重型卡車主要噪聲源分析與降噪方法研究

摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外重型卡車通過(guò)噪聲限值的發(fā)展過(guò)程，討論了國(guó)內(nèi)重型卡車通過(guò)噪聲主要聲源及主要降噪措施，并通過(guò)具體工程實(shí)例對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)證明本文所采取的重型汽車通過(guò)噪聲降噪措施是有效的，為國(guó)內(nèi)重型卡車的降噪提供了技術(shù)方案，最后建議國(guó)內(nèi)重型卡車應(yīng)在開發(fā)初期注重噪聲性能的開發(fā)。

關(guān)鍵詞：重型卡車；通過(guò)噪聲；降噪措施

中圖分類號(hào)：U467+93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2011）04-0052-04

The Study on Main Noise Sources Analysis and Noise Reduction

Method of Heavy Truck

YUN Wei-guo

（Shanxi Heavy-Duty Automobile Co，Ltd.Automotive Engineering Research Institute，Xi'an 710200，China）

Abstract:This paper introduces the process of pass by noise of heavy truck Inland or aboard， then we mainly discusses the noise source of domestic heavy trucks and the methods of reduction the noise.Through the specific engineering example，the main methods were verified.The result tells us that the methods are effective and there are the mainly measures for coutrolling the noise of heavy trucks.At last，we suggested that engineers should pay attation to the noise performance of trucks at the development initial.

Key words: heavy trucks；pass by noise；method of reduction noise；

近年來(lái)，汽車工業(yè)獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。汽車在給人們帶了豐富現(xiàn)代物質(zhì)文明的同時(shí)，其噪聲也成為急需解決的一個(gè)問(wèn)題［1，2］。汽車噪聲作為汽車乘坐舒適性的重要指標(biāo)，在很大程度上反映出汽車的設(shè)計(jì)水平和制造工藝水平。因此，控制汽車噪聲來(lái)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，降低對(duì)環(huán)境和人的傷害成為全球汽車工程師面臨的主要任務(wù)之一。大部分國(guó)家都根據(jù)各國(guó)實(shí)際情況制定了汽車通過(guò)噪聲與車內(nèi)噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格，我國(guó)對(duì)汽車噪聲的控制遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家。目前我國(guó)環(huán)境保護(hù)部擬定了《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求 重型汽車》，該標(biāo)準(zhǔn)尚處于征求意見階段，該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：功率大于150 kW的載重汽車通過(guò)噪聲為80 dB（A）；載重車輛50 km/h勻速行駛時(shí)車內(nèi)噪聲不應(yīng)超過(guò)72 dB（A）。該限值與發(fā)達(dá)國(guó)家噪聲限值基本一致，但目前我國(guó)重型卡車通過(guò)噪聲降低到80 dB（A）無(wú)疑是一次巨大的挑戰(zhàn)。

1 重型汽車主要噪聲源分析及工程案例

1.1 重型汽車主要噪聲源分析

汽車噪聲從結(jié)構(gòu)上可以分為：發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、底盤系統(tǒng)噪聲、風(fēng)噪、車身噪聲及汽車附件產(chǎn)生的噪聲［4、5］。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲

據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲約占重型卡車通過(guò)噪聲的60%左右，可細(xì)分為燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲。其中機(jī)械噪聲與燃燒噪聲通過(guò)內(nèi)燃機(jī)的外表面向外輻射，空氣動(dòng)力噪聲是在進(jìn)氣和排氣過(guò)程中產(chǎn)生并直接向大氣輻射。燃燒噪聲的發(fā)聲機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，主要由氣缸內(nèi)周期變化的壓力作用產(chǎn)生，與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒方式、燃燒速度密切相關(guān)。對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)而言，燃燒室結(jié)構(gòu)型式、壓縮溫度、供油系統(tǒng)噴油提前角、噴油壓力、噴油數(shù)量等因素對(duì)燃燒噪聲影響較大。機(jī)械噪聲是運(yùn)動(dòng)部件在氣體壓力和慣性力作用下產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)而激發(fā)的噪聲，包括：活塞敲擊噪聲、齒輪嚙合噪聲、供油系統(tǒng)噪聲、配氣機(jī)構(gòu)噪聲、正時(shí)系統(tǒng)噪聲、輔機(jī)系統(tǒng)噪聲、不平衡慣性力引起的機(jī)體振動(dòng)噪聲。一般情況下，在發(fā)動(dòng)機(jī)空氣動(dòng)力噪聲得到控制后，發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械噪聲常常成為主要噪聲源。空氣動(dòng)力噪聲是氣體流動(dòng)或物體在空氣中運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣與物體碰撞引起的空氣渦流，或由于空氣發(fā)生壓力突變形成空氣擾動(dòng)與膨脹而產(chǎn)生的噪聲。空氣動(dòng)力噪聲直接向大氣輻射。如果不安裝消聲器，在發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲組成中排氣噪聲的聲壓級(jí)是最大的，其次是進(jìn)氣和風(fēng)扇噪聲。

（2）底盤系統(tǒng)噪聲

底盤系統(tǒng)噪聲包括輪胎噪聲、變速器噪聲、傳動(dòng)軸噪聲和車橋轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲。輪胎噪聲是輪胎與路面摩擦所引起的，決定輪胎噪聲的因素有輪胎花紋形狀、輪胎氣壓、輪胎的動(dòng)平衡及均勻性。變速器、傳動(dòng)軸、車橋等部件工作產(chǎn)生的噪聲被統(tǒng)稱為傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲，來(lái)源于變速齒輪嚙合傳動(dòng)的撞擊、振動(dòng)和傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)均屬于機(jī)械噪聲。

（3）車身及汽車附屬設(shè)備噪聲

這類噪聲包括車身的振動(dòng)，汽車與空氣的沖擊、摩擦而產(chǎn)生的噪聲以及汽車空調(diào)、暖風(fēng)、雨刮電機(jī)等附屬裝置工作而產(chǎn)生的噪聲。對(duì)于已經(jīng)上市的汽車產(chǎn)品而言，研究車身的降噪技術(shù)已沒(méi)有太大的實(shí)際意義。設(shè)計(jì)人員在車身設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮NVH因素，避免設(shè)計(jì)原因?qū)е碌钠囃ㄟ^(guò)噪聲與室內(nèi)噪聲過(guò)大。

1.2 工程案例分析

本文依托國(guó)內(nèi)某重型卡車的降噪項(xiàng)目，對(duì)一輛自卸車（發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率247 kW，整車整備質(zhì)量12.5 t）進(jìn)行車外噪聲源識(shí)別分析，找出導(dǎo)致車外噪聲超標(biāo)的主要原因。按照《GB 1495-2002汽車加速行駛車外噪聲限制及測(cè)量方法》進(jìn)行通過(guò)噪聲測(cè)試，得到該車的車外加速噪聲為85.6 dB（A），其結(jié)果比現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求高出1.6 dB（A），比即將執(zhí)行的《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求 重型汽車》要求高出5.6 dB（A）。

（1）通過(guò)噪聲頻譜特性分析

通過(guò)噪聲測(cè)量發(fā)現(xiàn)，車輛5擋加速接近出線（發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為1 600 r/min）時(shí)左側(cè)的噪聲值最大，對(duì)該過(guò)程中記錄的噪聲信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)最大加速時(shí)刻峰值噪聲主要頻率為50～80 Hz，對(duì)應(yīng)的1/3倍頻程中心頻率為63 Hz。為確定車輛加速過(guò)程中主要噪聲源，進(jìn)行了以下幾步試驗(yàn)：

（a）在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍布置傳聲器，重復(fù)加速噪聲最大的工況采集各位置噪聲信號(hào)，通過(guò)聲壓級(jí)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)前方靠近風(fēng)扇位置噪聲較大；

（b）在變速器上方、中后橋上方分別安裝傳感器進(jìn)行相同工況測(cè)試，分析發(fā)現(xiàn)變速器附近的噪聲較大，中后橋部位的噪聲水平基本相同；

（c）在消聲器入口與出口處同時(shí)安裝傳聲器進(jìn)行全加速過(guò)程測(cè)試，對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)在加速初期消聲器入口處的噪聲值較大，在加速接近離線時(shí)消聲器入口處噪聲較大。

通過(guò)以上測(cè)量，最終選擇發(fā)動(dòng)機(jī)前方（風(fēng)扇后部）、消聲器出口處、消聲器入口處、變速器上方、發(fā)動(dòng)機(jī)后方（渦輪增壓器附近）及車輛通過(guò)噪聲測(cè)試點(diǎn)布置傳聲器，測(cè)量對(duì)應(yīng)位置在整個(gè)加速過(guò)程中的噪聲信號(hào)，繪制出1/3倍頻程曲線見圖1。對(duì)比分析6個(gè)位置的頻譜圖可知與車外通過(guò)噪聲頻譜相關(guān)度最高的是消聲器附近和發(fā)動(dòng)機(jī)后方的噪聲。

（2）車外加速噪聲聲全息分析

利用傳聲器陣列對(duì)車外加速噪聲進(jìn)行了聲全息分析測(cè)試，因?yàn)樵摲椒ńY(jié)果直觀、分析速度快，所以在車輛噪聲源定位中經(jīng)常被采用。該試驗(yàn)過(guò)程中所用的傳聲器陣列多使用在穩(wěn)態(tài)工況下的噪聲源定位，所以使用加速過(guò)程中噪聲最大時(shí)刻對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（1 600 r/min）進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況下聲源定位。圖2是20～100 Hz頻率范圍內(nèi)的車外噪聲分布圖。

由圖2可以看出：主要噪聲源集中在發(fā)動(dòng)機(jī)艙罩的下部前后位置和排氣消聲器附近，該分析結(jié)果與（1）分析結(jié)論基本相同。

2 重型汽車常用降噪措施與運(yùn)用實(shí)例

根據(jù)以上分析，重型汽車加速行駛車外噪聲源主要是由發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲與排氣消聲器噪聲組成。眾所周知，任何噪聲都是由聲源發(fā)出，經(jīng)過(guò)中間介質(zhì)傳播后到達(dá)接受者，因此對(duì)汽車噪聲進(jìn)行控制也應(yīng)該從這兩個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)[6、7]。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源控制

由于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲中燃料供給系統(tǒng)所占噪聲份額最大，控制該系統(tǒng)噪聲最好辦法是改變發(fā)動(dòng)機(jī)噴油方式。但是國(guó)內(nèi)大部分重型卡車在開發(fā)初期并沒(méi)有充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)噪聲超標(biāo)已經(jīng)處于產(chǎn)品試制、試驗(yàn)階段，此時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲源進(jìn)行控制的可行性不大，沒(méi)有實(shí)際工程意義。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲傳播路徑控制

控制發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲傳播路徑是目前國(guó)內(nèi)重型卡車噪聲控制的常用方法，采取的措施有：發(fā)動(dòng)機(jī)吸聲處理、隔聲處理、減振、隔振等。吸聲降噪的方法是在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍的有限空間內(nèi)布置一些具有吸聲作用的材料，減少噪聲能量的反射，通過(guò)降低混響聲達(dá)到降噪的目的，工程上常用多孔性吸聲材料［８］。隔聲降噪的原理是當(dāng)聲波在傳播途徑中遇到均質(zhì)屏障物（如木板、金屬板、墻體等）時(shí)，部分聲被屏障物反射回去，部分被屏障物吸收，只有一部分聲能透過(guò)屏障物輻射到另一空間去，這種反射與吸收降低了噪聲的傳播。但實(shí)際上由于散熱等原因，發(fā)動(dòng)機(jī)不能完全封閉，因此常采用的發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩是部分開放的，在部分罩內(nèi)必須安裝聲吸收材料，否則由于罩內(nèi)聲反射使聲能在開口集中而傳播出去，本文利用下式來(lái)計(jì)算減噪量：

NR=IL=101g（S/S0）（1）

式中，S為罩總面積；S0為罩開口面積。

據(jù)調(diào)查，國(guó)外重型卡車發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩多為開口罩且采用雙層壁結(jié)構(gòu)，雙層壁就是在雙列平行的單層壁之間留有一定尺寸的空氣層，一般情況下由于空氣層的存在可以提高隔聲量5～10 dB（A）。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)噪聲控制

原則上汽車進(jìn)氣、排氣系統(tǒng)噪聲亦屬于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的一部分，但由于其控制方法的不同，本文單獨(dú)對(duì)其噪聲控制措施進(jìn)行分析。

對(duì)于進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲控制，主要是優(yōu)化進(jìn)氣流道結(jié)構(gòu)和增加進(jìn)氣消聲裝置。根據(jù)試驗(yàn)，在汽車空濾器前增加阻抗復(fù)合型消聲裝置可以降低進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲3.8 dB（A）左右。但目前國(guó)內(nèi)卡車對(duì)車輛進(jìn)氣噪聲并沒(méi)有給予足夠的重視，大部分重型卡車沒(méi)有設(shè)計(jì)安裝進(jìn)氣消聲器，主要原因有兩個(gè)：一是國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)、加工水平有限，空間利用率不高，導(dǎo)致進(jìn)氣消聲器無(wú)安裝空間；二是整車生產(chǎn)企業(yè)為降低生產(chǎn)成本，取消了進(jìn)氣消聲系統(tǒng)。隨著我國(guó)噪聲法規(guī)要求的不斷提高，重型卡車增加進(jìn)氣消聲器是必然趨勢(shì)。

對(duì)于車輛排氣系統(tǒng)的噪聲控制，主要是通過(guò)選擇與發(fā)動(dòng)機(jī)排量相匹配的消聲容積，確定消聲器所需消聲目標(biāo)值，根據(jù)不同性能消聲器（阻性、抗性、阻抗復(fù)合型消聲器）的消聲頻段特征對(duì)消聲器進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到低噪聲消聲器來(lái)控制排氣噪聲。就我國(guó)重卡生產(chǎn)現(xiàn)狀而言，大部分整車企業(yè)同一車型安裝不同廠家發(fā)動(dòng)機(jī)、不同功率發(fā)動(dòng)機(jī)匹配相同消聲器的情況屢見不鮮，更談不上排氣消聲器的匹配問(wèn)題，這是導(dǎo)致我國(guó)重型卡車通過(guò)噪聲高的主要原因之一。

2.3 噪聲控制方案實(shí)施

對(duì)上文中討論的試驗(yàn)車輛我們采用下列措施對(duì)其進(jìn)行了整車降噪處理。

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)艙增加吸聲材料；

（2）優(yōu)化消聲器；

（3）變速器下增加加吸聲材料；

（4）油底殼下增加吸聲材料；

（5）增加發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩；

對(duì)以上各改進(jìn)方案分步驟進(jìn)行試驗(yàn)，以便確定各方案的改進(jìn)效果及整體改進(jìn)效果。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，各改進(jìn)方案均取得了一定的降噪效果，證明關(guān)于試驗(yàn)車主要噪聲源的分析與定位是非常準(zhǔn)確的，且降噪措施效果明顯。

3 結(jié)論

本文主要討論了我國(guó)重型卡車通過(guò)噪聲主要噪聲源及降噪措施，并通過(guò)具體的工程案例介紹了重型卡車通過(guò)噪聲主要噪聲源定位方法及常采用的降噪措施。我國(guó)重卡生產(chǎn)企業(yè)對(duì)重型卡車的噪聲性能沒(méi)有給予足夠的重視，幾乎所有技術(shù)的采用只是為了通過(guò)國(guó)家法規(guī)的要求或者出口要求，重卡的降噪技術(shù)距離發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定的距離。本文所采取的降噪措施主要側(cè)重于產(chǎn)品開發(fā)后期的降噪工程，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體噪聲的控制未作較多的研究，建議在重型卡車開發(fā)前期注重發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲性能的匹配。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 程頤清.汽車噪聲對(duì)駕駛員聽力的影響［J］.中國(guó)工業(yè)醫(yī)學(xué)雜志.1998，（04）.

［2］ 王寶卓.汽車噪聲對(duì)駕駛員聽力損傷的調(diào)查分析［J］.錦州醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào).2005，（02）.

［3］ 婁潔.淺談汽車噪聲及其控制技術(shù)［J］.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)校學(xué)報(bào).2009，（04）.

［4］ 龐劍， 諶剛， 何華.汽車噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2006

［5］ 田萬(wàn)倉(cāng)，董學(xué)峰.重型汽車噪聲診斷及降噪方法的研究［J］.汽車工程.1995，（05）.

［6］ 馬大猷.噪聲控制學(xué)［M］.北京.科學(xué)出版社.1996.

［7］ 李林凌，鄭四發(fā)，郝鵬，等.重型汽車噪聲源識(shí)別及其控制研究［J］.汽車工程.2007，（05）.

［8］ 趙曉丹，張曉杰，李守成.微穿孔板載降低NJI043DE汽車噪聲中的應(yīng)用［J］.汽車工程.2008，（06）.