汽车噪声控制技术及其进展.

汽车噪声控制技术及其进展

第一部分前言

汽车噪声是指汽车驶过的噪声,即在汽车驶过时在其旁边测得的噪声,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,对其影响非常大。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,而且车内的噪声与振动、温度、湿度等环境因素相比是降低车辆舒适性的主要因素之一。为了提高车辆的舒适性,世界各大汽车公司都对车内噪声的控制作为重要的研究方向。特别是轿车,车内噪声状况更是衡量轿车档次的标准之一。

欧共体对汽车噪声标准的规定见表1。要达到欧洲标准,对于汽车制造也是一个严重的问题。因为汽车噪声已降低了许多次,从1970年到现在,想了许多办法降低了汽车噪声,如汽车尾气排气消声、汽车发动机弹性支承、机械结构改进等,这些措施都用了。在此基础上现在再要求降低4~5分贝,它比原来开始时降低10分贝还要难得多。汽车噪声降到77分贝后,已没有主要噪声源,各部分都差不多。通过测试分析、仔细求出各部分噪声,如机器噪声、齿轮噪声、排气噪声、传动噪声等等,到底各部分噪声贡献是多少,应该降多少,以使整个汽车的噪声能降低4~5分贝。

目前国内已颁布新的汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法(GB1495-2002。而国内M1,M2 型车的车外噪声在80dBA,从2002年到2004年实现这个标准还有很多工作要做。表1 欧共体机动车辆的噪声限值(dB

实行时间小轿车载重车

1976~1982 82 91

1982~1988 80 88

1988~1995 77 84

1995年以后74 80

目前降低汽车噪声主要有四种方法:①常用降噪技术;②有源噪声控制;③利用智能材料与结构进行车内噪声控制;④开发多孔性路面。

第二部分汽车噪声产生机理

汽车噪声可以分为车内噪声和车外噪声两种。车内噪声与车外噪声产生机理有相同之处与不同之处。

第一节车内噪声产生机理

车辆内部噪声的来源十分复杂,但可以从两个传播途径加以分类,即固体传播和空气传播。具体来讲,产生车内噪声的主要振动源和声源有:

●发动机燃烧和惯性力引起的振动,通过发动机悬置和副车架传到车身上,引起车身结构的振动,并进一步向车内辐射中频噪声;伴随发动机运行产生的排气噪声、进气噪声、风扇噪声、结构噪声等则由空气通过车身的孔、洞、缝隙传至车内或通过车身板壁透声至车内。

●传动系由于质量不平衡及齿轮啮合产生的振动,传到车身引起车身振动并进而辐射中频噪声至车内;运转发出的噪声则由空气传播至车内。

●汽车高速行驶时,空气紊流对车身的激励造成车身高频振动,并在车内产生高频噪声;由后视镜产生高频空气噪声则由空气传至车内。

●悬架系统由路面不平激起振动,这种振动通过悬架与车身的支点传至车身引起车身的振动,进一步造成车内低频噪声;作为悬架系统组成部分的减振器、轮胎等在工作过程中所产生的噪声则通过车身的缝隙,由空气传至车内。

由此可见,固体传播振动通过结构件传播至车身,引起车身的振动,再由车身板壁振动辐射噪声至车内,形成车内噪声:空气传播则将各种噪声源所辐射的噪声通过空气,由车身的缝隙或空洞传播至车内,形成车内噪声。而对于车身而言,它也不是完全被动地接收外界的影响。车身结构的固有频率、振型、阻尼等模态参数,对车内噪声的

形成有着重要的作用。当外界激励与车身固有频率一致时,车身发生共振,可使噪声放大;同时,车身上外界振动点的动刚度对振动能量的输入也有很大影响,在一定程度上影响着车内噪声水平。

空气、固体传播噪声能量的比例因车型结构和噪声频率的变化有所差别。实践表明,中低频车内噪声(30Hz~400Hz主要由固体传播这一途径造成,而高频车内噪声则以空气传播为主。如果能够削弱或者消除固体传播,则可使车内噪声大大降低。因此,对车内噪声控制主要从3个方面入手:

一是消除噪声源;

二是隔绝振源与车身之间的振动传递关系,阻断固体传播;

三是进行车身振动的主动控制,通过减少振动来消除噪声

第二节车外噪声产生机理

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60%左右。

按照噪声辐射的方式来分类,可将汽车发动机的噪声源分为直接向大气辐射的和通过发动机表面向外辐射的两类。直接向大气辐射噪声源有进、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。发动机内部的燃烧过程和结构振动所产生的噪声,是通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性连接的零件的振动向大气辐射的。根据发动机表面噪声产生的机理,又可分为燃烧噪声和机械噪声。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变化的力所引起的,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500~3000Hz内,而其主要噪声辐射部件的临界频率大致在

500~800Hz范围内。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。

汽车底盘结构固体声源产生噪声机理与车内噪声相同,在次不再加以讨论。

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。此生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。

国产汽车在加速行驶时,排气噪声对车外加速噪声贡献最大,其次是发动机风扇噪声,而作为底盘噪声的传动系噪声和轮胎噪声则相对较小,仅占车外总加速噪声的13%,因此,降低该车的加速噪声应优先考虑降低排气系统噪声和冷却风扇噪声。

第三部分噪声控制的基本技术

降低声源噪声是治本,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。常见的降低激振力的措施有:提高旋转件的动平衡精度;改善运动副的润滑;提高装配精度,选取适当配合间隙;降低气流噪声源的流速;改进气流通道,避免过多的湍流;对振动件进行隔离等。

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。多孔吸声材料种类很多,按成型形状可分为制品类和砂浆类;按照材料可以分为玻璃棉、岩棉、矿棉等;按多孔性形成机理及结构状况又可分为三种:纤维状、颗粒状和泡沫塑料等。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。

工程中常用的吸声结构有空气层吸声结构、薄膜共振吸声结构和板共振吸声结构、穿孔板吸声结构、微穿孔吸声结构、吸声尖劈等,其中最简单的吸声结构就是吸声材料后留空气层的吸声结构。

吸声材料和吸声结构在汽车上的应用主要有,其一,在发动机降噪中的应用。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500Hz以上的区域,车室内噪声可降低2~3dBA。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。其二,在车室内的应用。车室内的全部内饰都装有吸声材料。一般有毛毡、车顶内饰、密封材料等吸声材料。

3.2 隔声降噪

当声波在传播途径中,遇到匀质屏障物(如木版、金属板、墙体等时,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5~10dBA;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

汽车、船舶和飞机的壳体、机器的护壁、外罩、通风管道等,都是金属薄板制成的,当汽车行驶或机器运转时,这些金属薄板受激励而振动时,往往辐射噪声并成为机器上的主要噪声辐射部位,是很严重的噪声源。对于这类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。

不同的阻尼材料有不同的性能曲线,适用于不同的使用环境,以下是各种阻尼材料分类的情况。

阻尼减振技术是通过阻尼结构得以实施的,而阻尼结构又是各种阻尼基本结构与实际工程结构相结合而组成的。阻尼基本结构大致可分为离散型的阻尼器件和附加型的阻尼结构。离散型阻尼器件可分为两类。一类是应用于振动隔离的阻尼器件,如金属弹簧减振器、黏弹性材料减振器、干摩擦减振器等;另一类是应用于吸收振动的阻尼器件,如阻尼吸振器、冲击阻尼吸振器等。

附加型阻尼结构可大致分为三类。一类是直接黏附阻尼结构,如自由层阻尼结构、约束层阻尼结构、多层的约束阻尼结构、插条式阻尼结构等;第二类是直接附加固定的阻尼结构,如封砂阻尼结构、空气挤压薄膜阻尼结构;第三类是直接固定组合的阻尼结构,如接合面阻尼结构等。

表3 常见阻尼材料分类表

按用途分类减振的平板型及压敏型材料

噪声控制的泡沫多孔材料

减振降噪的复合型材料

特殊工作环境的特种材料

按材料性质分类黏弹性阻尼材料阻尼橡胶阻尼塑料

金属类阻尼材料阻尼合金复合阻尼钢板

液体阻尼涂料阻尼油料阻尼涂料

沥青型阻尼材料

智能阻尼材料电流变液磁流变液

附加阻尼结构特别适用于梁、板、壳体的减振,在汽车外壳的抗振保护与控制中较广泛采用。

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20~50dBA。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。

消声器的种类很多,根据消声原理,常用的消声器有三大类:阻性消声器、抗性消声器、阻抗复合性消声器。

阻性消声器是一种能量吸收性消声器,通过在气流通过的途径上固定多孔性吸声材料,利用多孔吸声材料对声波的摩擦和阻尼作用将声能量转化为热能,达到消声的目的。阻性消声器适合于消除中、高频率的噪声,消声带较宽,对低频噪声的消声效果较差。因此,常使用阻性消声器控制风机类进排气噪声等。

抗性消声器是利用声波的反射和干涉效应等,通过改变声波的传播特性,阻碍声波能量向外传播,主要适合于消除低、中频率的窄带噪声,对宽带高频率噪声则效果较差,因此,常用来消除如内燃机排气噪声等。

阻抗复合型消声器是由阻性消声器和抗性消声器组合而成,可以同时得到高、中、低频率范围内的消声效果,如微穿孔板消声器就是典型的阻抗复合型消声器,其优点是耐高温、耐腐蚀、阻尼小等,缺点是加工复杂,造价高。

第四部分汽车噪声控制步骤

第一节噪声控制一般步骤

噪声污染是一种物理性污染,它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可以用图3所示的示意图简单描述。

噪声源-->途径-->接受者

噪声源、传播途径和接收者3个环节是噪声控制中必须考虑的,相应的措施包括:声源控制、传播途径控制和保护接收者3个方面。主要措施是:

●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。

●因为当机器或工程已经完成后,在从声源上来控制就受到限制了,但从噪声的传播途径上控制却效果明显。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。

●对接收者的保护也是一个重要手段,是环境保护的目标。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。第二节汽车噪声控制步骤汽车噪声控制工程的基本过程[8]：●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。●主要声源的发生、传播机理分析和控制措施研究。●控制措施的实施、效果验证、总结评估。