车外噪声控制技术的研究现状及发展趋势.pdf

2 0 0 6 9 总2 0 5轻型汽车技术 车外噪声是指汽车行驶时在其旁测得的噪声 这个噪声是汽车制造鉴定中一个重要的指标 它是 交通噪声中最主要的一部分 现代汽车的噪声特性 是衡量汽车质量的重要标志之一 汽车噪声不仅造 成周围环境的污染 影响人们的生活和工作 严重的 甚至会对人们的健康造成威胁 为了进一步限制汽 车噪声 2 0 0 2年我国颁布了G B 1 4 9 5 2 0 0 2 汽车加 速行驶车外噪声限值及测量方法 根据该强制性 标准 2 0 0 5年1月1日以后 我国各种车型的噪声 限值标准将更加严格 这将促使各汽车厂家加大对 汽车噪声控制的研究 国外汽车工业早就在降低发 动机噪声方面做出了相当大的努力 取得了一些进 展 我国在这方面的研究水平还很低 距离发达国家 的降噪水平还有一定的差距 2车外噪声产生机理 行驶汽车的噪声包括发动机噪声 底盘噪声 车 身噪声以及汽车附件和电气系统的噪声 发动机噪 声是汽车的主要噪声源 在我国 车外噪声 中发动 机噪声约占6 0 左右 2 1 发动机噪声 发动机噪声按其机理可分为结构振动噪声和空 气动力性噪声 发动机噪声源示意图如图1所示 2 1 1结构振动噪声 通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性 连接件的振动向大气辐射的噪声称为结构振动噪 声或者称为表面辐射噪声 根据发动机表面噪声产 生的机理 结构振动噪声又可分为燃烧噪声和机械 噪声以及液体动力噪声 燃烧噪声的发生机理相当 复杂 主要是由于气缸内周期性变化的压力作用而 产生的 与发动机的燃烧方式和燃烧速度密切相 关 机械噪声是发动机工作时各运动件之间及运动 件与固定件之间作用的周期力 冲击力 撞击力所 引起的 它与激发力的大小和发动机结构动态特性 等因素有关 一般说来 在低速时 燃烧噪声占主导 车外噪声控制技术的研究现状及发展趋势 鲁春艳 武汉理工大学汽车工程学院 摘要 汽车噪声的大小是衡量汽车质量水平的重要指标 因此 汽车噪声防治成为世界汽车 工业的一个重要课题 本文阐述了汽车车外噪声的来源以及相应的控制技术 并对车外噪 声控制技术的研究现状作了探讨和展望 关键词 车外噪声噪声控制技术展望 1前言 图 1 发动机噪声源示意图 技术纵横7 轻型汽车技术2 0 0 6 9 总2 0 5 地位 在高转速时 由于机械结构的冲击振动加剧而 使机械噪声上升到主导地位 车用发动机的辐射噪 声频率范围主要在5 0 0 3 0 0 0 H z内 而其主要噪声 辐射部件的临界频率大致在5 0 0 8 0 0 H z范围内 发 动机中液体流动产生的力对发动机结构激振产生的 噪声称为液体流动噪声 如冷却系中的水流循环对 水套的冲击而产生的噪声 2 1 2空气动力性噪声 直接向大气辐射噪声源 即由于空气动力学的 原因直接使空气质点振动产生的噪声为空气动力性 噪声 空气动力噪声包括进 排气噪声和风扇或风机 噪声 排气噪声是发动机的最大声源 进气噪声次 之 风扇噪声也是发动机的主要噪声源之一 排气噪 声由周期性排气噪声 涡流噪声和空气柱共鸣噪声 组成 周期性排气噪声是排气门开启时一定压力的 气体急速排出而产生的 涡流噪声是高速气流通过 排气门和排气管道时产生的 空气柱共鸣噪声是管 道中的空气柱在周期性排气噪声的激发下发生共鸣 而产生的 对于发动机噪声的评价 除考虑其辐射噪声声 能量总水平外 还应考察以下噪声特性 噪声级及其 随发动机工作状态的变化关系 发动机周围空间各 点噪声级数值的分布状态 空间各点的噪声频谱以 及发动机工作过程各阶段的瞬时声压级 通过这些 信息 不但可以比较和评价发动机辐射噪声的大小 还可以深入研究辐射声能在频率上的分布情况 判 断发动机工作循环中辐射声最大的阶段 以便分析 产生高噪声的原因 提高噪声控制措施并比较和评 价这些措施的有效性和经济上的合理性 2 2 底盘噪声 汽车底盘结构固体声源产生噪声主要是传动系 噪声和轮胎噪声 传动系噪声频率为4 0 0 2 0 0 0 H z 其中齿轮传动的机械噪声是主要部分 齿轮噪声以 声波向空间传出的仅是一小部分 而大部分则成了 变速器驱动桥的激振使各部分产生振动而变为噪 声 轮胎噪声的主要产生机理 按声源的激励性质 不同 轮胎噪声主要产生机理可分三大类 1 气流生机理 随着轮胎的滚动 在与路面接 触区 花纹沟内空气不断地被吸入与挤出 由此形成 空气泵 噪声 这是横向花纹的一种主要噪声机 理 此声源为作起伏变化的气体 属气流噪声 2 机械声机理 由胎面花纹块不断撞击路 面 轮胎结构的不均匀性以及路面的不平性等因素 激发机械噪声 是光面胎及纵向花纹的主要噪声 源 3 滤波放大机理 轮胎与路面接触处形成喇 叭口几何体 对上述噪声起着滤波放大作用 另外 胎面花纹沟与路面所围管道内的空气共振以及轮 胎花纹块离开路面处形成的亥姆霍兹共振效应主 要为袋状沟的噪声机理 2 3 车身噪声 车身噪声主要是由于汽车加速行驶时空气流 过汽车表面和孔道时产生的噪声 该噪声主要来源 于气流有明显折弯的地方 在该区域内气流分离 分 离区内旋涡脱落 形成噪声 3噪声控制的基本技术 降低声源噪声是噪声控制的最根本 最直接和 最有效的途径 为了降低声源噪声 首先必须识别 出噪声源 弄清声源产生噪声的机理和规律 然后 改进机器设计方案和结构 降低产生噪声的激振 力 降低发声部件对激振力的响应 从而达到根治 噪声的目的 降低发声部件对激振力的响应包含两层意思 其一是分析辨别机器主要辐射噪声的部件或表面 改善激振力源到该部位的传递特性 使之对激振力 具有较小的响应 其二是降低噪声辐射表面的声辐 射系数 即使得同样大小的振动所辐射的噪声能量 更小 常用措施是改善辐射表面的结构形状和附加 一些内损耗系数较大的阻尼材料 常用的噪声振动控制技术 包括吸声 隔声 消 声 隔振和阻尼减振 也称为无源控制技术 3 1吸声降噪 在任何有限的空间内 噪声源辐射噪声形成的 声场都包含直达声和混响声两部分 如果在噪声源 周围的有限空间内布置一些可吸声的材料 就会降 低声能的反射量 使混响声部分大大降低 从而达 到降噪的目的 这种降噪方法叫做吸声法 采用吸声材料进行声学处理是最常用的吸声 降噪措施 工程上具有吸声作用并有工程应用价值 的材料多为多孔性吸声材料 而穿孔板等具有吸声 作用的材料 通常被归为吸声结构 多孔材料主要 吸收中高频噪声 大量的研究和实验表明 多孔性 技术纵横8 2 0 0 6 9 总2 0 5轻型汽车技术 吸声材料 如矿棉 超细玻璃棉等 只要适当增加厚 度和容重 并结合吸声结构设计 其低频吸声性能也 可以得到明显改善 吸声结构的吸声机理 就是利用赫姆霍兹共振 吸声原理 当声波入射到赫姆霍兹共振吸声器的入 口时 容器内口的空气受到激励 将产生振动 容器 内的介质将产生压缩或膨胀变形 当赫姆霍兹共振 吸声器达到共振时 其声抗最小 振动速度达到最 大 对声的吸收也达到最大 吸声材料主要用在发动机壳体上来吸收和降低 其声辐射效率 在汽车发动机罩壳体内侧表面使用 吸声材料时车内噪声降低效果 在5 0 0 H z以上的区 域 车室内噪声可降低2 3 d B A 发动机罩内侧吸声 层一般是以玻璃纤维和毛毡系的吸声材料的基体的 材料 用非织物进行表明处理 背后设计成空气层结 构 3 2隔声降噪 声波在传播途径中 遇到匀质屏障物时 由于介 质特性阻抗的变化 使部分声能被屏障物反射回去 一部分被屏障物吸收 只有一部分声能可以透过屏 障物辐射到另一空间去 透射声能仅是入射声能的 一部分 由于反射与吸收的结果 从而降低噪声的传 播 隔声构件隔声量的大小与隔声构件的材料 结 构和声波的频率有关 常见的基本隔声结构有单层 壁和双层壁两种 最简单的隔声结构是单层均匀密实壁 如钢板 铅板 砖墙 钢筋混泥土墙等 试验发现 单层壁的隔 声量与壁的单位面积质量有密切关系 单位面积质 量越大 其隔声量越高 同样厚度的钢板比铝板隔声 效果好 同样材料的结构厚度大的隔声效果好 这个 规律称为隔声的质量定律 双壁层就是在双列平行的单层壁之间保留一定 尺寸的空气层 一般情况下 双层墙比单层匀质墙隔 声量大5 1 0 d B A 如果隔声量相同 双层墙的总重 比单层墙减少2 3 3 4 这是由于空气层的作用提高 了隔声效果 其机理是当声波透过第一层墙时 由于 墙外及夹层中空气与墙板特性阻抗的差异 造成声 波的两次反射 形成衰减 并且由于空气层的弹性和 附加吸收作用 使振动的能量衰减 然后再传给第二 层墙 又发生声波的两次反射 使透射声能再次减 少 因而总的透射损失更多 隔声法常用的隔声装置有隔声罩 隔声室和隔 声屏 在汽车中一般都采用发动机罩将辐射噪声 强烈的发动机遮蔽起来 发动机罩就是一种典型的 隔声罩 根据隔声罩的封闭范围可分成三种型式的 隔声罩 全隔声罩 半隔声罩和局部隔声罩 全隔声 罩可用于机车发动机组降噪 国际上已经成功设计 出低噪声机组 汽车驾驶室和客车车厢都属于隔声 室这类隔声装置 在高速公路两旁可以采用声屏障 来抑制交通噪声对两旁居民的干扰 3 3阻尼降噪 对于金属薄板振动辐射的噪声 常采用阻尼降 噪技术 阻尼是指系统损耗能量的能力 从减振的 角度看 就是将机械振动的能量转变成热能或其他 可以损耗的能量 从而达到减振的目的 阻尼技术 就是充分运用阻尼耗能的一般规律 从材料 工艺 设计等各项技术发挥阻尼在减振方面的潜力 以提 高机械结构的抗振性 降低机械产品的振动 增强 机械与机械系统的动态稳定性 减少因机械振动所 产生的声辐射 降低机械噪声 此外 阻尼还可以使 脉冲噪声的脉冲持续时间延长 降低峰值噪声强 度 衡量材料阻尼特性的参数是材料损耗因子 大 多数阻尼材料的损耗因子随环境条件变化而变化 特别是温度和频率对损耗因子具有重要影响 3 4空气动力噪声的控制 消声器能有效地阻止或减弱噪声向外传播 是 控制空气动力性噪声的主要技术措施 在空气动力 机械的输气管道中或进 排气口上安装合适的消声 器 就能使进 出口噪声降低2 0 5 0 d B A 因此 消声 器广泛用于各种风机 内燃机 空气压缩机 燃汽轮 机及其它高速气流排放的噪声控制中 4汽车噪声控制步骤 4 1噪声控制一般步骤 噪声污染的特点是局部性和无后效应的 声源 停止辐射 噪声污染就消失了 在任何噪声环境中 声源发出噪声并向外界辐射的过程为噪声源通过 一定的途径到达接受者 噪声源 传播途径和接收 者三个环节是噪声控制中必须考虑的 相应的措施 包括 1 从声源上降低噪声 研究各种声源的发生 机理 控制和降低噪声的发生是根本性措施 目前 技术纵横9 轻型汽车技术2 0 0 6 9 总2 0 5 在声源的控制上主要采用两种办法 一是改进设备 结构 提高加工和装配质量 以降低声源的辐射声功 率 二是采取隔振 阻尼处理等减少振动能量传递或 减少振动 2 在传输途径上控制噪声 即从噪声的传播 途径上控制噪声 这方面的方法有很多 如隔声 隔 振处理以及隔声屏障 隔声间的使用等措施 3 在接受点阻止噪声 保护接收者 接收者可 以是人 也可以是灵敏的设备 工人可以佩带护耳器 或在隔声间操作等加以保护 仪器设备可以采用隔 声 隔振设计等手段加以保护 4 2 汽车噪声控制步骤 汽车噪声控制工程的基本过程 1 对象的噪声现状的评价 声源分离和主要 声源识别 汽车声源识别方法有 噪声源的分离技术 包括整车加速噪声分离的道路试验方法与整车 主 要总成噪声分离的台架试验方法 表面声源识别技 术包括铅覆盖法 声强法等近场测试方式 声振相关 分析 功率流分析技术 统计能量分析技术 2 主要声源的发生 传播机理分析和控制措 施研究 3 控制措施的实施 效果验证 总结评估 5结束语 本文主要论述了车外噪声控制技术与基本实施 步骤 从工程应用实例分析看 国内各类车型的噪声 控制还有一定的空间 即国内各类车型目前噪声较 大 只要控制噪声方法得当 正确地识别出声源 采 用基于试验分析技术和基于解析分析技术的汽车噪 声控制方法 是可以降低汽车噪声 但随着噪声标 准的提高 要降低汽车噪声达到新的国标困难就很 大 必须在现有的技术的基础上提高研究和检测手 段 从汽车振动与噪声控制的方面看 主要进行以 下工作 1 提高噪声声源检测手段 解决运动中的多 个声源的检测问题 如高速列车 汽车运动中的噪 声源依次通过声波束时 系统应能测量噪声的声源 强度 并能给出三维的噪声声源分布 并能在汽车 行驶中区别出发动机噪声 轮胎噪声 排气噪声和 空气动力学噪声等检测问题 2 研究汽车智能子系统 减少汽车振动 降 低汽车噪声 3 研究汽车在多场耦合作用