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噪聲污染和大氣污染、水污染，并稱為當(dāng)今世界的三大污染，隨著城市中汽車保有量的增多，車輛噪聲對(duì)人們生活的影響越來越大。據(jù)有關(guān)資料表明，城市噪聲的75%來源于交通噪聲，而交通噪聲主要是汽車噪聲。它對(duì)人們的生活、工作和健康越來越大。所以汽車噪聲的控制，已經(jīng)成為汽車企業(yè)的重要關(guān)注點(diǎn)了。

 

一、汽車噪聲的種類

 

汽車噪聲產(chǎn)生的主要因素是空氣動(dòng)力、機(jī)械摩擦和電磁能量。從結(jié)構(gòu)上分，汽車噪聲分為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、底盤噪聲、車身噪聲，具體說來，汽車噪聲源主要有以下幾方面：

 1.發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲

 

發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲可分為燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲，隨機(jī)型、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷及運(yùn)行情況等的不同而有差異。

 

1）燃燒噪聲

 

四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)由進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)行程構(gòu)成，從點(diǎn)火開始到燃燒結(jié)束期間是燃燒噪聲的主要產(chǎn)生期，快速燃燒沖擊和燃燒壓力振蕩構(gòu)成了氣缸內(nèi)壓力譜的中高頻分量。燃燒噪聲是具有一定帶寬的連續(xù)頻率成份，在總噪聲的中高頻段占有相當(dāng)比重。一般來說柴油機(jī)缸內(nèi)壓力較高，且壓力增長(zhǎng)率最大值遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，所以柴油機(jī)的燃燒噪聲遠(yuǎn)高于汽油機(jī)。

 

2）機(jī)械噪聲

 

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，各零件相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的撞擊，以及機(jī)件內(nèi)部周期性變化的機(jī)械作用力在零部件上產(chǎn)生的彈性變形所導(dǎo)致的表面振動(dòng)而引起的噪聲稱為機(jī)械噪聲。它與激發(fā)力的大小、運(yùn)動(dòng)件的結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，主要包括活塞敲缸響、齒輪傳動(dòng)響、配氣機(jī)構(gòu)撞擊響等類型。具體分類見下表。  

3）空氣動(dòng)力噪聲

 

汽車行駛中，由于氣體擾動(dòng)以及氣體和其他物體相互作用而產(chǎn)生的噪聲稱為空氣動(dòng)力噪聲。在發(fā)動(dòng)機(jī)中，它包括進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲和風(fēng)扇噪聲。其中，排氣噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)中能量最大最主要的噪聲源，它的噪聲往往比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲高出10dB(A)～15dB(A)。進(jìn)氣噪聲次之，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高速氣流經(jīng)空氣濾清器、進(jìn)氣管、氣門進(jìn)入氣缸，在氣流流動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生一種強(qiáng)烈的空氣動(dòng)力噪聲，它有時(shí)比發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)噪聲高出5dB(A)左右。風(fēng)扇噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)中不可忽視的噪聲源，主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成。旋轉(zhuǎn)噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速越高，直徑越大，風(fēng)扇的扇風(fēng)量就越大，其噪聲也越高；渦流噪聲是由于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)使周圍的空氣產(chǎn)生渦流，這些渦流又因粘滯力的作用分裂成一系列獨(dú)立的小渦流，這些渦流和渦流的分裂會(huì)使空氣發(fā)生擾動(dòng)，形成壓力波動(dòng)，從而激發(fā)出的噪聲，渦流噪聲一般是寬頻帶噪聲。

 

2.底盤噪聲

 

底盤噪聲主要包括排氣系統(tǒng)噪聲、傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲和制動(dòng)系統(tǒng)噪聲。

 

1）排氣系統(tǒng)噪聲

 

是底盤的主要噪聲源，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒所產(chǎn)生的高溫高壓廢氣在排氣管中呈脈動(dòng)形式急劇流動(dòng)，就產(chǎn)生了強(qiáng)烈的排氣噪聲。主要由排氣壓力脈動(dòng)聲、氣流流過氣門和氣門座等處產(chǎn)生的渦流聲、邊界氣流擾動(dòng)產(chǎn)生的噪聲、排氣口噴流噪聲等組成。發(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣時(shí)，在排氣門附近，排氣歧管內(nèi)及排氣管口氣體壓力發(fā)生劇烈變化，在空氣中和排氣管內(nèi)產(chǎn)生壓力波，輻射出很強(qiáng)的噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲往往比發(fā)動(dòng)機(jī)其他噪聲源的總噪聲高10~15dB排氣噪聲按產(chǎn)生的原因分為三種：

 

A、門開啟時(shí)產(chǎn)生的周期性排氣噪聲；

 

B、氣體渦流噪聲：當(dāng)高速氣流通過排氣門和管道時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流而輻射噪聲。

 

C、氣管道共鳴噪聲：包括排氣管、尾管、消聲器內(nèi)部各連接管道所產(chǎn)生的共鳴噪聲。

 

2）傳動(dòng)系噪聲

 

傳動(dòng)系包括離合器、變速器(分動(dòng)器)、傳動(dòng)軸、驅(qū)動(dòng)橋等。傳動(dòng)系統(tǒng)噪聲主要來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)，另外，箱體軸承等方面也影響著噪聲的大小。齒輪噪聲以聲波向空間傳出的僅是一小部分。而大部分則成了變速器、驅(qū)動(dòng)橋的激振使各部分產(chǎn)生振動(dòng)而變?yōu)樵肼曈绊扆X輪噪聲的因素是十分復(fù)雜的，理論分析和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)都表明，為減少齒輪噪聲，不僅要從設(shè)計(jì)制造精度以及加工精度等方面把因嚙合引起的撞擊聲和激振聲控制到最小程度，而且在維修中要注意齒輪的安裝精度嚙合間隙和印跡的調(diào)整。

 

3）輪胎噪音

 

輪胎噪聲是汽車的另一個(gè)重要的噪聲源，輪胎噪音是由輪胎與路面摩擦所引起的，通常由三部分組成：

 

A、輪胎花紋間隙的空氣流動(dòng)和輪胎四周空氣擾動(dòng)構(gòu)成的空氣噪音；

 

B、胎體和花紋部分震動(dòng)引起的輪胎震動(dòng)噪音；

 

C、當(dāng)汽車通過凸凹不平的路面時(shí)，凹凸內(nèi)的空氣因受擠壓和排放，類似于泵的作用而形成的噪聲。

 

D、輪胎在前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)時(shí)攪動(dòng)周圍空氣而產(chǎn)生空氣振動(dòng)聲，這稱為風(fēng)噪聲；

 

E、在車輛低速行駛時(shí)，輪胎的風(fēng)噪聲可以忽略。

 

3.車身噪聲

 

這類噪聲主要包括車身的振動(dòng)和空氣與車身的沖擊與摩擦而產(chǎn)生的噪聲，以及空調(diào)機(jī)或暖風(fēng)裝置工作而產(chǎn)生的噪聲。

 

隨著最高車速的不斷提高，車身板件振動(dòng)噪聲問題日益突出，這是一種由車身壁板結(jié)構(gòu)振動(dòng)所引起的噪聲，在車廂空間建立聲場(chǎng)并與車身結(jié)構(gòu)振動(dòng)相耦合，其噪聲能量主要在低頻區(qū)，給人的感受是一種類似于“轟隆聲”，造成車內(nèi)乘員強(qiáng)烈的不舒適感。

 

二、汽車噪聲的傳播途徑

 

1.發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲傳入途徑

2.路面行駛噪聲傳入途徑

3.擋風(fēng)玻璃噪聲傳入途徑

4.HVAC噪聲傳入途徑

三、噪聲控制要求及評(píng)價(jià)指標(biāo)

 

噪聲控制主要包括從機(jī)械原理出發(fā)的噪聲控制、從聲學(xué)原理出發(fā)的噪聲控制和主動(dòng)控制。

 

1.噪聲控制要求

 

近些年來，世界各國(guó)普遍提高了對(duì)汽車噪聲的控制標(biāo)準(zhǔn)，尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)汽車噪聲非常重視。歐共體、日本、美國(guó)等從七十年代起，每六年左右就修訂一次相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，使汽車噪聲限值有了大幅度降低。我國(guó)發(fā)布了《GB1495-79機(jī)動(dòng)車輛允許噪聲》、《GB1496-79機(jī)動(dòng)車輛噪聲測(cè)量方法》和《GB1495-2002汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》，并作為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)加以實(shí)施。

2.噪聲評(píng)價(jià)

 

噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)主要是指車內(nèi)、外的噪聲值和振動(dòng)適應(yīng)性，評(píng)價(jià)方法可分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。

 

1）主觀評(píng)價(jià)是顧客對(duì)車內(nèi)外噪聲振動(dòng)的直觀感覺，是聲品質(zhì)的真實(shí)反映，通常根據(jù)不同的條件，可采用簡(jiǎn)單排序法、等級(jí)評(píng)分法、成對(duì)比較法和語義區(qū)分法進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。

 

2）客觀評(píng)價(jià)是使用通過分析和測(cè)量的方法得到噪聲和振動(dòng)的參數(shù)來評(píng)價(jià)其大小和好壞。我們可以采用PCNM加速行駛車外噪聲測(cè)量裝置的測(cè)量試驗(yàn)進(jìn)行分析，而對(duì)于汽車的系統(tǒng)和部件，通常采用有限元法和邊界元法建立數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行分析計(jì)算，方法相對(duì)成熟。

 

四、汽車噪聲控制方法

1.傳統(tǒng)的噪聲控制方法

 

早期的車內(nèi)噪聲控制途徑主要有減弱聲源強(qiáng)度、隔絕傳播途徑和吸聲處理三個(gè)方面。

 

1）聲源降噪

 

識(shí)別并降低聲源噪聲是噪聲控制中最根本、最有效、最直接的途徑。為了降低聲源噪聲，首先必須識(shí)別出噪聲源，弄清聲源產(chǎn)生噪聲的機(jī)理和規(guī)律，然后改進(jìn)設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)生噪聲的激振力，降低發(fā)聲部件對(duì)激振力的響應(yīng)，從而達(dá)到根治噪聲的目的。

 

2）隔斷傳播途徑降噪

 

當(dāng)對(duì)噪聲源難以進(jìn)行控制時(shí)，我們就需要在噪聲的傳播途徑中采取措施，例如吸聲、隔聲、消聲、減振及隔振等措施。又稱無源噪聲控制。

 

A、吸聲降噪

 

在噪聲源周圍的有限空間內(nèi)布置一些具有吸聲作用的材料，就會(huì)減少噪聲能量的反射，使混響聲部分大大降低，從而達(dá)到降噪的目的這，種方法叫做吸聲法。

 

工程上具有吸聲作用并有工程應(yīng)用價(jià)值的材料大多為多孔性吸聲材料，而穿孔板等具有吸聲作用的材料，通常被歸為吸聲結(jié)構(gòu)。

 

多孔吸聲材料種類很多，按成型形狀可分為制品類和砂漿類；按照材料可以分為玻璃棉、巖棉、礦棉等；按多孔性形成機(jī)理及結(jié)構(gòu)狀況又可分為三種：纖維狀、顆粒狀和泡沫塑料等。在吸聲材料內(nèi)部有大量微小的連通的孔隙，聲波沿著這些材料孔隙可以深入材料內(nèi)部，與材料發(fā)生摩擦作用將聲能轉(zhuǎn)化成熱能。

 

吸聲結(jié)構(gòu)的作用原理，多是利用赫姆霍茲共振原理。這類吸聲類似于暖水瓶的聲共振：當(dāng)聲波射入赫姆霍茲共振吸聲器時(shí)，容器內(nèi)口的空氣受到激勵(lì)，將產(chǎn)生振動(dòng)，容器內(nèi)的介質(zhì)將產(chǎn)生壓縮或膨脹變形，以此來消耗聲能。當(dāng)赫姆霍茲共振吸聲器達(dá)到共振時(shí)，振動(dòng)速度達(dá)到最大，對(duì)噪聲的吸收也達(dá)到最大。

 

工程中常用的吸聲結(jié)構(gòu)有空氣層吸聲結(jié)構(gòu)、薄膜共振吸聲結(jié)構(gòu)和薄板共振吸聲結(jié)構(gòu)、穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)、微穿孔吸聲結(jié)構(gòu)、吸聲尖劈等，其中最簡(jiǎn)單的吸聲結(jié)構(gòu)就是吸聲材料后留空氣層的吸聲結(jié)構(gòu)。吸聲材料和吸聲結(jié)構(gòu)在汽車上主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)和車內(nèi)降噪。在發(fā)動(dòng)機(jī)殼體上，我們通常使用吸聲材料來吸收和降低聲輻射，一般是以玻璃纖維、泡沫、毛氈類為基體的材料，用非織物進(jìn)行表面處理，背后設(shè)計(jì)成空氣層結(jié)構(gòu)。而在汽車室內(nèi)，全部?jī)?nèi)飾都裝有吸聲材料，這樣的設(shè)計(jì)有效的降低了車內(nèi)噪聲，例如在汽車頂棚采用吸聲處理，可在乘員耳朵的位置處降低2dB以上的噪聲。

 

B、隔聲降噪

 

隔聲降噪的原理是：當(dāng)聲波在傳播途徑中，遇到勻質(zhì)屏障物（如木版、金屬板、墻體等）時(shí)，部分聲能被屏障物反射回去，一部分被屏障物吸收，只有一部分聲能可以透過屏障物輻射到另一空間去，透射聲能僅是入射聲能的一部分。

 

反射與吸收降低了噪聲的傳播。隔聲構(gòu)件隔聲量的大小與其材料、結(jié)構(gòu)和聲波的頻率有關(guān)。常見的隔聲結(jié)構(gòu)有單層壁和雙層壁兩種。最簡(jiǎn)單的隔聲結(jié)構(gòu)是單層均勻密實(shí)壁，如鋼板、鉛板、磚墻、鋼筋混凝土墻等。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單層壁的隔聲量與壁的單位面積質(zhì)量有密切關(guān)系。單位面積質(zhì)量越大，其隔聲量越高，同樣厚度的鋼板比鋁板隔聲效果好，同樣材料的厚度大的隔聲效果好，這個(gè)規(guī)律稱為隔聲的質(zhì)量定律。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，由于空氣層的存在提高了隔聲效果，雙層壁比單層勻質(zhì)壁隔聲量大5~10dBA；如果隔聲量相同，雙層壁的總重比單層壁減少2/3左右。在汽車上，隔聲降噪主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)罩就是一種典型的隔聲罩，它將噪聲輻射強(qiáng)烈的發(fā)動(dòng)機(jī)遮蔽起來，減少噪聲的透射。汽車駕駛室和客車車廂也都屬于隔聲室類的隔聲裝置；在高速公路兩旁采用聲屏障來抑制交通噪聲對(duì)兩旁居民的干擾，也是采用了這種原理。

 

C、阻尼降噪

 

汽車的殼體及機(jī)器的護(hù)壁、外罩、通風(fēng)管道等都是金屬薄板制成的，當(dāng)汽車行駛或機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，這些金屬薄板受激勵(lì)而振動(dòng)時(shí)，往往輻射噪聲，是很嚴(yán)重的噪聲源。對(duì)于這類金屬薄板振動(dòng)輻射的噪聲，我們常采用阻尼降噪技術(shù)。在機(jī)械物理學(xué)中，阻尼是指系統(tǒng)耗散能量的能力。阻尼降噪技術(shù)就是充分運(yùn)用阻尼耗能的一般規(guī)律，從材料、工藝、設(shè)計(jì)等各項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮阻尼在減振方面的潛力，以提高機(jī)械結(jié)構(gòu)的抗振性、降低機(jī)械產(chǎn)品的振動(dòng)、減少因機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的聲輻射，降低機(jī)械噪聲。噪聲控制中多采用的阻尼材料為泡沫多孔材料和減振降噪的復(fù)合型材料。

 

D、減震降噪

 

汽車的外殼都是由金屬薄板制成，車身行使過程中，震源將振動(dòng)傳給車身，在車身中以彈性波形傳播，這些薄板受到激振產(chǎn)生噪聲，同時(shí)引起車體上其他部件的振動(dòng)。防止發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、懸架及輪胎的振動(dòng)傳人車內(nèi)；加強(qiáng)地板、頂棚等大面積的鈑件的剛度，盡量少用大面積鈑金件；覆蓋件采用加強(qiáng)筋增大剛度，防止車身自身振動(dòng)。

 

2.噪聲主動(dòng)控制

 

與傳統(tǒng)降噪措施相比，噪聲主動(dòng)控制突出優(yōu)勢(shì)在于低頻噪聲控制效果好，它還具有對(duì)原系統(tǒng)的附加質(zhì)量小和占用空間小等特點(diǎn)。主動(dòng)噪聲控制通常是利用聲波干涉的原理進(jìn)行以聲消聲的控制。當(dāng)兩個(gè)聲波在疊加點(diǎn)處振動(dòng)的方向一致、頻率相同及相位差恒定時(shí)，它們會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，引起聲波能量在空間的重新分配，此時(shí)利用人為的聲源（次級(jí)聲源），使其產(chǎn)生的聲場(chǎng)與原噪聲源（初級(jí)聲源）產(chǎn)生的聲場(chǎng)發(fā)生相干性疊加，產(chǎn)生“靜區(qū)”，從而達(dá)到降低噪聲的目的。

3.汽車NVH試驗(yàn)技術(shù) 

 

汽車NVH（Noise、Vibration、Harshness）指的是噪聲、振動(dòng)與舒適性，其觀點(diǎn)是，汽車是一個(gè)由激勵(lì)源（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等）、振動(dòng)傳遞器（由懸掛系統(tǒng)和邊接件組成）和噪聲發(fā)射器（車身）組成的系統(tǒng)。NVH試驗(yàn)技術(shù)是以整車作為研究對(duì)象，從噪聲、振動(dòng)與舒適性的角度分析車內(nèi)外噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，通過駕駛員或成員的感受來尋找噪聲振動(dòng)的激勵(lì)源，再對(duì)激勵(lì)源產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)的機(jī)理和傳播途徑進(jìn)行分析研究，找到降噪減振的方法，來達(dá)到降低車內(nèi)外噪聲、提高汽車乘坐舒適性的目的。

 

NVH試驗(yàn)主要根據(jù)設(shè)定的汽車NVH目標(biāo)值，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行整車仿真分析。因?yàn)槠囅到y(tǒng)極為復(fù)雜，常將整車分解成多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行研究，如底盤子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)等；也可以研究某個(gè)激勵(lì)源產(chǎn)生的或某種工況下的NVH特性。通過曲線、圖表的形式，或者借助于虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，邀請(qǐng)技術(shù)人員、專家及用戶來感受，來提供分析結(jié)果，從而針對(duì)某種車型進(jìn)行主觀、客觀評(píng)價(jià)和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。 

 

由于噪聲控制復(fù)雜，目前該領(lǐng)域內(nèi)存在著大量的技術(shù)和應(yīng)用空白，各位汽車工程師任重而道遠(yuǎn)。