利。但由于当时电子技术水平的限制，这一创造性设想 并未变成现实。直到6 0 年代末由于电子技术和信号处理技术的飞速发展对 有源降噪技术的研究才又重新兴起。 封闭空间声场的有源控制研究是从8 0 年代中期才开始进行的。英国i s v r 的n e l s o n 等人在封闭空间有源消声理论研究和技术方面作了大量工作，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。 美国l o c k h e e d 公司首先对螺旋桨发动机客舱的有源降噪进行了试验研究。 通过放置在一些区域的传声器拾取一定的噪声信号，通过计算机处理，产生所 需要的次级源抵消信号。他们在使用正弦信号作为模拟噪声信号的情况下，在 2 0 0 一l0 0 0h z 的频率范围内，在降噪区域获得了8 1 4 d b 的消声量。该公司1 9 8 8 年的研究报告报道了对上述机舱消声实验作了进一步的研究，取得了局部空间 的降噪效果。其方法就是利用h u y g e n s 原理，在螺旋桨发动机与机舱之间设计 了一个由4 个声学装置构成的次级声源阵列，并且都独立地受计算机控制。通 过使用次级声源阵列，在机舱某一范围内取得了明显的降噪效果，越靠近次级 声源降噪效果愈好。 同年，英国s o u t h a m p t o n 大学p a n e l s o n 和s j e l l i o t t 等人在b a e 7 4 8 型 双螺旋浆推进器飞机机舱内进行了一次有源降噪的飞行实验，成为封闭空间有 源降噪一次典型的成功范例。实验用的控制系统由产生抵消噪声的若干扬声器、 测量剩余噪声信号的若干传声器、推动扬声器的若干控制信号及一个使系统对 噪声源锁褶的传声器组成。所用豹控制器是由t o p e x p r e s s 公司组装的模块化结 构仪器，可产生2 4 个控制信号，并可测量7 2 个剩余噪声信号。用2 4 个控制信 号推动2 4 个扬声器。传声器测量剩余噪声场，控制器用这些信息修正送至扬声 器的信号。为了使系统能跟随螺旋桨噪声的变化和机舱环境的变化而变化，这 种修正是很必要的。他们的试验结果表明，对螺旋桨产生的噪声，在8 8h z 和两 次谐波1 7 6h z 、2 6 4i - i z 处，其舱室总的声势能分别降低1 3d b 、9d b 、6d b 。试 验结果与理论预测是吻合的。这次试验是有源降噪研究领域公开报道的规模最 大、降噪环境最复杂、技术水平最高的试验，它证明了有源降噪技术应用于实 际工程( 尤其对车内低频噪声实旋控制) 是完全可能的。 8 0 年代末期发展起来的采用自适应滤波方法的自适应有源降噪技术可实 一4 一 第一章绪论 现选择性降噪，并能自动跟踪声场参数和噪声源的变化，可有效解决车辆上传 统降噪措施对同一型号车辆治理中存在的高散度问题。国外一些汽车公司及研 究机构于8 0 年代后期开始尝试将有源降噪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1 9 9 1 年在其新型b l u eb i r d 轿车上开始装 备有源降噪系统，可降低车内噪声5 6d b 。 1 9 8 4 年，美国通用汽车公司的j o s w a l d 采用自适应有源降噪方法研究了柴油 车驾驶室的有源降噪问题。系统由分立无件构成，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、倒相处理，反馈给次级电 声系统，产生抵消处噪声的反噪声。声学部分采用单次级源、单监测传声器。 试验结果表明，对由发动机几个低阶谐量引起的室内低频噪声降噪效果明显， 可使谐阶噪声仅高出本地噪声5 7d b ，并研究了降噪点周围噪声波长1 4 的降噪 区域。但由于系统跟随时间比较长( 约为2s ) ，尚不能反映车速变化的降噪要求。 1 9 8 7 - 1 9 9 0 年，英国l o t u s 汽车公司与i s v r 合作，将自适应有源降噪技术 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30 0 0 50 0 0r m i n 范围内明显地 降低了车内低频发动机谐阶噪声，可降低车内轰鸣声( 对应发动机点火频率谐阶 噪声) 1 0d b 左右。由于采用了多个监测传声器和次级声源，降噪区域较大，跟 随时间短，能快速跟随车内低频发动机谐阶噪声的变化。 国内开展有源降噪技术研究相对较晚。沙家正等从1 9 7 9 年开始对管道有源 降噪进行研究：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对有源降噪及其工程应用方面作了大量 工作，但目前国内尚没有研究出适用的车内有源降噪控制系统。 国外轿车一般噪声级较低，有源降噪的潜力较小。而国产汽车长期以来一 直存在噪声过高问题，因此研究有源降噪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。但目前国内尚没有成形的车内有源 噪声控制系统。其主要原因是对空间有源降噪的机理研究不够深入( 例如消声过 程的能量转化机理等；空间消声的基本单位及其消声的空间特性) ，缺乏满足实 际应用要求的简单、有效的消声结构，复杂的外晁条件( 声学环境、物理条件、 声学器件特性等) 对消声效果的影响。 总之，汽车内腔噪声的主动控制技术正在发展，但要达到实际应用阶段， 还要作进一步的研究。 基于有限元分析方法的发展，从6 0 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。在不同的分析方 法中，声固耦合振动分析及噪声控制在理论及应用方面发展较快。通用公司、 一5 一 第一章绪论 尼桑公司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彳亍研 究，优化设计避开车身结构和车内空间的固有频率。国内的同济大学、重庆大 学、西安公路交通大学、浙江大学等院校、科研机构也对乘座室内声学特性及 声固耦合特性进行了研究，文献【l 9 】在考虑拖拉机驾驶室的声固耦合动态分析 时，提出了择优声学设计的概念并做了定性分析；文献【2 0 】研究了结构声场耦合 模态分析方法在车内噪声测试分析及控制中的应用与工程实现，并开发了相应 的测试开发系统；文献【2 l 。2 】建立了壁面有吸声材料时拖拉机驾驶室声固耦合有 限元模型，计算了驾驶室内噪声响应；文献【2 3 j 提出一种以车内降噪为目的车身 结构动态修改的新方法，该方法将对车身壁结构的局部修改等效地视为在其上 附加一子结构，并给出了车内声压变化与车身壁结构修改问的直接定量关系。 文献 2 4 - - 2 6 1 提出了一种用于车内低频噪声声源识别的理论分析方法；文献【2 7 1 讨论 了几种常见车内声场建模简化方法对车内声学模态分析的影响程度；文献【2 8 1 介 绍了有限元法和模态分析技术在菜汽车车身结构振动和乘座室空腔内部噪声测 试分析上的应用，同时应用声固耦合理论对车身结构和车内噪声耦合进行了研 究。 在研究汽车内腔噪声问题中，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。对结构振动与内腔耦合的研究是降低汽车内腔噪声，特 别是低频噪声的重要手段，它是声场优化、车身结构修改和声学c a d 的基础。 在这方面的研究不但将使内腔的声固耦合振动分析趋于深入，而且也可使内腔 的声学优化趋于实用，以便于结构动力修改和实现声学内腔c a d ，完善汽车c a e 技术。 1 4 发展趋势 随着物理学、电声学、工程学、数字信号处理、自动控制、 统科学等技术的发展，车内噪声控制技术将发生历童性变革。 ( 1 ) 随着材料工业的发赓，如何研制和选用体积小、重量轻、 好的复合声学材料来降低车内噪声将得到高度重视。 人工智能、系 吸声隔声效果 ( 2 ) 在现代声学研究中，广泛地应用计算机和数值计算方法是重要趋势，有 限元法( f e m ) 就是数值方法中的一个重要方面。有限元法是基于声波动方程求解 室内声场的数值计算方法，对于分析界面阻抗非均匀分布和复杂形状房间内的 声场的低频特性具有显著的优点，可以真实的模拟声场的波动特性。有限元法 的采用对于车内声场与振动耦合的分析，标志着振动与噪声之间的动力学关系 进入了现代化科学技术行列。 一6 一 第一章绪论 尼桑公司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彳亍研 究，优化设计避开车身结构和车内空间的固有频率。国内的同济大学、重庆大 学、西安公路交通大学、浙江大学等院校、科研机构也对乘座室内声学特性及 声固耦合特性进行了研究，文献i l ”9 j 在考虑拖拉机驾驶室的声固耦合动态分析 时，提出了择优声学设计的概念并做了定性分析；文献唧j 研究了结构声场耦合 模态分析方法在车内噪声测试分析及控制中的应用与工程实现，并开发了相应 的测试开发系统；文献口1 - 2 2 j 建立了壁面有吸声材料时拖拉机驾驶室声固耦合有 限元模型，计算了驾驶室内噪声响应；文献口m 提出一种以车内降噪为目的车身 结构动态修改的新方法该方法将对车身壁结构的局部修改等效地视为在其上 附加一子结构，并给出了车内声压变化与车身壁结构修改问的直接定量关系。 文献【“凋提出了一种用于车内低频噪声声源识别的理论分析方法；文献讨论 了几种常见车内声场建模简化方法对车内声学模态分析的影响程度：文献 2 s l 介 绍了有限元法和模态分析技术在某汽车车身结构振动和乘座室空腔内部噪声测 试分析上的应用，同时应用声固耦合理论对车身结构和车内噪声耦合进行了研 究， 在研究汽车内腔噪声问题中，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。对结构振动与内腔耦合的研究是降低汽车内腔噪声，特 别是低频噪声的重要手段，它是声场优化、车身结构修改和声学c a d 的基础。 在这方面的研究不但将使内腔的声固耦合振动分析趋于深入，而且也可使内腔 的声学优化趋于实用，以便于结构动力修改和实现声学内腔c a d ，完善汽车c a e 技术。 1 4 发展趋势 随着物理学、电声学、工程学、数字信号处理、自动控制、 统科学等技术的发展，车内噪声控制技术将发生历童性变革。 ( 1 ) 随着材料工业的发展，如何研制和选用体积小、重量轻、 好的复合声学材料来降低车内噪声将得到高度重视。 人工智能、系 吸声隔声效果 ( 2 ) 在现代声学研究中，广泛地应用计算机和数值计算方法是重要趋势，有 限元法( f e m ) 就是数值方法中的一个重要方面。有限元法是基于声波动方程求解 室内声场的数值计算方法，对于分析界面阻抗非均匀分布和复杂形状房间内的 声场的低频特性具有显著的优点，可以真实的模拟声场的波动特性。有限元法 的采用对于车内声场与振动耦台的分析，标志着振动与噪声之间的动力学关系 进入了现代化科学技术行列。 进入了现代化科学技术行列。 一6 - - 第一章绪论 ( 3 ) 有源噪声控制技术应用于车内低频噪声控制将成为研究热点。研究满足 应用要求的声学器件( 传声器、扬声器等) 和自适应有源降噪适时控制算法是提高 有源噪声控制技术实用性的有效途径。自适应技术、神经网络技术、模糊控制 方法等在有源噪声控制技术中的应用将成为一个重要的研究方向。 1 5 论文的主要工作 以河北客车厂生产的h b 6 6 0 6 e 型客车为分析对象，运用a n s y s 和m a t l a b 等 软件对该客车进行车内声场分析和优化。 研究所涉及的主要内容为： ( 1 ) 以汽车理论、汽车设计、汽车噪声控制和振动理论和系统声学理论为基 础，深入分析汽车振动和车内噪声产生机理及振动、噪声信号成分的频率构成。 ( 2 ) 对该客车进行多种工况下主要振动、噪声源识别的道路试验，分析车内 噪声的分布规律及频率特性。 ( 3 ) 以小波变换理论和信号分析有关知识为基础，对实验采集的振动、噪声 信号进行小波包多分辨率分析绛析，并作振动和噪声的相干计算，识辨对车辆 贡献最大的激振源和噪声源。 ( 4 ) 建立客车车身的有限元模型、车内空腔有限元模型和车内空腔及声固耦 合有限元模型，用a n s y s 软件进行模态分析。将结构振动和声学系统结合起来 进行整个客车振动声学系统研究。 ( 5 ) 运用m a t l a b 软件，建立客车悬架系统7 自由度振动模型和发动机振动模 型，分析客车在不平路面匀速行驶情况下悬架和发动机对车身的激振力。 ( 6 ) 将仿真得到的激振力施加到车身声固耦合有限元模型上，对该耦合系统 进行车内噪声l 3 倍频程的谐分析。 ( 7 ) 根据试验和计算机仿真计算结果，对客车增加吸声材料及修改车身骨架 的主要立柱、边梁和车身蒙皮的板厚，以驾驶员右耳处的升压值为目标函数， 对车内噪声进行优化降噪。 ( 8 ) 提出具体的减振降噪措施，与客车厂合作开发新产品，并进行实车验证。 一7 第二章客车噪声源及车内声场形成机理分析 第二章客车噪声源及车内声场形成机理分析 近年来，在车辆向高速化、轻量化发展过程中，对其行驶的n v h 特性提出 了越来越高的要求，并己成为产品开发中的重要任务之一。为了控制车辆车内 的噪声，首先必须清楚车内噪声的构成、产生机理及频率范围，对其声学特性 做出分析，然后才能更有效地识别噪声源，或在设计中有针对性地采取合理可 行的防范措施，以期取得满意的效果。 2 1 车辆噪声源分析 车辆噪声主要由声频率域 q ( 2 0h z 2 0k h z ) 的车身、车架结构振动和某些部 件的气体脉动与涡流形成。前者为表面振动噪声，即固体声；后者为空气动力 性噪声，即空气声。车辆噪声是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源。而 车内噪声决定予各组成声源的声级、特性和它们的相互作用。车辆噪声的主要 组成如图2 1 所示。 发动机噪声i - l 传动系噪声 生 垄兰竺兰卜_辆 匿亟 一 噪压困 。_ j 声 风扇噪声 - 叫 _ 一车体振动噪声 圈2 - i 车辆噪声的主要组成 车辆噪声主要与发动机转速和车速有关。与发动机有关的噪声有：进气噪 声、排气噪声、风扇噪声和发动机表面辐射噪声等。与车速有关的噪声源有： 传动系噪声、轮胎噪声和车体振动噪声等。但值得注意的是，在噪声频谱上， 某些频率的噪声，它们是由结构或气体共振引起的，如排气管内气柱共振噪声、 车身共振噪声等。 在各组成声源中，一般发动机噪声是主要声源，尤其是柴油机。进、排气 一8 第二章客车噪声源及车内声场形成机理分析 噪声也很重要。对于高速车辆，轮胎噪声也是一个不可忽略的噪声源。 2 1 1 发动机表面噪声 ( 1 ) 发动机噪声的产生机理。发动机噪声的产生过程可分为产生内部激振力， 沿振动传递系统传播和向外部辐射噪声三个环节。 ( 2 ) 发动机的主要激振力。发动机的主要激振力有燃烧激振力和机械激振力 两种，前者是汽缸的燃烧压力，后者主要是惯性力。它们均可展成付氏基数的 周期函数f ( t ) 和f ( t ) 。对四冲程发动机 16 ( r ) = 亡口。+ ( a ks i n k a ，t + b jc o s k a n t ) ( 2 1 ) 1h f ( r ) = 4 + ( 4s i n k o g t + 且c o s k c o t ) ( 2 - 2 ) 式中，厂( f ) 燃烧作用力； f ( f ) 棚械惯性力。 两个激振力的总作用结果 ，( f ) + f ( f ) 2 圭( 口o + 4 ) + 。姜， ( q + 4 ) s i n k c o t + 他+ 最) c 。s t 耐 ( 2 - 3 ) 发动机扭矩的付氏基数展开式为 m = m o + 峨s i n ( k c o t - i - 晚) ( 2 - 4 ) 式中， 缸一平均扭矩； 壬一发动机扭矩； 慨捆矩各谐波分量幅值； 后一谐波序号，k = o 5 ，1 ，1 5 ，2 ，n ； n 卜曲轴的扭转角速度； 卜各次谐波角相位。 对于四冲程发动机，曲轴旋转两周完成一个工作循环，故以发动机曲轴转 一周为一个基本周期时，它的基数展开形式的谐波数并非是整数。 对上述分析可知，发动机主要激振力的基频及谐波为 ，= 吆o ， ( 2 5 ) 式中，h 一发动机转速，r m i n ； 舯整数，埘= l ，2 ，3 ； f _ 一冲程系数，四冲程，f = 2 。 当发动机运行时，若压力或惯性激振力谐波，与直接或间接激励的零件的固 9 一 第二章客车噪声源及车内声场形成机理分析 有频率吻合时，就会产生共振而辐射出很大的噪声来。 2 1 2 发动机空气动力噪声 发动机空气动力噪声包括进气噪声、排气噪声和风扇噪声。它是由于气体 的非稳定流动，或者说气体的扰动以及气体与物体的相互作用而产生的。 ( 1 ) 进气噪声。进气噪声是汽车发动机的主要空气动力噪声源之一，它是由 避气门的周期性开、闭而产生的压力起伏变化所形成的。它的主要基频为 厂= n 6 0 r ( 2 - 6 ) 式中，斗一发动机转速； 卜一汽缸数； - 神程系数，四冲程为2 。 ( 2 ) 排气噪声。排气噪声是汽车及其发动机最主要的噪声源之一。它主要由 周期性排气噪声、涡流噪声和空气柱共鸣噪声组成。 ( 3 ) n 扇噪声。风扇噪声由旋转噪声和涡流噪声组成。旋转噪声又叫叶片噪 声，是由于旋转的叶片周期性地切割空气，引起空气的脉动而产生的，其基频 为 ，= 麒0 ( 2 7 ) 式中，玲一转速； 不一叶片数。 2 1 3 传动系噪声 汽车传动系包括发动机与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承传递给车身部件，使之产生振动和噪声。 所以传动系的噪声包括齿轮噪声、轴承噪声、变速器及驱动桥噪声、传动轴噪 声及传动系的弯曲共振与扭转共振噪声。 2 1 4 轮胎噪声 轮胎噪声是轮胎在滚动过程中形成的，主要包括三部分，它们是空气扰动 噪声、轮胎结构振动噪声及路面噪声。 2 1 5 车身振动噪声 一1 0 第二章客车噪声源及车内声场形成机理分析 车辆在行驶时，车身所受到的激励力主要来自两个方面。一方面，发动机 及传动系的振动经支承装置传递给车身；另一方面，不平路面引起轮胎振动， 经悬架、车架传递给车身。在这两种激励的作用下，车身的各种壁板结构产生 振动，辐射噪声。 研究表明，作为车身振动噪声的频率在5 3 0 0h z 左右，以车身骨架结构为 主产生的振动噪声在5 3 0h z 的低频范围，以壁板为主产生的振动噪声在3 0 3 0 0 h z 的低、中频范围内。 2 2 车内声场的产生及频率特性 车内噪声指的是行驶的车辆乘座室或驾驶室内存在的噪声。车内噪声极易 使驾驶员和乘客烦躁和感到疲倦，这对车辆的乘坐舒适性有着重要的影响。为 了有效地识别车内噪声及对车内噪声进行优化控制，有必要对车内噪声的形成 作一下分析。 2 2 1车内声场的发生机理 车内噪声发生机理如图2 - 2 所示。从声源看，车内噪声的主要来源有：发动 机噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声及底盘噪声等等。这些噪声声源所辐射的 噪声，在车身周围空间形成一个不均匀声场。车外噪声要向车内传播，具体途 径有两个：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，这种辐射声的 强度与壁板的隔声能力有关，也就是它服从质量定律的规律。 图2 - 2 所示振动源有两种含义：一是发动机、底盘工作时产生的振动；二是 路面激励产生的振动。后者频率较低，对于激发噪声影响较小。由各振源产生 的振动通过车身各支点激发车身壁板产生强烈振动，并向车内辐射强烈的噪声， 此即所谓的固体传声。由发动机和底盘传给车身的振动，与上述车外声波激发 的车身壁板振动，实际上是叠加在一起的，它们的传播途径不同，所服从的规 律不同，频率特性也不尽相同，因此，从车内噪声发生机理的角度将它们分别 加以讨论是非常必要的。 由于车身壁板主要由金属板和玻璃板构成，这磐材料都具有很强的声反射 性能。在车室门窗均关闭的情况下，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，使车内声场接近于扩散声场，所以车内 噪声实为直达声与混响叠加后的结果。 第二章客车噪声源及车内声场形成机理分析 固。一一一- 一一一_ ，j 一一一一一。- ：圃- 一一一 ：!lijijjli：!jijiijii；也一一一 - - - - - - 一一- - 掏体声空气声 图2 - 2 车内噪声发生机理 综上所述，发动机、底盘和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，详见图2 3 所示，其中经空气传播的噪 声主要是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是发动 机、底盘、轮胎、路面及气流等引起车身振动而向车内辐射的噪声，空气传播 和构件传播噪声能量的比例因车型与结构以及噪声随不同频率成分变化而有所 差别。8 0 0 h z 以上的中高频噪声主要通过空气传入车内，而5 0 0 h z 以下的低中 图2 - 3 车内噪声的主要来源与传播途径 频噪声则主要是由构件传播所产生。客车车内噪声的评价，一般引用驾驶员右 耳位置及中部和后部乘客右耳位置的声压和频谱两个参数。 一1 2 一 第二章客车噪声源及车内声场形成机理分析 影响车内噪声大小的因素，除声源以外，还有汽车车身结构、密封性、阻 尼吸声材情况等。良好的密封和合适的阻尼吸声处理可降低车内噪声，改善噪 声特性。车室的形状、尺寸、材料等对车室的空腔共鸣有重要意义。 2 2 2 车内空腔共鸣及其产生机理 车身是由一系列不同材料、厚度的板围成的封闭空间，所以其会发生与封 闭管道类似的共振现象，即当车辆以某些特定的速度行驶时，或发动机以某些 特定的转速运转时，在乘座室内产生了很大的峰值噪声，这种现象称为车内空 腔共鸣。它具有增强车内噪声的效果。 车内空腔共鸣的特征是与具体的声压分布、固有频率相联系的声学振动模 态。空腔共鸣时的车内噪声模态( 共振频率和声压分布) 称为车内空腔共鸣声压。 它取决于车内空腔声学特性和车辆的运行状态。其可能的发生原因有：传动轴 的弯曲振动、悬架弹簧共振、进排气系统共鸣和共振、车身结构的弯曲振动等。 车身结构、材料、形状、大小等，对车内空腔共鸣现象起着决定性作用； 激振力大小、振动传递系统的阻尼特性、车内吸声材料性质与厚度等，对车内 空腔共鸣噪声峰值有重要的影响。由于实际车室前、后方向的形状相当复杂， 难以正确推算固有频率和共振模式，因此近年来流行用差分法或有限元法模拟 计算车内固有频率和共振模式。 2 3 本章小结 由于结构差异，各种车辆的车内噪声的特性是不同的。对小客车而言，发 动机的非对称性、各循环间的压力波动、各缸燃烧的差剐等，是其车内噪声的 主要激振力，但由于它们所处的频率范围较小，所以尽管这些频率的噪声有较 高声级，却对车内总噪声的响度影响较小。一般情况下，小客车低速行驶时的 车内高频噪声声级决定于路面激振力的作用，而高速行驶时则取决于空气动力 噪声。在发动机满负荷工作时，某特定车速下车内高频噪声取决于发动机噪声， 而超过该车速后便取决于空气动力噪声。如果排气系统有较好的隔振措施，那 么排气和风扇噪声一般不是影响小客车车内高频噪声的主要因素。 第三章客车车内噪声源识别的道路试验 第三章客车车内噪声源识别的道路试验 汽车的噪声问题是汽车设计生产中最难以解决的问题之一，实践证明，汽 车几乎所有的总成都与噪声问题联系紧密。现代汽车中存在大约2 0 0 个运动组 件，会导致各种各样的振动和噪声问题。各种振动和噪声的发生机理各不相同， 传递路径也相当复杂。由于噪声的复杂性，在目前的技术水平和条件下，在设 计阶段就完全实现车内噪声的优化设计是不太可能的，因而设计生产的样车常 常存在某些噪声问题。所以，对实车进行减振降噪仍然是汽车生产的重要环节， 因此，噪声源识别方法的研究与实践也具有重要的工程意义。 通过进