车内噪声控制技术及发展趋势

1、车内噪声控制技术及发展趋势摘要：本文简单介绍了汽车车内噪声产生的机理及传播途径，综述了目前国内外车内噪声控制技术，重点论述了主动控制技术在车内噪声控制中的应用及存在的问题，最后预测了车内噪声控制技术在减振降噪领域的发展趋势。关键词：车内噪声；噪声控制；主动控制技术；减振降噪Technology of Control of Automotive Interior Noiseand Trends of Its DevelopmentDuYuanyuan(School of Automobile engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 4

2、30070, China)Abstract：This paper briefly describes the mechanism of generation and transmission of automotive interior noise, summarizes the technology of interior noise control both at home and abroad at present, and then focuses on the application and existing problems of the active noise control

3、technology in automotive interior noise control. Finally, this article forecasts the trend of the development of automotive interior noise in the field of vibration and noise reduction.Key words：automotive interior noise；noise control；active control technology；vibration and noise reduction前言噪声、振动和舒适

4、性是衡量现代汽车制造质量的一个综合性技术指标。它是世界汽车业各大整车制造企业和零部件企业关注的问题之一。随着人们对汽车乘坐舒适性要求的提高和人们环保意识的加强，世界各大汽车公司对汽车噪声的要求也越来越严格，在世界各国汽车工业发展规划中，已把改善汽车乘坐舒适性、降低车内噪声作为亟待解决的主要问题之一。经研究表明，汽车上所有噪声源对车内噪声都有影响，由于车内噪声控制是一项比较复杂的工作，要降低车内噪声，必须要首先掌握车内噪声产生机理及传播途径，从而采取相应的减振降噪技术加以控制。本文论述了车内噪声产生机理及传播途径，综述了目前国内外车内噪声控制技术即传统的车内噪声控制技术与车内噪声主动控制技术。传

5、统车内噪声控制技术主要从减弱声源强度、隔绝传播途径和吸声处理三个方面来考虑，车内噪声主动控制技术的发展弥补了传统车内噪声控制技术的不足，近年来智能材料结构的出现以及主动控制技术的发展，为振动与噪声的控制开辟了新的途径。1车内噪声产生机理及传播途径车内噪声产生机理如图1-1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

6、声能力有关，也就是它服从质量定律的规律。图1-1车内噪声产生机理图1-1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，这些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

7、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。图1-2车内噪声的传播途径各声源和振源的传播途径详如图1-2所示。其中经由空气传播的噪声主要是发动机表面辐射噪声和气流流动噪声，而固体传播的噪声主要是发动机、轮胎、路面及气流等引起车身振动而向车内辐射的噪声。空气传播和固体传播噪声的能量因车型、结构以及噪声的频率成分的变化而有所差别。一般情况下，500Hz以上，空气声传导占主导地位，400Hz以下，固体传声占主导地位。试验研究表明，封闭的车辆舱室对外部声源起到较大的隔声作用，发动机的空气传播噪声对封闭驾驶室内部噪声影

8、响不大；封闭驾驶室内部噪声主要是发动机振动和路面随机激励引起车辆舱室各板壁振动而辐射出来的固体声，其中由发动机引起的噪声占主要地位。因此低频噪声是车辆舱室内部噪声的主要成分。2传统的车内噪声控制技术传统的车内噪声控制技术又称车内噪声被动控制技术。控制车内噪声的途径主要有减弱声源强度、隔绝传播途径和吸声处理三个方面1。2.1消除或减弱噪声源首先，在开发过程中，必须对汽车进行减振降噪结构设计。目前国外已有用于研究汽车噪声与振动的软件工具。帮助设计者识别、隔离和排除可能的噪声源。例如使用ANSYS有限元分析软件进行轿车的空腔声学模态分析，得到声学模态频率和振型，并结合声学试验分析和轿车车顶棚、前挡风

9、玻璃有限元模态分析，进行针对降低车内噪声的结构设计。其次，在降噪处理时。减弱声源的途径主要有：对发声部件采用消声器，对振动部件采用减振器；采用或改进密封元件来消除泄漏气流的间隙，增加密封压力。降低汽车上任何声源的噪声能量都有利于控制车内噪声，尤其是降低发动机噪声和传动系噪声更具重要意义。例如对发动机进行屏蔽处理可使舱室内噪声降低10dB左右。2.2控制噪声传播途径，阻断固体传播为减少汽车行驶过程中传入车内的噪声，可以利用具有弹性和阻尼的材料来阻断结构声；也可以利用涂布、阻尼粘胶等材料来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。即主要采取

10、隔振、隔声和提高车室密封性等措施来降低车内噪声。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，也采用在车身涂敷防振涂料等方法。试验研究表明，对各操纵机构和仪表线路通过车身的孔、缝进行密封处理后的车内噪声可降低10dB。2.3吸声处理在声空间的界面上附加吸声材料，从而空气波入射到这些界面时。声能量由吸声材料的内损耗而转变为热能，避免声的反射而出现的混响作用。从而减小声空间的声压级，达到控制车内噪声的目的。车内顶棚、底板和侧壁内饰衬垫应尽量使用本身具有吸声性能的材料，同时隔声与吸声应综合考虑。以实现用最少的材料，最简单的结

11、构来控制车内噪声。目前在汽车上使用的吸声材料主要有：多孔性吸声材料。这类材料主要有玻璃棉、毛毡等；开孔壁吸声材料，车身顶部内饰面即采用这种吸声材料。3车内噪声主动控制技术传统车内噪声控制技术（车内噪声被动控制技术）存在如下缺点：大多能对车内中、高频噪声进行有效控制，但对低频噪声控制效果基本上都不明显，一些车身结构的振动及其辐射低频噪声无法得到有效控制；传统噪声控制技术往往与汽车轻量化的目标相矛盾。车内噪声主动控制技术的发展弥补了上述传统车内噪声控制技术的不足。与传统的降噪技术相比，主动控制技术的突出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，因此近年来主动控制技术在降低低频噪声中得到了

12、广泛应用。车内传统噪声控制过程中除噪声源外没有其他外加能量输入；而在噪声主动控制过程中，除噪声源以外，人为加入能量来控制噪声。车内噪声主动控制技术一般包括：有源噪声控制技术和有源振动控制技术。另外，随着智能材料结构的出现以及主动控制技术的发展，可实现智能结构系统的噪声主动控制。3.1有源噪声控制技术有源噪声控制技术（Active Noise Control，简称ANC）是近年来发展起来的一种全新的噪声控制方法。其原理是在指定区域内人为地、有目的地产生一个次级信号去控制初级声信号，根据两列声波相消性干涉或抑制性的原理，通过次级声源产生与初级声源声波大小相等，相位相反的声波辐射，使二者相互抵消，从

13、而达到降噪的目的。图3-1单通道有源噪声控制系统示意图图3-1是一个典型的单通道有源噪声控制系统。图中有两个声压传感器，一个放在声场受控点处，称为误差传感器；另一个放在噪声源附近以提取噪声信号，该信号又称为参考信号。参考信号和误差传感器的输出信号都被送入控制器，其中误差传感器的输出信号用于实时调节控制器参数，参考信号则与控制器对数做卷积后输出到次级声源。次级声源产生次级声场，使得声场受控点处(误差传感器处)的声压得到抑制。单通道系统仅包含一个次级源和一个误差传感器，而多通道系统则包含两个以上的次级源和误差传感器。增加通道数量可扩大消声空间，提高降噪量，但随着通道数的增多，控制器算法和控制系统的

14、复杂程度也将大大增加。该项技术早在30年代由德国物理学家Lueg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60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23。车内（封闭空间）声场的有源控制研究是从80年代中期才开始进行的。英国ISVR的Nelson等人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。20世纪80年代末期发展了自适应有源降噪技术，可实现选择性降噪，并能自动跟踪声场参数和噪声源的变化，可以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。

15、国外某些汽车公司及研究机构于20世纪80年代后期开始尝试将有源降噪技术用到车内噪声控制上，并相继推出一些试验性系统。日本尼桑公司1991年在其Blue Bird轿车上开始装备有源降噪系统，降低车内噪声5.6dB。近几年来，国外在该领域又取得了较大的进展。国内开展有源降噪技术研究相对较晚，沙家正等人1979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作了探讨；清华大学、西安交通大学的学者对有源降噪及其工程应用作了大量工作，但是目前国内尚没有研究出适用的车内有源降噪控制系统45。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

16、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。随着电子技术、控制技术和材料工业的发展，有源噪声控制技术在车内噪声控制方面得到了广泛应用，但是仍然存在不少难点亟待解决：如对车内声场分布、空间有源降噪机理等缺乏深入研究；次级声源和误差传感器的最佳数量及最优布放位置如何确定；ANC系统的稳定性如何保持等等。3.2有源振动控制技术有源振动控制技术（Active Vibration Control，简称AVC)，又称主动振动控制技术，是用另一振动源产生某种振动，迭加到原有振动上，达到减振、隔振、吸振的目的。AVC系统是声学、振动学、电子学、计算科学、数字信号处理技术、换能器学、计算机

17、、集成电路等多学科的综合运用，一般由传感器、控制系统、次级振动源构成。因而AVC的研究包括控制理论、控制机理、传感器、次级振动源的研究以及复杂系统的研制。图3-2结构声主动振动控制原理图3-2给出了一般性振动控制原理。在板的一端有策动力F的作用，使板产生振动而辐射声音。当策动力的频率与板的某个固有振动频率一致时产生共振，辐射的噪音特别大。用传感器A拾取振动信号，经控制器做滤波、移相和放大处理以后反馈给次级振动源V。只要传感器A和振动器V不在主要振动模式的节点或节线上，就可以调节到满足减振条件。对于次要振动模式，因为相移可能使振动减小或变大，但总的振动是减弱的。较早的结构振动有源控制研究始于20

18、世纪70年代6，苏联学者A.S.Knyazeyl967年发表了第一篇采用振动控制方法降低辐射噪声的论文。1989年，Hansen等人比较了采用振源和声源控制矩形板声辐射的不同效率。1990年1991年Pan等人用该方法对矩形空间的的声传人进行了控制。既有理论分析、又有试验研究。美国、英国、日本等国，AVC的研究与应用也取得了很大进展。目前，美国和澳大利亚等在主动振动控制的研究方面处于领先地位。主要倾向于采用次级振源进行结构声的主动控制。并已在谐振结构噪声的主动控制中获得初步验证。与传统的振动控制方法相比，AVC系统重量轻，灵活可调，可随意改变系统的等效阻尼、等效质量、等效弹性系数，适合于机械工

19、程及航空航天领域的振动控制。在噪声控制工程中使用AVC可以减少结构振动噪声的ANC所需要声源的个数，且针对性强，结构合理紧凑，性能好。AVC系统不足之处是应用时比较复杂，尤其是针对复杂结构的主动控制，不仅要弄清物理系统，而且要设计控制电路。此外，需要各种特性的传感器、次级振动源，还需外加电源。目前在实际应用中，综合运用AVC系统和传统振动控制方法能得到较好的控制效果。3.3智能结构系统的噪声主动控制有源振动控制效果的好坏主要取决于驱动机构（换能器）的性能。使用特殊材料如形状记忆合金和压电涂层等进行有源动态控制的尝试，即所谓智能材料的研究可大大提高其对环境的适应与控制能力。智能材料结构的出现以及

20、主动控制技术的发展为振动和噪声的控制开辟了新的途径。3.3.1智能材料和结构概述实现智能结构的基本逻辑构思就是：将驱动元件和传感元件紧密融合在结构中，同时也将逻辑控制电路、信号处理器、功率放大器、信息处理和人工智能环节以及数据传输总线等集成在结构中，通过机械、热、电、磁等激励和控制，使智能结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能。从原理上讲任何一种存在机械量与非机械量(电、热、磁、光)耦合的物理材料都可称之为智能材料,可用于智能结构中驱动和传感元件的设计。智能结构中的驱动器将电量、电场强度、磁通量等非机械量转变为应变、位移等机械量，以实现结构的应变或位移驱动的目的。智

21、能结构中的传感器则正好与驱动器的功能相反。它将机械量转变为非机械信号作为控制器的信号输入。3.3.2电/磁流变减振器的控制电/磁流变减振器属于主动减振器，其阻尼力是通过孔道的节流阻力来实现的。不加电/磁场时，减振器的阻尼力较小；在外加电/磁场后，作为减振器工作液的电/磁流变流体的粘性流动阻力增大，其孔道节流阻尼力也增大，减振器的性能随之改变。由于电，磁流变流体的响应速度很快，故可根据汽车的行驶状态通过外加的电/磁场控制减振器的性能参数，从而达到主动减振的目的。3.3.3压电材料的智能结构控制利用压电智能材料降低车内噪声，是通过对车身振动的主动控制来实现的。其基本原理是把分别作为传感器和驱动器的

22、压电元件粘贴或嵌入车身结构(如板、壳、梁)中，传感器感受到车身结构振动，产生相应的振动信号并反馈到电子控制单元(ECU)，经相应的控制算法进行处理后产生相应的控制信号，控制信号经功率放大后，驱动驱动器使车身结构产生应变以改变结构的动态阻尼，来实现对车身的主动控制，从而抑制车内噪声。目前，主动控制技术的研究尚处于发展阶段，与技术成熟和普及还有一定距离。由于成本等原因，车内噪声主动控制技术还没有人们想象的那样随处可用。但随着电子技术、控制技术和材料结构的发展，我们有理由相信：车内噪声主动控制技术会逐步走向成熟，在不远的将来，该技术将在车内噪声的控制方面发挥巨大的作用。4车内噪声控制技术的发展趋势随

23、着我国加入WTO，人们对汽车舒适性的要求越来越高。汽车工业将面业面临残酷的存亡竞争。如何改善车辆内部乘员室声学环境，降低车内噪声水平已成为各国政府和车辆生产厂家共同关注的问题。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。随着物理学、电声学、工程学、数字信号处理、自动控制、人工智能、系统科学等技术的发展，车内噪声控制技术将会发生历史性变革，主要体现在以下几点。(1)随着材料工业的发展，如何研制和选用体积小、重量轻、吸声隔声效果好的复合声学材料来降低车内噪声将得到高度重视。(2)车内有源消声技术的发展方向将在多通道、非线性、鲁棒等多个方面展开，对宽带噪声控制的多通道自适应

24、ANC系统以及基于人工神经网络的有源消声系统会成为研究的重点和热点，因而自适应技术、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。(3)传统车内噪声控制技术对控制中高频噪声有效，对低频噪声控制频段很窄，控制效果不够理想7。车内噪声主动控制技术是更为先进的控制技术，它以人为产生的声波去与原来的噪声相叠加，以达到总噪声下降的目的。噪声有源控制技术具有中低频段噪声控制效果好等优点，在工程应用范围逐步扩大8。噪声控制技术将主动控制、被动控制统一于汽车新产品的设计流程中，并与汽车结构的低噪声优化设计相结合，将成为进一步研究的方向。(4)在现代声学研究中，广泛地应用计算机

25、和数值计算方法是重要趋势，有限元法(FEM)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。5结论本文主要做了以下几方面工作。(1)简要介绍了车内噪声产生机理及传播途径，车内噪声主要有两种传播途径即空气传播和固体传播，为采取相应的减振降噪措施以控制车内噪声奠定基础。(2)综述了目前国内外车内噪声控制技术，即传统的车内噪声控制技术与车内噪声主动控制技术。并在以下讨论中分别论述了两种控制技术的在车内噪声控制中的应用。(3)传统的车内噪声控制技术主要包括减弱声源强度（特别是降低发动机噪声和底盘噪声)、控制噪声传播途径