汽车噪声及其控制

汽车噪声控制技术及其进展汽车噪声控制技术及其进展 一 引言 汽车噪声是指汽车驶过的噪声 即在汽车驶过时在其旁边测得的噪声 这个噪声是汽车制 造鉴定中一个重要的指标 它是交通噪声中最主要的一部分 对其影响非常大 现代汽车的噪 声特性是衡量汽车质量的重要标志之一 汽车噪声不仅造成周围环境的污染 影响人们的生活 和工作 而且车内的噪声与振动 温度 湿度等环境因素相比是降低车辆舒适性的主要因素之 一 为了提高车辆的舒适性 世界各大汽车公司都对车内噪声的控制作为重要的研究方向 特 别是轿车 车内噪声状况更是衡量轿车档次的标准之一 一般而言 汽车的噪声主要有三个来源 一个是汽车机械件本身产生的噪声 例如发动机 和驱动桥等 一个是轮胎 一个是气流噪声 风噪 这三个来源不是一下子涌现出来 而是 随着速度不同而依次出现 因此有人将它们划分为三类噪声 由轿车驱动系统引起的噪声称为 第一类噪声 一般轿车启动时就会产生 例如发动机的运转噪声 并随车速增大而增大 当车 速升高至 100 公里 小时左右 轮胎的噪声随之增大 被称为第二类噪声 这两种噪声都是逐 步增大的 当车速超过 100 公里 小时 随着车速的增加 风噪则会迅速增加 被称为第三类 噪声 经过测定 轿车在高速区间 风噪的声级会以车速的 5 7 次幂 乘方 增强 而第二 类噪声仅以车速的 3 4 次幂增强 轿车速度在 120 公里 小时左右 迅速增强的第三类噪声与 第二类噪声的声级相同 当轿车速度再继续增加 第三类噪声就会超过其它噪声成为主要的噪 声 汽车噪声的传递有固体波动和空气波动两种传播形式 两种传递形式所传播的噪声能量比 例会因车型和结构而变化 而且与频率有很大关系 通常 500Hz 以下的低 中频率噪声主要以 固体波动形式传播 而在较高的频带内则以空气传播为主 图 1 汽车噪声示意图 二 汽车噪声产生部位及原因 汽车噪声可以分为车内噪声和车外噪声两种 车内噪声与车外噪声产生机理有相同之处与 不同之处 1 车内噪声产生部位及原因 车辆内部噪声的来源十分复杂 但可以从两个传播途径加以分类 即固体传播和空气传播 影响车内噪声的各种因素和方式如图 2 所示 具体来讲 产生车内噪声的主要振动源和声源有 发动机燃烧和惯性力引起的振动 通过发动机悬置和副车架传到车身上 引起车身结构的振动 并进一步向车内辐射中频噪声 伴随发动机运行产生的排气噪声 进气噪声 风扇噪声 结构 噪声等则由空气通过车身的孔 洞 缝隙传至车内或通过车身板壁透声至车内 传动系由于质量不平衡及齿轮啮合产生的振动 传到车身引起车身振动并进而辐射中频噪 声至车内 运转发出的噪声则由空气传播至车内 汽车高速行驶时 空气紊流对车身的激励造成车身高频振动 并在车内产生高频噪声 由 后视镜产生高频空气噪声则由空气传至车内 悬架系统由路面不平激起振动 这种振动通过悬架与车身的支点传至车身引起车身的振动 进一步造成车内低频噪声 作为悬架系统组成部分的减振器 轮胎等在工作过程中所产生的噪 声则通过车身的缝隙 由空气传至车内 由此可见 固体传播振动通过结构件传播至车身 引起车身的振动 再由车身板壁振动辐 射噪声至车内 形成车内噪声 空气传播则将各种噪声源所辐射的噪声通过空气 由车身的缝 隙或空洞传播至车内 形成车内噪声 而对于车身而言 它也不是完全被动地接收外界的影响 车身结构的固有频率 振型 阻尼等模态参数 对车内噪声的形成有着重要的作用 当外界激 励与车身固有频率一致时 车身发生共振 可使噪声放大 同时 车身上外界振动点的动刚度 对振动能量的输入也有很大影响 在一定程度上影响着车内噪声水平 空气 固体传播噪声能量的比例因车型结构和噪声频率的变化有所差别 实践表明 中低频车 内噪声 30Hz 400Hz 主要由固体传播这一途径造成 而高频车内噪声则以空气传播为主 如果能够削弱或者消除固体传播 则可使车内噪声大大降低 图 2 影响汽车噪声的各种因素及其方式 2 车外噪声产生部位及原因 行驶汽车的噪声包括发动机噪声 底盘噪声 车身噪声以及汽车附件和电气系统的噪声 发动机噪声是汽车的主要噪声源 在我国 车外噪声中 发动机噪声约占 60 左右 按照噪声 辐射的方式来分类 可将汽车发动机的噪声源分为直接向大气辐射的和通过发动机表面向外辐 射的两类 直接向大气辐射噪声源有进 排气噪声和风扇噪声 它们都是由气流振动而产生的 空气动力性噪声 发动机内部的燃烧过程和结构振动所产生的噪声 是通过发动机外表面以及 与发动机外表面刚性连接的零件的振动向大气辐射的 根据发动机表面噪声产生的机理 又可 分为燃烧噪声和机械噪声 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变化的力所引起的 它与激发力的大小和发动机结构 动态特性等因素有关 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 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 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 汽车底盘结构固体声源产生噪声机理与车内噪声相同 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 1 气流生机理 随着轮胎的滚动 在与路面接触区 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 此生源为作起伏变化的气体 属气流噪声 2 机械声机理 由胎面花纹块不断撞击路面 轮胎结构的不均匀性以及路面的不平性 等 因素激发机械噪声 是光面胎及纵向花纹的主要噪声源 3 滤波放大机理 轮胎与路面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 胎面花纹沟与路面所围管道内的空气共振以及轮胎花纹块离开路面处形成的共振效应主 要为袋状沟的噪声机理 三 噪声控制技术 降低声源噪声是治本 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 常见的降 低激振力的措施有 提高旋转件的动平衡精度 改善运动副的润滑 提高装配精度 选取适当 配合间隙 降低气流噪声源的流速 改进气流通道 避免过多的湍流 对振动件进行隔离等 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面 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面 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面的结 构形状和附加一些内损耗系数较大的阻尼材料 对汽车振动噪声的主要控制方法如图 3 所示 主要噪声源的控制措施表 1 所示 不同阶段汽车噪声控制措施如表 2 所示 图 3 振动噪声的控制 表 1 汽车主要声源控制措施 声源主要控制措施 发动机优化发动机燃烧过程和燃烧结构 对发动机或高噪声部件隔离 发动机罩中使用吸声材料 优化设计缸体结构刚度 使用高阻尼材料 振动隔离 排气系统采用高效消声器 复合消声器系统 合理分布消声器位置 采用吸声 材料或复合钢板 有源消声 进气系统采用共振结构消除纯音 增加管壁厚度或复合钢板 隔声 有源消声 其它声源齿轮箱的隔声和阻尼 对传动部件隔离 提高风扇效率 降低风扇转 速 表 2 不同阶段汽车噪声控制措施 时间主要声源主要控制措施 70 年代和 90 年代早期进气噪声 排气噪声进排气消声器 现阶段 普通城市道路 发动机噪声包括燃烧 供油 结构等改进的 低噪声发动机 现阶段 高速路和快速 路面 轮胎噪声低噪声轮胎结构和低噪声路面 汽车噪声控制的基本流程如下 1 噪声源 振动源 识别 噪声源识别是进行噪声控制的关键 只有正确识别振动源或者噪声源的所在 才能正确分 析 噪声问题发生的机理 明确噪声控制的主要问题 才能事半功倍地解决噪声问题 这相当于对 系统的激励的确定工作 2 传递途径识别 从振动源或噪声源到车内外噪声总是存在一定的传递途径的 包括固体振动传递途径和空 气 传播通道 如果能够正确确定固体振动如何从振源通过哪些悬置 哪些车身板件 由于哪些车 内空腔的声学模态相互耦合导致车内噪声问题 就能够有针对性地对传递通道中某些环节进行 修改 达到比较好的减振降噪效果 其中当然也包括对空气传播途径的识别 3 车身板件声辐射贡献分析 固体振动最终总是通过车身板件与车内空腔相互耦合振动激发车内噪声 不同位置的车身 板 件在不同的汽车运行工况和不同激振频率下具有不同的声学辐射效率 对车内噪声的贡献也不 会相同 确定特定条件下车身板件的声贡献 可以为修改车身板件提供可靠依据 4 汽车结构模态特性分析 汽车车内噪声问题大多数情况下都是共振问题 因此 详细了解车体结构的结构模态信息 对 于正确识别传递途径以及确定车身板件的声贡献非常重要 结构模态分析有多种形式 有理论 模态分析 试验模态分析以及在线模态参数识别的方法 5 车内空腔声学模态分析 车内噪声实际上是车内空腔内声压分布的部分反映 全面了解车内空腔的声学模态 实际 为 空腔体积中空气的结构特性 对于合理进行车内座椅的布置以及车身造型具有重要参考价值 6 汽车声学特性计算机辅助预测 灵敏度分析与优化 比较先进的汽车噪声控制要求在设计阶段就确定车内声学特性 因此计算机辅助的噪声预 测 诊断 灵敏度分析以及基于灵敏度分析的车内噪声优化正在成为发展趋势 这里不仅包括 对主要振动源动力学机理的虚拟仿真 而且包括从传递途径到车身结构乃至车内空腔的整个系 统的虚拟模拟 因此完全可以在计算机上实现虚拟分析 在经过仿真模型的验证后 就可以通 过灵敏度分析确定车内噪声诸多影响因素的影响情况 并在此基础上进行关键因素的优化设计 取得车内优良的声学特性 7 确定噪声改进措施并进行实施后的噪声检测与评价 最终的汽车车内声学设计结果或者对产品车的噪声问题的改进必须经过实车特定工况的测 试与检测 并根据相关标准的客观评价以及专业人士的主观评价才能确定实际效果 这是必不 可少的程序 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 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 使混响声部分大大 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应用 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 孔吸声材料种类很多 按成型形状可分为制品类和砂浆类 按照材料可以分为玻璃棉 岩棉 矿棉等 按多孔性形成机理及结构状况又可分为三种 纤维状 颗粒状和泡沫塑料等 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改善 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 工程中常用的吸声结构有空气层吸声结构 薄膜共振吸声结构和板共振吸声结构 穿孔板吸声 结构 微穿孔吸声结构 吸声尖劈等 其中最简单的吸声结构就是吸声材料后留空气层的吸声 结构 吸声材料和吸声结构在汽车上的应用主要有 其一 在发动机降噪中的应用 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面使用吸声材料 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 其二 在车室内的应用 车室内的全部内饰都装有吸声材料 一般有毛毡 车顶 内饰 密封材料等吸声材料 2 隔声降噪 当声波在传播途径中 遇到匀质屏障物 如木版 金属板 墙体等 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 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面积质量有密切关系 单位面积质量越大 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 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 罩的封闭范围可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 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 3 阻尼降噪 汽车 船舶和飞机的壳体 机器的护壁 外罩 通风管道等 都是金属薄板制成的 当汽 车行驶或机器运转时 这些金属薄板受激励而振动时 往往辐射噪声并成为机器上的主要噪声 辐射部位 是很严重的噪声源 对于这类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面的潜力 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 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 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 不同的阻尼材料有不同的性能曲线 适用于不同的使用环境 以下是各种阻尼材料分类的 情况 阻尼减振技术是通过阻尼结构得以实施的 而阻尼结构又是各种阻尼基本结构与实际 工程结构相结合而组成的 阻尼基本结构大致可分为离散型的阻尼器件和附加型的阻尼结构 离散型阻尼器件可分为两类 一类是应用于振动隔离的阻尼器件 如金属弹簧减振器 黏弹性 材料减振器 干摩擦减振器等 另一类是应用于吸收振动的阻尼器件 如阻尼吸振器 冲击阻 尼吸振器等 附加型阻尼结构可大致分为三类 一类是直接黏附阻尼结构 如自由层阻尼结构 约束层 阻尼结构 多层的约束阻尼结构 插条式阻尼结构等 第二类是直接附加固定的阻尼结构 如 封砂阻尼结构 空气挤压薄膜阻尼结构 第三类是直接固定组合的阻尼结构 如接合面阻尼结 构等 附加阻尼结构特别适用于梁 板 壳体的减振 在汽车外壳的抗振保护与控制中较广 泛采用 4 空气动力噪声的控制 消声器能有效地阻止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 20 50dBA 因此 消声器广泛用于各种风机 内燃机 空气压缩机 燃汽轮机及其它高速气流排 放的噪声控制中 消声器的种类很多 根据消声原理 常用的消声器有三大类 阻性消声器 抗性消声器 阻抗复合性消声器 阻性消声器是一种能量吸收性消声器 通过在气流通过的途径上固定多孔性吸声材料 利 用多孔吸声材料对声波的摩擦和阻尼作用将声能量转化为热能 达到消声的目的 阻性消声器 适合于消除中 高频率的噪声 消声带较宽 对低频噪声的消声效果较差 因此 常使用阻性 消声器控制风机类进排气噪声等 抗性消声器是利用声波的反射和干涉效应等 通过改变声波的传播特性 阻碍声波能量向 外传播 主要适合于消除低 中频率的窄带噪声 对宽带高频率噪声则效果较差 因此 常用 来消除如内燃机排气噪声等 阻抗复合型消声器是由阻性消声器和抗性消声器组合而成 可以同时得到高 中 低频率 范围内的消声效果 如微穿孔板消声器就是典型的阻抗复合型消声器 其优点是耐高温 耐腐 蚀 阻尼小等 缺点是加工复杂 造价高 四 汽车噪声测量方法及标准 各国对汽车噪声认识都有一个不断演变的过程 以日本为例 日本在 50 年代初对于所有 类型汽车都规定了同一限制值 正常行驶噪声和发动机怠速运转时的排气噪声均不得超过 85dB 随着日本国内汽车拥有量迅速增加 日本于 1971 年大幅度加强了对汽车正常行驶和排气噪声 的限制 同时又开始限制汽车在市区行驶时产生的最大噪声和加速行驶噪声 1975 年又修改 了加速行驶噪声最大允许限制值 并制定了分两阶段实施目标的长期规划 通过以降低发动机 噪声为中心的各项措施 发动机噪声占整车噪声的比重 以大型车为例 从开始实施长期规划 初期的 65 75 降低到实现第二阶段目标的 30 左右 各主要车型的加速行驶噪声实测值 也平均下降了约 10dB 降噪成效是十分显著的 我国从 1979 年开始实施的 机动车辆允许噪声 GB 1495 79 从我国当时的汽车工业水 平出发以 1985 年 1 月 1 日为分界点 分别规定了在此之前之后机动车辆车外最大允许噪声 汽车噪声测量体系如表 3 所示 表 3 汽车噪声测量体系 测量方法特点应用范围 车辆加速噪声测量方法 测量低挡位 高转速的加速行 驶最大 产品形式认证和质量认证检测 车内噪声测量不同车速下的车内噪声车内声质量评价 车辆定置噪声测量方法 汽车定置状态下 特定工况下 的噪声 在用车辆的检测 车主要噪声源发