汽车车内声场分析及降噪方法研究发展

目录

1 引言 (1)

2 汽车噪声种类 (1)

3 车内噪声的主要来源 (2)

3.1 发动机噪声 (2)

3.2 底盘噪声 (2)

3.3 车身噪声和车内附属设备噪声 (2)

4 传统的车内噪声控制技术 (3)

4.1 消除或减弱噪声源的噪声辐射 (3)

4.2 隔绝传播途径 (3)

4.3 用吸声处理降低车室混响声 (3)

5 车内噪声主动控制技术 (4)

5.1 有源噪声控制技术 (4)

5.2 结构声的有源振动控制 (4)

6 车内噪声控制技术研究的发展趋势 (4)

7 结语及展望 (5)

参考文献： (6)

汽车车内声场分析及降噪方法研究发展

1引言

控制车内噪声一直是车辆设计、制造工程师的努力方向。汽车内部噪声不但增加驾驶乘人员的疲劳，而且影响车辆的行驶安全。车内噪声水平的高低在很大程度上反映了车辆制造厂家的设计和工艺水平。近年来，车内噪声已经成为无额定车辆品质的重要因素，车内低噪声设计已经成为产品开发中的重要任务之一。车内噪声级与乘坐室振动级别一样，已经成为判断汽车舒适性的主要指标。车内噪声主要取决于乘坐室的减振隔音性能，重量轻的承载式车身结构和类似的减轻车身重量的措施被认为可能增大车内噪声，尤其是低频噪声。实车测试表明，这种低频噪声主要集中在20~30HZ。车身壁板的振动和噪声有紧密关系，且乘坐室空腔的共振会放大噪声。这个问题的解决方法是在车辆设计阶段，利用现代振动力学与声学分析方法，预测车内噪声特性，实现优化设计；并通过实车测试，改进设计及工艺，最后使得车内噪声处于最优水平，最大极限地改善乘坐的舒适性，减轻人员的疲劳[1]。

2汽车噪声种类

汽车是有多种声源的机器, 运行中会有多种噪声,可分为: 车外噪声和车内噪声。车内噪声是指行驶的汽车乘坐室或驾驶室内存在的噪声, 其主要噪声源有: 发动机噪声、进气噪声、排气噪声、冷却风扇噪声、底盘噪声等。车内噪声按传播途径分为: 空气声和固体声[2][3][4]。

空气声(Air Borne Sound) 是从动力系统表面发出的辐射声, 它在空气中传播并对车身加振而形成。空气声会在传播过程中衰减, 材料对声能的衰减也使其大大衰减。固体声(Solid Borne Sound)是机械振动沿固体构件传播中产生的噪声, 它产生于发动机、变速箱、后桥、轮胎等, 并能通过底盘车架传播。由于固体构件一般由均质、密实的弹性材料组成, 对声波的吸收作用很小, 并能约束声波使它在有限空间内传播; 因此结构声往往可以传播很远距离。固体声通过构件表面的振动也会辐射出“再生”的空气声, 它与原始空气声相比较,结构声形成的再生噪声往往更难解决。空气声和结构声是可以相互转化的。空气声的振动能够迫使构件产生振动成为结构声; 结构声辐射出声音时, 也就成为空气声。减少空气声的传播, 要从减少或阻止空气的振动入手, 可以采取吸声或隔音措施; 减少结构声的传递,则须采取隔振或阻尼措施。

3车内噪声的主要来源

车内噪声主要来源于发动机噪声,进、排气噪声,底盘噪声等。这些声源的噪声经由空气和结构两个途径传入车内。其中经由空气传播的噪声主要是发动机表面辐射噪声和气流流动噪声,而结构传播的噪声主要是发动机、轮胎、路面及气流等引起车身振动而向车内辐射的噪声。空气传播和结构传播噪声的能量因车型、结构以及噪声的频率成分的变化而有所差别。800 Hz 以上的中、高频噪声主要通过空气传入车内,而400 Hz 以下的低频噪声主要通过结构传入车内。试验研究表明,封闭的车辆舱室对外部声源起到较大的隔声作用,发动机的空气传播噪声对封闭驾驶室内部噪声影响不大;封闭驾驶室内部噪声主要是发动机振动和路面随机激励引起车辆舱室各板壁振动而辐射出来的固体声,其中由发动机引起的噪声占主要地位。因此低频噪声是车辆舱室内部噪声的主要成分。

3.1发动机噪声

包括发动机工作时产生的进气噪声、排气噪声、排气噪声、风扇噪声、结构噪声等通过空气，由车身的缝隙活孔、洞传播至车内而形成的车内噪声，以及由发动机燃烧和惯性力矩引起的振动，通过悬架和副车架传到车身，引起车身弯曲振动，扭转振动等，同时也会引起板件及结构产生局部振动，进一步向车内辐射的中、低频噪声。

3.2底盘噪声

主要包括由于轮胎快速滚动对其周围空气形成扰动而产生的轮胎噪声, 齿轮系啮合和振动而产生的变速器、驱动桥噪声, 旋转和振动传递而产生的传动轴噪声, 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, 并在车内产生的高频噪声, 汽车制动时产生鸣叫声等几个方面。

3.3车身噪声和车内附属设备噪声

包括由于车身的振动和空气与车身的冲击与摩擦而产生的噪声, 以及空调机或暖风装置工作时而产生的噪声。

由上可知，车内噪声的发生机理如图所示。

图1车内噪声发生机理

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的声场, 并主要通过两个途径向车内传播一是通过车身壁板及门窗上的所有的孔、缝直接传人车内二是车外噪声声波作用于车身壁板, 激发壁板振动, 并向车内辐射噪声, 这种辐射声的强度与壁板的隔声能力有关, 也就是说它服从质量定律的规律。

4传统的车内噪声控制技术

制造无噪声汽车如建造永动机一样是不可能的。而, 制造具有最小声辐射的汽车却是完全可行的。目前, 被动的控制车内噪声可以从各个方面考虑减弱、消除噪声源隔绝声源、振源与车身间的传递路径以及吸声处理。

4.1消除或减弱噪声源的噪声辐射

降低汽车上任何声源的噪声能量都有利于控制车内噪声, 具体途径主要有：①对发声部件采用消声器, 对振动部件采用减振器；②改善结构设计, 降低产生噪声的激振力；③采用改进密封元件, 增加密封压力的方法来消除泄漏气流的间隙；④改善车身形状设计, 避免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。

4.2隔绝传播途径

为减少汽车行驶过程中传入车内的噪声,可以利用具有弹性和阻尼的材料来阻断结构声;也可以利用涂布、阻尼粘胶等材料来提高车身壁板的隔声性能并减小车身壁板的孔、缝数目和尺寸,从而增强车身结构的隔声量,削弱或阻断气体传声。即主要采取隔振、隔声和提高车室密封性等措施来降低车内噪声。例如对大型客车,合理选择和在适当位置布置隔振器来支撑发动机,可使车内噪声降低3～8 dB。提高车室的密封性是阻止噪声传入车内的有效方法之一。车室隔声结构的构成是在不同部位适当组合吸声防振材料,有时为了减轻汽车重量,也采用在车身涂敷防振涂料等方法。试验研究表明,对各操纵机构和仪表线路通过车身的孔、缝进行密封处理后的车内噪声可降低10 dB。如果对屏蔽罩的壁板涂敷阻尼层, 则可进一步降低噪声2 dB 左右[5][6]。

4.3用吸声处理降低车室混响声

在车室室壁使用能减少反射声的吸声材料, 可有效降低车室混响作用, 从而达到控制车内噪声的目的。常用的吸声材料有种型式, 即多孔质材料, 如玻璃棉、毛毡、石棉等孔板结构体、膜状材料, 如石膏板、箔等共鸣吸声体, 如具有空隙和窄缝的板等。一般吸声材料的吸声效果与其厚度有关, 通常限制在一为好, 以提高吸收能力, 最好把吸声材料放于易于振动的薄板之后, 即将吸声材料作为中间层使用。

吸声材料的布置应靠近目标声源。同一效果下,吸声材料越接近声源, 材料的消耗越少。在汽车底板、内饰、衬垫等的设计时, 应尽量使用本身就具备吸声性能的材料, 以降低成本。另外, 汽车隔声、吸声措施易综合考虑, 以实现用最简单结构、最少材料控制车内噪声的目的。

5车内噪声主动控制技术

由于吸声材料对高频噪声的效用较显, 而对低频噪声的效果欠佳, 所以其在噪声控制的应用有一定局限性。控制中, 降低低频噪声和低频振动一直是困难较大、成本较高的工程。例如, 一般吸声材料的低频吸声系数很小, 共振型低频吸声结构要占很大空间, 且吸声频带很窄, 构件的低频吸声量很小。因此, 近年来噪声主动控制在降低低频噪声中得到了广泛应用。主动控制一般包括: 有源噪声控制和有源振动控制。

5.1有源噪声控制技术

Active Noise Control(简称ANC)方法是近年发的一种全新的噪声控制方法。有源噪声控制是指定区域内人为地、有目的地产生一个次级声信号去控制初级声信号, 达到降噪目的的技术。该项技术早在20 世纪30 年代由德国物理学家Lueg 提出并申请了专利。封闭空间声场的有源控制研究是从20 世纪80 年代中期才开始进行的[7][8][9]。英国ISVR 的Nelson 等人研究了有源消声系统次级声源阵列和监测传声器的最优布防问题, 并开始在飞机舱室和轿车车内进行自适应有源降噪研究。20 世纪80 年代末期发展了自适应有源降噪技术, 可实现选择性降噪, 并能自动跟踪声场参数和噪声源的变化, 可以有效解决车辆上传统降噪措施对同一型号车辆治理中存在的高散度问题。国外某些汽车公司及研究机构于20 世纪80 年代后期开始尝试将有源降噪技术用到车内噪声控制上, 并相继推出一些试验性系统。日本尼桑公司1991 年在其Blue Bird 轿车上开始装备有源降噪系统, 降低车内噪声5.6 dB。近几年来, 国外在该领域又取得了较大的进展。国内开展有源降噪技术研究相对较晚。沙家正等人1979 年开始对管道有源降噪进行研究; 马大酞等人对封闭空间的声场形式作了探讨; 清华大学、西安交通大学的学者对有源降噪及其工程应用作了大量工作[10][11][12]。

5.2结构声的有源振动控制

Active Vibration Control(简称AVC)方法是用另一振动源产生某种振动, 迭加到原有振动上, 达到减振、隔振、吸振的目的。较早的结构振动有源控制研究始于20 世纪70 年代。苏联学者A.S.Knyazey1967 年发表了第一篇采用振动控制方法降低辐射噪声的论文。1989年, Hansen等人比较了采用振源和声源控制矩形板声辐射的不同效率。1990年~1991年, Pan等人用该方法对矩形空间的声传入进行了控制, 既有理论分析、又有试验研究。美国、英国、日本等国, AVC的研究与应用也取得了很大进展。目前, 美国和澳大利亚等在主动振动控制的研究方面处于领先地位, 主要倾向于采用次级振源进行结构声的主动控制, 并已在谐振结构噪声的主动控制中获得初步验证。

6车内噪声控制技术研究的发展趋势

随着物理学、电声学、工程学、数字信号处理、自动控制、人工智能、系统科学等技术的发展,车内噪声控制技术将发生历史性变革。

(1) 随着材料工业的发展,如何研制和选用体积小、重量轻、吸声隔声效果好的复合声学材料来降低车内噪声将得到高度重视。

(2) 有源噪声控制技术应用于车内低频噪声控制将成为研究热点。研究满足应用要求的声学器件(传声器、扬声器等) 和自适应有源降噪适时控制算法是提高有源噪声控制技术实用性的有效途径。

(3) 结构声振动控制技术为从边界面的振动控制解决有界空间声传入问题提供了新的可能性。但结构振动控制效果的好坏主要取决于驱动机构(换能器) 的性能。使用特殊材料如形状记忆合金和压电涂层等进行有源动态控制的尝试,即所谓智能材料的研究可大大提高其对环境的适应与控制能力。

(4) 自适应技术、神经网络技术、模糊控制方法等在有源噪声控制技术中的应用将成为一个重要的研究方向。

(5) 由于车辆舱室噪声场不同于一般封闭的简谐声场,声场、声学条件和环境复杂,因此还需在这方面进一步研究。

7结语及展望

随着电子技术、控制技术和材料工业的发展，有源消声技术在车内噪声控制方面得到了广泛应用，但是仍然存在不少难点亟待解决：如对车内声场分布、空间有源降噪的机理等缺乏深入研究；次级声源和误差传感器的最佳数量及最优布放位置如何确定；ANC 系统的稳定性如何保持等等。

未来，车内有源消声技术的发展方向将在多通道、非线性、鲁棒等多个方面展开，对宽带噪声控制的多通道自适应ANC 系统以及基于人工神经网络的有源消声系统会成为研究的重点和热点，另外，对车内减振降噪的智能材料和结构的研究也必将是今后的热门课题。预计随着电子技术、传感器技术、换能器技术和控制理论的发展,AVC 系统的发展将越来越快,应用也越来越广。

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