车内噪声机理、测量及其评价标准

车内噪声的产生机理、测量方法及其评价标准

汽车噪声与振动是一门非常复杂的学科，涉及很多方面。在汽车产品开发过程中，噪声与振动控制也是一门关键技术。汽车噪声与振动可以用很多方法来分类：按频率来分，可以分成低频问题、中频问题和高频问题；按专题来分可以分成摩擦噪声、风激励噪声、机械噪声等等；按源—传递途径—接受体来分，可以分成振动噪声源、传递通道和人体对噪声与振动的响应。

本文就汽车噪声与振动问题中的一个方面——车内噪声的产生机理、测量方法及其评价标准作一个简单的论述。

1车内噪声的产生机理

一般噪声与振动系统可以用源- 传递路径- 接受体模型来表示。车辆的主要噪声源有: 发动机辐射噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声、底盘噪声、轮胎噪声、风噪声等; 主要振动源有: 发动机自身振动、排气系统振动、传动轴振动、悬架振动、路面激励等。振动的传递路径主要有: 发动机悬置、车身、悬架、排气系统悬置等; 噪声传递路径主要有: 车身孔隙、车身。接受体主要指驾驶员和乘客, 噪声和振动通过传递路径传递到人体。对于噪声与振动的控制包括对噪声源和振动源的控制、对传递路径的控制和对接受体的控制, 降噪的根本是要控制噪声源和振动源, 其次在传播路径上加以控制。车内噪声产生的机理如图1 所示。车辆噪声源, 如轮胎- 路面噪声和发动机噪声向外辐射, 通过车身孔隙透射到乘坐室内, 车内这部分噪声被称为空气传播噪声, 其频率一般在几百赫兹到几千赫兹。车辆振动源, 如路面激励、发动机振动等直接或者间接作用到车身, 引起车身振动; 另外车辆噪声源向外辐射噪声作用到车身, 也会引起车身振动,车身的振动产生结构辐射噪声, 车内这部分噪声被称为结构噪声, 结构噪声的频率一般在几十赫兹到几百赫兹。结构噪声和空气传播噪声相互叠加形成车内噪声。 噪声源 振动源

车身孔隙 噪声叠加 车内噪声 车身振动

图1

1.1 发动机的噪声

发动机热力过程中的周期性及部分受力机件的往复运动构成为汽车主要的振动噪声源，主要分为三种：燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。燃烧噪声声强与压力升高率的平方成正比，噪声声压级与放热率的对数成正比，燃烧噪声还与滞燃期、转速负荷等有关。机械噪声主要是活塞敲击、配气机构的摩擦、冲击、齿轮啮合、齿带啮合、皮带打滑、轴承工作、供油噪声等。机械噪声正比于发动机转速，另外结构的共振也引起噪声辐射，在发动机表面辐射噪声中，主要是发动机机体表面和油底壳辐射，其次是缸头、缸盖罩等。风扇噪声的主要影响因素是转速、叶片弦长、型线、夹角和叶片数。进、排气噪声是由于压力脉动、气流通过气门时的涡流、边界层气流扰动排气口喷注引起的。尾管的影响和消声器壁 面振动辐射的噪声也是重要声源之一。图2为发动机噪声贡献分项图,可见影响发动机噪声的主要因数有燃烧噪声、排气噪声等。

图2 发动机噪声贡献分项图

表1为发动机主要噪声源的噪声主要频率范围表，这里大部分噪声源都与发动机转速密切相关。

表1 发动机主要噪声源的噪声主要频率范围表

Table 1 The frequency of engine noise sources 噪声源 燃烧

频率范围/Hz 500-8000

备注

汽油机集中在500-4000Hz，柴油机范围广

活塞敲击 进、排气门 冷却风扇 进气 排气 喷油泵 齿轮 皮带

2000-8000 500-2000 200-2000 50-5000 50-5000 〉2000 < 4000 〉4000

与转速和缸数有关 与转速和气门有关 与转速和叶片数有关

周期进气〉200Hz，进气涡流<1KHz、 排气涡流〉1kHz 与转速和分泵数有关 与转速、齿数等有关

与转速、不对中、摩擦系数等有关

1.2 风激励噪声

风激励噪声是汽车在高速行驶的时候，车身与空气相互摩擦而产生的。汽车高速行驶的时候，风对车身的激励成了最主要的噪声源，同时也会使车体产生振动。风激励噪声是一种空气动力噪声，风与汽车接触的时候，一些转角处形成空气动力紊流，这种紊流特别容易在结构不平滑的地方出现，如天线、雨刷等地方。如果汽车密封不好，车身有空洞和缝隙，这种风激励的噪声就更容易传进车内。汽车车内感受到的风噪属于来自单极子声源发生的情况有两种，一种是通过车门窗的密封条传递的噪声，又称渗漏噪声，另外一种单极子声源发生是车外空气动压造成车门车窗密封条处局部很大的负压，引起密封条变形而使车外噪声传入车内，这种噪声是气吸噪声。汽车车内感受到的风噪属于来自双极子声源的一个例子是汽车表面的非定常空气动力脉动。这种动力脉动具有时间上的随机性和空间分布的统计特性，不妨理解成为成百上千个微型扬声器阵和激振器阵相互关联的作用在汽车结构表面，引起噪声向车内投射，并引起汽车结构的振动，向车内声辐射噪声。汽车车内感受到的风噪属于来自双极子声源发声的另外一种情况是气流与汽车表面突出杆状物体，如天线和行李架杆等作用，产生涡流单音噪声。从表现形式上我们可大致的分为以下几类：①、密封不良引起的噪声，与车门、车窗等密封条的密封设计有关；②、车身外表面的沟、偏移和其他几何表面过渡处的不平整度引起的噪声；③、车身外表突出结构，如雨刷、后视镜、天线、行李架及外饰件等引起的噪声。风噪问题复杂，为避开轮胎和发动机噪声的影响，风洞试验是评价和解决风噪问题的重要方法。通常大型汽车公司才建自己专用的汽车风洞，而且与一般的空气动力风洞有所不同，声学风洞对环境噪声有严格要求，大部分一些声学风洞是在现有的空气空力风洞基础上进行后期声学改造的。

1.3 动力传动系统噪声

动力传动系统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，包括变速箱、分动器、传动轴、半轴、轴承等，这些都是动力传动系统的振动源。一般我们将发动机和变速箱放在一起考虑，两者构成了一个刚体，其惯性特征直接决定了系统的隔振特性。在分析动力传动轴系时我们也将变速箱考虑进来，因为整个轴系是与变速箱直接连接，其特征影响着整个动力传动系统的振动与噪声特性。变速箱里有很多齿轮，这些齿轮之间不可能完美的啮合，因此会产生振动，同样在驱动桥内部和分动器中，动力的传递和分配也是靠齿轮啮合进行的，同样齿轮啮合不好就会产生震动。传动轴和半轴都是旋转运动部件，当轴系的质心与旋转中心线不重合的时候就会产生离心力，而这个系统的弯曲和扭转频率与发动机的激振频率一致的时候，系统会发生共振。当轴系用十字轴式刚性万向节连接时，由于被动轴的角速度不均匀，所以会发生2阶振动。这些振动产生的噪声传到车内主要有：传动轴系旋转阶次引起的轰鸣声(boom),与发动机发火阶次有关的呻吟声（moan），齿轮啮合引起的单频噪声，以及一些碰撞噪声。

1.4 轮胎噪声

这里只针对行驶时轮胎噪声进行阐述 ①、当轮胎胎面某一胶条进入路面滚压前，会首先敲击路面并引起自身振动，这种不断的敲击具有周期性，与周向胶条数目和汽车行驶速度有关。胶条的敲击和振动会辐射噪声，其波形近似为正弦波，并可能存在三次谐波成分。这种敲击在平路面比粗糙路面更明显些，但现在胎纹设计在很大程度上缓解了这种敲击效应。②、轮胎与路面进入滚压，有些胶条会相对路面移动，产生滑移噪声。粗糙路面的凹凸不平会阻止滑移，从而减弱这种滑移噪声。但另一方面，粗糙路面汇集了接触面内的胶条，使其振动而产声辐射噪声。③、周向凹槽风管噪声指胎纹凹槽内空气产生共振效应而发声，产生很大的声振问题，凹槽风管噪声在粗糙路面上不是很突出。④、轮胎花纹与路面形成空腔，当轮胎滚动时，小空腔内的气体受到压缩突然向大气中喷出；当轮胎滚离地面时受压缩的花纹胶条又重新舒展，使空腔容积增大而形成一定的真空度将空气吸入。这种突然的对空气施压和降压的作用和泵气一样，因而这种噪声机理又常被称为泵气噪声。轮胎胎面在侧向、周向和径向的凹槽会产生噪声辐射。如果路面多孔，空气会被泵入路面孔隙中，泵气噪声强度会因而明显减弱。⑤、胶条结束滚压后会因变形而释放回弹，从而产生振动并且发声。⑥、

轮胎侧壁结构在路面接触面附近不断受到变形，产生结构声辐射。⑦、轮胎内空气第一阶共振频率在220-240Hz左右，是沿周向的共振，当频率达到1100-1200Hz时，轮胎内空气会在侧向上形成驻波，发生共振。这种共振有可能与其他振动和声学模态耦合，成为重要的噪声源之一。一般认为空气传播噪声的贡献主要是来源于上述机理的泵气噪声和胶条回弹噪声。泵气噪声声能谱频带较宽，并在胎纹周转频率附近最大。胎纹周转频率由车速、轮胎尺寸和周向胎纹分割数目决定。对大部分轿车在60Km/h速度下，这个频率通常在800-1200Hz，这类噪声总体声压随车速增大而增大，车速增加一倍声压增加约10-12dB。噪声级受载荷的影响也很大，载荷增加50%，声压可以增加8-10dB。胶条回弹噪声强度随牵引力增加而增大。

2.车内噪声的测量分析

由前面的叙述知, 车内噪声由空气传播噪声和结构噪声两部分构成, 因此在分析车内噪声时,不仅要知道车内的噪声情况, 更要了解其结构振动的情况。而汽车作为一个系统, 其车内噪声是由多个噪声源和振动源共同作用的结果, 为此首先要对直接或者间接形成车内噪声的车辆噪声源、振动源、传递路径进行噪声和振动测试, 其次要对车内噪声进行测量。需要测定: 主要噪声源, 如发动机舱噪声、排气管口噪声的声级值; 主要振动源, 如发动机的振动值; 主要传递路径, 如车身的动态特性; 各种工况下的车内噪声值。从而对车内噪声水平做一个普查和优势噪声频率的统计。

2.1 噪声测试技术

2.1.1噪声标准

我国先后颁布了GB/T 1496-79《机动车辆噪声测量方法》；汽车行业标准QC/T 57-93《汽车匀速行驶车内噪声测量方法》、GB/T 14365-93《机动车辆定置噪声测量方法》GB 16170-1996《汽车定置噪声限值》。

2.1.2测量仪器

在汽车噪声测试中常用设备有传声器、声级计、频谱分析仪和声强分析仪，其中声级计和频谱分析仪用来分小声的频率构成特征；声强分析仪则可测声压级、声强极，也可绘制声强三维谱图。随着噪声测量的目的不同，所用的仪器也不同。声音的主要特征为声压、频率、质点振速和声功率等。声压和频率是两个主要参数，也是测量的主要对象。