（载运工具运用工程专业论文）客车车内噪声控制研究.pdf

摘要 我国汽车工业正走向成熟，客车成为人们日常生活中重要的出行交通工具，乘坐客 车出行可以节约石油资源、减少汽车的排放污染、降低公路运营的成本。噪声是衡量车 辆品质的重要指标，国家法规对车辆噪声的要求越来越严格，人们对车辆乘坐舒适性要 求也越来越高。国内客车企业对产品在安全性、经济性、可靠性等方面开展了大量的研 究工作，而在客车减振降噪、提高客车声学品质的研究工作刚刚起步，不能适应乘客对 客车乘坐舒适性的要求。因此，测试客车车内噪声，识别出主要噪声源并采取有效措施 进行控制，对客车性能相关研究具有重要的实践意义。 论文针对* * 6 1 0 0 h 型样车的噪声问题，利用现代噪声研究和控制技术，基于现代信 号采集和分析技术，对试验样车开展车内噪声控制研究。结合车内噪声的频谱特征，识 别出主要的噪声源和辐射部位，采用吸声、隔声处理等措施控制车内噪声。研究的主要 内容如下： l 、概括了国内外噪声控制的研究状况，阐明了车内噪声的主要概念和噪声分析方 法，结合实际情况，提出客车车内噪声控制研究的目的、意义和研究思路。 2 、分析了汽车车内噪声形成机理，采用系统的观点研究车内噪声、车内共鸣噪声、 车内轰鸣声、轮胎间接噪声的产生及传播途径。研究了汽车发动机、风扇、进排气等主 要噪声源的形成过程和各噪声源的频率特性。 3 、探讨了汽车噪声源的各种识别方法，通过比较研究* * 6 1 0 0 h 型客车车内噪声采 用声强测量法和频谱分析法相结合的方案，并进行噪声源识别。通过分析车内噪声的控 制技术，将控制客车发动机的振动及噪声作为控制重点。 4 、以国家对车辆噪声标准、测量设备、测试环境的规定为依据，分析车内噪声的 测量方案。结合我国目前实际情况，以国家及行业相关规定的客观标准作为乖奉6 1 0 0 h 型 客车噪声控制目标。 5 、针对* * 6 1 0 0 h 型客车的噪声问题，根据该车结构参数设定测试系统，按照g b t 1 8 6 9 7 2 0 0 2 声学汽车车内噪声测量方法进行客车车内噪声控制试验，分析测试结 果并确定噪声控制方案。 关键词：车内噪声，主要噪声源，噪声源识别，噪声测试技术及评价，噪声控制 a b s t r a c t a sc h i n a sa u t o m o b i l ei n d u s t r yi sb e c o m i n gm a t u r e ，b u sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt r a n s p o r t a t i o nt o o l s i np e o p l e s d a i l yl i f e t r a v e l i n gb yb u sc a nd e c r e a s eo i l c o n s u m p t i o n ，r e d u c et h ee x p e n s e so nr o a dt r a n s p o r t a t i o n , a n da l l e v i a t ea i rp o l l u t i o nc a u s e db y v e h i c l ee x h a u s t t h en a t i o n a ll a w sa r em o r ea n dm o r es t r i c tt ot r a f f i cn o i s e ，a n dp e o p l e s d e m a n do fc o m f o r ti sh i g h e ra n dh i g h e rt ot h ec a l ，t h el e v e lo fi n t e r i o rn o i s ei nt h ec a rh a s b e c o m ea l li m p o r t a n ti n d e xo ft h er i d ec o m f o r to p t i m i z a t i o n d o m e s t i cb u si n d u s t r yh a sm a k e g r e a te f f o r t st oi m p r o v es e c u r i t y ，e c o n o m y ，r e l i a b i l i t y ，b u tt h er e s e a r c ho ni m p r o v i n gb u s a c o u s t i c a lc o m f o r ti ss t i l lo ni t si n i t i a ls t e p i tc a nn o ta d a p tt h ep a s s e n g e r sr e q u e s tt ot h er i d e c o m f o r to p t i m i z a t i o n t h e r e f o r e ，i th a st h eg r e a tp r a c t i c es i g n i f i c a n tt ot e s tt h eb u si n t e r i o r n o i s e ，d e t e r m i n et h ep r i m a r yn o i s es o u r c e s ，a n ds u m m a r i z es o m ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e m e a s u r e st oc o n t r o l i n t e r i o rn o i s e b a s e do nas e r i e so fs i g n a lp r o c e s sa n dn o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e s ，t h e i n t e r i o rn o i s eo f 幸610 0 hc o a c hw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tn o i s e d e t e c t i o ns t a n d a r da n dm e t h o di nc h i n a , t h i sp a p e rt e s t st h ei n t e r i o rn o i s eo fb u s ，d e t e r m i n e s t h ep r i m a r yn o i s es o u r c e s ，a n ds u m m a r i z e ss o m ef e a s i b l ea n de f f e c t i v em e a s u r e st oc o n t r o l i n t e r i o rn o i s e 1 t h i sp a p e rg e n e r a l i z e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lp r e s e n tc o n d i t i o no fv e h i c l e n o i s ec o n t r o l ，e l a b o r a t e so nt h em a i nc o n c e p to ft h e c a ri n t e r i o rn o i s ea n dn o i s ea n a l y s i s m e a n s a c c o r d i n gt oi n t e g r a t i o nr e a l i t i e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ep u r p o s e ，s i g n i f i c a n c ea n d r e s e a r c hi d e a so ft h eb u sn o i s ec o n t r 0 1 2 t h i sp a p e ra n a l y s i st h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fn o i s ei n s i d et h ec a r t h i sr e s e a r c h s t u d i e so nt h ec a rr e s o n a n c en o i s e ，r o a ro ft h ec a r ，t i r en o i s eo ft h ei n d i r e c tm e c h a n i s ma n d m o d eo ft r a n s m i s s i o nu s i n gs y s t e mv i e w p o i n to nv e h i c l en o i s e t h i sp a p e ra l s os t u d i e so nt h e f o r m a t i o np r o c e s so fe n g i n e ，f a n s ，i n t a k ea n de x h a u s tn o i s es o u r c e ，a n dt h ef r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so ft h en o i s es o u r c e 3 t h i sp a p e rd i s c u s s e si d e n t i f i c a t i o nm e t h o d so ft h ec a rn o i s es o u r c e ，i d e n t i f i e sn o i s e s o u r c ei n + 610 0b u sn o i s et e s tu s i n gt h ec o m b i n a t i o no fs o u n di n t e n s i t ym e a s u r e m e n ta n d t h es p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d t h i sp a p e rd e t e r m i n e sv i b r a t i o nc o n t r o la n dn o i s ec o n t r o lo f i i t h ee n g i n ea sap f i o f i t ) rt h r o u g ha n a l y z i n gt h en o i s ec o n t r o lt e c h n o l o g y 4 a c c o r d i n g t ot h ev e h i c l en o i s es t a n d a r d s ，m e a s u r e m e n te q u i p m e n t ，t e s t i n g e n v i r o n m e n tr e g u l a t i o n , t h i sp a p e ra n a l y s i st h es c h e m eo fv e h i c l en o i s em e a s u r e m e n t t h i s p a p e rd e t e r m i n e st h en a t i o n a ls t a n d a r da n di n d u s t r yr e l e v a n ts t a n d a r d 舔宰6 10 0hb u sn o i s e c o n t r o lo b j e c t i v e s 5 a g a i n s tt h en o i s eo f 宰幸6 1 0 0h b u s t h i sp a p e rs e t st h ev e h i c l et e s t i n gs y s t e mu n d e r t h i sb u ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r s a c c o r d i n gt og b t18 6 9 7 - 2 0 0 2 a c o u s t i c s - m e a s u r e m e n to f n o i s ei n s i d em o t o rv e h i c l e s ，t h i sp a p e ra n a l y s i st h en o i s et e s tr e s u l t sa n dd e t e r m i n e st h en o i s e c o n t r o ls c h e - m e k e y w o r d ：i n t e r i o rn o i s e ，p r i m a r y n o i s es o u r c e ，n o i s es o u r c ei d e n t i f i c a t i o n , n o i s et e s t t e c h n i q u ea n de v a l u a t i o n ，n o i s ec o n t r o l i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：张弓厶韬 如如钳月扣日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) h 鼯年，月o 日 沙妒年，月o 日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 汽车车内噪声通常指行驶汽车车厢内存在的各种噪声。汽车是一种复杂的机器，主 要包括动力传动系统、悬架系统、转向系统、制动系统等结构，几乎每个系统和部件都 会涉及到噪声问题。车内噪声容易使驾驶员及乘客感到疲劳，引发身体疲劳和不适，对 汽车乘坐舒适性有着重要的影响。汽车车内噪声声源是非常复杂的声场，传递路径也比 较复杂，既有通过结构部件传递的结构振动，又有通过通孔以及缝隙等传递的空气声。 因此，研究客车车内噪声传递规律，通过进行噪声试验，识别主要噪声源和传递途径， 采用合理有效的噪声控制措施具有重要实践意义【。 1 1本课题研究的必要性 1 1 1 本课题研究的背景 由于我国汽车的数量、品种和用途不断增加，汽车噪声已成为影响人们生活环境质 量的重要污染源，汽车噪声所造成的环境污染严重影响人们的工作和学习，损害人们的 身心健康。试验结果表明，人们长期在8 5 9 0 d b ( a ) 噪声级环境- i r i 作 2 ，将会造成永 久性的听力损害。汽车车内噪声对于驾驶员和乘客有着重要的影响，车内噪声会使驾驶 员及乘客情绪烦躁、反映迟钝、引发身体疲劳和不适，影响乘坐舒适性【3 】。 早期的汽车发动机功率很低，通常只是在城市道路上低速行驶，汽车噪声问题并不 明显。随着汽车发动机功率和行驶速度不断提高，噪声影响开始显现，乘客期望乘坐汽 车时得到安静和平稳环境，能够充分享用车内语音通信和音像娱乐系统。汽车技术的不 断推陈出新，各级供应商和整车厂之间日益紧密的合作，不同品牌汽车的使用性能和安 全性能之间的差别日趋缩小。汽车厂商通过采用各种措施控制噪声性能，提高汽车乘坐 舒适性，从而树立自己的品牌形象。欧美同等一些发达国家都已颁布了汽车噪声法规， 规定了汽车噪声限值和相应的测试规范，同时还制定了大量的包括发动机等在内的总成 噪声试验标准。人们对乘坐舒适性的要求不断提升，政府法规对通过噪声的要求越来越 严格，这些都使得汽车噪声控制问题成为汽车设计中需要关注的主要问题之一。 1 1 2 本课题研究的意义 近年来，人们对汽车乘坐舒适性要求不断提高和人们环保意识不断加强， 国家也 对汽车噪声的要求也越来越严格，改善车辆内部声学环境，控制车内噪声水平，逐渐 成为客车生产厂家关注的问题。本文以理论与实践相结合，详细研究和探讨* * 6 1 0 0 h 型 客车的车内噪声控制措施，以及检测和优化降噪方案。这些方法研究和应用推广将会提 第一章绪论 高客车乘坐舒适性能，更好地满足客户乘坐需要，提高客车产品档次和形象，增强该客 车产品在市场上的竞争力。 1 2国内外研究现状 1 2 1 车内噪声控制研究状况 汽车车内噪声问题是一个很有实际意义的问题，国内外许多学者已经和正在进行这 方面的工作。控制汽车车内噪声的方法可大致分为被动控制、主动控制和基于声固耦合 振动分析的声场优化。在各种研究方法中，声固耦合振动分析基础上进行声场优化及噪 声控制汽车车内噪声分析及控制技术的发展在理论及应用方面发展较快。 1 车内噪声的被动控制 噪声的被动控制又叫做被动降噪，主要用来降低车内中、高频噪声。车辆内部噪声 控制主要采用被动降噪。被动降噪主要针对噪声的传播途径采取以下措施：采用隔声 隔振结构对发动机等外部噪声辐射源进行隔离，减弱噪声源辐射强度；车身与底盘各 联接处、发动机支承处采用隔振和减振措施降低振动向车身传递；在车身内表面采用 阻尼减振材料，改善壁面振动特性；加强车身结构的密封性能，防止外部噪声经由孔 隙传播形成空气传播声；车身内表面进行吸声处理，降低车内混响声，降低噪声强度。 由于这些措施简单易行，成本较低，便于实施和应用，易于取得明显的降噪效果，目前 这些方法是汽车生产厂家主要采用的降噪措施【4 】【5 1 。 2 车内噪声的主动控制 车内噪声的主动控制也称为有源噪声控制，是近2 0 年发展起来的一种全新的噪声控 制方法。与传统的降噪措施相比，它对低频噪声控制效果好，此外还具有对原系统的附 加质量小、占用空间小等优点。国外一些汽车公司及研究机构于8 0 年代中、后期开始尝 试将有源消声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。由于国外轿 车一般噪声级较低，有源降噪的潜力受到了一些限制。国内开展有源消声技术研究开始 相对较晚。沙家正等从1 9 7 9 年开始对管道有源消声器进行研究；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在有源 消声及其工程应用方面做了大量工作。吉林工业大学在国内首先开展车辆内部噪声的有 源控制研究，参考信号选用发动机支承处加速度宽带信号，声学部分为单次级源、单传 声器布置。试验室测量稳态工况噪声，低频总声级最大降低5 d b 。后来清华大学也开展 了车内自适应有源消声的研究，取得了试验室效果【6 】f 7 】。由于有源噪声控制的成本和技 术问题，要达到车辆内腔的整体噪声控制条件尚不充分，但局部区域降噪( 例如驾驶员 2 长安人学硕士学位论文 耳旁位置降噪等) 已成为可能，车内有源降噪是有源噪声控制技术应用于车辆噪声控制 的研究热点。 1 2 2 车内噪声分析方法状况 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能对车内噪声的预测和诊断，提出合理降噪措施。 人们对结构振动产生的噪声用各种方法进行分析，早期的方法主要有：古典噪声 传递分析；统计能量分析；声弹试验比例模型；模态分析。模态分析是随着测试 手段和分析设备的发展而发展起来的，是一种较先进的分析方法。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。一些研究者将复合结构与声场耦合振动的计算方法应用到汽 车内腔噪声的分析中，从不同的侧面进行研究，给出了模态频率响应分析的方法，还对 所给出的方法进行了特性比较并给出了应用实例。这种方法具有整体分析模型简单、易 于程序实现等优点，在噪声的空间定位要求不太高的情况下，可以用该方法分析车辆内 腔噪声【8 】。 我国车内噪声分析及控制的研究较晚，在汽车噪声控制方面与国外先进水平比差距 较大，试验及研究工作开展得也很不够，在噪声测量方法及国家相关噪声限值的法规等 方面也存在着一定的差距。我国由于法规要求不高，在这方面的市场竞争要求也不明显， 因此，我国汽车生产厂家对车内外噪声控制工作尚未引起足够的重视，其产品的实际控 制水平也较差，以客车为例，许多产品只能免强达到、甚至达不到g b l 4 9 5 7 9 的限值要 求。因此，我国的汽车产品噪声控制尚有大量工作需要做。 1 3 主要概念和研究思路 1 3 1 主要概念 1 噪声的定义 广义的噪声一般是指人们不喜欢听到的声音，是纯主观上的定义。噪声与听者的主 观要求密切相关，同样一种声音对于一些入来说是悦耳的声音，而对另一些入来说则是 噪声。工程上的噪声是狭义的，具有如下共同特征：其时域信号是杂乱无章的，波形是 无规则的非周期性曲线：噪声频域信号往往包含一定的连续宽带谱；在具体的场合下噪 声的幅值超过了规定值。大部分噪声是人们共识的，比如建筑噪声、交通噪声和汽车噪 声等等。汽车车内噪声指行驶汽车车厢内存在的各种噪声。 3 第一章绪论 2 噪声的主观评价 噪声对人的影响不仅与噪声的声压级有关，而且还与噪声的频谱、持续的时间等因 素有关，这就涉及到噪声评价的问题。由于声音是由人耳来感受的，因此这种评价必须 建立在物理量度为主观感觉的关系上，这种关系是很复杂的，关于这方面国内外已进行 了大量研究工作，提出的评价指标不下数十种。主要有响度和响度级、计权声级、语言 干扰级、噪声评价数、等效连续声级等。为了综合考虑这各种因素的影响，国际标准化 组织于1 9 6 1 年提出了噪声评价数n r 。它是由一系列每隔5 d b 一条的曲线所组的，在 这一系列曲线上，1 0 0 0 h z 声音的声压级等于噪声评价数n r 。 为了使得测量仪器的读数与人耳对声音的主观感觉一致，必须对声讯号进行修正， 从而引入了声级计权的概念。通过计权网络测得的声压级，叫做计权声压级，简称声级。 a 计权声级是模拟人耳对5 5 d b 以下低强度噪声的频率特性；b 计权声级是模拟5 5 - 8 5 d b 中等强度噪声的频率特性；c 计权声级是模拟8 5 d b 以上高强度噪声的频率特性。 三者的主要差别是对噪声低频成分的衰减程度不同，a 衰减最多，b 次之，c 最少。它 们分别近似地模拟了4 0 p h o n ，7 0 p h o n ，1 0 0 p h o n 三条等响曲线，其中a 计权声级在客车 噪声测试中广泛采用。由于b 和c 两种声级表征人耳主观特性不明显，故近年来己逐 渐不再使用。 等效连续声级是一个用来表达随时间变化的噪声的等效量，其数学表达式为 l q = 1 0 1 9 ；r c 警) d r 式中， 丁一总测试时问。 只( f ) a 计权瞬时声压； 岛一参考声压，p o = 2 0 f l p a 。 匕也是计算日夜平均声级和噪声污染级的基础，在美国、德国和其他国家 及国际标准中用来评价某些形式的地区噪声。这个指标的主要用途是评价听力损失发病 率，得到各国家和国际上的广泛承认。 3 车内噪声特性研究分析方法 研究车内噪声特性的方法分为两类：基于实验测试的方法和基于数值计算的方法。 前者用于产品开发过程中的物理样机阶段和对产品车进行噪声控制改进阶段。后者主要 应用于产品开发的早期阶段，即图纸阶段，通过建立车内噪声的计算模型，对车内声场 进行预测分析并提出改进措施，改变完全靠经验的设计流程，引导设计朝正确的方向进 4 长安大学硕十学位论文 行；发现的问题可以在开发过程中及时得到修改，而不必等到生产出样车之后，从而节 省大量的时间和资金。近几十年来，人们通过各种方法来分析结构振动产生噪声的机理， 主要为：古典噪声传递分析和声弹试验比例模型。而研究汽车车内噪声特性的基于数值 计算的方法，主要有有限元法、边界元法及统计能量分析法等。车内噪声特性的实验研 究方法即是采用实验的手段，对形成车内噪声的噪声源、车内声场的分布规律，车身结 构修改对车内噪声的影响等方面进行研究的方法。噪声源识别的方法，传统的方法有： 主观评价法、近场测量法、选择运行法、选择覆盖法，表面振速测量法等阳1 。 1 3 2 研究思路 研究汽车噪声控制问题时，要将噪声问题视为一个非线性复杂系统问题，按照系统 的观点来考察和分析，有针对性地提出切实有效的控制方案。按照系统的观点来研究汽 车噪声，可将汽车噪声问题简化为简单的系统框图。如图1 1 所示。 图1 1 汽车噪声问题系统框图 输入指一定运行情况下汽车的振动源和噪声源；输出是指车内和车外的声场分布特 性；而系统则指汽车中所谓的振动及噪声传递途径以及车身板件结构，也包括车厢内部 的空气空腔和车外的空气场。 客车车内噪声控制基本程序如下： 1 噪声源识别 噪声源识别是客车车内噪声控制的关键。只有正确识别振动噪声源的位置，才能正 确分析噪声问题发生的机理，确定噪声控制的主要方向，使控制噪声更有效。 2 传递途径识别 从噪声源到车内外噪声总是存在一定的传播途径，包括固体振动传递途径和空气传 播通道。确定固体振动通过哪些悬置，哪些车身板件，由哪些车内空腔的声学模态耦合 导致车内问题，有针对性地对传递通道中的相关环节进行修改。 3 各组成部件对噪声贡献的分析与优化 不同位置的车身板件在不同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，确定特定条件下车身板件对车内噪声的贡献，为控制车内噪声提供可靠依据。通 过分析确定车内噪声各因素的影响，对关键因素进行优化设计，从而获得车内优良的声 5 第一章绪论 学特性。 4 确定车内噪声改进措施并进行噪声检测与评价 采用车内噪声的改进措施方案，对实车特定工况进行测试与检验，并根据相关标准 客观评价控制效果。 1 4 本文研究的内容 本章对国内外汽车噪声控制的现状、研究方法和技术措施进行较全面的归纳总结， 介绍噪声源和传递路径的识别以及噪声控制技术。根据我国客车车内噪声检测标准和方 法，提出我国客车行业开发低噪声客车产品可以采取的一些技术方法和措施。在分析国 内外汽车产品的噪声控制技术水平现状以及噪声研究和控制技术方法的基础上，以一系 列基于信号处理技术的噪声源识别技术为基础，比较详细研究客车噪声问题。针对 * * 6 1 0 0 h 客车噪声问题提出噪声研究方案，分析车内噪声产生的机理，识别主要的噪声 源和噪声辐射部位，提出经济可行的噪声治理方案，取得良好的降噪效果。通过本项目 的研究，摸索出一些行之有效的客车噪声控制的方法和措施。 6 长安大学硕上学位论文 第二章汽车车内噪声形成机理和主要噪声源分析 汽车车内噪声是指的是行驶中汽车车车厢内存在的各种噪声。汽车内部噪声不但增 加驾乘人员的疲劳，而且影响车辆的舒适性和行驶安全性。汽车车内噪声的来源主要包 括：发动机噪声、风扇噪声、进、排气系统噪声、轮胎路面噪声等，这些噪声通常经过 空气波动和车身结构振动两种途径进入车内。掌握车内噪声的形成机理和主要噪声源特 点及规律，有助于提出有效的措施控制客车车内噪纠1 0 】。 2 1 汽车车内噪声的形成机理 2 1 1 车内噪声的产生机理及传播 从车内噪声和车外噪声的来源来看，它们具有相同的声源：发动机噪声、进排气噪 声、冷却风扇噪声等。这些噪声源所辐射的噪声，在车身周围空间形成一个不均匀声场。 发动机、底盘和路面作为振源获胜源均可以引起空气波动和车身振动，经空气和固体两 种途径，激发形成车内噪声【l l 】【12 1 ，如图2 1 所示。 i 动力传动系统 图2 1 车内噪声的主要来源及传播途径 车身结构噪声主要来源于两个方面：车身结构振动传播的噪声；汽车运行中空气与 车身之间的冲击和摩擦，即空气动力学噪声。前者受车身结构、各种激励源特性、发动 机安装方式等多种因素的影响：而后者只受车身外形结构和车速的影响。这两种噪声对 汽车车外噪声和车内噪声的贡献不同，一般车身结构振动噪声贡献较大【l3 1 。 车外噪声要向车内传播，有两个途径：一是车外噪声声波作用于车身壁板，激发壁 板振动，形成车身结构振动噪声，二是通过车身壁板上的孔、缝直接传入车内。 车内噪声的传播过程如图2 2 所示。 7 第- 二章汽车车内噪声形成机理和主要噪声源分析 圈一圈 圈一圈 图2 2 车内噪声传播示意图 振动源包括发动机、底盘工作时产生的振动、路面激励产生的振动等。路面激励产 生的振动频率较低，对于激发噪声影响较小。由各振动源产生的振动通过车身各支点激 励车身壁板强烈振动，并向车内辐射强烈的噪声，此所谓的固体传声。发动机和底盘传 给车身的振动，与上述车外噪声源激发车身壁板的振动，实际上是叠加在一起。车身壁 板主要由金属和玻璃构成。这些材料都具有很强的声反射性能。在车室门窗都关闭的情 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， 所以车内噪声实际是直达声与混响声叠加的结果。噪声在车内封闭空间中多次反射所形 成的室内混响声强n 们n 5 l 。 其中经由空气波动传播的噪声主要是发动机表面辐射噪声和空气流动噪声，经固体 传播的噪声主要是发动机、底盘、车轮路面及气流引起车身振动而向车内辐射的噪声。 空气传播和固体传播的能量比例因车型结构和噪声的不同频率成分而有差别。一般情况 下，5 0 0 h z 以上，空气声传导占主导地位；4 0 0 h z 以下，固体传声占主导地位口6 1 。表2 1 说明不同行驶状态下空气传声和固体传声所占的比例。 表2 1不同行驶状态下空气传声和同体传声所占的比例 行驶状态减速匀速 加速 所占比例空气传声固体传卢空气传声固体传声空气传卢i 司体传声 4 0 5 5 9 5 5 1 0 4 9 o 4 2 5 5 7 5 2 1 2 车室共鸣噪声的产生机理及传播 汽车车身形成一定形状的封闭空腔会发生与封闭管道类似的共振现象，称为空腔共 鸣。车内空腔共鸣的特征由空腔的声学模态决定，当外界振动激励频率或声激励频率 8 圈 一 长安大学硕卜学位论文 发生机理如图2 3 所示。 图2 3 车室共鸣噪声的发生机理 各种激振力通过悬挂等振动传递系统传至车架，并使车架产生振动，引起车身各部 件的振动，当其频率接近车室空腔的固有频率时，则该频率下的噪声级剧增。车室空腔 共鸣的特征频率取决于车室形状和大小，一般中、小型客车为7 0 9 0 0 h z ，在1 5 0 h z 处 也可能产生共鸣。在空腔共鸣发生时，车室内不同位置有不同声压，一般后座处高些。 车身结构、材料、车室的形状和大小，激振力大小、振动传递系统的阻尼特性、车室内 吸声材料性质与厚度等，对共鸣峰值有重要的影响。当客车高速行驶时打开单一车窗， 车室就相当于一个亥姆霍兹共振腔，这个共振腔的固有频率为： ，= ：鱼 。o 2 万、f 矿o + 0 9 6 a ) 式中：r 一为窗框厚度( m ) ；a _ 一为窗的开启面积( 肌2 ) ；v 一为车室容积( 聊3 ) ；c o 一为空气中的声速( m s ) 。增加开窗数量( 开启面积) ，则共振频率上升。当汽车行驶所 产生旋流和窗框相冲击所产生的压力波动频率与共振频率磊相等时，车室就会产生空气 共振，称为风振。风振的产生与汽车的外形尺寸、车窗大小、车窗开启面积、车速有关。 风振幅度取决于车身特性和涡流与窗框冲击的强度。当车速增加时，这种冲击强度及频 率上升。在一个车窗开启条件下，客车风振车速约为8 0 - - 1 0 0 k m h ，风振频率在1 5 2 0 h z ，这是令驾乘人员感到不舒适的声音n 。 2 1 3 车内轰鸣声的产生机理及传播 车内轰鸣声是指当汽车以某些特定的速度行驶时，或其发动机以某些特定的转速工 作时，在乘坐室产生的很大峰值的噪声。车内轰鸣声使乘坐人员感到压抑、烦躁、易于 疲劳，严重影响汽车乘坐舒适性。 车辆在环路上行驶时的低频轰鸣声，是由于路面凹凸不平使轮胎承受强迫位移变 9 第一二章汽车车内噪声形成机理和主要噪声源分析 形，振动通过悬架系传入车身。其中，由后悬架的振动通过支承传递给车身，引起整车 弯曲振动，产生2 0 - - - 5 0 h z 的轰鸣声。车辆低速轰鸣声，是由于在低速区域由发动机转 矩的变化而成为扭转振动的激励源，驱动系统的扭转振动、后悬架的扭曲振动通过车架 传递，引起车身整体弯曲振动，最后在车内形成低速轰鸣声。车辆中速轰鸣声，是由于 在中速区域作为激振力的发动机转矩的变化、回转体的不平衡，使车身振动，产生轰鸣 声。车辆高速轰鸣声，是由于发动机活塞和连杆等引起的惯性力及惯性力耦矩，使车身 振动，产生轰鸣声。 2 1 4 轮胎间接噪声的产生机理及传播 轮胎间接噪声是轮胎作为直接或间接激振源，将振动传给车身并在车内产生噪声。 轮胎间接噪声分为两类：一是以轮胎不均匀为主要原因，使得轮胎本身成为激振源，发 生噪声；一是路面凹凸不平，引起轮胎弹性振动并以车身为媒介发生车内噪声。重击噪 声是指车辆行驶时，以轮胎不均匀波形和不均匀波形的高次成分引起的噪声。这种噪声 在车轮每转一圈中都能察觉到，一般在4 0 - - - 8 0 k m h 时最明显。敲打噪声是轮胎不均匀 波形的高次成分与发动机、传动系的噪声相互干涉而发生的噪声。当汽车在平滑路面行 驶速度7 0 - 1 1 0 k m h 以上时，在后座能明显察觉到。崎岖噪声是由轮胎不均匀波形的2 次、3 次成分引起的，频率5 0 h z 左右、压迫感强的噪声。这种噪声往往发生在车速1 0 0 k m h 以上。道路噪声是由路面凹凸不平，引发的噪声n 引。狭义道路噪声是指在砂石路和粗糙 的有规则的凹凸不平路面行驶时发出的连续噪声。其频率一定，与车速无关，如斜交轮 胎在1 2 0 - - 1 4 0h z ，子午胎在8 0 - - 1 0 0 h z 。砖砌路噪声是指在铺轨道和铺石路面等这样 有一定间隔的凹凸不平路面行驶时发出的连续噪声。通常在特定车速下较为明显。路面 接缝噪声是指在通过路面接缝时产生的冲击噪声( 5 0 - - 1 0 0 h z ) ，尤其是子午线胎。 2 2 汽车主要噪声源分析 2 2 1 发动机噪声 发动机噪声是指发动机热力过程的周期性及部分受力机件的往复运动构成的振动 噪声源。它的发生过程可分为内部激振力、振动传递系统和外部辐射源三个部分。内部 激振力有燃烧激振力和机械激力两种：前者是气缸的燃烧压力，由此产生燃烧噪声；后 者主要是惯性力，活塞撞击气缸，齿轮因扭振而相互撞击，进排气门落座等，由此产生 机械噪声。发动机噪声的噪声源如图2 4 所示n 训。 1 0 长安大学硕十学位论文 图2 。4 发动机噪声源 燃烧噪声是由于气缸内周期变化的气体压力的作用而产生的。它主要取决于燃烧的 方式和燃烧的速度。在汽油机中，如果发生爆燃和表面点火等不j 下常燃烧时，将产生较 大的燃烧噪声。柴油机的燃烧噪声是由于燃烧室内气压急剧上升，致使发动机各部件振 动而引起的噪声。一般来说，柴油机噪声比汽油机的噪声高得多，因此在这里主要以柴 油机为例来说明如何降低燃烧噪声。机械噪声是由于运动件之间以及运动件与固定件之 间周期性变化的机械运动而产生的，它与激发力的大小、运动件的结构等因素有关。主 要有活塞敲击噪声和气门机械噪声。空气动力噪声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称为空气动力噪声，在发动机中，包括进气噪声、排气噪声和风扇 噪声。 发动机主要激振力( 压力，惯性力，扭振激力) 的基频及谐波为： ，2 面 式中：刀一发动机转速( r m i n ) ；，一冲程数( 二冲程，= l ，四冲程，= 2 ) ；所一整 数聊= l ，2 ，3 当发动机运行时，若压力或惯性激力谐波厂：罢与直接或间接受激励的零件固有 n i j ， 频率五吻合时，就会产生共振并辐射出很大的噪声。 11 第二章汽车车内噪声形成机理和主要噪声源分析 。发动机的激振力多为冲击力，故包含的频率成分丰富，其频率范围主要分布在5 0 8 0 0 0 h z 乜0 | 。汽车发动机各主要噪声源的噪声主要频率范围参见表2 2 。 表2 2 汽车发动机各主要噪声源的噪声主要频率范围 项目 噪声源频率范围( h z )备注 l 燃烧5 0 0 8 0 0 0汽油机集中在5 0 0 - 4 0 0 0h z ，柴油机范围广 2 进气 5 0 5 0 0 0 周期进气 1 0 0 0h z 3 排气 5 0 5 0 0 0 排气涡流 1 0 0 0h z 4 冷却风扇 2 0 0 2 0 0 0 与转速与风扇叶片数目有关 5 活塞敲击2 0 0 0 8 0 0 0与转速和缸数有关 6 进、排气门 5 0 0 2 0 0 0 与转速和气门有关 7 喷油泵 2 0 0 0与转速和分泵数有关 8 齿轮 4 0 0 0与转速和齿数等有关 1 0 辅助皮带 4 0 0 0 与转速、不对中、摩擦系数等有关 被激振的发动机构造也很复杂，多数零件用螺栓机械地联接起来，具有无数个固有 频率，它们或独立或复合起来，以各自的固有振型相互影响，引起复杂的振动，再沿不 同的途径传递，最后由发动机表面辐射出噪声来。发动机表面的声辐射是由于结构表面 的振动产生的，与机体或缸盖直接联结的油底壳、齿轮室盖、气门罩盖等，由于它们一 般为薄壳零件，刚度小、振动大，往往是噪声的主要辐射源。 2 2 2 风扇噪声 风扇噪声是空气动力性噪声。风扇噪声特别是在风冷发动机上往往是主要的噪声源 之一。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压力脉动而产生的。旋转噪声的基频公式为： 厂= n 6 , _ z o z = 等 式中：m 一风扇转速( ，m i n ) ；万一发动机转速( ，m i n ) ；z 一风扇叶片数；一整 数，m = 1 ，2 ，3 。 除了基频外，它的高次协波频率有时也很突出。 由于风扇旋转时使周围气体产生涡流，涡流又由于黏度力的作用又分裂成一系列分 立的小涡流。涡流噪声是涡流分裂时使空气发生扰动，在压缩与稀流过程而形成的噪声。 1 2 长安大学硕上学位论文 涡流噪声叶片周围产生的空气涡流而形成的。涡流噪声的频率公式为： 矿 ，书t k 式中：墨一斯脱罗哈数，s = o 1 4 - - 。0 2 0 ：矿一气体与叶片的相对速度；d 一叶片 的正面宽度在垂于速度平面的投影；k 一谐波次数，k = i ，2 ，3 涡流噪声的频率取决于叶片与气体的相对速度，而叶片的圆周速度则随着与圆心距 离线性变化，所以噪声频率也是连续的。 2 2 3 进、排气噪声 汽车发动机的进、排气系统的噪声是汽车最主要的噪声源之一。 1 进气噪声 进气噪声主要指进气口处的噪声，是由于进气门的周期性开闭而产生的压力起伏变 化所形成的。进气噪声主要频率范围为5 0 一- , 5 0 0 h z ，噪声源离车厢比较近，对车内噪声 贡献比较大。进气噪声的主要频率为： 厂= 茜 式中：甩一发动机转速；f 一气缸数；r 一冲程数，二冲程f = 1 ，四冲程f - - 2 一般来讲，进气噪声中f ，2 f ，3 f 的谐波成分较为明显，更高次谐波，能量逐渐 减弱。除了进气脉动以外，还有涡流成分，它是由高速气流经过进气门时，产生大量涡 流而形成，是宽带、连续的高频噪声。 2 排气噪声 排气系统的振动噪声有时会成为汽车的主要噪声源。排气噪声主要是由排气脉动噪 声、管道气柱共振噪声和废气喷注噪声等组成，其主要频率范围是5 0 - - 一，5 0 0 0 h z 。当排 气噪声中的某频率成分恰好等于气柱共振频率时，会激发管道气柱共振噪声。在发动机 的排气系统中，排气系统薄壁管道及壳体表面的振动也将辐射出噪声，排气系统产生振 动的原因主要包括发动机排气歧管传来的振动和排气压力波在排气管、消声器内部所激 发的振动。 2 2 4 传动系噪声 汽车传动系包括发动机、变速箱、分动器、传动轴、驱动桥、半轴和万向节及驱动 轮之间的旋转部件，传动系是多质量的弹性系统。当传动系各部件的固有频率与干扰力 1 3 第_ 二章汽车车内噪声形成机理和主要噪声源分析 矩频率吻合时，便会发生扭振，而产生强烈的噪声。传动系的弯曲振动，通过支承传给 车身，引起车身部件的振动与噪声。变速器中包括很多齿轮，通过不同齿轮之间的啮合， 传动轴会以不同的转速旋转，从而使得车轮的运行速度发生变化。变速器齿轮噪声也较 为明显，主要是由轮齿啮合强制振动造成的，它由齿轮啮合噪声和齿轮固有振动噪声组 成。 1 齿轮啮合噪声 齿轮啮合噪声是指齿轮传动时，齿与齿之间因撞击所产生的噪声，它的频率计算公 式如下： ，赵鼍 式中：刀一齿轮转速( r m i n ) ；z 一齿数；k 一谐波次数，k = 1 ，2 ，3 2 齿轮固有振动噪声 齿轮齿轮啮合时产生外激力使得齿轮本身也会产生一些固有振动，在负荷较大或者 低速运转时，此噪声一般较为突出。如果齿轮的啮合频率与固有振动频率接近时，往往 会发生共振而产生大的噪声。此外，齿轮箱壁的振动噪声一般也很大，尤其应该避免齿 轮的啮合频率与箱壁的固有自振频率相吻合，应有足够的壁厚；为了提高箱壁的固有自 振频率，可适当加筋来加强刚度。 2 2 5 轮胎噪声 轮胎噪声对汽车总体噪声的贡献也很大，它可以分为两种：一种是轮胎直接辐射出 来的噪声，称为直接噪声；另一种是轮胎直接或间接地成为激振源产生振动，并通过悬 架和车架传至车身，成为车厢内的噪声，称为间接噪声。对轮胎噪声来说，通常指的就 是直接噪声。间接噪声又可分为两类：一是由于路面凹凸不平，使得路面激励成为主要 原因，引起轮胎弹性振动，并以车身为媒介形成的车内噪声；二是以轮胎的均匀性不良 为主要原因，使轮胎本身成为激振源而发生的噪声。轮胎噪声( 直接噪声) 产生机理如 下： 1 轮胎花纹噪声 轮胎花纹噪声是指由于轮胎在接地、离地时胎面花纹沟部内气压变化而产生的噪 音。由于轮胎滚动，在接地时胎面花纹沟部的容积减小，沟内包含的空气被挤出；而当 胎面离地时沟部的容积恢复，外部空气被吸