振动噪声分析论文

1、汽车噪声主动及被动控制方法简述1前言随着汽车工业的发展，汽车给人类的出行带来极大的便利，但同时也带来了噪声污染等社会问题。汽车噪声过大会影响汽车的舒适性、语言清晰度，甚至影响驾驶员和乘客的心理、生理健康，如果驾驶员长期处于噪声环境中容易引起疲劳造成交通事故和生命危险；同时，汽车噪声过大也会影响路人的身心健康，人们长时间接触噪音，会耳鸣、多梦、心慌及烦躁，或直接引起听力下降甚至失聪，其中由车辆噪音间接引发的交通事故，也并不鲜见。因此对汽车噪声进行控制就显得非常必要了。为了治理汽车噪声污染，各国均制定有关标准，我国国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫总局于2002 年1 月4 日联合发布了GB

2、14952002汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法强制性标准，代替GB 14951979，并于2002 年10 月1 日实施。表1 国内外车辆行驶噪声限值标准的比较（单位：dBA） 新标准是在参考ECE RS1关于在噪声方面汽车(至少有4 个车轮)型式认证的统一规定基础上制定的。新标准的出台，改变了过去标准不科学、测试项目不完整的局面，为治理汽车噪声污染提供了有效的控制手段，对完善我国的汽车噪声标准体系将起到积极的推动作用。2汽车噪声来源汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源，按噪声产生的部位，主要分为与发动机有关的噪声和与排气系统有关的噪声以及与传动系统和轮胎有关的噪声。（1）发动机 发

3、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。表2 发动机机械噪声类型发动机内位置活塞连杆机构传动机构配气机构柴油机供给系其他部位组成活塞敲击声活塞环摩擦声正时齿轮撞击声皮带传动声链传动噪声喷油器噪声喷油泵噪声高压油管内油压传递声气门开、闭冲击声配气机构冲击声气门弹簧振动声发电机噪声空压机噪声冷却器噪声液压泵噪声机械噪声是指发

4、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。燃烧噪声和机械噪声都是有发动机本体发出的，并且随着发动机转速的增加，噪声也增加。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。（2） 排气系统 发动机排出废气时，在排气门

5、附近，排气歧管内及排气管口气体压力发生剧烈变化，在空气中和排气管内产生压力波，辐射出很强的噪声。发动机排气噪声往往比发动机其他噪声源的总噪声高1015dB。排气噪声按产生的原因分为三种：门开启时产生的周期性排气噪声。气体涡流噪声：当高速气流通过排气门和管道时会产生强烈的涡流而辐射噪声。气管道共鸣噪声：包括排气管、尾管、消声器内部各连接管道所产生的共鸣噪声。排气噪声的大小与发动机额定功率、转速、气门压力等因素有关，并随着发动机的负荷而变化。对于发动机排气噪声这类空气动力性噪声，最有效的降噪措施是在排气管道中安装消声器。消声器的作用是消耗气流的能量，平均气流的压力波动，让气流通过，对噪声有一定的消

6、减作用。（3）汽车传动系统及轮胎 汽车传动系包括离合器、变速器(分动器)、传动轴、驱动桥等。传动系统噪声主要来源于变速齿轮啮合传动的撞击、振动和传动轴的旋转振动，另外，箱体轴承等方面也影响着噪声的大小。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。影响齿轮噪声的因素是十分复杂的，理论分析和实际经验都表明，为减少齿轮噪声，不仅要从设计、制造精度以及加工精度等方面把因啮合引起的撞击声和激振声控制到最小程度，而且在维修中要注意齿轮的安装精度、啮合间隙和印迹的调整。轮胎噪声是汽车的另一个重要的噪声源。轮胎噪音是由轮胎与路面摩擦所引起的，通常由三部

7、分组成：一是轮胎花纹间隙的空气流动和轮胎四周空气扰动构成的空气噪音；二是胎体和花纹部分震动引起的轮胎震动噪音；三是当汽车通过凸凹不平的路面时，凹凸内的空气因受挤压和排放，类似于泵的作用而形成的噪声。3噪声控制由车辆噪声产生的机理可知，几乎所有的噪声源都对车辆噪声有贡献，汽车本身也有可能放大和产生噪声，因此控制车辆噪声就成为亟待解决的工作。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，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

8、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。根据噪声产生和传播的机理, 可把噪声控制技术分为三类: 一是对噪声源的控制, 二是对噪声传播途径的控制, 三是对噪声接受者的保护。对噪声源的控制是降低车内噪声最根本、最直接的措施(包括降低噪声的激振力和降低发动机部位对激振力的响应等), 即改造振

9、源和声源。但是对噪声源难以进行控制时, 就需要在噪声的传播途径中采取措施(例如: 吸声、隔声、消声、减振、隔振等)。3.1被动控制(1)从机械原理出发的噪声控制措施改进机械设备结构、应用新材料来降噪。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316dB；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。提高零部件加工精度和装配质量，使机件的摩擦尽量减小，从而将噪声降低。减小偏心振动以及提高机壳的刚度减小噪声。这项措施主要取

10、决于汽车的研发和生产组装等环节，一般是在车辆出厂采取的降噪措施，后期的使用和维护过程中，避免机械设备和车辆的空载和超载，选用好的润滑油脂，都可以降低噪声。（2）从声学原理出发的噪声控制措施吸声：吸声是用特种被动式材料来改变声波的方向，在车室内合理的布置吸声材料能有效降低声能的反射量，达到降噪的目的。目前在汽车上使用的吸声材料有：a）多孔性吸声材料，其原理是当声波进入材料表面空隙，引起空隙中的空气和材料微小纤维的振动来消耗声能达到吸声目的，一般有尼龙、人造丝、聚酯等多孔性材料；b)穿孔板结构，在板与车身之间保留一定的空隙，形成亥姆霍兹共振腔耗散声能。隔声：这种方法是用某种隔声材料将声源与周围环境

11、隔离，使辐射的噪声不能直接传播到周围区域，从而达到降噪目的。常用措施有隔声材料和隔声结构，选用隔声结构时应考虑所隔噪声的特点、隔声材料、结构性能、成本。通常采用双层壁结构，在夹层中填充玻璃棉、聚酯泡沫、毛毡等吸声材料，进一步提高隔声效果。减震：汽车的外壳都是由金属薄板制成，车身行使过程中，震源将振动传给车身，在车身中以弹性波形传播，这些薄板受到激振产生噪声，同时引起车体上其他部件的振动。防止发动机、传动系、悬架及轮胎的振动传入车内；加强地板、顶棚等大面积的钣件的刚度，尽量少用大面积钣金件；覆盖件采用加强筋增大刚度，防止车身自身振动。3.从噪声传播途径的控制措施噪声传播控制, 又称无源噪声控制,

12、 它是通过特殊的材料及其结构设计使车体外部噪声入射到车体表面时一部分被反射； 另一部分经过车体时被转化成其它形式的能量或波形而被吸收。例如: 其中部分被贴附于车体上的高阻尼材料转化成热能而被损耗, 其中部分转换为结构辐射噪声或其它形式的波形；最后剩下的一部分透过车体进入车辆内部。为了减少汽车行驶中传入车内的噪声, 可以利用具有弹性和阻尼的材料阻断结构声; 也可利用涂布、阻尼粘胶等材料提高车身壁板的隔声性能, 并减小车身壁板的孔缝数目和尺寸, 从而增强车身结构的隔声量,削弱或阻断气体传声。即主要是采取隔振、隔声提高车室密封性等措施来降低车内噪声。例如大型客车, 合理选择和在适当位置布置隔振器来支

13、撑发动机, 可使车内噪声降低。提高车室密封性是阻止噪声传入车内的有效方法之一。车室隔声结构的构成是在不同部位适当组合吸声防振材料, 有时为了减轻汽车重量, 也可采用车身涂敷防振涂料等方法。试验研究表明, 对于各操纵机构和仪表线路通过车身的孔和缝进行密封处理后, 也可降低车内噪声。3.2主动控制3.2.1自适应噪声主动控制系统随着微电子学的发展，人们采用主动控制降噪ANC（Active N oise Control）。主动噪声控制是利用声波干涉原理，采用次级声源产生一个与原噪声源幅值相同、相位相反的声波，两列声波在空间叠加达到消声的目的。A N C 技术已经成功应用在管道系统、火车操纵室等领域。

14、这种控制的实现主要靠自适应滤波器、自适应算法，自适应算法决定了降噪的效果；另外一种方法是将智能元件嵌入车身结构中，传感器感受车身振动，产生信号并反馈给电子控制单元（ECU ），经相应的控制算法处理后生产相应的控制信号经过功率放大后，驱动驱动器使车身结构产生应变改变结构的动态阻尼，实现对振动的主动控制。主动降噪效果远比传统的方案好得多，而且整车质量减轻、性能更好。由于自适应滤波技术能够使噪声主动控制系统连续不断地跟踪噪声源及环境参数的变化, 自动选取控制参数, 从而保证系统的最佳工作状态, 由此构成了自适应噪声主动控制(Adaptive Active Noise Control, 简称AANC)

15、系统。在实际应用的噪声主动控制中, 自适应噪声主动控制系统表现出较好的控制效果。图1：自适应噪声主动控制系统示意图图1为自适应噪声主动控制系统的示意图。按照其控制器输入信号的不同分为三种结构: 前馈控制、反馈控制和混合控制。图2为自适应噪声主动控制方框图。图2自适应噪声主动控制方框图(有声反馈的前馈控制)d(t) 噪声源信号r(t) 初级传声器信号, 是参考信号y(t) 控制器K 控制次级专用源发出的反相信号e(t)误差信号H3(s) 为声反馈通道传递函数H3(s)、H3(s) 分别为初级和次级通道的传递函数前馈控制系统的结构相对简单, 它以预先提取的参考信号作为控制器的输入信号, 因参考信号

16、必须与待控制的噪声信号有很强的相关性, 而且参考信号较难获得, 实际上常用传声器噪声主动控制系统的成本大大增加。因此, 在尽可能降低噪声主动控制系统成本的基础上, 如何消除声反馈的影响, 提高控制系统的稳定性, 并获得更好的噪声控制效果, 成为噪声主动控制系统更具有实用性的关键。3.2.2神经网络自适应噪声主动控制系统（1）加入神经网络的有源消声控制系统试验研究表明,发动机表面辐射噪声与发动机振动密切相关,车内结构传播噪声与车身悬置点的垂直方向振动加速度密切相关。故选择发动机振动信号和车身各悬置点的振动加速度作为BP神经网络的输入信号,选择车内特定点(如驾驶员耳旁位置)处的声压作为BP神经网络

17、的输出信号。所用的BP神经网络包含1个输入层、2个隐层和1个输出层,输入层包含5个神经元,输出层包含1个神经元,隐层的神经元数根据训练情况进行优选。2个隐层的激活函数为双曲正切S型激活函数,输出层采用线性激活函数。如图3所示为一神经网络自适应有源消声控制系统框图。图3神经网络自适应有源消声控制系统（2）自适应滤波算法(FXLMS算法)为使次级声源发出的声音能够有效地抵消车内初级声源的噪声,在有源消声系统中广泛采用自适应滤波技术。自适应LMS算法是以误差传声器所测得的消声后区域内噪声的均方误差最小为准则,随时使公式中的权系数在叠代更新过程中达到最佳值。若假设在控制过程中附加传递环节的传递函数为T

18、(z), FXLMS自适应滤波器原理框图如图4所示。其迭代公式为 y(k)=XT(k)W(k)T(z)e(k)=d(k)-XT(k)W(k)T(z)W(k+1)=W(k)+2e(k)X(k)T(z)其中,X(k)=x(k),x(k-1),x(k-2),x(k-m+1)T表示时刻k的输入信号矢量,由图4FXLMS自适应滤波器原理控制程序框图最近m个信号采样构成。W(k)=w0(k),w1(k),w2(k),wm-1(k)T是时刻k自适应滤波器的权系数。m是自适应滤波器的阶数。d(k)是期望输出值,e(k)是误差,是控制稳定性和收敛速度的参量,称之为步长因子。只要值取的适当,T(z)辨识准确,该自

19、适应滤波器系统便能稳定工作,并迅速消除初级声源的噪声。车辆噪声的危害之大，故采取相应的控制措施就显得十分重要。被动降噪方法采用阻尼比较大的吸声材料，利用隔声、隔振技术进行结构设计控制噪声，会导致汽车体积大而且降噪效果也不十分理想。而主动控制的关键在于硬件基础、控制逻辑、微处理器等，保证传感器所测信号的准确性。到目前为止，主动降噪的研究还处于发展阶段，距离技术成熟和普及仍有一定的差距，但也取得了一定的进展，例如在汽车悬架振动中实现了自适应控制，可以预见主动控制技术必将在未来的汽车工程中得到广泛应用。3.3. 汽车NVH 试验技术汽车NVH（Noise、Vibration、Harshness）指的

20、是噪声、振动与舒适性，其观点是，汽车是一个由激励源（发动机、变速器等）、振动传递器（由悬挂系统和边接件组成）和噪声发射器（车身）组成的系统。NVH 试验技术是以整车作为研究对象，从噪声、振动与舒适性的角度分析车内外噪声的产生机理，通过驾驶员或成员的感受来寻找噪声振动的激励源，再对激励源产生噪声及振动的机理和传播途径进行分析研究，找到降噪减振的方法，来达到降低车内外噪声、提高汽车乘坐舒适性的目的。NVH 试验技术对新车型的开发和现有车型的性能改善都起着重要的作用。其主要的研究方法是，根据设定的汽车NVH 目标值，建立数学模型，进行整车仿真分析。但由于汽车系统极为复杂，因此我们常将整车分解成多个子系统进行研究，如底盘子系统、车身子系统等；也可以研究某个激