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汽车主要噪声源及减振降噪措施 [转载]
作者:声振之家整理自奇瑞汽车PPT讲义 发表时间:2018-01-22 阅读次数:736

        噪音对人们正常生活和工作造成极大干扰,影响人们交谈、思考,影响人的睡眠,使人产生烦躁、反应迟钝,工作效率降低,分散注意力,引起工作事故,更严重可使人的听力和健康受到损害。噪音的强度愈大,频率愈高、作用时间愈长、个人耐力愈小,则危害愈严重。80dB(A) 以下的噪音不会引起噪音性耳聋;80dB(A)~85dB(A) 的噪音会造成轻微的听力损伤; 85dB(A)~100dB(A) 的噪音会造成一定数量的噪音性耳聋;而在100dB(A) 以上会造成相当大数量的噪音性耳聋。人在没有思想准备的情况下,强度极高的暴震性噪音(如突然放炮爆炸)可使听力在一瞬间永久丧失,即产生暴震性耳聋。这时,人的听觉器官将遭受严重创伤。
        交通噪音对人体健康的影响是多方面的。噪音作用于人的中枢神经系统,使人们大脑皮层的兴奋与抑制平衡失调,导致条件反射异常,使脑血管张力遭到损害。这些生理上的变化,在早期能够恢复原状,但时间一久,就会导致病理上的变化,使人产生头痛、脑胀、耳鸣、失眠、记忆力衰退和全身疲乏无力等症状。
        一方面,汽车噪音会增加驾驶员和乘员的疲劳,更影响汽车的行驶安全。另一方面,噪音对汽车音响的音质也有较大的影响。经科学测定,汽车音响扬声器发声时,扬声器的底板就会随之共振或抖颤,从而造成音响失真。车门是一层薄铁皮,金属对声音的传导性非常强,汽车扬声器在工作时或汽车在行驶过程中很容易产生共振或抖颤,从而形成“同波共振”及“谐波共振”造成音响失真。而安装在实木腔体的扬声器因为木材对声音的传导性非常差,可以有效降低声能所产生共振和反射,基本还原扬声器的原有音色。
        当没有声波存在、大气处于静止状态时,其压强为大气压强P0 ;当有声波存在时,局部空气产生压缩或膨胀,在压缩的地方压强增加,在膨胀的地方压强减少,这样就在原来大气压上又增加了一个压强的变化。一般情况下,声压与大气压相比是很弱的。声压的大小与物体的振动有关,物体振动的振幅愈大,则压强的变化也愈大,因而声压也愈大,我们听起来就愈响,因此声压的大小表示了声波的强弱。
        由于正常人耳能听到的最弱声音的声压和能使人耳感到疼痛的声音的声压大小之间相差一百万倍,表达和应用起来很不便。同时,人耳对声音大小的感受也不是线性的,它不是正比于声压绝对值的大小,而是同它的对数近似成正比。这种用对数标度来表示的声压称为声压级,它用分贝dB来表示。

        考虑到人们主观上的响度感觉,人们设计一种仪器,经频率计权后测量得到的dB数称为计权声级。因为要使仪器能适应所有不同强度的响度修正值是困难的。常用的有A 、B 、C 三种计权网络,经过A计权曲线测量出的dB读数称A计权声级,简称A声级或LA ,表示为分贝(A)或dB(A)。A声级与人们的主观反映有良好的相关性,即测得的A声级大,人们听起来也觉得响。当用A声级大小对噪音排序时,与人们主观上的感觉是一致的。A声级是目前广泛应用的一个噪音评价量,已成为国际标准化组织和绝大多数国家用作评价噪音的主要指标,许多环境噪音的允许标准和机器噪音的评价标准,都采用A声级或以A声级为基础。
        正常人的听觉所能感到的最小声音,即听域的声压级约为0分贝;轻声耳语约为 30分贝;相距1米左右的会话语言约为60分贝;公共汽车中约为80分贝;重型载重车、织布车间、地铁内噪声约为100分贝;使人耳痛的声压级界限叫人耳阀,数值为120分贝;大炮轰鸣、喷气机起飞约为130分贝。 由此可见,当采用声压级的概念后,听域与痛域的声压之比从100万倍的变化范围变成0~120分贝的变化。所以对行驶中的汽车来说,在一定声压级范围内,只要降低几个分贝,人耳就会有明显感受。许多手持声级计的实际测量误差在2分贝,也就是说,噪音源不变的情况下,两次测量结果理论上可以相差4个分贝,换句话说,事实上声噪降低4个分贝的时候,普通声级计可能显示没有什么变化,但是人耳的感觉却是噪音有明显下降。
        下图是假设计算各声压级的基准压力为20Pa。

声压级的相对范围(平静隔音)

        物体在每秒内振动的次数称为频率,单位为赫兹 (Hz)。每秒钟振动的次数愈多,其频率愈高,人耳听到的声音就愈尖或者说音调愈高。人耳并不是对所有频率的振动都能感受到的。一般说来,人耳只能听到频率为20~20000Hz的声音,通常把这一频率范围的声音叫音频声。低于20Hz的声音叫次声,高于 20000Hz的声音叫超声。次声和超声人耳都不能听到,但有一些动物却能听到,例如老鼠能听到次声,蝙蝠能感受到超声。
        声源发出的噪音在媒介中传播时,其声压或声强将随着传播距离的增加而逐渐衰减。高频声波比低频声波衰减得快,当传播距离较大时其衰减值是很大的,因此高频声波是传不远的。从远距离传来的强噪音如飞机声、炮声等都是比较低沉的,这就是在长距离的传播过程中高频成份衰减得较快的缘故。除了空气能吸收声波外,一些材料例如玻璃、毛毯、泡沫塑料等也会吸收声音,称为吸声材料。当声波通过这些多孔性吸声材料时,由于材料本身的内摩擦和材料小孔中的空气与孔壁间的摩擦,使声波能量受到很大的吸收并衰减,这种吸声材料能有效地吸收入射到它上面的声能。

汽车噪声

        汽车的噪声源有多种,例如发动机、变速器、驱动桥、传动轴、车厢、玻璃窗、轮胎、继电器、喇叭、音响等等,都会产生噪声。这些噪声有些是被动产生的,有些是主动发生的(如人为按动喇叭)。一般而言,轿车的噪声主要有三个来源,汽车机械件本身产生的噪声,例如发动机和驱动桥等;轮胎;气流噪声(风噪)。这三个来源不是一下子涌现出来,而是随着速度不同而依次出现。因此有人将它们划分为三类噪声。由轿车驱动系统引起的噪声称为第一类噪声,一般轿车启动时就会产生,例如发动机的运转噪声,并随车速增大而增大。当车速升高至100公里/小时左右,轮胎的噪声随之增大,被称为第二类噪声。这两种噪声都是逐步增大的。当车速超过100公里/小时,随着车速的增加,风噪则会迅速增加,被称为第三类噪声。
        一般把汽车噪音来源简要分为:发动机噪音、排气系统噪音、风扇噪音、传动系统噪音、轮胎噪音、制动噪音、气动噪音、车身结构噪音等等,由于车辆噪音的复杂性,以上噪音源并非仅是并列关系,而从平静隔音实际研发的角度看,汽车噪音源还可以在目前的基础上做更进一步的分析。
1、发动机噪音
        发动机噪音中,除了发动机机体发出的机械声外,还包括进气系统噪音,改装族更换“冬菇头”以后动力增大的同时发动机噪音也增加不少,就是因为对原车进气系统做了改动的原因:高速气体经空气虑清器、进气管、气门进入气缸,在流动过程中,会产生一种很强的气动噪音。降低发动机本身产生的噪音及由发动机振动引起的其它噪音有若干办法:
        1)改造发动机燃烧过程以降低燃烧爆发的冲击;
        2)降低由此冲击产生的激后力引起的发动机各部件振动;
        3)降低由活塞上下运动、曲轴转动引起的不平衡力以及降低发动机机械振动。
        发动机运转的噪音主要由挡火墙和驾驶室的前底板部位传入驾驶舱,因此,通过在U槽、挡火墙及底板部位粘贴带异型吸音槽的吸音棉来抑制噪音。
2、排气系统噪音
        其是发动机噪音的一部分,主要包括消声器支撑架及排气管道振动辐射出的噪音,发动机振动及排气动作引起的辐射噪音,还包括由排气口出来的排气噪音。主要降噪方法:
        1)利用消声器降低排气出口噪音,在生产消声器的环节,通过提高仿真计算方法的精度,实现在不增加排气阻力的条件下改善消声效果。
        2)在排气口对排气噪音施加与其幅值大小相等,相位相反的二次声源或振动源,可自动地消除存在的振动噪声问题 ,实现主动降低噪音。

各种消声器系统的性能对比

        实验证明,通过对后消的形状结构进行改进后,在一定程度上降低了排气噪声。
        为降低发动机、传动系统、排气系统表面产生的辐射噪音,不仅要降低激励力,而且要改善结构的振动特性,达到即使有激励力,也不易产生噪音的效果。如:可以通过仿真计算推测发动机缸体等部位产生的辐射噪音,用振动特性优化方法,采取在轻量化基础上达到最佳效果的措施。因此,好的隔音材料和降噪效果不应该以增加车辆自重,牺牲加速性能,增加油耗为代价。
3、风扇噪音
        散热风扇通常也称为电子扇,是引擎舱内较大的噪音源。风扇噪音属于空气动力噪音,严格的说,也是构成发动机噪音的一部分。风扇运转过程中,由散热器隔栅吸入的冷却气流,经散热器风扇叶片吸入,从发动机间隙排出,气流运动的这一过程产生了旋转噪音和涡流噪音。夏季在怠速状态下开空调,风扇的运转会明显引起较大噪音。风扇的噪音与以下因素密切相关:
        1)风扇的外形。风扇外形决定风扇本体的阻力系数。包括叶片数量、叶片间断间隙、叶片角度及弯曲度等。
        2)散热器吸入气流的紊流度。
        3)风扇叶尖处及缝隙处产生的噪音
4、传动系统噪音
        在传动系中,噪音源主要包括变速器、分动器、传动轴、差速器和减速器等。传动系统噪音是由发动机传来的振动引起离合器盖、变速器盖等辐射出的噪音,以及齿轮啮合激振引起壳体辐射发出的噪音。这些噪音既有内部齿轮和轴承运转引起的,也有其它机构传递来的。传动系统的噪音是在一辆车出厂前就决定了的,很难通过后期的降噪措施得到根本性的改善。有些发烧友通过更换变速器等改装措施来提高操控性和舒适性,但改装会影响到车辆的性能。
5、轮胎噪音
        轮胎噪音是由轮胎与路面摩擦所引起的,是构成底盘噪音的主要因素。一般的轮胎噪声来自泵气效应和轮胎振动。所谓泵气效应是指:轮胎高速滚动时引起轮胎变形,使得轮胎花纹与路面之间的空气受压挤,随着轮胎滚动空气又在轮胎离开接触面时被释放,这样连续的"压挤释放",空气就迸发出噪声,而且车速越快噪声越大,车辆越重噪声越大;轮胎振动与轮胎的刚度和阻尼有关,刚度增大(例如轮胎帘布层数目增加),阻尼减少,轮胎的振动就会增大,噪声也就大了。要降低轮胎的噪声,胎面可采用多种花纹节距,采用高阻尼橡胶材料,调整好轮胎的负载平衡以减少自激振动等。
        不同类型路面对胎噪的影响是不同的,通过对不同路面与胎噪的关系进行对比测试,发现路面状况对某一车况的轮胎噪声影响如下表:

        主要由三部分组成:
        一是轮胎花纹间隙的空气流动和轮胎四周空气扰动构成的空气噪音;
        二是胎体和花纹部分振动引起的轮胎振动噪音;
        三是路面不平造成的路面噪音。
        特殊行驶环境下,轮胎还会发出振鸣声和溅水声。轮罩下部的凹凸导致气流分离,也会产生较强的噪音,轮罩内车轮回转的诱起风以及引擎室排出的风噪,是轮罩下部噪音的主要来源。
        主动降低胎噪的办法主要是:改善胎面形状;改善橡胶材质;改善路面状况;阻隔胎噪向驾驶舱的传播。
6、制动噪音
        汽车制动而产生的噪音主要有制动器的尖叫声、轮胎与地面的摩擦声以及车身板件的振颤声等。制动噪音一般是指制动器工作时产生的鸣叫,一个设计合理,装配精准,保养良好的制动器是没有或只有很小噪音的。车辆下坡时长时间踩踏刹车会因高温造成刹车盘损坏,日后再工作的时候就会发生尖锐的鸣叫。对制动噪音处理的重点是,通过粘贴吸音棉或隔音垫来减缓车辆紧急制动时引起的车身板件振颤。
7、气动噪音
        风噪产生的最根本原因在于,绕过汽车周围的气流在汽车的不同外形之处产生了尺度大小不同的漩涡、或紊乱的流动,尤其是在车后部及二前车窗边。大小漩涡的产生将消耗能量,使漩涡区尤其是车后(尾)部的压力降低,这是引起汽车阻力增大的重要原因,这样的车风阻系数较大。漩涡、或紊乱的流动同时将产生很强的噪声(取决于速度和漩涡强度等),风吹电线会发声和喷气机有强烈气动噪声都是气动噪声的例子。气动噪声大和风阻系数大是密切相关的,其本质在于空气粘性和汽车的外形。气动噪声大、车的密封好,或者气动噪声小、车的密封差这两种情况都不是好车的标志,好车应该是气动噪声相对小、车的密封也好。
        克制风漏及空腔共鸣的有效办法是,在车门以及引擎盖周围设计密封条,通过对不同车型的不同部位粘贴密封条,达到使开放气流的背后不产生涡流,由流动再附着来达到有效抑止气动噪音的目的,此外,不同规格的密封条也可以有效隔绝来自车身以外的噪音。车辆在高速行驶过程中,由于引擎盖的侧面和上部出现气流分离,会产生数百赫兹以下振动频率的气动噪音,如果引擎盖下沿有间隙,通过间隙还会发出很大噪音,对该处噪音的抑制主要从两方面着手:一是在引擎盖的边沿部位粘贴专用密封条,二是在引擎盖内沿雨刮器下部的U型槽部位粘贴平静阻尼止振垫。

吸音

        噪音声波在传播过程中经常会遇到障碍物,这时声波将从一个媒质(空气)入射到另一媒质中去。由于这两种媒质的声学性质不同,一部份声波从障碍物表面上反射回去,而另一部份声波则透射到障碍物里面去。利用介质不同的特性阻抗,可以达到减噪目的。例如,在室外测量噪音时,坚硬的地面、公路和建筑物表面都是反射面,如果在反射面上铺以吸声材料,那么反射的声能将减少。由于声波的反射特性,在室内产生的某一噪音会从墙面、地面、天花板上及室内各种不同物体上多次反射,这种反射声的存在使得噪声在室内的声压级比在露天中相同距离上的声压级要提高10~15dB。为了降低室内反射声的影响,在房间的内表面覆盖一层吸声性能良好的材料,就可以大大降低反射声,从而使整体噪音得到减弱。类似的情况体现在车辆上,驾驶室是一个缩小的房间,车辆复杂的噪音作用体现在驾驶室就可以看作是一个噪音源,吸音棉在粘贴过程中总是把带有异型吸音槽的一面朝向车内,正是最大限度的降低车身双层隔板之间以及驾驶室内部噪音的反射,同时对噪音起到高效的过滤吸收作用。
        在汽车有限空间内的噪音,包括直达噪音和反射噪音两部分。吸音是用特种被动式材料来改变声波的方向,以吸收其能量。合理的布置吸音材料,能有效降低声能的反射量,达到吸音降噪的目的。常用的吸音材料由于受环保、防水、防火、轻量化等条件的限制,能够用于汽车的吸音材料比较少见,吸音棉是研发人员在研究分析多款车型噪音特点的基础上,针对汽车噪音特点创造性的开发出异型吸音槽设计,在传统的一个单位的隔音面积上集成了2倍以上的吸音面积,每个吸音槽的宽窄、深浅、坡度和曲率都是针对轿车噪音的特点,经数学算法仿真模拟并精确确定的。由于吸声层的逐渐过渡性质,材料的声阻抗与空气的声阻抗能较好地匹配,使较宽频段的声波都能被高效地吸收。

隔音

        隔音方法就是用某种隔音材料将声源与周围环境隔离,使其辐射的噪声不能直接传播到周围区域,从而达到控制噪音的目的。隔音的实质是尽量衰减从声源辐射出的声音,常用措施有隔音材料和隔音结构。一般理论认为,单层隔板的隔音效果与隔板的面密度有密切关系,通过试验进一步发现,同一材质相同面密度的隔板在低、中、高等不同的频段会表现出不同的隔音性能。汽车的地板、车身等部位一般是采用双层隔板的地方,这些部位一般由外围板和内饰板组成,双层之间是空气层,利用这些双层隔板,可以起到很好的隔音作用。如果在双层隔板之间粘贴带有吸音槽的吸音棉,降噪效果会有明显提升。

减震

        汽车的外壳一般都是由金属薄板制成,车辆行驶过程中,震源把它的振动传给车体,在车体中以弹性波形式进行传播,这些薄板受激振动时会产生噪音,同时引起车体上其它部件的振动,这些部件又向外辐射噪音,在该传播途径上安装弹性材料或元件,隔绝或衰减振动的传播,就可以实现减震降噪的目的。可用的减震措施主要有隔震减震和阻尼减震,汽车阻尼防护胶就是在阻尼减震原理的基础上研发的。此外,吸音棉在粘贴过程中采用人工刷胶的方式,专用的胶粘剂在固化以后会具有良好的弹性和柔韧性,形成一道阻尼减震层,可以耐受车体的冲击与振动。

密封

        大量试验表明:车内整体噪音的控制与车体的密封性能密切相关。好的密封可以有效降低车辆整体噪音,尤其对高速行驶过程中的风噪有很好的抑制效果。车辆行驶过程中产生的扰流是引起风噪的根源,车辆高速行驶过程中车身某一部件处会出现周期性气流分离,涡从车身两侧拖出,顺气流方向移动,从而产生噪音。预防这种噪音产生的办法是尽量避免产生气流分离并用恰当的方法扰乱周期性的尾流。一般的密封仅仅是利用密封性的提高把噪音阻隔在外,平静专业密封条在阻隔噪音的同时,还会避免气流分离并对周期性的尾流达到扰乱,从根本上降低风噪。车身密封是对车身居住环境改善,提高车身防腐性要求而进行的。
主要包括:防止雨(水)、尘土、污染气体侵入室内的密封性设计;防止振动、噪声、热量侵入室内的密封性设计;防止腐蚀介质侵蚀车身板件密封性设计。按照以上密封性要求及密封结构特点,一般将密封性设计分为静态密封和动态密封两类。车身结构的各连接部分,设计要求对其间的间隙进行密封,而且在使用过程中这种密封关系是固定不动的,称为静态密封。静态密封采取涂敷密封胶的方法来实现。静态密封多为车身焊接结合面之间的密封,有缝外密封和缝内密封两种型式或者两者并用。对防止车身腐蚀,减小振动和噪声起着重要作用。
此外,静态密封还用于车身前后风窗玻璃的安装密封上。即对玻璃-密封条-窗框构件之间多装配间隙进行密封,属于装配结合之间的密封。
风噪是无可避免的,不同汽车的空气动力学设计不同,自然也就引起不同程度的风噪。一般说来,汽车外形上尖锐凸起的部件越多风噪越大。而汽车后视镜及侧门接缝的设计和装配质量也直接影响风噪大小,因为这些部位极易产生空气紊流,从而引发直接传入车厢的风噪。除了车身会产生行驶风噪声之外,在高速行驶时通过各处间隙,把车厢内的空气吸出去,也会产生很大的声响。例如把车窗稍微打开一点,呼啸的风声十分响,产生这类行驶风噪声的原因是车厢密封不严。
        我们先来看看哨是如何被吹响的:

红色为空气流向,在入口与出口处发生交叉,碰撞,发出声音;蓝色为空气碰撞点

        汽车的风噪际上与吹哨的原理相同。在车的外面有很多小缝(我们的车应特殊称为中缝或大缝),那些水平方向的缝产生风噪的作用不大,因为空气随水平方向的缝流走,不怎么发生互相的碰撞,也就产生不了什么风噪。我们能听到的风噪基本上都是由那些纵向的缝引起的。因为车速过快(100公里以上时)强风就象我们吹哨的嘴,高速气流就会流进这些缝,但这些缝中的空腔在原车密封橡胶之前还是很大的,在这样的空间,中空气被新进来的风顶着转了一圈后,流出与新进的空气发生碰撞,产生风噪。

车门处纵向缝透视简图

        贴密封条就是在门上贴了如平静什么的专业密封条(如下图紫色部分),这样减少的空腔的空间,使进入的空气在里面停留的时间减少,但并没有解决相互碰撞的问题,空气还是进来再出去,所以在风噪问题上不是解决的根本。只是减少了外界声音对车厢内的传到,但同时造成的关门相对用力的问题,而且影响了美观(因为贴的位置不是很因定,走线时有各种东西阻碍,得绕)。并且成本太高。

车门处纵向透视简图

        贴的位置是中缝为后门前缘上,一半贴,一半露在外,关好门后,露出部分就会挡住中缝进风口; 后门贴在车身(C柱)那道弯上,随弯而走,外头与车身齐,关好门后密封条的厚度正好挡住进风口。 如果前门那小缝也想贴,方法与前两种相同。

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