汽车振动与噪声控制概述

汽车噪声分析与控制 目前无十分合适的教材 参考书目有 盛美萍等 噪声与振动控制技术基础 科学出版社徐兀 汽车振动与噪声控制 人民交通出版社1987朱孟华 内燃机振动与噪声控制 国防工业出版社 1995何渝生 汽车噪声控制 机械工业出版社 1995靳晓雄 汽车噪声的预测与控制 同济大学出版社 2004庞剑等 汽车噪声与振动 理论与应用 北京理工大学出版社 2006赵玫等 机械振动与噪声学 科学出版社 2004马大猷 噪声控制学 科学出版社 1987马大猷 噪声与振动控制工程手册 机械工业出版社 2002 专题书籍有 王治国 MSC ACTRAN工程声学有限元分析理论与应用 国防工业出版社 2007陈克安等 声学测量 科学出版社2005周广林 扫描声强测量技术 哈尔滨工程大学出版社 2007蒋孝煜 连小珉 声强技术及其在汽车工程中的应用 清华大学出版社 2001张绍栋 熊文波 噪声与振动测量技术 杭州爱华仪器有限公司 2005 日 计量管理协会 噪声与振动测量 中国计量出版社 1990王其政 统计能量分析原理及其应用周新祥 噪声控制技术及其新进展 冶金工业出版社 2007 主要内容 汽车与振动噪声概述噪声控制的振动基础噪声控制的声学基础 声波基本方程 各参数间的关系振动控制的基本措施消振 隔振 吸振 减振噪声控制的基本措施消声 吸声 隔声 第一章汽车与振动噪声概述 1 声与噪声2 振动3 研究汽车振动噪声的意义4 汽车的NVH问题5 汽车发展与NVH技术进步6 汽车的NVH特征7 汽车振动噪声分类8 汽车振动噪声控制 1 声 sound 与噪声 noise 自然界中 声 是非常直观的一种物理现象 也是最早被人们认识的一种物理现象之一 研究声的科学即为声学 大约在19世纪中期 声学的基本理论已经达到了很完善的地步 声学是当前非常活跃的学科之一 它的分支目前已经超过了20个 而且还有新的分支在不断的产生 因此声学被称为 古老而又年轻的学科 下图为声学的主要分支以及与一些基础领域的联系 本课程关于声学方面 首先介绍一些声学领域的基础知识 而后介绍噪声学中的部分内容 1 声的描述量 频率 frequency 声压 soundpressure 声强 soundintensity 声功率 soundpower 等 频率在20Hz 20KHz之间的声波人类能够听到 为可听声 audiblesound 在该频率范围涉及对人们所需要的声音的研究 如音乐声学 也包括对人们所不需要的声音的研究 如噪声学 低于20Hz及高于20KHz声人们完全听不到吗 低于20Hz的声波为次声波 infrasound 高于20KHz的声波为超声波 ultrasound 次声波和超声波均难以称为噪声源 只有可听声频域内结构的振动以及气体的脉动和涡流 空腔共鸣才能构成噪声源 1 声与噪声 不同声压级给人的感觉 1 声与噪声 结构的振动是噪声产生的根源之一 因此 研究噪声时 常常将其与振动一起进行分析 对汽车来说 就是NVH noise vibration Harshness 问题 行驶时振动大的车辆往往噪声也大 因此 从汽车NVH问题的角度看 解决噪声不能头痛治头 脚痛治脚 而应该对车辆进行整体的考虑 例如要考虑到发动机 轮胎 弹性支承等诸方面 结构的振动向周围的空间辐射声波 振动还引起基础及相连的固体结构振动产生声波 如重型汽车的某些振动可能对频繁通过区附近的建筑物造成危害 是不是所有的振动都能够产生噪声呢 1 声与噪声 在可听声频域内 振动的两面性 振动可以产生刺耳的 对人有不良影响的噪音 振动也可以美妙动听的声音 如各种乐器的发声均是利用乐器结构的振动产生并放大 通常人们将悦耳的声音称之为乐音 将不需要 会产生不利影响的声音叫做噪声 这是从主观感觉上进行区分 从客观上乐音与噪音的区别在于具有不同频谱 音乐 振幅和频率有明确的规律 噪声 各种频率和振幅都无规律的声波的组合 有没有可能将噪声通过改变变成乐音呢 1 声与噪声 噪声污染 大气污染 水污染和固体废弃物污染被称为环境方面的四大公害 大气污染 水污染 固体废弃物污染 电池 核废料 有一定的时间性 即污染源切断后 仍在一定的时间内保持有污染 但是噪声源一旦停止则噪声污染也停止 所以噪声污染有其特殊性 1 声与噪声 噪声污染所导致的危害 噪声对人的危害可表现在两方面 心理方面 当人们在高噪声的环境下时 会感到心情烦躁注意力分散 反映迟钝 容易疲劳 从而造成工作和学习效率降低 引发工作中的差错 严重的会造成事故 生理方面 长期暴露在高噪声的环境易于导致引起听力伤害 轻则高频听阈损伤 中则噪声性耳聋 重则耳鼓膜破裂 另外还易于引发肠胃功能紊乱 心脏组织缺氧导致肠胃疾病和心血管疾病 噪声可使机械设备 建筑等产生声疲劳 1 声与噪声 噪声污染是工业化所带来的直接后果 随工业发展进程的加快 噪声污染所涉及的范围仍不断扩大 同时随着生活水平的提高 对环境的要求越来越高 所以为噪声的控制提出了更高的要求 汽车领域对交通噪声的控制和乘坐舒适性要求均日益严格 如对汽车等机动车辆 国家制定了 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法 国家强制标准GB1495 2002 例如轿车允许的车外加速噪声74dB 随着国家强制性标准中噪声要求的提高 了解如何对 汽车的 噪声进行控制的意义显而易见 噪声方面 本课程将学习声学基本知识以及噪声控制的基本措施 包括消声 隔声 吸声等 1 声与噪声 振动 物体在一定位置附近随着时间作往复运动 称为机械振动 更广义的讲 物体或某种状态随着时间往复变化的现象 称为振动 地面上的汽车 火车 拖拉机 地下的地铁 空中的飞机 海洋中的舰船 各种乐器的发声空间存在的电磁波 收音机的调台是利用电磁共振的原理 建筑 桥梁受到激励也会振动 洗衣机 电冰箱一旦启动 振动就始终伴随 就人体本身 心脏的跳动 肺的呼吸 脑电的波动 2 振动 振动的描述量 振幅 位移 速度 加速度 频率 相位振动的分类 按响应性质分类 确定性振动 确定性系统受到确定性的激励其响应也是确定性的 如不平衡转子激起的振动 确定公式进行描述 可预测的 随机振动 即使是确定性系统 在受到随机激励时 系统的响应也是随机的 例如汽车在路面上奔驰所受到的路面激励为随机激励 不可预测 只能分析其统计特性 2 振动 按振动产生的原因分类 自由振动 freeoscillation 弹性系统具有初始位移或初始速度 此后不再受外界激励的情况下所发生的振动 可用于分析系统的固有特性参数 受迫振动 forcedoscillation 弹性系统在外界激励下发生的振动 外界激励是周期性的或交变的 如 不平衡转子引起的振动 汽车行驶在不平路面激励下的振动等包括确定性振动 随机振动 2 振动 2 振动 自激振动 作用在系统上的非周期性激励 或不变激励 被系统本身的振动变为周期性激励 把能量断续地输入到振动系统当中 从而维持或发展系统的振动 振动停止 激振源即停止 摩擦 空气动力 2 振动 2 振动 参变振动 通过周期或随机地改变系统的特征参数来实现 2 振动 按自由度多少分类 单自由度系统振动 若仅考虑汽车的垂直振动且忽略汽车前后悬挂质量的差别 忽略非悬挂质量的振动 可以将汽车简化为单自由度模型进行分析 多自由度系统振动 若考虑汽车的垂直振动 考虑非悬挂质量的振动 同时考虑其俯仰运动 则至少需要将其简化为四自由度模型 弹性体振动 无穷自由度 由于许多情况下弹性体振动无解析解 目前多采用有限元的方法将连续的弹性体划分为若干离散单元的组合体进行研究 2 振动 按振动位移特征分类 角振动 如车架的扭转振动 轴的扭转振动直线振动 如车辆的垂直振动按系统结构参数特性分类 线性振动 如振动系统的质量 刚度 阻尼均不随系统运动参数而变化 且弹性力 阻尼力均可简化为线性模型 该系统发生的振动为线性振动 非线性振动 凡是不能简化为线性系统的振动系统都为非线性系统 如采用可变刚度的钢板弹簧时汽车振动为非线性 参变振动为非线性振动 2 振动 工程中有大量的振动问题需要人们去分析解决 无论是什么振动问题 一般来说 都是在激励 响应 系统特性三者之间已知两个求第三个 通常将振动问题主要包括以下三类 振动分析 已知激励与系统特性 求系统响应 振动环境预测 已知系统特性及系统响应 反求激励 系统识别 已知激励及系统响应 来确定系统的特性 对系统识别问题的另一种提法是 在一定的激励条件下 如何设计系统的特性 使得系统的响应满足指定的条件 这也称为振动设计 2 振动 当遇到车厢噪声大时 一般考虑加强车厢隔音技术和材料 而对真正的噪声发生源可能无能为力 要从根本上减少噪声 就会涉及发动机 悬置及车架等的设计问题 因此 NVH问题实质是汽车设计中要解决的问题 而不是汽车试制或进入市场后要解决的问题 2 振动 为什么许多情况下要对振动进行控制 振动能够产生噪声 噪声会干扰人的工作和健康 各类振动特别是1 100HZ的低频振动直接对人有影响 长期暴露于强振环境 人的机体会受到损坏 机械设备或建筑结构会受到破坏 任何结构承受动态载荷的能力均低于其承受静态载荷的能力 大幅度的振动将导致结构承受大的动态应力 容易产生疲劳破坏 振动疲劳 声疲劳 为什么振动会对人体造成危害 2 振动 人体是一个复杂的系统 该系统包含着若干线性和非线性部件 人与人在身高 体重 骨骼 肌肉等方面有很大差别 所以各部件的性能也各不相同 但各部件有各自的固有频率 当激振的频率与固有频率相近时发生共振 这将使人很不舒服 甚至会使身体受到伤害 2 振动 人能感受到的振动频率范围为1 100Hz 根据人的感受将振动按频率划分可分为三类振动 低频振动1 30Hz中频振动30 100Hz高频振动100HZ以上实验表明人对频率为2 12Hz的振动感觉最敏感 高于12低于2Hz则敏感性逐渐降低 这是因为人体许多器官的共振频率分布在此频率范围内 对人最有害的频率是与各器官的固有频率相吻合的频率 例如人肢体在6Hz 内脏器官在8Hz附近 7Hz左右对大脑和神经的影响较大等 人体感觉最舒服的频率 1 6Hz散步的频率 故乘坐舒适的轿车频率在1 6Hz附近 2 振动 由于人体的身体素质 年龄以及心理上的千差万别 对振动的敏感程度也不同 导致评价振动对人体的影响比较复杂 国际标准化组织 ISO 在综合了大量资料的基础上提出了ISO2631 1 1985 人体承受全身振动的评价 在1997年又做了修正 公布了ISO2631 1 1997 关于汽车纵向振动要求的平顺性 中国也制定了相应的标准QC T474 1999 即原GB T12471 90 2 振动 振动的危害是多方面的 它损害或影响在振动环境内工作人员的身体健康和工作效率 对仪器 设备和建筑物造成损坏 特别是结构发生共振时 很容易导致结构的疲劳破坏 振动除了有害的一面 也有有利的一面 例如 振动压路 振动捣实 振动筛选 振动打桩等等 通过学习振动规律可以利用有益的振动 控制有害的振动 本课程将学习振动的基本理论以及振动控制的基本措施 包括消振 隔振 吸振 减振 2 振动 汽车可以看做是一个弹性振动系统 整个系统按照各总成部件又分成多个 弹性振动子系统 当汽车因路面凸凹不平 发动机及传动系抖动或车轮不平衡而受激振动时 汽车作为弹性振动系统发生振动 同时由于结构振动 空气动力性以及空腔共鸣等原因将产生噪声 汽车的振动噪声影响乘用舒适性 对于驾驶员大的振动与噪声将导致其疲劳 影响工作效率甚至行车安全 对于军用车辆 如坦克装甲车等 大的振动与噪声直接导致士兵的作战能力下降 振动对舒适性直接产生影响的量 振动加速度 频率噪声对舒适性产生直接影响的量是声压 频率 3 研究汽车振动噪声的意义 汽车噪声对环境噪声影响很大 城市机动车辆的剧增使其成为城市的主要噪音源 且由于机动车辆的噪音是流动的 干扰范围大 目前对于汽车的振动和噪声国家已有明确的标准 例如 GB1495 2002 不达标准的汽车不能投放市场 振动和噪声大的汽车 顾客不满意 该汽车也将失去市场竞争力 由于上述各方面原因 对汽车的振动 噪声进行控制非常必要而且刻不容缓 否则产品将失去市场 3 研究汽车振动噪声的意义 国际汽车企业非常重视汽车的NVH 以汽车王国美国的通用汽车公司 全球最大的汽车企业 为例 设计人员中有1 3 1 4 CAE人员中有1 3 试验人员中1 2与NVH有关 国内目前对汽车噪声 振动的研究也已经比较重视 但相比之下对汽车噪声方面的研究还很不系统 难以有效地指导产品开发 因此 我国汽车行业面临的噪声研究工作任务是繁重的 也是非常紧迫的 3 研究汽车振动噪声的意义 1 汽车性能安全性 可靠性 噪声与振动 NVH 动力性能 燃油经济性能 排放与环境性能 发动机控制与调节性能 空调系统性能 电子系统性能等 模型制作 装配工艺 成本控制 质量控制 重量控制等 4 汽车NVH问题 汽车界将噪声 振动与舒适性的英文缩写NVH Noise Vibration Harshness 统称为车辆的NVH问题 4 汽车NVH问题 4 汽车NVH问题 2 什么是NVH 噪声 Noise 指的是顾客所能听到的声音 声音的频率大体上在20赫兹到10000赫兹之间 通常用声音的频率 声级和音质来描述 振动 Vibration 指的是顾客所感觉到的和看到的 身体所能感知运动的频率范围通常在0 5赫兹到50赫兹之间 通常用频率 振幅和振动方向来描述 不舒适性 Harshness 指的是噪声和振动的综合影响 粗野的 刺耳的或不和谐的感觉 NVH必须满足法规的要求 NVH应该使乘员驾驶时有安全感和自信 在各种工作环境 在各种路面 NVH应该避免任何不好的感觉 令人不愉快的 粗俗的 意料之外的和令人讨厌的事情 NVH应该能超过顾客的期望值 3 NVH的目标 4 汽车NVH问题 早期对汽车NVH的抱怨与要求 发动机功率低 在城市道路低速行驶 噪声大 汽车可靠性 动力性问题更为突出 噪声处于次要地位 汽车技术进步带来NVH问题 发动机功率不断提高 噪声与振动增加 问题日益突出 已经成为四大污染之一 空气污染 水污染 噪声污染 固体废弃物污染 噪声与振动已经成为汽车产品开发工程中的主要问题 为创造一个良好的环境 减少噪声污染 出台控制噪声的法规 并日益加严 4 汽车发展与NVH 4 汽车NVH问题 各国汽车标准的发展趋势 4 汽车NVH问题 我国噪声限值体系发展趋势 1979年车外最大噪声 1996年增加了定置噪声要求 1997年增加车内最大噪声限值 驾驶员耳旁声级和喇叭的声级 机动车的噪声限值体系 由开始的车外扩大到车内 驾驶员耳旁等 噪声限值体系进一步完善 我国噪声限值的发展趋势轿车车外最大噪声由85年的82dB发展到2005年以后的74dB 小型货车车外最大噪声也从85年的84dB降到2005年以后的76dB 等噪声限值下降幅度十分巨大 噪声要求成倍加严 标准限值体系与国际要求接轨与世界先进水平的差距缩小 但还落后8年左右 噪声限值相差2 5Hz 4 汽车NVH问题 5 汽车NVH与消费者满意度 媒体对FORD产品的正面评价 Fiesta有一台令人惊讶的安静而且舒适的发动机 F 150是乘坐舒适安静的4 6升发动机汽车 即福特的嘉年华轿车和F 150皮卡把振动和噪声的优良性能作为卖点 媒体对汽车所抱怨的事情20 30 抱怨的产生都是与NVH有关系的 4 汽车NVH问题 4 汽车NVH问题 6 NVH与汽车生产商的利益 FORD的统计 15 29 的保修的费用是花费在与噪声有关的 1994年型车 3年的在用车 在噪声方面的保修费用为3 46亿美元 占总费用的18 4 汽车NVH问题 NVH研发的成本综合成本明细样机花费的组成 TASE 安全 NVH TotalCost 303M BaseonTASE Safety NVHCostofAttributeStudies总支出 3 03亿美元 基于TASE 安全 NVH的研究费用 因此 整车约有1 3的故障问题和NVH问题相关 近20 的费用消耗在解决车辆的NVH问题的研发和保修上 4 汽车NVH问题 5 汽车发展与NVH技术进步 1 汽车发展与噪声振动改进方法20世纪60年代以前 基于试验与简单计算 如进排气系统使用Helmholtz消声器模型简单计算设计 80年代后 计算机技术发展 模态综合技术应用 有限元法主要解决低频问题 高频问题 模态密度非常高 出现了统计能量法 90年代后得到飞速发展 已经成为解决高频问题的主要方法 中频问题一直是个难题 直到90年代 各种混合法 偶合法 才使问题的解达到一定得精度 但还是与低频高频问题有差距 2 汽车发展与噪声振动分析软件汽车高速运动 车身与空气相互作用产生空气动力噪声 气体在进排气管中高速流动产生摩擦噪声 流体力学 CFD 发展 出现CFD与声学混合的软件 用来计算分析流动引起的噪声和管道流场与噪声 90年代一维和三维计算流体声场的软件逐步成熟 出现了如ANSYS MSC NASTRAN MSC ACTRAN LMS SYSNOISE等软件 5 汽车发展与NVH技术进步 3 噪声振动控制技术60年代 汽车噪声振动的主动控制研究开始 90年代 随着控制技术的发展和成本的降低 主动和半主动控制开始应用来降低汽车的噪声与振动 主动振动控制主要应用在发动机的隔振上 噪声控制主要在进气系统 排气系统和车内噪声控制上吸声材料 隔声材料和阻尼材料应用 取得良好的吸声和隔声效果 为抑制噪声辐射 双层板结构在排气管和消声器外壳中得到应用 为减小某个频率的振动 动力吸振器在汽车很多部件上得到应用 5 汽车发展与NVH技术进步 4 噪声振动测试技术早期 声级计 加速度传感器等进行简单的噪声振动测量 学习 机械工程测试技术 电子技术与信号处理技术发展 频谱分析大量应用 倍频程 1 3倍频程 1 12倍频程等用于分析 相干分析 相关分析应用到信号分析和噪声振动源的识别 声强测量 小波分析 倒频谱法 声全息方法等新的测试和分析技术的应用 使研究手段先进 5 汽车发展与NVH技术进步 5 汽车发展产生新的噪声振动问题主要噪声振动源的性能改善后 使次要噪声振动源突出 降低系统和零部件噪声振动的要求越来越重要 汽车结构轻量化 使汽车的噪声振动特征发生了变化 带来了新的挑战 新的动力系统问世 如混合动力 燃料电池 变汽缸发动机 变气门发动机等 其噪声振动特点与传统汽车相差较大 5 汽车发展与NVH技术进步 6 汽车NVH特征 1 汽车设计与NVH分析需考虑的四要素政策法规必须满足 否则政府不给发生产许可证 就无法销售 顾客的要求的分析 开发设计前进行调查 得到顾客 现实顾客和潜在顾客 的要求 找出市场标杆 技术标杆分析 确定市场定位和竞争对手后需对竞争车型进行全面剖析 当然包含分析NVH性能 以制定相关NVH性能指标 自身技术能力分析 分析有无技术实力实现相关指标 制定整车噪声与振动指标 如 驾驶员与乘客耳朵处的噪声大小 方向盘的振动大小 地板的振动大小 椅子的振动 后视镜的振动等 指标分解 分解到系统 子系统 再到零部件 如系统 动力系统 车身系统等子系统 发动机子系统 进气子系统 排气子系统等 零部件 如排气子系统中 消声器的传递损失 挂钩隔振器的传递率等 2 汽车NVH特点特点之一 噪声与发动机转速 汽车行驶速度有关 低速时 发动机为主要噪声与振动源 中速时 轮胎和路面的摩擦为主要噪声和振动源 高速时 车身与空气之间的摩擦为主要噪声与振动源 6 汽车NVH特征 2 汽车NVH特点特点之二 不同的噪声振动源有不同的频率范围 低频时 发动机是主要噪声振动源 路面与轮胎摩擦和车身与空气摩擦的贡献随着频率增加而增加 中频时 变速箱和风激励噪声占主导成分 高频时 主要考虑的是说话和听话的声音是否清晰 即所谓的声品质问题 6 汽车NVH特征 7 汽车振动噪声分类 1 汽车振动噪声分类按频率分 低频问题 中频问题和高频问题 按专题分 摩擦噪声 风激励噪声 机械噪声等 按路径分 源 传递途径 接受体按汽车结构分类 动力传动系统的振动噪声发动机及其附件的振动噪声 动力子系统的振动噪声 包括管道 排气 动力装置 车身与整车振动噪声包括结构振动与结构噪声 风激励噪声 整车低频振动 整车噪声与振动传递途径分析 模态综合分析等 2 发动机的振动噪声据统计分析 发动机振动噪声占整车的55 是最重要的振动噪声源 发动机的振动源 主要来自气缸内周期变化的气体压力 曲柄机构运动产生的惯性力 汽缸内气体爆炸产生交变压力 作用在曲柄销上 活塞 连杆 曲柄等运动产生惯性力和惯性力矩 多缸机惯性力可以平衡 但惯性力矩很难平衡 曲柄的扭转振动和弯曲振动 进气排气阀机构振动等 发动