汽車室內(nèi)噪聲分析及控制

王蓉+易侃

【摘 要】在汽車工業(yè)的飛速發(fā)展和人們對汽車舒適性要求愈加嚴(yán)格的背景下，改善汽車內(nèi)部聲學(xué)環(huán)境，降低車輛室內(nèi)噪聲成為一項(xiàng)重要研究方向。本文分析了一些國內(nèi)外汽車噪聲研究發(fā)展?fàn)顩r及我國對治理汽車噪聲污染的相關(guān)法律法規(guī)，對主流的四大汽車室內(nèi)噪聲預(yù)示方法進(jìn)行了初步探討，提出了對于各種車內(nèi)噪聲相應(yīng)的控制措施。最后對于汽車噪聲控制方法進(jìn)行總結(jié)并提出幾點(diǎn)思考方向作為以后繼續(xù)研究此類問題的思路。

【關(guān)鍵詞】汽車室內(nèi)噪聲；噪聲預(yù)示；控制措施

當(dāng)今的全球工業(yè)化大背景下，人類面臨的諸多世界性的問題里就包括噪聲污染這一項(xiàng)，它與水污染、空氣污染一起被列為當(dāng)今世界三大主要污染源。而汽車噪聲是汽車的第二公害，它不僅會對人的心理上產(chǎn)生不良影響，還會從生理角度損害人體身體健康，特別是車內(nèi)噪聲過大還會從側(cè)面誘發(fā)汽車交通事故。因而，控制車內(nèi)噪聲成為車輛設(shè)計、制造工程師的在研發(fā)過程中非常重要的一個研究課題。

1 研究背景

1.1 我國相關(guān)的法律法規(guī)

國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家自六十年代起，就制定了許多法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)對汽車噪聲排放進(jìn)行控制上，近年來國家對車輛噪聲排放的要求越來越嚴(yán)格，先后于1979年頒布了《機(jī)動車輛允許噪聲標(biāo)準(zhǔn)》（GBI495-79），還相繼制訂了《機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)》（GB7258-89）、《客車通用技術(shù)條件》（GB/T13095.91）等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，全面、優(yōu)化地規(guī)定了各型車輛的噪聲限值。

1.2 國內(nèi)外汽車噪聲研究進(jìn)展

在汽車發(fā)展早期，汽車發(fā)動機(jī)功率普遍很低，汽車噪聲問題并不突出，但隨著汽車發(fā)動機(jī)工藝水平的不斷提高，一般的轎車發(fā)動機(jī)功率都可以達(dá)到120馬力，汽車噪聲與振動問題就日漸顯現(xiàn)出來了。人們在選購汽車時，已將汽車的抗振動噪聲性能當(dāng)作選購的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，這不僅是出于對生活品質(zhì)的要求上，更多的是出于對駕駛安全上的考慮。

1.2.1 汽車室內(nèi)噪聲預(yù)示技術(shù)的發(fā)展

早期的噪聲預(yù)測主要是一維模型，采用解析方法計算平板的輻射噪聲，后來對不同頻率下結(jié)構(gòu)的表面振動和噪聲輻射進(jìn)行預(yù)示，從而計算得出噪聲輻射效率曲線，以后的噪聲預(yù)測中利用這一噪聲輻射效率和表面振動來近似計算輻射噪聲。

隨著數(shù)學(xué)理論的發(fā)展，帶動了其在汽車領(lǐng)域的進(jìn)一步研究，其中數(shù)值計算理論被運(yùn)用到新時期的汽車噪聲預(yù)示領(lǐng)域，輔助于計算機(jī)技術(shù)，使得應(yīng)用數(shù)值計算方法對噪聲進(jìn)行模擬計算成為可能。

1.2.2 汽車室內(nèi)噪聲控制技術(shù)的發(fā)展

車內(nèi)噪聲的控制可分為車內(nèi)噪聲被動控制和車內(nèi)噪聲主動控制兩種[1]。一般車內(nèi)中高頻噪聲采用被動控制來消除，早期的車輛內(nèi)部噪聲控制主要采用被動降噪。主動控制方法又叫有源消聲，是近年來發(fā)展起來的一種噪聲控制方法，最早是在1947年被提出來，它與傳統(tǒng)降噪措施不同之處在于對低頻噪聲具有較好的控制效果，并且質(zhì)量輕體積小，便于安裝。

2 汽車室內(nèi)噪聲研究的分析方法

2.1 有限元法

有限元法是求解汽車振動噪聲問題最常用的數(shù)值模擬方法，通俗的說法就是“化整為散”，把連續(xù)的彈性體劃分為有限個只有節(jié)點(diǎn)相連的有限大小的單元，單元之間通過節(jié)點(diǎn)來傳力，通過研究單元體的結(jié)構(gòu)和聲特性，根據(jù)力學(xué)方程或聲學(xué)波動議方程，得到聯(lián)立代數(shù)方程式，通過求解代數(shù)方程式得到結(jié)構(gòu)彈性體或聲傳播空氣域中的振動或聲特性[2]。

2.2 邊界元法

邊界元方法對處理結(jié)構(gòu)聲輻射、聲散射和結(jié)構(gòu)聲腔問題有獨(dú)特的優(yōu)越性，因而在實(shí)際中得到應(yīng)用，它適用于中低頻段的振動和噪聲分析，對高頻段的振動和噪聲分析計算精度較差。邊界元法主要用于處理聲場的外部問題和有復(fù)雜邊界條件的內(nèi)部聲場問題，該法降低了求解問題的維數(shù)，適合處理無邊界區(qū)域問題，但是它的計算速度慢。

2.3 統(tǒng)計能量分析法

統(tǒng)計能量分析法創(chuàng)始于20世紀(jì)60年代，它是從能量角度出發(fā)分析在不同結(jié)構(gòu)表面在外載荷作用下的響應(yīng)，其更重要的作用在于列出主要噪聲貢獻(xiàn)，以及預(yù)測不同設(shè)計對車內(nèi)噪聲的相對影響，目前，統(tǒng)計能量分析和有限元方法一樣，作為CAE主要分析手段分析空氣噪聲。

2.4 傳遞路徑分析法

傳遞路徑分析法[3]建立的模型與有限元方法相似但又不完全相同，它把一個整體的系統(tǒng)分為幾個較為獨(dú)立的子結(jié)構(gòu)，每個子結(jié)構(gòu)都以頻響函數(shù)來表征其結(jié)構(gòu)特性，各子結(jié)構(gòu)之間通過各種彈性元件相聯(lián)結(jié)來傳遞信息。這個彈性元件簡化成標(biāo)量彈簧，從而將系統(tǒng)變成“結(jié)構(gòu)—彈簧”的形式。

3 車內(nèi)噪聲控制方法

對于噪聲的控制還可以利用AutoSEA軟件，將汽車的設(shè)計圖紙導(dǎo)入軟件中，建立汽車車內(nèi)結(jié)構(gòu)與聲學(xué)的3D實(shí)體模型，這其實(shí)是利用該軟件根據(jù)統(tǒng)計能量法的原理預(yù)示噪聲后，再利用其強(qiáng)大的后處理能力，有針對性的提出減振降噪的措施。

3.1 被動控制法

在汽車噪聲控制問題研究前期，被動控制法是主要研究方向。它所要解決的途徑主要包括三個方面的噪聲控制：噪聲源輻射隔離、隔絕噪聲傳播途徑、對接收者進(jìn)行防護(hù)。通常可采取以下措施：隔絕傳播途徑就是利用具有彈性和阻尼的材料來對車身進(jìn)行隔振，改善振源和車身之間的振動傳遞關(guān)系，同時利用吸聲涂料、阻尼粘膠等材料來改善車身壁板的隔聲性能，并通過減小乘坐室壁板的孔縫數(shù)目和尺寸提高密封性，以削弱氣體傳聲；對接收者進(jìn)行防護(hù)就是戴個人防護(hù)耳具。

3.2 主動控制法

噪聲主動控制是近年來逐漸發(fā)展起來的一種噪聲控制方法，它對低頻噪聲控制效果較好，此外它還具有對原系統(tǒng)的附加質(zhì)量小和占用空間小等特點(diǎn)。

基于有源噪聲控制（ANC）原理及“反射鏡”原理降噪的主動控制法，通俗地說就是“以彼之道還之彼身”，用噪音來消除噪音的新技術(shù)。這里有兩個技術(shù)難點(diǎn)需要去攻克，其一，如何去收集原噪聲波形；其二，如何制造出與之相逆的波形。

4 基于噪聲控制所提出的問題

在主動控制噪聲方法中，有源降噪是新的研究方向，現(xiàn)在的有源降噪只是在較小范圍內(nèi)用于低頻噪聲，或在較大范圍內(nèi)降低單一聲波噪聲。也就是說，有源降噪還沒有充分發(fā)揮出它應(yīng)有的優(yōu)勢。在此，我提出如下三點(diǎn)主動控制噪聲的假設(shè)：

其一，減少噪聲源的產(chǎn)生。通過對節(jié)氣門位置傳感器的數(shù)據(jù)分析，在滿足基本路狀條件下減少氣缸工作數(shù)量。同時，不同氣缸數(shù)在工作時產(chǎn)生的噪聲肯定是不一樣的，那么有必要對主動控制噪聲裝置進(jìn)行預(yù)設(shè)。

其二，利用惠更斯原理擴(kuò)大降噪范圍。目前三維空間有源降噪的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但這也是以后研究過程中的一個方向。

其三，能否通過共振原理將多種聲波共振為一種聲波后，利用有源消聲裝置進(jìn)行消聲。

5 結(jié)論

長久以來，汽車噪聲問題一直是世界各國汽車生產(chǎn)企業(yè)重要的研究方向，雖然取得了豐碩的研究成果，但由于問題的復(fù)雜性，該領(lǐng)域目前仍然存在著大量的理論和技術(shù)空白。因此國內(nèi)汽車行業(yè)應(yīng)當(dāng)充分把握這一時機(jī)，努力學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)以形成后發(fā)優(yōu)勢的同時，通過自主創(chuàng)新，各個擊破，力求取得某些方面的率先突破，從而帶動我國汽車噪聲控制技術(shù)的整體跨越式發(fā)展。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任文堂，郄維周.交通噪聲及其控制[M].北京：人民交通出版社，1984.

[2]高剛.重型商用車車內(nèi)噪聲的聲源識別與響應(yīng)分析[D].吉林：吉林大學(xué)，2011.

[3]趙彤航.基于傳遞路徑分析的汽車車內(nèi)噪聲識別與控制[D].吉林：吉林大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

[責(zé)任編輯：張濤]endprint