（机械制造及其自动化专业论文）轿车车外加速噪声控制试验研究.pdf

摘要 汽车噪声已成为城市交通噪声的主要构成部分，它严重污染着城市环境，影 响人们的工作和生活。因此，汽车噪声控制尤其是车外加速噪声控制是目前汽车 行业的重要研究课题。 本文在总结和分析车外加速噪声产生机理及传播途径的基础上，针对x 1 2 1 轿车车外加速噪声辐射现状，综合运用消去法、频谱分析法等噪声源识别方法， 初步确定了该车主要部件辐射噪声大小及其对整车车外加速噪声的贡献量。其 中，发动机辐射噪声、排气噪声所占比例较大，为主要噪声源。采用声强测量技 术对发动机辐射噪声进行进一步的声源识别，经三维声强云图分析表明油底壳、 皮带轮和凸轮轴盖向外辐射噪声能量大，是发动机的主要噪声辐射源。 根据声源识别结果，制定并实施了具体的噪声控制方案。针对轿车原排气消 声器消声容积较小且对中低频噪声消声量不足，对原消声器进行了改进设计，试 验表明消声性能提高t 2 - 4 d b ( a ) 。综合运用吸声、隔声、阻尼等噪声控制策略， 合理选用材料分别对发动机舱、发动机罩、油底壳等处进行降噪处理，以达到降 低发动机辐射噪声的目的。 x 1 2 1 轿车通过实施设计的噪声控制方案，取得了较为满意的噪声控制效果， 该车由改进前的7 5 5 d b ( a ) 下降n 7 3 1 d b ( a ) ，达到了g b l 4 9 5 2 0 0 2 的噪声限值要 求。 关键词：轿车车外加速噪声控制 a b s t r a c t n o i s ee m i t t e db ya u t o m o b i l e sh a sb e c o m et h em a j o re l e m e n to fu r b a nt r a f f i c a c o u s t i c a ln o i s e i tp o l l u t e st h eu r b a ne n v i r o n m e n t s e v e r e l ya n da f f e c t sp e o p l e sw o r k a n dl i f e t h e r e f o r e ，a tp r e s e n t ，c o n t r o l l i n gt h ea u t o m o b i l e s n o i s e ，e s p e c i a l l yp a s s b y n o i s e ，i sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c ti nt h ea u t o m o t i v ei n d u s t r y b a s e do nt h es u m m i n g u pa n d a n a l y s i sf o rt h em e c h a n i s ma n dt r a n s m i s s i o no f t h ea u t o m o b i l ep a s s b yn o i s e ，a n dc o n n e c t i n gt h ec u r r e n tc o n d i t i o no fac a r c o d e x121 ，i nt h i sp a p e rw ei n i t i a l l yo b t a i nt h em a g n i t u d eo fn o i s er a d i a t e df r o mt h em a i n v i b r a t i n gc o m p o n e n t sa n di t sp e r c e n t a g eo ft h ew h o l ec a rr a d i a t i n gn o i s eb yt h e c o m p r e h e n s i v eu s eo fn o i s es o u r c es p o t t i n gm e t h o d s ，s u c ha se x p u r g a t i o nm e t h o d ， f r e q u e n c ys p e c t r u ma n a l y s i s ，a n ds oo n w ea r es u r et h a te n g i n en o i s ea n de x h a u s t n o i s ea r ev e r yh e a v ya n dt h e ya r et h em a i nn o i s es o u r c e s a d o p t i n gm e t h o do fs o u n d i n t e n s i t ym e a s u r e m e n tf o rt h ee n g i n e w ef i n dt h a tf r o mt h e3 - dc o l o rm a po fs o u n d i n t e n s i t y ，r a d i a t i n gn o i s eo fo i ls u m pt a n k ，c o w lh o o da n db e l tp u l l e ya r et h es t r o n g e s t ， t h e ya r et h em a i nr a d i a t i n gn o i s es o u r c e so ft h ee n g i n e 。 a c c o r d i n gt ot h en o i s es o u r c es p o t t i n ga n a l y s i s ，w ew o r ko u tw a y sf o r c o n t r o l l i n gt h em a i nn o i s es o u r c e sa n dc a r r yi to u t b e c a u s et h ev o l u m eo ft h eo r i g i n a l e x h a u s tm u f f l e ri st o os m a l lt oe l i m i n a t et h el o w - f r e q u e n c ya n dm i d f r e q u e n c yn o i s e ， t h ee x h a u s tm u f f l e ro ft h ec a ri si m p r o v e d t h ee x p e r i m e n th a sp r o v e dt h a ti tm a k e s t h en o i s ea b a t e m e n te f f i c i e n c yi m p r o v e db y2 - 4 d b ( a ) b a s e do nt h e c o n t r o l l i n g m e t h o d so fs o u n da b s o r p t i o n ，s o u n di n s u l a t i o na n dd a m p ，w et a k er a t i o n a lu s eo f s o m em a t e r i a l st oc o n t r o lt h er a d i a t i n gn o i s ef r o mt h ee n g i n er o o m ，e n g i n ec o v e r ，a n d o i ls u m pt a n ka n ds oo n t h i sm e t h o dc a nr e d u c et h er a d i a t i n gn o i s eo fe n g i n e e f f e c t i v e l y t h ea p p l i c a t i o nt ot h ec a r ，c o d ex 1 2 1 ，h a sp r e s e n t e dt h ep r a c t i c a b i l i t ya n dt h e v a l i d i t yo ft h en o i s ec o n t r o l l i n gm e t h o d i nt h ee x p e r i m e n t t h ea w e i g h t e ds o u n d p r e s s u r el e v e lo ft h ep a s s b yb o i s ed e c r e a s e sf r o m7 5 5 d bt o7 3 1 d b i th a ss a t i s f i e d t h ec o n d i t i o no ft h eu l t i m a t ev a l u ei ng b 14 9 5 2 0 0 2 k e y w o r d s ：c a r , p a s s b yn o i s e ，c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：7 司遁昼 签字日期： 口罗年月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学雠文储躲闰题 签字f 1 期： 杉年r 月丞，同 导师签名： 给剐 签字同期：妒g 年歹月扩日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 第一章绪论 随着全球经济的全面发展，交通日益发达，汽车速度提高，汽车保有量大幅 度增加，随之而来的就是汽车噪声污染的日益普遍和严重。2 0 0 3 年据国家环保总 局报告【】j ，在统计的4 0 1 个城市道路交通噪声中，高达2 0 9 的城市道路交通噪声 超出标准。而机动车辆辐射的噪声，约占整个环境噪声能量的7 5 ，是城市环境 中最主要的噪声源1 2 j 。试验结果表明，人长期生活在8 5 9 0 d b ( a ) 噪声级环境下工 作，将会造成永久性的听力损害、工作效率降低，神经系统、内分泌系统失调【3 】， 严重影响a 们的正常生活和学习。因此，降低机动车辆噪声特别是车外加速噪声 是减小城市环境噪声污染的根本途径。 为了减小噪声污染对社会的危害，从2 0 世纪6 0 年代开始，联合国欧洲经济委 员会( e c e ) 、欧洲经济共同体( e e c ，后改为欧盟e u ) 、美国、日本等发达国家 和地区每隔3 - 5 年都要修订汽车噪声法规或标准，大幅降低汽车噪声排放标准限 值。图1 1 表示不同年代欧共体对轿车车外加速噪声的限制要求。从1 9 7 0 年的 8 2 d b ( a ) 至0 1 9 9 5 年的7 4 d b ( a ) ，噪声降低- 8 d b ( a ) 。如果考虑到发动机功率的加 大和路面条件的好转，那么实际上对降低轿车噪声的要求还不止8 d b ( a ) 。我国 2 0 0 2 年颁布了g b l 4 9 5 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法，新的国 家标准进一步加大对车外噪声的限制，轿车车外加速噪声限值从第一阶段( 2 0 0 5 年1 月1 日前) 的7 7 d b ( a ) 降低到第二阶段( 2 0 0 5 年1 月1 日后) 的7 4 d b ( a ) 。从国内 外汽车噪声法规或标准的制订可以看出，政府法规对车外加速噪声的要求越来越 严格，降低和限制汽车噪声已日益受到世界各国政府及人民的广泛重视。 宅 v 勺 缸 棼 图1 1 欧共体不同时期的轿车车外加速噪声标准 年份年 弘眈鲫他祁似他伯韶以 第一章绪论 随着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的差别日趋缩小，各大汽车厂家己深刻认识 到n ( n o i s e 、v i b r a t i o n & h a r s h n e s s ，即汽车的噪声，振动与平稳性，统称为 汽车的“舒适感”) 是企业汽车产品竞争决定胜负的又一主战场4 】【5 】【6 1 。例如， 福特汽车公司的f - 15 0 匹卡和通用汽车公司的别克l u c e r n e 轿车都把噪声性能作 为卖点之一。近几年，国内汽车企业纷纷走出国门，并开始向经济发达国家和地 区进军。但国际市场的技术壁垒也在逐渐增高，噪声控制已成为排放、安全等技 术障碍之后我国汽车产品遇到的新门槛。目前，国内一些汽车生产厂家都已把“降 低汽车车外加速噪声”列为本厂重大攻关项目。因此，为了提高国内汽车产品在 国际市场中竞争力，必须加大对汽车噪声的研究与控制。 总之，开展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，大大提高汽车生产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。 1 2 国内外相关技术研究现状 1 2 1 车9 1 j n 速噪声源识别技术的现状和发展 汽车整车的噪声源有多个，有些是被动发声的，有些是主动发声的。不同的 发声部位具有不同的频率特性及声强级，故寻找产生噪声的重要零部件，分析声 源特性及传播特性，进而采取针对性整改措施，对有效地降低汽车车外噪声非常 重要。 所谓噪声源识别【7 】【8 】【9 】，就是对机器上存在的各种声源进行分析，了解其产 生振动和噪声的机理，确定振源、声源的部位，分析声源的特性( 包括声源的类 别、声级的大小、频率特性、声音变化和传播的规律等) ；然后按噪声的大小进 行分等或排列出顺序，从而确定出主要噪声源。 目前，用于车外加速噪声源识别的常用方法主要有消去法、声压测量法、表 面振动测定法、频谱分析法、相干分析与偏相干分析、声强测量法、声全息法等。 ( 一) 消去法 消去法，就是首先把附带全部装备的试验对象( 如汽车，发动机) 在定条 件下测定其总和的工作噪声，然后去除其中的一部分装备或控制这部分噪声传 出，再按同样试验条件测定去除部分装备后的试验对象的工作噪声，则去除这部 第一章绪论 分装备前后试验对象噪声变化值，即被视作被拆卸或控制传出装备噪声的方法。 这一方法，简单易行，可以获得整车各关键总成部件对整车辐射噪声的贡献量， 为整车降噪提供依据。 ( 二) 声压测量法 声压测量法，是根据测定的车辆表面声压分布判断噪声源位置的方法。为保 证测得声压能够反映车辆外表面对应点的声压值，避免非被测部件辐射噪声的影 响，要求传声器必须与被测表面靠的越近越好。声压测量法的测量精度受到很多 条件的限制。如靠近声源表面总有一定限度，被测声源和其它声源波的反射会改 变近场的条件，使之不能够提供精确的测定值，还有测试环境等对声压测定的结 果都是有影响的。 ( 三) 表面振动测定法 这种方法是先测量出零部件表面振动速度后，再推算出噪声级。振动的测点 数和位置随被测表面积大小和形状而异，一般根据经验而定。在测出各测点的振 动速度后，可绘制等振速线图，该图可形象地表达出声辐射表面各点辐射声能的 情况及最强的辐射点。由于这种测定方法与被测物体的表面积有关，对于汽车车 外噪声测试，所需要的测试表面将非常大且复杂。 ( 四) 频谱分析法 频谱分析法，汽车或发动机各组成声源噪声的形成机理不同，使每个声源的 噪声特点有差异，能量分布的频谱范围有的位于全频带，有的位于中、低频或高 频。因而，在了解各组成声源噪声频谱特点的情况下，测量出汽车或发动机的总 噪声频谱，再取得各部声源的频谱，并将其与总声源频谱比较，就可以分析出各 组成部分噪声贡献幅度，从而找出需要控制的主要声源，以有效降低高能频率段 的噪声。频谱分析法中，除应用幅值频谱外，还常应用功率谱，此法多用于进行 被测对象预定频率范围噪声辐射能力的测试。 ( 五) 相干分析与偏相干分析 7 0 年代以来，由于计算技术的发展和微处理饥的应用，在谱估计技术基础上 发展了应用于噪声源识别的相干技术。使用相干技术识别噪声源的理论和实践工 作都获得了迅速进展。相干函数有三种，即( 常) 相干函数，多重相干函数和偏 相干函数。前两种主要用于相互独上的，即不相干噪声源的识别。当噪声源不是 独立的情况下，用这两种函数只能作定性描述，难以进行定量分析。对相互独立 的噪声源，在背景噪声不高的情况下，用常相干函数法能够正确识别噪声源并排 列出它们的主次效应。而偏相干函数可以在多个非独立噪声源条件下分析各种因 素对噪声源的影向。在实际环境下可以根据不同条件采用常相干函数或偏相干函 数来处理。这种识别噪声源方法的优点是不需要改变现场声环境就可以分析实际 第一章绪论 工作情况下噪声源的特性。不但可以识别噪声源，而且也能够分析振动、速度、 压力、湍流等因数对噪声的影响 1 0 l 。 ( 六) 声强测量法 2 0 世纪7 0 与8 0 年代，随着电子技术和信号处理技术的发展，声强技术也随之 快速发展成熟起来，它已成为声学领域中一种重要的测量技术，尤其在声功率测 定及噪声源识别方面有着独到的优点。声强是矢量，在测量声功率时可消除封闭 面以外其它声源和环境反射对测试结果的影响，因而对测试环境要求较低，甚至 可以用于现场测量【l l 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】。 声强测量法是利用双点声压梯度的积分来近似空气质点的振动速度，并利用 f f t 来实现声强的实时测量。用声强法识别主要噪声源可以用下列5 种方法：声 功率排序法、等声强线、矢量图及能流线图法、连续扫描法和复声强的应用。采 用声强测量法分析汽车噪声可获得丰富的噪声信息，不但可测出噪声的大小，而 且还能测出声能的流向。该方法对环境要求低，现场识别能力强，在汽车噪声分 析工程中有广阔的应用前景。 ( 七) 声全息方法 近年来，一种新的噪声研究技术一声全息得到了实际的应用。声全息与以往 的各种噪声源识别技术相比，不仅利用了声的强度信息，而且还利用了声的相位 信息，因而具有一些其它噪声识别技术所不具备的特点。 声全息方法，其基本原理是首先在采样面上记录包括声波振幅和相位信息的 全息数据，然后利用声全息重建公式推算出重建面上的声场分布。该方法一方面 可以获得车外声场分布的三维信息，另一方面还可以进行运动车辆车外噪声源识 别的研究，而且在进行噪声测试时具有抗外界干扰强的特点。但声全息方法只能 离声源比较近的时候效果才比较好，该方法在国内外用于汽车噪声声场的测试还 未多见。 多年来人们不断探索噪声源识别的新方法，随着声学测量技术的发展，迅速、 简便的噪声源识别技术也随之取得了进展。新方法的基本趋势是要求测试方法能 现场测量，能实时分析和处理所测量信号及能大大提高测试结果的可靠性。 1 2 2 车外加速噪声控制技术的现状和发展 一切噪声都源于振动，振动会引起某些部件的早期疲劳损坏，降低汽车使用 寿命；过高的噪声不仅损害驾驶员的听力，还会使驾驶员迅速疲劳，从而极大的 威胁行驶安全性。因此噪声与振动控制的研究一直是工程技术界的研究热点，它 是衡量汽车舒适性的重要标准之，是现代社会向纵深方向发展的一个关键技 术。 4 第一章绪论 传统噪声控制技术主要以研究噪声的声学控制方法为主，主要技术措施有吸 声降噪、隔声降噪、消声降噪、减振降噪、阻尼降噪等等。这些噪声控制方法主 要从噪声的声学控制出发，利用声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声 能，达到降低噪声的目的，该消声方法称之为被动消声。被动消声方法原理比较 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。 2 0 世纪7 0 年代后期，声波干涉机理在空间消声方面取得了一些重要成果，如： j m c 理论，“本征方式相干理论 和“声场重现理论 ，使人们可以直接从声场 与能量控制的角度去研究噪声控制问题，产生了阻抗控制消声机理，就是根据管 道内声场的变化，实时地主动调节管道有源消声系统中的次级声源辐射声阻抗， 或者调节声学传播通道的某个环节的阻抗特性来达到降噪目的的消声方法。这种 利用反噪声信号与原有噪声信号产生抵消性干涉的降噪方法称之为主动有源消 声【1 5 】【1 6 】1 1 7 】。 与传统的被动消声相比，主动有源消声具低频范围降噪效果好，对被降噪对 象结构上的改动小等优点。这种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 ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理器) 出现的情况下， 已经在管道消声、有源消声耳塞和某些频率比较单一较为稳定的小范围内的噪声 出现了比较成熟的有源消声产品能够有效的降低低频噪声【1 8 】【19 1 。但是，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，才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，在国内 汽车噪声控制领域，目前还限于试验内原理上研究未见实际应用产品【2 0 】。 早在上世纪6 0 年代，国外就着手汽车噪声控制的研究和制定限制噪声的法 规，欧美一些国家对车外加速噪声的限值每5 年左右就要降低2 - 3 d b ( a ) 。不断 颁布严格的噪声限值法规，迫使发达国家对机动车辆噪声控制技术研究不断深 入，控制水平不断提高。2 0 世纪9 0 年代以来，丰田( t o y o t a ) 、通用( g m ) 、福特 ( f o r d ) 、克莱斯( c h r y s l e r ) 等大型汽车公司的工程研究中心均专门设立了n v h 部 门，集中处理汽车的n v h 问题，他们从设计阶段就开始统筹考虑噪声控制问题。 汽车噪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，并更 多地借助声强法和模态测量法、能量流或功率流测量法来研究机械结构系统的噪 声形成、传播规律，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。控制方法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【2 1 1 2 2 2 3 j 。汽车噪声的有源控制也得到日益广泛的研究，如电子消声器 已装车应用，其消声效果较传统消声器更好。 我国汽车噪声控制起步较晚，相关汽车噪声法规修订速度较慢。1 9 7 9 年我国 首次颁布了2 项国家标准g b l 4 9 5 7 9 机动车辆允许噪声和g b l 4 9 6 - - - 7 9 机 第一章绪论 动车辆噪声测量方法，主要适用于新型车型式认证；2 0 0 2 年，为了适应现代车 型的噪声测量以及与国际惯例保持致，发布了g b l 4 9 5 - - 2 0 0 2 汽车加速行驶 车外噪声限值及测量方法。国内与发达国家在噪声控制研究领域还存在较大的 差距，车外加速噪声构成还是以发动机噪声、排气噪声为主，噪声控制主要还是 依靠传统技术手段。近十几年，随着我国对汽车噪声问题的重视，许多新的试验 研究手段和技术被引入，采用一些数值解析方法来分析汽车噪声，如模态试验法、 矢量合成分析法等试验技术。还有应用有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 等数值 解析手段进行结构声学特性分析和结构一声耦合场分析，这些对于国内噪声控制 水平的提高无疑有重要作用。尽管如此，我国汽车噪声控制研究比较薄弱，实际 工程应用相对滞后，要想达到国外先进水平，还需要科研人员的不懈努力。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于8 6 3 计划重点项目“x 1 2 1 轿车集成开发先进技术”n v h 控制子项目，以天津夏乖l j x l 2 1 轿车作为工程应用研究实例，旨在对国产轿车的 车外加速噪声问题进行深入系统的试验研究，以满足法规和星级评定的噪声限值 要求，并探索出一套切实可行的轿车车外噪声研究和控制的方法，为国产轿车的 自主开发奠定必要的技术基础。本文主要开展以下研究工作，研究内容的总体框 架如图1 2 所示。 图1 - 2 研究内容总体框架 1 对国内外汽车车# t - ；8 r l 速噪声的研究现状进行概述，着重分析噪声控制的重 要性( 立项的背景) 、各声源识别方法的应用场合、测试过程以及噪声控制基本 策略在汽车上的应用。 2 综合运用声源识别方法对x 1 2 1 轿车整车和关键部件进行噪声源识别。通过 6 第一章绪论 声源识别，确定该车各总成部件噪声大小及频率成份，分析各主要噪声源的形成 机理，为该车实施降噪措施提供依据。 3 设计并实施降噪方案。在保证不改变轿车性能的前提下，充分考虑经济性 和可行性，改进设计相关部件或对主噪声源进行降噪处理。 4 按照国家标准的要求，对该车整车车外加速噪声控制措施进行试验评价。 5 对本文的研究工作进行总结，并提出进一步研究的方向。 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 为了有效地控制轿车噪声，首先必须对轿车噪声进行研究，确定该车的各种 噪声源、噪声性质与产生机理以及影响噪声水平的因素。 2 1 车外加速噪声的主要声源 轿车是一种由动力机驱动并行使于多种路面的交通工具，因而受动力机影响 和路面激励，使构成汽车的三大部件( 即发动机、底盘和电器系统) 的所有部件 都会毫无例外的产生噪声和振动，只是对汽车总噪声贡献大小不同而异。影响车 外加速噪声的主要声源如图2 - 1 所示。 一 图二l 车外加速噪声的主要声源 由于轿车噪声源中没有一个是完全密封的，因此，轿车车外加速噪声是一个 包括各种不同性质噪声的综台噪声，其主要噪声源互相关联、相互作用，各声源 的产生机理和传递途径也错综复杂，如图2 - 2 所示。 图2 0 车外加速噪声的传播途径 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 轿车上的各个声源位置和辐射噪声大小不同以及噪声传播途径的差别，使得 某些方向的噪声较高，在某些方向上就较低。在整车噪声控制中，不仅要考虑噪 声辐射的大小，而且还要考虑各噪声源分布特点、传播方向，做到以高声源方向 为重点，以噪声最大衰减量为目标。 2 2 发动机噪声的形成机理 发动机噪声是汽车总噪声中的主要噪声源，是首先应当开展噪声控制的产 品。在我国，小轿车车外加速噪声中，发动机噪声约占5 5 ；大、中型汽车车外 加速噪声中，发动机噪声约占6 5 。随着汽车噪声控制标准的提高，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的工作，日本大型 汽车的发动机噪声己降到仅占车外总噪声的3 0 ，大大超过了我国目前的噪声控 制水平1 2 4 j 。 2 2 1 发动机噪声的主要构成 发动机是多声源的复杂动力机械，按照噪声辐射的方式来分，可把发动机的 主要噪声源分为直接向大气辐射噪声和通过发动机表面向大气辐射噪声两类。发 动机噪声主要构成如图2 3 所示。 直接向大气辐射噪声主要包括：进气噪声、排气噪声和风扇噪声，它们都是 由于气流振动而产生的空气动力性噪声。发动机表面噪声是发动机内部结构的机 械振动而产生的噪声，它通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性连接的零部 件向外辐射。 面丽 发动机噪声 结构振动噪声 ( 表面间接辐射) 燃烧噪声 机械噪声 图2 3 发动机噪声的主要构成 活塞敲击噪声 配气机构噪声 齿轮传动噪声 供油系噪声 鬈 声，一噪射一力辐一动接一气直一空一 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 根据其产生的机理，发动机表面噪声又可分为燃烧噪声和机械噪声。燃烧噪 声主要由气缸内周期性变化的气体压力作用而产生，取决于发动机的燃烧方式和 燃烧速度。而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 机械力的作用而产生，它与运动件的结构和激发力的大小等因素有关。燃烧噪声 和机械噪声有着密切的关系，实际当中是很难严格区分的。 2 2 2 发动机表面噪声 发动机的燃烧激振力和机械激振力，通过各个结构零件传递到发动机的外表 面上，形成表面的振动响应。发动机表面的振动又激发周围空气介质的振动，形 成声波向外辐射。简言之，发动机表面噪声的产生可以归纳为三个过程，即振动 发生、振动传播和噪声辐射。从产生过程来看，控制发动机表面噪声，最终就是 减小其表面辐射噪声，可以采取两种途径。其一，在燃烧激振力和机械激振力的 产生根源上采取措施；其二，可以在激振力的传递途径上和表面辐射噪声的效率 方面采取措施。 ( 一) 燃烧噪声 燃烧噪声是发动机的主要噪声源。燃烧噪声的产生机理相当复杂，当发动机 的燃油向高压空气中喷射，汽油机火花塞点火后，气缸中局部的可燃气体开始燃 烧，压力温度急剧上升。随后，随着火焰迅速传播，缸内温度压力继续升高，与 此同时缸内的可燃气体继续进行旋流运动。气缸中的压力波冲击燃烧室壁，使之 产生固有频率的振动，气缸内部件的刚性通常很大，其自振频率很高，这种振动 及辐射噪声呈高频特性。气缸内压力在一个工作循环内呈周期变化，它激起气缸 内部件的低频振动，其频率与发动机转速有关，通过发动机机体向外辐射噪声。 这种混合气燃烧产生的缸内气体压力直接激振发动机结构，引起结构振动，并通 过外部和内部传播途径传到发动机表面1 2 5 1 。 燃烧噪声与发动机的燃烧方式和燃烧速度密切相关。通常柴油机比汽油机有 更大的燃烧噪声。一般来说，在汽油机中半球形燃烧室燃烧速率大，噪声也最大， 而浴盆形燃烧室燃烧速率较低，噪声也较低；对于柴油机，直喷式燃烧室中以开 式噪声最大，半开式次之，而球形及斜置圆筒形燃烧室的噪声相对较低；在分隔 式燃烧室中，涡流室与预燃室燃烧噪声都比较低。 ( 二) 机械噪声 发动机的机械噪声是指由于气体力和惯性力的作用，使运动零件越过配合间 隙产生撞击而激发的噪声，以及由于机械作用力的突然变动而激发的噪声。发动 机的机械噪声随转速的提高而迅速增加。随着发动机向高速、轻型化发展，以及 噪声控制法规的不断强化，要进一步降低发动机噪声的主要困难将是降低机械噪 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 声。 发动机的机械噪声主要有活塞敲击噪声、配气机构噪声、齿轮传动噪声、喷 油油泵噪声、轴承噪声等。 1 活塞敲击噪声 活塞敲击噪声是活塞与气缸壁面之间相互撞击而产生的噪声，它是机械噪声 的主要噪声源。通常情况下，噪声产生的大小主要取决于气体燃烧时最大压力和 活塞与气缸壁面之间的间隙，间隙越大，活塞对气缸的敲击力越大，敲击力的大 小主要取决于活塞往复侧向力的变化。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 向力作用，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。在高速运转时，活塞这种横向运动是以很高的速度进行的。因此，这种快速 的横向运动必然引起激烈的冲击。影响活塞敲击力的因素很多，比如活塞和气缸 的间隙、活塞销孔的偏移量、活塞的高度、润滑条件等。 2 配气机构噪声 发动机配气机构噪声也是机械噪声的重要组成部分。配气机构由于零件多， 零件的刚度差，容易引起振动和噪声。当发动机低速转动时，气门惯性力小，可 把气门看成是一个多刚体系统。在气门开启或关闭时，由于施加于气门机构上的 冲击力或气门落座时的撞击力而发生噪声；当发动机高速旋转时，气门机构的惯 性力非常大，使得气门发生振动。这时，气门就相当于一个弹性体，由于弹性变 形的影响，气门的运动或迟、或超前于挺柱( 或摇臂) ，使得气门工作不正常， 加剧了撞击的次数和强度，从而发出噪声。 3 齿轮传动噪声 发动机中很多部件都采用齿轮传动：正时齿轮、喷油泵齿轮、分电器以及动 力输出装置等。由于齿轮的制造误差、安装误差、齿轮受力变形、轴系扭振等， 齿与齿之间必定发生撞击力，此两力将引起噪声的产生，其中最主要的是正时齿 轮噪声。一对啮合齿轮的两齿面的接触点上存在相对滑动速度，且其方向交变， 因此存在方向交变的滑动摩擦力，产生冲击力，该两力将产生噪声。随着发动机 转速和功率的不断提高，齿轮噪声将更为严重。 4 供油系噪声 供油系噪声是机械噪声的一个组成部分，它是由于油压脉动力的激励和共振 以及周期性的燃油压力和高压油管压力激发泵体自身振动而引起的噪声。噪声的 大小与发动机转速、泵内燃油压力、供油量及泵的结构有关。实验证明，当凸轮 轴转速增加一倍时，喷油泵噪声就增加8 1 5 d b ，燃油压力从0 m p a 增到1 5 0 m p a 时，噪声增加9 d b ；供油量从0 增到1 0 0 时，噪声又增加3 4 d b 2 3 1 。 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 2 2 3 发动机空气动力噪声 发动机空气动力噪声是由空气的扰动和空气与物体的相互作用而产生的，该 噪声在整车车外噪声中占据很大的分量，实际工程应用当中也是相对容易控制的 对象。因此，在噪声控制研究中占有非常重要的地位。发动机空气动力噪声主要 包括进气噪声、排气噪声和风扇噪声等。 ( 一) 进气噪声 进气门周期性开闭引起气管道内压力起伏变化，从而形成空气动力性噪声， 称之为进气噪声，它是空气动力噪声的主要噪声源之一。对于某些发动机而言， 进气噪声比发动机本体噪声还要高出5 d b 左右【2 4 1 。 当进气阀门突然关闭时，会引起发动机进气管内空气压力和速度的波动，这 种波动将以压缩波和稀疏波的形式向管道传播，并在管道开口端和固定壁面端进 行多次反射，此时进气管道内气流柱产生振动而引起波动噪声。 当进气阀门开启时，一方面，活塞从上止点向下止点移动而开始吸气，气体 速度由零变大这时在管内就会产生一个压力脉冲，形成一个强烈的脉冲噪声；另 一方面，气体以高速通过进气门，在进气门截面上形成一个涡流而产生涡流噪声， 其主要频率成分在10 0 0 2 0 0 0 h z 范围内。 研究表明进气噪声的大小与发动机的进气方式、进气门结构、缸径、凸轮线 型等因素有关。对于同一台发动机而言，进气噪声主要受转速影响，转速增加一 倍时，进气噪声可增加1 0 1 3 d b t 2 6 1 。这是因为转速增加使进气管道中气流速度增 加，这同时使上述的波动噪声、脉动噪声和涡流噪声加剧。 ( 二) 排气噪声 排气噪声是汽车及发动机中能量最大最主要的噪声源，往往要比发动机本体 噪声高出1 0 1 5 d b ( a ) 。因此，必须研究其噪声特性及其影响因素，以便采取相应 的控制措施【2 1 】 2 4 】【2 7 】。 排气噪声的主要成分通常包括：基频噪声、气柱共振噪声、喷注噪声、紊流 噪声和涡流噪声、以及亥姆霍兹共振噪声。 1 基频噪声 废气气流从排气口喷出，由于排气过程的周期性而在喷出口形成一个流场作 周期性变化的气流，于是废气喷出口便成为一个点声源假定附近没有反射面， 就会形成球对称的声场。喷出后经过时间t ，该声场中离喷出口距离为，处的声 压瞬时值可表述为 p ( 州) = 石1 9 0 s o v f ( t - r c ) ( 2 一1 ) 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 式中，螂出1 2 1 的截面积，1 1 1 2 ；p o 、c 一分别为空气静态密度和声速，k g m 3 和州s ；峭流流出速度，m s 。 气流速度变化的频率就是内燃机气缸爆发的频率 厂；丝 ( 2 - 2 ) ，= 一 i 。 3 0 r 式中，胛转速，r m i n ；z 气缸数，个；f 每个工作循环的行程数，个。 这个频率相当低。这种噪声构成了排气噪声的低频部分，称为基频噪声，在 排气噪声频谱中相当突出。 2 气柱共振噪声 每一段两端封闭的气柱都是一个振动系统，其本征频率为 厂= n c ( 2 1 ) n = l ，2 ，3 ( 2 3 ) 式中，气柱长度，m 。如果气柱一端封闭、一端敞开，则其本征频率为 厂= ( 2 n 1 ) c ( 4 1 ) n = l ，2 ，3 ( 2 4 ) 多缸发动机中，当某一缸排气有气流通过，便能激发其它所对应的气柱发生 共振，而每一缸所对应的气柱长度无疑是要计入气柱长度的，从进入排气歧管的 那一点起到排气歧管汇合点止的那一段，只要不是废气正在流过，都要计入气柱 长度。气柱本征频率比基频噪声频率高的多，不过通常1 0 0 h z 以上这类噪声就微 不足道了。 3 喷注噪声、紊流噪声和涡流噪声 基频噪声是排气气流速度起伏引起的。其实，即使气流喷注速度恒定不变， 也会激发出噪声，叫喷注噪声，其声功率与气流速度的8 次方成正比，其频率与 气流速度的一次方成正比。高速气流和缸壁、管壁摩擦会导致紊流，气流通过节 气门、气门和喷口等节流元件时也会形成紊流，气流流过气门杆时还会脱流而形 成涡流，这些都会导致噪声，这些噪声组成了排气噪声的中高频部分，其频率分 布随内燃机转速升高而移向高频段。 4 亥姆霍兹共振噪声 发动机排气门打开时，气缸与排气道、排气管就组成一个亥姆霍兹共振腔， 它有一个共振频率。废气流动激发的噪声中与共振频率一致的频率成分在这个共 振腔中得到充分韵放大。于是，内燃机噪声频谱中的这个频率就显得很突出，其 频率可按下式计算： r c 2 石 ( 2 5 ) 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 式中，圪气缸工作容积，l ；s 排气管截面积，i t l 2 ；，排气管长度，m 。 亥姆霍兹共振噪声的最大特点是，其频率与内燃机转速无关，但共振频率随 工作容积而变。例如排气过程中随着活塞的上行，共振频率逐渐升高。因此，噪 声频谱中对应于亥姆霍兹共振频率的峰比较宽。亥姆霍兹共振噪声在单缸机中表 现的最为突出，在两缸机和三缸机中也能发现，但在四缸以上的多缸机中，由于 各缸之间的互相干扰，故这类噪声不突出。 ( 三) 风扇噪声 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。近些年来，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。风扇噪声主要由旋转噪声和涡流噪声组成。 1 旋转噪声 风扇的旋转叶片周期性扰动空气，引起空气的压力脉动发出的噪声，称之为 旋转噪声，它的基频为： 7 五= 等( ) ( 2 6 ) o u 式中，聆风扇转速，r m i r az _ 风扇的叶片数，片。 2 涡流噪声 涡流噪声是由于风扇旋转时使周围的空气产生涡流，这些涡流由于沾滞力的 作用又会分裂成一系列的小涡流。这些涡流和涡流的分裂会使空气发生扰动形成 压力波动从而激发出噪声。涡流噪声一般是宽频带噪声，其主要峰值频率为： 矿 f = k 壬( h z )( 2 7 ) d 式中，k 常数，一般在0 1 5 0 2 2 之间；矿风扇圆周线速度，m s ；d 一叶片 在气流入射方向上的厚度，m 。 当该涡流引起的振动频率与叶片的固有频率接近时产生共振，噪声增加。该 振动常常是风扇叶片拆断的原因。 2 3 传动系噪声的形成机理 传动系是将发动机发出的功率传递给车轮并带动汽车运行的系统，根据汽车 种类和用途不同，其传动系有一定差别。在传动系中，通常可能成为噪声源的机 构总成有：变速器、分动器、传动轴、差速器、轮边减速器等。这些机构所产生 的噪声中，有机构本身齿轮和轴承产生的噪声，也有其本身和其它机构振动传递 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 而放射的噪声。 ( 一) 齿轮噪声 齿轮传动时，轮齿相互啮合，这时在啮合处既有滚动又有滑动，不可避免的 要产生齿与齿之间的撞击和摩擦，从而使齿轮产生振动并发出噪声。此外发动机 曲轴扭振，使其驱动齿轮传动的正常啮合关系遭到破坏，也使齿轮发出噪声。齿 轮噪声往往包括高频和低频两种频率成分。高频噪声主要是由齿轮的基节发生偏 差而引起的，它是齿轮噪声的主要成分。基节偏差会使齿轮在啮合与分离时产生 周期性撞击，即啮合撞击。无论主动轮的基节大于还是小于从动轮的基节，都将 使齿轮转过每一个轮齿都产生撞击，即每转一圈撞击的次数与齿轮的齿数相等， 其啮合频率为 厶= n z 6 0( 2 - 8 ) 式中，n 转速，r r a i n ，z 齿数，个。 齿轮的啮合的低频噪声主要是由周节累积误差所引起的，由于有周节累积误 差很大时，就会对总体噪声有较大影响 2 4 】。 ( 二) 轴承噪声 汽车传动系使用了大量的轴承，这些轴承不可避免地会产生噪声。虽然轴承 噪声较低，往往被其它声源的噪声掩盖，但轴承对整机的支承刚度和固有频率有 较大影响，且轴承的振动会导致轴承产生共振噪声。 轴承噪声主要是由于轴和轴承的偏心引起的不平衡力、几何形状误差造成的 零件间作用力波动、表面质量引起的摩擦力局部变化、外界负载波动和振动的输 入等引起振动和摩擦，从而产生的。 ( 三) 传动轴噪声 传动轴振动噪声通常是由发动机的扭矩波动和振动，变速器及驱动桥等振动 的输入，万向节输入和输出转速、扭矩的不均衡性，传动轴本身的不平衡等原因 引起的。 传动轴振动噪声可以通过两个途径传播，一是经传动轴的中间支承、变速器 和后桥传给车身及其它部件，引起更广泛的振动和噪声；二是经过周围空气直接 向外辐射噪声。一般说来，传动轴生产时都经过专门的动平衡，传动系的扭振也 由专门的扭转减振器进行抑制，所以实际上传动轴的噪声能量是很小的，在传动 系噪声中不占主导地位。 影响传动轴振动噪声的主要因素是传动轴动平衡度。一般情况下，传动轴的 平衡度主要影响传动的次谐振；由于传动轴两端十字轴万向节的影响，使其转 速与扭矩按周期性规律变化，将影响传动轴总成的二次谐振，从而增加传动轴的 噪声。 第二章轿车车外加速噪声的产生机理 2 4 轮胎噪声的形成机理 轮胎噪声是轮胎在地面滚动时产生的噪声。它分为轮胎的泵气噪声、结构振 动噪声和柱管共振噪声【2 8 】。 ( 一) 轮胎的泵气噪声 汽车轮胎快速滚动必然对周围空气形成扰动，由于轮胎上的花纹各不相同， 它们产生的泵气效应也不尽相同。当轮胎胎面与地面接触时，由于受到压缩，胎 面花纹的径向、横向和纵向产生变形，腔内面积减少，腔内压力迅速增大，于是 将腔内的空气快速挤出，形成泵气效应；当轮胎离开地面时，腔体受到拉伸，胎 面上的花纹开始舒展，纹沟体积增大，使腔内形成一定的真空度，又将周围空气 迅速吸入，形成吸气效应。轮胎这种周期性的泵吸效应，迫使空气形成疏密波而 向外辐射能量，其基频与汽车的速度、轮胎圆周上的沟槽数成正比，与轮胎的有 效半