（光学工程专业论文）汽车车外加速噪声控制研究.pdf

重庆大学硕十学位论文abs trac丁 abs tract t r a n s p o r ta t i o n n o i s e c a u s e d勿 a u t o m o b i l e s is o n e m a in k i n d o f n o i s e p o l l u t i o n . i n o r d e r t o m i n i m i z e t h e h a m m e s s m a d e b y t h e n o i s e o f a u t o m o b i l e s , i t i s n e c e s s a ry t o r e d u c e t h e n o i s e g r e a t l y . i t i s v e ry d iff i c u lt t o c o n t r o l t h e p a s s - b y n o is e o f t h e a u t o m o b i l e s f o r t h e e n t e r p r i s e s . t h i s p a p e r a im i n g a t t h e m i n i c a r s c 7 0 8 0 a， t h e r e a s o n s r a d i a t in g n o i s e o n t h e a u t o m o b i l e s m a i n p a r ts a r e ro u n d l y s t u d i e d a n d t h e m o d e m m e t h o d s o f t h e n o i s e s o u r c e id e n t ifi c a t i o n a re a l w a y s c o m p a rt i v e l y re s e a r c h e d . a n d i t i s i n v e s t ig a t e d e m p h a t i c a l ly a b o u t i n t a k e n o is e , e x h a u s t n o i s e a n d t h e t h in s h e ll n o i s e o f t h e e n g i n e . a c c o r d i n g t o t h e t h e o ry o f t h e m o d e m n o i s e s o u r c e i d e n t i fi c a t io n a n d a p p l i e d c o n d it io n ， t h e m in i c a r s c 7 0 8 0 a i s m e a s u r e d b y t h e s e w a y s , a n d t h e m a in n o i s e i s i d e n t i fi e d . b y u s i n g e x p u r g a t i o n m e t h o d , th e m a g n it u d e o f n o i s e r a d i a t e d fr o m v ib r a t in g c o m p o n e n t s i s o b t a in e d a p p ro x im a t e l y , a n d t h e p e r c e n t a g e o f th e p a r t s r a d i a t in g n o i s e i n t h e w h o l e t r u c k i s c a lc u l a t e d a c c o r d i n g l y . t h e n s u r f a c e n o is e i s m e a s u r e d p r e c i s e l y t h r o u g h s o u n d i n t e n s it y m e th o d . a b o v e m e t h o d s c o m b i n e d w it h t h e a n a ly s is o f fi e q u e n c e a n d in t e r a c t io n b e t w e e n n o i s e a n d v ib r a t io n , t h e m i n i c a r s c 7 0 8 0 a s p a r ts w h i c h n e e d t o b e d i s p o s e d a re d e t e r m i n e d . t h e th e o r ie s a n d m e t h o d s t h a t a r e a p p li e d t o e a c h p a r t f o r n o i s e c o n t ro l li n g a r e s t u d i e d e m p h a t ic a l ly .t h e in t a k e m u ff l e r i s d e s ig n e d b y t h e t h e o ry o f h e lm h o l t z - k i r c h lh o ff， a n d t h e n e w c y l in d e r c o v e r i s d e s i g n e d w it h t h e s t r u c t u r e o f o s t io l e in t h e in n e r c l a p b o a r d . f u r th e r m o re , th e n e w c r a n k c a s e o il t ra y a n d th e s h e ll o f t im i n g g e a r c o m p a r t m e n t a re d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e t h e o ry o f l o w n o i s e r a d i a t in g . b y u s in g a b o v e m e a s u r e s o f n o i s e c o n t ro l , t h e p a s s 一 n o i s e o f t h e m i n ic a r s c 7 0 8 0 a i s a t t e n u a t e d a p p a r e n t ly . t h e p a s s - b y n o is e o f m i n i c a r s c 7 0 8 0 a i s o b v io u s l y d e c r e a s e d f r o m 8 1 .0 d b ( a ) t o 7 2 .0 d b ( a ) j h e n o i s e i n d e x h a s m e t w i t h t h e th e s e c o n d s ta g e o f l a t e s t r u l e o f l a w . k e y w o r d s : a u t o m o b i l e s , n o i s e , c o n t rol 重庆人学硕十学位论文第 i 章绪论 第 1 章绪论 1 . 1 引 言 噪声污染是当 今社会的三大公害之一。因其危害广泛、引发社会问题 普遍，而被推为三大公害之首。 交通噪声污染是影响最为广泛和严重的一 种噪声污染， 汽车作为人们一种主要的交通工具，由于其功率不断提高， 速度越来越快， 汽车保有量大幅度提高，使得汽车噪声成为最主要的交通 噪声污染源， 据统计，7 0 % 左右的交通噪声是由 汽车产生的l 。 无论是发展中国 家还是发达国 家， 汽车所产生的交 通噪声对人们的生 活、学习和工作产生了巨大的负面影响。据资料显示，欧洲1 9 9 6 年1 1 月 “ 绿皮书” 统计， 欧共体大约有2 0 % 的 人受 到了 噪声 污染的 损害， 6 7 . 5 % 的 人在白 天受到来自 噪声的 严重打 扰cz 。国 外 工 业发 达国 家 对汽车噪声 所带 来的 这种负面影响引 起了 高度的重视， 如欧共体、 欧经会、日 本、美国等 主要国 家和地区 从7 0 年代起每5 年左右就 修订一次相关法规和标准， 使汽 车噪声 有了 大 幅度的降 低， 例如 轿 车就 从8 0 d b ( 8 2 年1 0 月) 降 到7 4 d b ( 9 5 年1 0 月)降了6 d b ( a ) ;重型车从8 8 d b ( 8 2 年1 0 月)降到8 0 d b ( 9 5 年 1 0 月 ) ， 降了8 d b ( a ) ， 使 得 交 通 噪 声 得 到了 有 效的 控 制。 相比 之下， 我国的交通噪声 污染更显突出，由 于我国 制造业的科研实 力和技术水平以及执法力度等客观因素的限制，目 前我们仍在沿用 1 9 7 9 年颁布的 汽车车外加速噪声标准， 我国的实际 噪声水平与发达国家还存在 较大的 差距 91 9 1 ， 鉴于此， 我国 政 府把环境 保 护作为 我国 的一 项长期的 基 本国 策， 并于1 9 9 6 年颁布了 环境 保护 法1 51 。 同时 为 促 进 汽车降 噪 技术与测 量分析技术的 研究和应用， 推动中国 汽车工业的 发展，国 家环境保护总局 已 于1 9 9 8 年底着手修改 汽车加速行驶车外噪声的限 值 和 机动车辆允 许噪声 两个国家标准， 并有望于今年得到实 施， 其噪声限 制值相对于1 9 7 9 年的法规严格了 很多，以 轿车和微车为例，车外加速噪声限制值由过去的 8 1 d b ( a ) 下降 到7 6 d b ( a ) 。 由 于 汽 车 车 外 加 速 噪 声己 纳 入 汽 车的 强 检 指 标， 因此汽车车外加速噪声控制研究受到广泛的重视，因此我们必须开展汽车 车外加速噪声控制的研究，以便缩短与发达国家的差距。 1 . 2 汽车车外加速噪声控制研究的 重要性及意义 为了减小噪声污染对社会的危害，各国不断制定日 益严格的法规使得 重庆大学硕士学位论文 第 1 章绪论 各种机电 产品的噪声限 值日 益降 低， 其噪声形成机理和控制方法的分析研 究受到学术界和工程界的广泛重视。尤其是针对汽车产品，噪声控制已 成 为学术界和工程界共同关注的热点问 题6 1 1i 8 1 就学术界来说， 对汽车进行深层次的降噪必将遇到新的问 题急待解决。 由于汽车所产生的车外加速噪声成因复杂，分析困难，如何快速准确地确 定各声源所产生的部位从而寻求主声 源，并针对各主声源提出经济有效， 切实可行的改 进措施， 一直是噪声与 振动研究 领域的难点: 另一方面， 汽 车车外加速噪声大小由 各零部 件和各 子系统综合叠加形成， 但各零部 件和 子系统各自 产生的噪声 形成机理不一， 甚至个别部件的噪声控制( 如风扇) 将跨多门学科。如何准确确定汽车的主要声源，并针对该主声源进行切实 可行的降噪措施，一直是各大汽车厂家的难点。同时，对汽车车外加速噪 声进行系统的 研究， 着手解决目 前汽车车外加速噪声较高的 现状， 在国内 很少有相关的系统资料作为参考， 本课题的 顺利完成必将为同行的研究提 供各方面的参考和指导。 就工 程界 来说， 各 大汽车 厂 家己 深 刻 认识 到n v h ( n o i s e v i b r a t i o n 另外为 迎接加入w t o 所带来的 更加 激烈的国际竟争， 必须以 低噪声汽车 产品 迎接外国 产品的 竞争，同时 应能 以 低噪声 汽车进入他国 市场参与竞争; 各大厂家目 前所生产的 系列汽车， 其噪声 辐射水平能 满足国 家1 9 7 9 年所颁布的国 家标准， 这与国 家环保总局 己制定的新噪声限值法规相差甚远。 加快降 低汽车车外加速噪声事关企业 的长远发展， 各汽车制造厂都已 把“ 降 低汽车车外加速噪声”列为本厂重 大攻关项目。 总之， 开展汽车车外加速噪声 控制研究， 既是顺应国 家环保的需要， 也是为各汽车制造厂 解决实际 面临 难题的需要， 大大提高 汽车厂家产品自 主开发能力。同 时， 将有助于我国 汽车的噪 声与振动研究水平的 提高，紧 跟世界 汽车n v h 控制理论和技术的发 展趋势， 为以 后汽车振动噪声问 题的 研究提供重要的指导意义。 ， . 3 国内外研究现状 噪声与振动控制的研究一 直是工程技术界的研究热点，是现代社会向 纵深发展的一个技术关键，解决不好噪声和振动问 题，机器功率就不能加 重庆人学硕士学位论文第 1 章绪论 大， 速度就不能 加快从 全 世界的 角度来 看， 噪声的 控制研究被分为两大方 向， 一种是基于以声消声的所谓有源消声 ( 又名噪声主动控制) ， 该技术以 前一 直发展比 较缓慢， 但 最 近十 几 年以 来， 在高 速微机和 d s p ( d i g i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g ， 数字 信号 处理器)出 现的 情况下，己 经在管道消声 有源消声耳塞和某些频率比 较单一且较为稳定的小范围内的噪声获得了一 些应用，出 现了比 较成熟的 有 源消 声 产品 m m n ，能 够有效的降 低低频噪 声，不过，由 于其理论比 较复杂，对适时性要求比较高，即只有保证两个 声波的相位相反或接近相反，刁 能起到真正的消声作用，否则还会起到扩 大噪声的反作用，因此其适用范围受到了很大的限制另 一种是被动消声， 即我们经常所采用的一些传统的消声办法，比 如吸声降噪，隔声降噪，阻 尼降噪， 通过 提高制 造加工精度和工艺水平来降噪， 使用低噪声产品 来降 噪，使用附加产品， 如进fl 汽消声器来降噪， 对产品进行结构改型， 使结 构振动固 有频 率与 激 振 频率 避开 而降 噪叫 等等，由 于上 述方 法原理比 较 简 单，且已 经总结出了比 较成熟的系统理论，因此实施相对比较容易。 发达国 家通过使用后一 方法，已 经成功的使各种汽车降 低了 i o d b到 2 0 d b 不等， 例如， 瑞士， 从1 9 7 0 年到1 9 8 6 年，载货汽车 ( 之 1 5 0 k w )由 过去的9 2 d b 降到8 4 d b ， 到1 9 9 5 年载货汽车噪声水平限 制在8 0 d b ， 也就是 从1 9 7 0 年到1 9 9 5 年， 一 辆载货汽车住1 5 o k w ) 己 经降 低了1 2 d b ， 从噪声 排 放的 能量来说 ， 1 9 7 0 年 一 辆 载货 汽 车相当于1 9 9 5 年八 辆相同 汽车排 放的 能 量rit 国 家通过不断颁布严格的噪声限值法规， 迫使发达国家本国和要求 进入该国 市场的 机动 车 辆噪 声控制 技 术水平不断 提高a 7 ， 到目 前为 止， 许 多发达国家的主要厂家， 如通用公司和丰田公司，自 成立了n v h 研究中 心 后，取得了 很大的 成果， 在中 低速的 情况下， 各汽车主要发声部件噪声 水 平相当， 没有明 显的 主要声 源， 在高速的 情况下，原 来次要的 声源如传动 系噪声车 湖 台 噪声却成了 主要噪声源 由 于更进一步的降噪使得新问 题不断 出现， 相应的 研究重点 增多，并 逐步以 系统的 观点 来研究和看待汽车整车 噪声问 题， 提出 汽车n v h 概念，开 展系统深入专项的 研究， 从设计阶段就 开始统筹 考虑噪 声 控 制问 题n a o 6 汽 妇 声的 试验研究方 法趋向 于声 压法声 强法和振动测量法的 综合应用， 更多地借助声强法和模态测量法育 y w ij il 或 功率流测量法来研究机械结构系统的噪声形成固体传播和辐射规律， 并逐 步引 入数 值解析 方法 进 行 汽车 结构噪 声 辐射的 理论分析和改进设计 盯 :，了 气 汽车噪声控制由主要依靠消声隔 声和吸声的传统手段向结构动态特性改 进声 源直 接控 制 和传 统手 段 相结 合的 方向 发展u el ， 此外， 汽车噪声的 有 源 控制也得到日 益广泛的研究，某些有源控制已 可进入实用阶段，如电子消 声器己能装车应用，并达到比 普通抗性消声器或阻抗复合式消声器更好的 综合效果。 重庆大学硕十学位论文第 1 章绪论 在国内， 我国 和发达国家在噪声控制研究领域还存在着较大的 差距， 部分厂家以前在没有严格的噪声限值法规的压力下，因此也只是零星的做 了一些个别部件的降噪工作，汽车车外加速噪声构成还是以 发动机噪声、 排气噪声等为主，一般说来，发动机噪声可占车外总噪声的 5 0 % 7 0 %， 噪声控制主要依靠消声、隔声和吸声的传统手段。 近十年来，我国对汽车 噪声的控制问题日 益重视，许多新的试验研究手段和技术被引入，一些数 值解析方法被用于汽车噪声的分析研究，例如声强测量法、 模态试验法、 矢量合成分析法等试验技术都有文献报道用于汽车噪声控制分析，也有一 些国内 学者 运用有限 元法、 边界元法等数值解析手段进行 汽车车身、 发动 机进排气管 道系统 及消 声器等结 构的声学特性分析和结 构 一 声 祸合 场5 5 (9 分析， 对促进国内 汽车噪声 控制水平的提高无疑有重要作 用， 但汽车噪声 控制的实际工程应用相对 滞后，国内 汽车噪声水平仍然比 国际 先进水平落 后 1 5 -2 0 年。 1 . 4本课题的研究内容及目的 我国 在汽车n v h 方面的 研究尚处于起步阶段， 特别是在汽车噪声控制 措施的 有效 性与实用性方面， 还很薄弱， 本课题拟以s c 7 0 8 0 a 微型车 作为 工程应用实例，在对其进行声源识别的基础上，提出和实施一些切实可行 的降噪措施.因此， 本课题研究的主要内容如下: 1 ) 系统学习 汽车车外噪声的声源识别方法和原理， 特别是在现代声源 识别方法中 广泛采用的 汽车噪声评价的声压级法、表面声 源识别的声强测 量法和声振相干分析法以 及结果对比的声功率法等， 重点 研究 各声源识别 方法的应用场合，测试过程以 及测试结果的数据分析等: 2 ) 国内 外一些成功的车外噪声控制方法和手段及原理进行系统研究， 特别是 针对汽车某些总成的降噪。由 于国内 微型汽车 其主要声 源一般都为 发动 机和 进、 排 气噪 声， 以 及风扇噪声(5 (8 1 19 1 ， 因 此， 在 汽车 声 源识别 方 法 和噪声控制措施上， 将对上述部件进行重点的研究。 3 ) 以s c 7 0 8 0 a 微 车 作为 工 程应用实 例， 对其 进行车 外加 速噪 声系统 性 的研究: 首先 对s c 7 0 8 0 a 微车车进行国 标环境下的车外加速噪声摸底，并 初步分离各部件在车外加速噪声中所占的比重，测量并记录整车车外加速 噪声的频普图。 针对目 前的噪声水平，参考国内外在该领域的研究发展现 状，并根据国家行将颁布的汽车车外加速噪声法规限值的情况，初步提出 合适的降噪量。 9 ) 然后进行声源识别、找出主声源，通过本阶段，将混叠在一起的加 重庆大学硕十学位论文第 i 章绪论 速噪声 按部 件 或子系 统作进一步的分离， 包括 对s c 7 0 8 0 a 微车 进行 汽车 整 车及主要部件的台架声压级噪声试验， 以 及利用声强的噪声声源识别试验， 汽车噪声与振动的相干分析及加速噪声源的综合分析， 从而揭示加速噪声 的基本构成，为汽车整车的控制策略制定提供依据，为进一步探讨噪声的 发生机理和采取具体的控制措施提供依据。 5 ) 通过上述声源识别之后，分析s c 7 0 8 0 a 微车主要噪声的物理来源和 频率构成，并分析各主要噪声源自 身、各主要噪声源之间是否有较强的相 关性，分别寻求出各噪声源的发声机理，为下一步提出噪声控制策略的制 定提供依据。 6 ) 在不损害功能和性能的前提下，充分考虑经济性原则，同时参考国 内外各主要声源部件的噪声状况，将最初提出的总的降噪量分配到各主要 声源有降噪潜力的部件上，充分论证其可行性， 针对某些总成，提出和实 施一些切实可行的降噪措施。 通过实施降噪之后，最终将按照国 标的要求，实行车外加速噪声的降 噪效果试验评价， 经过反复分析、研究、改进， 直到最终达到预定降噪效 果的目的。 重庆大学硕士学位论文第2章汽车车外加速噪声的产生机理 第2 章汽车车外加速噪声的产生机理 为了有效控制汽车噪声，首先必须确定该车的各种噪声源、噪声性质 以及影响噪声水平的因素， 因此必须对车外加速噪声产生的机理予以研究。 2 . 1 汽车整车车外加速噪声的组成 汽车是一种由动力驱动并行驶于多种路面的交通工具，因而受动力机 和路面激励影响，使构成汽车的三大部分 ( 即发动机、底盘和电器系统) 的所有部件都会毫无例夕 卜 地产生噪声和振动，只是对汽车总噪声贡献大小 不同 而已 。 汽车的 各主 要噪声 源如图2 . 1 所示困。 $图2 . 1汽 车 整车 车 外 加 速噪 声 构 成 这些声 源又可根据其不同 种类划分为若干小 声 源im ) ， 如图2 . 2 所示。 图2 .2 汽车整车噪声各小声源 重庆大学硕士学位论文 第z 章汽车车外加速噪声的产生机理 汽车的各噪声源都是相互关联的， 声能较小的声源受更大声源的掩盖。 所以，研究汽车噪声必须分析各种声源对汽车总噪声的影响幅度，这对如 何采用既经济又切实可行的的噪声控制措施来降低汽车整车车外加速噪声 是至关重要的。 由于目 前国 产汽车的车外加速噪声主要以发动机本体噪声、 汽车的进气噪声和排气噪声为主，因此，本论文将对上述总成的噪声形成 机理予以重点的研究。 2 . 2 发动机噪声的组成及形成机理 2 . 2 . 1 发动机噪声的分类 在我国，发动机噪声在小轿车车外加速噪声中仍为主要噪声源，约占 5 5 % 0 1 ; 随 着汽车噪 声限 值的 严 格， 发 动机噪声问 题显得日 益突出， 国、内 外都非常重视降 低汽车发 动机噪声。日 本大型汽车的发动机噪声己 降到仅 占 车 外噪 声 的3 0 % ， 大 大 超 过 了 我 国 目 前 的 水 平 (1 )2 01 。 要 阳氏 我国目 前 汽 车 的噪声水平，我们首先应以 控制发动机噪声为主要目 标。要对发动机噪声 进行控制，首先应了 解发动机噪声的构成。按噪声辐射的方式来分，可将 汽车发动机的噪声源分为直接向大气辐射和通过发动机表面向外辐射两大 类。 直接向 大气辐射的噪声 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 动机表面噪声是由 发动机内部的燃烧 过程和结构振动所产生的噪声通过发动机壳体透射或由 表面振动辐射声构 成 发 动 机 噪 声 的 构 成 如 图2 . 3 所 示 1)p 图2 .3 发动机噪声的构成图 里庆人学硕 十 学位论文第 2章汽车车外加速噪声的产生机理 2 . 2 . 2 发动机表面噪声 发动机的表面噪声由 燃烧和机械两类激振力激发结构振动，经过各自 的传递途径传给发动机外表面， 辐射出空气载噪声。以柴油机为例，如图 2 . 4所示， 噪声 发生 机制是 很复 杂的， 汽油机噪声 辐射性 质与 此相 似2 11 从发动机表面辐射噪声形成示意图来看， 要对发动机的本体噪声进行控制， 显然可以 从两条途径采取措施， 一方面可从发动机的激振源本身采取措施， 这些激振源是一 切噪声产生的 根源;另 一方面可对发动机各壳体部件进行 处理，降低各壳体部件自 身的噪声辐射效率和透声效力也能达到噪声控制 的目 的。在进行噪声 控制之前，比 较两降噪途径，从而提出既经济又切实 可行的噪声控制措施。 ,翼鬓一 进、排气 喷， 寸 装l 到 i 革 盖 油 泵i 正时齿 轮传动 齿轮 室盆 油底亮 发动机表面辐射声 图2 .4 发动机表面辐射噪声形成示意图 2 . 2 . 2 . 1 发动机燃烧噪声机理 发动机嫩烧噪声是燃料在气缸内燃烧时， 使缸内 压力急剧上升产生的 动载荷和冲击波引起的高频振动，经气缸盖、气缸套、活塞一 连杆一 曲 轴及 主轴承传播出去、 辐射出 来的噪声。汽油机的正常燃烧过程噪声，在发动 机总噪声中占很次要的地位。但是对爆震和表面点火等不正常燃烧时将产 重庆人学硕十 学位论文第2 章汽 i 车外加速噪声的产产 机理 生较大的燃烧噪声。 当 爆震时， 气缸内的气体压力急剧上升， 能产生4 0 0 0 6 0 0 0 h z 的高 频爆震噪声。 对于正常生产和使用的 发动机， 只要汽油 牌号 选 用合适，点火提前角适当， 爆震噪声是可以避免的。对于压缩比高的汽油 机，由于积炭多， 产生过热，引起表面点火，从而导致缸内 压力剧增， 这 样就会产生频率为5 0 0 2 0 0 0 h z 的噪声。它是由 于缸内 压力剧增而诱发曲 轴振动 所造 成的 c .n l2 11 f23 1 。 对于由 积炭 所产生的噪声只要 清除 燃烧室 积炭 即可消除。 尽管和汽油机相比， 柴油机的 燃烧噪声要剧烈得多， 但不是 本 论文的研究重点。 2 . 2 . 2 . 2 发 动 机 机 械 噪 声 机 理 p 20 22 (23 发动机的机械噪声， 是运转过程中各运动零部件受气体压力和运动惯 性力的周期性变化作用而引起的振动和相互冲击所激发的噪声。 在发动机 的其他噪声得到有效控制后， 机械噪声往往可以成为主要噪声源。 一般而 言， 在高转速下的 发动机噪声中， 机械噪声占 主导地位。 此外， 机械噪 声 与发动机制造工艺水平有着直接的关系，当工艺水平还不能令人满意时， 发动机的 机械噪声将显得尤为突出。 机械噪声主 要包括活塞的 敲击噪声、齿轮机构噪声、 配气机构噪声、 轴承噪声、 供油系噪声和不平衡惯性力引起的机体振动和噪声等。 1 ) 活 塞敲 击噪声 活塞对气缸壁的敲击，通常是发动机最大的机械噪声源。敲击的强度 主要取决于气缸的最高爆发压力和活塞与缸套之间的间隙。因此，这种噪 声既和燃烧有关，又和发动机活塞的具体结构有关。当作用在活塞上的气 体压力、惯性力和摩擦力发生周期性变化时，活塞在曲 轴的旋转平面内将 受到一个呈周期性变化的侧向 力的作用， 此力在上、下止点附 近必然要改 变方向， 活 塞将从一侧向 另一侧作横向 运动， 在上止点附 近有一个由 右侧 向 左侧的横向 运动，而在下止点附近有一个由 左侧向右侧的横向运动。高 速运转时， 活塞的 这种横向 运动是以 很高的 谏度讲行的。 由 于活塞与缸壁之 间 存在间隙， 从而形成了 对缸壁的强烈撞击， 特别是 在压缩行程终了 和膨 胀行程开始时，这种冲击更为严重。影响活塞敲击噪声的因素较多， 如活 塞间隙、活塞销孔的偏移、活塞高度、活塞环数、缸套厚度、润滑条件、 发动机转速和气缸直径等。 2 ) 配气机构噪声 发动机配气机构也是重要的机械噪声源。由于配气机构的零件多，刚 度差，因而易于激发起振动和噪声。在配气机构中，凸轮和挺杆间的摩擦 振动， 气门的不规则运动、摇臂撞击气门 杆尾部以及气门 落座时的冲击等 均会发出噪声。影响配气机构噪声的主要因素是凸轮型线、气门 杆间隙和 配气机构的刚度等。 重庆大学硕十学位论文第z 章汽车车外加速噪声的产生机理 只要发动机工况正常，除活塞敲击噪声和配气机构噪声外，其他噪声 都相对较小。 2 . 2 . 3 发动机空气动力噪声机理 发动机的空气动力噪声是由于气体扰动以及气体与其它物体的相互 作用而产生的。 它在发动机总噪声中占 有重要分量，是最容易采取降噪措 施的对象。内 燃机空气动力噪声包括进气噪声、 排气噪声和风扇噪声等几 部分。 2 . 2 . 3 . 1 进 气 噪 声 形 成 机 理 0 1 1zo11211 1- 1 发动机工作时， 一方面，高速气流经空气滤清器、 进气管、 气门 进入 气缸，在此气流流动过程中， 会产生一种很强烈的空气动力噪声;另一方 面，由于发动机燃烧产生的强烈噪声除通过其他途径传播之外，还可通过 节气门沿进气门 管道向外传播。 对于某些发动机来说( 如涡轮增压发动机) ， 有时 可以比 发动机本身的噪声高出5 d b ( a ) 左右， 成为 仅次于 排气噪声的 主要空气动力噪声，由于目 前国产的许多小轿车对排气噪声进行了有效控 制， 进气噪声逐步成为整车噪声的主要噪声源。 进气噪声的主要成分通常包括:周期性压力脉动噪声、涡流噪声、 气 缸的赫姆霍兹共振噪声和进气管的气柱共振噪声。 1 ) 周期性压力脉动噪声 新鲜空气进入进气管后，在气门的开闭过程中，必将引起发动机进气 管道中 空气压力和速度的 波动，引 起空 气密 度的 周期性变化， 产生周期性 压力脉动噪声， 该类型噪声主要从节气门 沿进气管道和空气滤清器向 外传 播。它的主要频率成分为: f = n i / 6 0 t ( h z ) ( 2 . 1 ) 式中: n -发动机转速; i 一气缸数;: 一冲程系数， 四冲程发动机t = 2 ， 二 冲程发动机: = 1 0 有时 在进气噪声中， 还会明 显出 现高次谐 波成分， 对于三缸发动机其 主 谐次 有1 . 5 k ( k = 1 , 2 , 3 等) 。 但 周期 性压力 脉 动噪声 通常为中、 低频噪声， 一般在3 0 0 h z 以 下出现峰值， 并与进气管内的压力脉动相吻合，是进气噪 声的主要构成部分。 2 ) 涡流噪声 当高速气流进入气缸时，由于在气流通道内 有气门、气门导管、进气 管内的毛刺、 尖棱、 砂眼等障碍物， 气流受阻而形成涡流， 产生涡流噪声。 涡流噪声是一种高声强噪声源， 其声功率与气流流速的四次方甚至八次方 成正比。涡流噪声的峰值频率可由下式进行计算: 重庆大学硕十学位论文第2 章汽车车外加速噪声的产生机理 f = s v i( h z ) d ( 2 . 2 ) 式中: s h一斯 特罗 哈 尔 数， 与 气 流雷诺数有关的 无量纲 量。 s h 0 . 1 4 - 0 . 2 0 , 一 般取 s h 0 . 1 8 5 ; v 一气流 流经障 碍物时的 流速; d ,- 樟碍 物的 特征 尺寸; i 一谐波序号。 在气门 开度最大时， 由 上式估算的气流经气门头部 产生涡流噪声的 峰值 频率。 而实际上， 在气门的开闭 过程中，气流流速、 气流流通面积、 障碍 物尺寸等等都是变化的， 涡流噪声的频率也是随之变化的。同 时，由 于其 它各种障 碍物的 存在， 所产生的 涡流噪声的频率成分很复杂。 因 此， 可以 说涡流噪声是一种频谱很复杂的宽带噪声， 其峰值将分布在一定宽度的频 率范围内。 3 ) 气缸的 赫姆霍兹共振噪声 可将发动机的 气缸看成是一个赫姆霍兹共振腔。即把气缸看成是一个 一端封闭的共振腔。其共振来源于气缸内气体压力波的激发， 共振频率的 大小与 发动机的 转速无关， 只取决于气缸容积、 进气管长度和直径。 气缸 赫姆霍兹共振腔简化成由 体积元件和等截面管段组成的系统。 根据端点条 件，由 体积元件和等截面管段的 传递矩阵， 求解第一阶固 有频率可由 下式 计算: c m . 2 i =- 月z) 2 ) r , i , ， ， r , 包 v a l 十 一 ) 嘴2- ( 2 . 3 ) 式中: 、 空 气中的 声速; r 一进气管半径: 1 一进气管长度二 v n一气缸容积。 当气缸内的气体压力脉动的击发频率等于计算出的发动机的各阶赫 姆霍兹共振频率时， 气缸内 将发生 赫姆霍兹共振， 此时的 辐射声能最大。 4 ) 进气管的 气柱共振噪声 当 进气门 关闭时， 进气管变成了 一端封闭一端开口 的等截面管， 构成 了 一个气柱共振系统。 在管 道内 的 气体介质，由 于具有连续分布的质量和 可压缩性， 而易发生气柱的 振动。 这种气柱振动与声波在管道内以 气体为 媒介进行的传播密切相关。当声源的激振频率与气柱的某一阶固有频率很 接近时， 气柱便发生对应于该频率的共振，使管道强烈振动并辐射噪声。 进气管内的气柱振动的固有频率可由下式计算: f= ( 2 i 一 1 ) c 4 1 ( h z ) 式中:i -谐波次数;c 一空气中的声速;1 一进气管长度。 ( 2 . 4 ) 凡管长度等于 重庆人学硕十学位论文第z 章汽车车外加速噪声的产生机理 1 / 4波长的 奇数 倍的 频率下， 都将发生小振幅波的共振。管道越长， 共振 频率越低，阻尼也越大。 无论是进气管的气柱共振噪声还是气缸的赫姆赫兹共振噪声都是将振 动产生的声能转化为部件的 振动，再由 振动向 外界辐射噪声，因此，在某 种意义上使得整体辐射噪声有所下降， 利用上述共振原理，人们可以对发 动机进气噪声进行控制。 2 . 2 . 3 . 2 排气 噪声 形 成 机理 排气噪声是 汽车及其发动机中 能量最大最主要的噪声源。 它的噪声 往 往比发动机整机噪声 ( 排气噪声除外) 高1 0 - 1 5 d b ( a ) 。 因此， 必须对其噪 声特性及其影响因 素进行研究，以 便能 采取相应的控制措施。 发动机的 排 气过程是一 个十分复杂的 不稳定过程。 排气噪声主要是在排气开始， 废气 以脉冲形式从排气门 缝隙 排出，并 迅速从排气口 冲入大气， 对周边大气产 生强烈的 剪切， 从而形成能量很高、 频谱很复杂的噪声。 依据排气过程发 生噪声的 机理iii m 7 ， 排 气噪 声含有以 下成分z u r 1 )排气压力脉动噪声; 2 )气流通过气门、气门 座等处发生的涡流声; 3 )由 于边界层 气流扰动发生的 噪声; 4 ) 排气出口 喷流噪声。 5 )消声器壳体受发动机排气脉动压力激发，向 周围 辐射噪声。 排气噪声的 基频是发动机的 发火频率。 在整个的排气噪声频谱中 呈现 出基频及其高次谐波的延伸。发动机排气噪声的频率可按下式进行计算: 人 =6 0 r 无 ( 价 ) ( 2 . 5 ) 式中: k 一谐波次数;n 一发动机的曲轴转速 ( r / m i n ) ; i 一气缸数; t 一冲程系数， 对二冲程发动机取t = 1 ， 对四冲程发动机，t = 2 . 根据周期 性 信号 展开为 付里叶 级 数的 一 般规律可知， 随 着谐 波次 数 k 值的增加， 其噪声 级将迅速降低。 除基频噪声及其高次谐波噪声外， 排气噪 声和进气噪声一样还包括排气总管和排气歧管中存在的气柱共振噪声、 气 j 杆背部的涡流噪声、排气系统管道内壁面处的紊流噪声等，此外， 排气 噪声还包括废气喷注和冲击噪声。 消声器壳体辐射噪声主要是受宽频带排 气噪声的影响，很容易激发其固有频率从而产生噪声。 在相同条件下， 柴油机的排气噪声要比 汽油机的排气噪声大，二冲程 发动机的排气噪声要比四冲程发动机的排气噪声大。发动机的排气噪声呈 明显的低频性， 能量主要集中在基频及其倍频的频率范围内;中频范围主 要是排气管内 气柱共振的固有声;高频范围主要是包括燃烧噪声和气流高 速通过气口的空气动力噪声。 重庆大学硕十学位论文 第2 章汽车车外加速噪声的产生机理 排气噪声的强弱 ( 噪声级) 和发动机的功率、排量、 转速、平均有效 压力以 及排气口的形状、尺寸等因素有直接的关系。 2 . 2 . 3 . 3 风扇噪声形成机理 风扇噪声在空气动力噪声中，一般小于进、 排气噪声， 但在风冷发动 机中， 风扇噪声可能是重要的噪声源。 特别是近年来，一些车辆由于安装 隔声装置和装设车内空调系统及排气净化装置等原因， 使发动机罩内 温度 上升， 风扇负荷加大，噪声变得更加严重。由 风扇构成的冷却系， 依据其 发 生 机 理 ， 可 由 以 下 三 类 构 淤71zn7 211 221 1 ) 起因 于空气涡流、紊乱的宽带噪声 宽带噪声是气流紊乱 和叶片一 涡流相互作用的结果， 基本上 取决于叶片 形状和风扇的工作条件 ( 即转速、 流量和气流阻碍) 。 由于叶片形状关系在 其前后生成涡流， 叶片一 涡流相互作用造成涡流噪声。 由于空气涡流造成的 激振力，当 其频率接近叶片的固有频率时引 起噪声增高， 甚至使叶片共振 开裂。 风扇本身发生的噪声，还受风扇周围 环境影响，如由于护风圈形状 引 起共鸣、 风扇与护风圈 和散热器的 相对位置、 风扇前后的障碍物影响等。 涡流噪声一般是宽频带噪声。其主要峰值频率为: f = k v / d ( h z ) ( 2 . 6 ) 式中: k 一常数，一般在0 . 1 5 - 0 . 2 2 之间;v 一风扇圆周线速度 ( m / s ); d 一叶片 在气流入射方向上的厚度 ( m ) . 2 ) 节拍声 由 风扇转速，叶片数和夹角决定的叶片通过频率声，或称节拍声。它 是窄带噪声。 在叶片通过频率和其谐波频率能量叠加表现为节拍声， 它直 接起因于叶片旋转造成的周期性压力脉动。 节拍声的 基频由 下式表示: f = n n / 6 0 ( h z ) 式中， n 是风扇转速， r / m i n ; n 是 偏 叶片数。 n 为偶数且等夹角时不发生 奇数高次谐波。 3 ) 风扇、 护风圈 等的 机械噪声 由 风扇、 护风圈 等振动引 起的 机械噪声， 这一类有风扇平衡不良 和结 构刚性不足引起的振动噪声、轴承和驱动皮带响声等。 研究由 风扇所构成的冷却系噪声时， 必须以 确保冷却性能为前提条件， 即必须满足冷却性能要求，这样降声才有现实意义。因此对风扇和护风圈 的研究，以噪声和风量的关系为中心:对冷却性能的研究，以散热量和风 量的关系为中心， 综合两者从而决定低噪声最佳冷却系形式。唯有权衡以 上各个方面，才能设计出低噪声的最佳冷却系。 c庆人学硕士学位论文第z 章汽车车外加速噪声的产生机理 2 . 3 汽车其他部件噪声形成机理 2 . 3 . 1 传动系噪声形成机理 在传动系中，可能成为噪声源的机构总成包括变速器、分动器、传动 轴、 差速器和轮边减速器等。 它们所产生的噪声既有内 部齿轮和轴承运转 引 起的 噪声， 也有其它机构传递而来的噪声。 其中 齿轮噪声可分为高频齿 轮噪声和低频齿轮噪声两大类。 高频齿轮噪声主要是由齿轮基节偏差引起的， 是齿轮噪声的主要成分。 基节 偏差会 使 齿轮在 进入啮 合或分离时 产生 撞击， 这种啮 合 冲击噪声的 基 频即为 齿 轮的 啮 合频率n l zo 7 年n z / 6 0 ( h z ) ( 2 . 7 ) 式中， n 为 齿轮转速， r / m i n ; z 为 齿数。 影 响 齿 轮噪 声的 因 素u ,1 (v 很多， 既 有 齿 轮的 设 计 参 数( 如 结 构、 材 料、 啮合率、 压力角、 模数、 齿形修正、 相配轴及轴承等) ， 也有齿轮的 加工精 度( 如各 种 误差、 表 面 质量、 加工手 段及热处 理 方 法等) ， 还 有 装配情 况( 如 齿隙、 接触面、 位置准确度、 装配力矩等) ， 以 及使用条件( 如转速、 负荷、 润滑及使用场合等) 在传动系中， 轴承也是应用较多的 零件， 这些轴承不可避免 地会产生 噪声。轴承的结构型式、加工精度对其噪声有很大的影响。不合理的结构 型式将造成 轴承内、 外套圈变形， 会使轴承运转时 产生振动和噪声。当 轴 承内 有灰尘杂质， 流动体和滚道上有斑痕、 压痕、 锈蚀等， 轴承也会产生 周期性的振动和噪声。 汽车变速器所产生的噪声除了 上述齿轮和轴承产生的噪声外， 还激发 壳体的表面振动而辐射噪声，在对变速器进行噪声控制时， 不仅要对内部 的齿轮和轴承进行噪声控制，还要对其表面进行噪声控制。 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， 此外， 在一 些特殊的 行驶状态下， 如紧急制动、急转弯起步或遇积水路面等，轮胎还会产生振鸣声和溅水声 等。轮胎快速滚动必然对其周围空气形成扰动，从而形成噪声，同时，由 于各种不同的花纹，在滚动中，花纹的空腔体积大小不断变化，形成空气 泵吸效应， 这种泵吸效应在轮胎滚动过程中周期性的发生， 在空气中形成 疏密波，即 辐射出噪声。 影响轮胎噪声的因素很多， 从设计因 素来说， 包 括轮胎种类与结构、花纹设计和轮胎材料等;从使用因素来说，包括轮胎 滚动速度、载荷、充气压力、路面状况和转角等。其中，最重要的因素是 重庆人学硕十学位论文第2 章汽布车外加速噪声的产生机理 花纹设计与路面状况，各种花纹设计的轮胎与不同路面相互作用，可导致 轮胎噪声级和噪声频谱有很大的变化。 2 . 3 . 2 制动噪声形成机理 因 汽车制动而 产生的 噪 声d i m 主 要 有制 动 器的 鸣叫 声、 轮胎与地面的 摩擦声及车身饭金件的振颤声等， 但制动噪声一般指制动器工作时的鸣叫 声。制动噪声源于制动器的振动。 对于鼓式制动器而言，这种振动噪声主 要是由于蹄片与制动鼓的接触恶化， 其间的摩擦系数随滑动速度变化，从 而激发振动并辐射噪声。同时，这种变化的摩擦力还有可能激发制动器某 些构件共振， 产生较强烈的噪声。 对于盘式 制动器而言， 制动噪声主要是 由 于衬块的 振动激励盘体作轴向 振动而产生的。 在某些情况下，夹钳振动 对制动噪声也有相当大的影响。 制动器可能产生使人难以忍受的高频噪声。 制动噪声及其频率特性与制动器的结构、 制动压力和温度、 制动初速度和 减速度以 及制动器使用状况等因素有关。 2 . 3 . 3 车身噪声形成机理 车身 噪声主 要来自 两 个方面m im i ， 即 车 身 振动 和空 气与车身的 冲击与 摩擦。由 于车身是由 骨架和板金组成的复 杂结构体， 因 此其振动形态十分 复杂， 它由 多种振动形态组合而成，因 此， 作为 薄壁件的 车身，极易产生 较高的噪声。 从车身的结构型式来看， 由 于骨架车身直接承受路面的冲击， 所以较骨架式车身更易产生振动噪声， 若车身结构部件刚度不足，则固有 频率