汽車噪聲控制技術(shù)的最新進(jìn)展與發(fā)展趨勢

1、 汽車噪聲控制技術(shù)的最新進(jìn)展與發(fā)展趨勢 摘要：對汽車噪聲控制技術(shù)領(lǐng)域的最新進(jìn)展及發(fā)展趨勢進(jìn)行綜述, 包括噪聲控制技術(shù)在汽車新產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用( 整車級別的聲學(xué)品質(zhì)目標(biāo)設(shè)定、系統(tǒng)和元件級別的聲振特性目標(biāo)設(shè)定) 、nvh 仿真分析的置信度、nvh 虛擬環(huán)境技術(shù)、車輛噪聲控制的材料及結(jié)構(gòu)技術(shù)等相關(guān)主題。關(guān)鍵詞：汽車噪聲控制技術(shù)趨勢1 前言近年來, 隨著發(fā)動機技術(shù)的突飛猛進(jìn), 發(fā)動機噪聲有較大幅度的降低。發(fā)動機之外的其他噪聲來源如傳動系噪聲、輪胎噪聲、排氣噪聲以及車身壁板結(jié)構(gòu)振動輻射噪聲等, 對車輛整體噪聲的貢獻(xiàn)份額相對增大, 對它們實施控制的重要性也與發(fā)動機噪聲控制同樣重要。車輛噪聲控制問題的復(fù)雜程

2、度劇增, 主要體現(xiàn)在噪聲控制方向的模糊性、廣泛性, 以及各類噪聲來源與車輛整體噪聲水平之間的弱相關(guān)性。這里需要指出, 由車身壁板結(jié)構(gòu)振動輻射的噪聲, 在車內(nèi)空間建立聲場并與車身結(jié)構(gòu)振動相耦合,其噪聲能量主要集中在低頻。對于這類噪聲, 特別是在20200 hz 的頻段內(nèi), 給人的主觀感受是一種所謂的“轟鳴聲”, 即通常所說的“booming”, 能造成司乘人員強烈的不適感。在如此低的頻段內(nèi), 常規(guī)的吸聲降噪措施幾乎無效。目前, 主動消聲技術(shù)尚不成熟, 由于其用做控制聲源的大體積低頻揚聲器的空間布置受到限制, 亦不能很好地實現(xiàn)工程應(yīng)用。事實上, 對booming 的控制仍是目前世界性的難題。當(dāng)前,

3、 同檔次車型在常規(guī)性能方面的綜合性價比越來越接近且均已達(dá)到較高水平, 因此, 提高車輛噪聲控制水平已成為新的競爭焦點和技術(shù)發(fā)展方向。在此背景下, 車輛的nvh(noise /vibration /harshness) 性能正逐漸演變?yōu)橹匾脑O(shè)計指標(biāo), 這也是用戶所關(guān)心的整車性能指標(biāo)之一。汽車噪聲控制水平必將成為決定車型開發(fā)成功與否的不可或缺的重要因素之一, 與之相關(guān)的分析、測試及材料技術(shù)等自然成為汽車工程領(lǐng)域關(guān)注的新焦點。2 噪聲控制技術(shù)已應(yīng)用在汽車新產(chǎn)品的設(shè)計階段國外一些汽車公司已將噪聲控制的理念和技術(shù)納入到新車型設(shè)計流程的關(guān)鍵環(huán)節(jié) , 例如概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計以及改進(jìn)設(shè)計等階段, 以期從設(shè)計

4、源頭上確保車輛的nvh 品質(zhì)。噪聲控制技術(shù)應(yīng)用于新產(chǎn)品的設(shè)計階段, 其主要技術(shù)環(huán)節(jié)亦按照內(nèi)在的邏輯而構(gòu)成相對規(guī)范化的技術(shù)流程, 一般包括車輛聲學(xué)品質(zhì)目標(biāo)設(shè)定、低噪聲設(shè)計與優(yōu)化、聲學(xué)品質(zhì)評價及設(shè)計驗證等步驟。當(dāng)前, 聲學(xué)品質(zhì)的目標(biāo)設(shè)定已成為工程應(yīng)用領(lǐng)域研究的新熱點, 具體又可分成如下2 個層次。2.1 整車級別的聲學(xué)品質(zhì)目標(biāo)設(shè)定按照新的設(shè)計理念, 整車級別的聲學(xué)品質(zhì)應(yīng)當(dāng)既能夠滿足一般意義上的聲學(xué)舒適性要求, 又能夠充分體現(xiàn)車型檔次并強化品牌特色。正如每個人都擁有自己特定的音質(zhì)和音色一樣, 或委婉動聽以體現(xiàn)其優(yōu)雅性, 或渾厚深沉以體現(xiàn)其尊貴性, 或豪邁奔放以體現(xiàn)其充沛的動力性, 等等。具體處理時,

5、 往往可以從對照( 競爭) 車型的聲學(xué)品質(zhì)出發(fā), “剔除”其中不滿意的成分, 然后再將其設(shè)定為新車型的聲學(xué)品質(zhì)目標(biāo)。在這方面, 近年來迅速發(fā)展起來的小波分析技術(shù)為問題的解決提供了有效手段。國外已有汽車公司將小波變換用于沖擊噪聲特性的修改9, 其處理過程類似于經(jīng)典的短時傅立葉變換, 但卻更為有效。2.2 系統(tǒng)和元件級別的聲振特性目標(biāo)設(shè)定顯而易見, 系統(tǒng)和元件的聲振特性必須服從于整車聲學(xué)品質(zhì)的總體目標(biāo)要求。這意味著, 應(yīng)當(dāng)從整車聲學(xué)品質(zhì)出發(fā), 采用“自頂向下、層層分解”的方法來確定各個系統(tǒng)和元件應(yīng)達(dá)到的聲振特性目標(biāo)要求即“cascade” , 而仿真分析和最優(yōu)化技術(shù)則是支持cascade 處理過程

6、的有效手段。噪聲控制技術(shù)包含主動控制、被動控制兩個方面, 如何將其統(tǒng)一于汽車新產(chǎn)品的設(shè)計流程中, 并與汽車結(jié)構(gòu)的低噪聲優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合, 將成為進(jìn)一步研究的方向, 也預(yù)示著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展趨勢。上一頁 1 23下一頁3 仿真分析的置信度仍然是應(yīng)用領(lǐng)域關(guān)注的重點3.1 nvh 是一個系統(tǒng)性問題現(xiàn)階段, 計算機仿真分析技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)中的應(yīng)用已相當(dāng)普遍, 然而, 仿真分析的置信度一直是該技術(shù)應(yīng)用中的“瓶頸”問題。對于物理機理和數(shù)學(xué)模型高度復(fù)雜的車輛nvh 性能, 其仿真分析的置信度更是不易保證。這主要因為: nvh 是一個系統(tǒng)性的問題, 涉及車輛多個系統(tǒng)的相互作用, 問題的研究與解決依賴于聲學(xué)、

7、結(jié)構(gòu)振動及系統(tǒng)動力學(xué)等多個學(xué)科中的深層知識。同時, 車輛行駛環(huán)境具有較大的隨機性, 其內(nèi)在的有關(guān)結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)也具有一定的分散性和變異性, 這些不確定性因素的存在使問題變得更加復(fù)雜。另外, 很多情況下用作仿真分析輸入條件的基礎(chǔ)性技術(shù)數(shù)據(jù)并不完備, 這會對仿真分析的置信度產(chǎn)生致命影響。3.2 nvh 性能仿真試驗與分析工具當(dāng)前, 對于車輛nvh 性能的仿真分析研究均十分重視其置信度的檢驗與提高。一般認(rèn)為, 最具說服力的仿真分析置信度檢驗方式是分析與測試結(jié)果的一致性對比。然而, 測試結(jié)果本身也存在“置信度”的問題。特別是聲學(xué)測試, 對于測試流程、條件及環(huán)境非常敏感, 在很多情況下測試結(jié)果本身就具有

8、較大的分散性, 因而導(dǎo)致仿真分析置信度檢驗標(biāo)準(zhǔn)的缺失( 不可靠) 。為扭轉(zhuǎn)這種被動局面, 國外已有研究者將重點轉(zhuǎn)向“試驗可靠性”的提高。另一方面, 當(dāng)前應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了多種支持nvh 仿真分析的cae 軟件系統(tǒng), 如sysnoise、autosea 等?；诓煌诵募夹g(shù)的軟件系統(tǒng), 其處理問題的適用范圍各有側(cè)重。為確保仿真分析的置信度, 應(yīng)充分考慮具體問題的特點而合理選擇軟件工具。例如: 聲振耦合有限元技術(shù)主要適用于低頻范圍, 是分析車內(nèi)低頻結(jié)構(gòu)輻射噪聲的有效工具; 而統(tǒng)計能量法則更適合于模態(tài)密集的中、高頻段噪聲分析。值得注意的是, 為完善仿真分析所必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)條件, 國外汽車工程界投入了不懈

9、的努力,目前已有機構(gòu)建立了車內(nèi)噪聲數(shù)據(jù)庫系統(tǒng), 能夠覆蓋15 種車型的典型行駛工況16, 從而有效地支持了仿真分析過程并有助于確保其置信度。3.3 nvh 仿真分析的發(fā)展趨勢為進(jìn)一步從根本上提高nvh 仿真分析的置信度, 必須立足于有關(guān)理論及方法的創(chuàng)新, 這也是仿真分析技術(shù)的發(fā)展趨勢, 其集中體現(xiàn)在如下4 個方面。a. 多學(xué)科綜合分析針對整車結(jié)構(gòu)的多個系統(tǒng), 集成聲學(xué)、結(jié)構(gòu)振動及系統(tǒng)動力學(xué)理論, 解析學(xué)科耦合關(guān)系, 建立多學(xué)科綜合的車輛nvh 性能仿真分析模型, 并進(jìn)一步研制開發(fā)適用于工程領(lǐng)域的cae 軟件系統(tǒng);b. 混合仿真針對仿真分析建模、求解、檢驗及修正的全過程, 確定nvh 仿真與試驗

10、流程的交互方式, 建立分析與試驗研究一體化的車輛nvh 混合仿真模型, 并研制開發(fā)相應(yīng)的軟件及試驗支持系統(tǒng);c. 仿真分析輸入條件反求以動力學(xué)系統(tǒng)的輸入識別理論為基礎(chǔ), 引入試驗?zāi)B(tài)分析及kbe 技術(shù), 通過簡單的設(shè)計性試驗以反求仿真分析的輸入條件, 同時確保其具有較高的精度, 從而緩解仿真分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不完備的矛盾;d. 不確定性影響因素分析揭示車輛內(nèi)在結(jié)構(gòu)、性能及使用環(huán)境中相關(guān)不確定性因素對其nvh性能的影響規(guī)律, 預(yù)測在不確定性因素情況下的仿真分析置信度, 并建立相應(yīng)的評價準(zhǔn)則。上一頁 12 3下一頁4 nvh 虛擬環(huán)境技術(shù)進(jìn)一步走向工程應(yīng)用針對車輛nvh 性能的cae 分析結(jié)果, 已不僅

11、局限于曲線、圖表的形式。借助于虛擬現(xiàn)實環(huán)境, 可向有關(guān)技術(shù)、管理人員及最終用戶提供身臨其境般的聽覺、觸覺及視覺感受, 從而能夠在車型開發(fā)的早期階段, 先于樣車的出現(xiàn)而切身體會其nvh 性能,并據(jù)此進(jìn)行主觀、客觀評價和改進(jìn)設(shè)計方案。這個在幾年前提出的技術(shù)概念已成為現(xiàn)實, 并在工程應(yīng)用中不斷完善, 從而逐步走向成熟。據(jù)報道, 國外已有汽車公司研制出適合于工程應(yīng)用的交互式nvh 性能模擬裝置novisim, 可對由cae 模型預(yù)估及性能試驗獲得的車輛噪聲、振動信號實施精確回放。評價人員( 技術(shù)人員、管理人員、用戶等) 首先設(shè)定被模擬車型的相關(guān)參數(shù)及載荷、路況等環(huán)境信息, 然后在虛擬現(xiàn)實場景中對油門、

12、制動、擋位等進(jìn)行交互式操縱, 獲得關(guān)于噪聲、振動信號的實時反饋與切身感受。還可隨時切換車型參數(shù), 以便針對不同車型進(jìn)行性能對比。該系統(tǒng)目前已被有關(guān)企業(yè)納入其新品車型的設(shè)計開發(fā)流程, 用于動力傳動系統(tǒng)的聲學(xué)品質(zhì)目標(biāo)設(shè)定以及概念設(shè)計虛擬樣機nvh 性能的主觀評價17。應(yīng)用車輛nvh 虛擬環(huán)境技術(shù), 可以在設(shè)計開發(fā)流程中逐步擺脫對物理樣車的依賴, 并最終實現(xiàn)“零樣車”的nvh 設(shè)計開發(fā)模式, 從而大大縮短設(shè)計開發(fā)周期并降低費用。除此之外, 一方面, 基于對測試環(huán)境的完全可控性, 上述虛擬環(huán)境技術(shù)能夠從根本上克服傳統(tǒng)實車道路測試方式下的測試環(huán)境難以再現(xiàn)以及測試結(jié)果一致性較差的弱點；另一方面, 較之傳統(tǒng)

13、的實車消聲室內(nèi)nvh 測試評價方式, 虛擬環(huán)境技術(shù)能夠提供高度逼真且更為豐富的駕乘工況體驗, 由此可大大提高nvh 評價結(jié)論的普適性與說服力, 并可成為聯(lián)系專業(yè)人員與用戶的技術(shù)橋梁。由于尚未實現(xiàn)商品化, 迄今為止, 類似于上述novisim的車輛nvh 性能模擬裝置僅由個別企業(yè)研制并應(yīng)用。為使這項技術(shù)得到推廣, 實現(xiàn)其商品化是必由之路, 這也是技術(shù)發(fā)展的客觀要求與必然趨勢。5 用于車輛噪聲控制的材料及結(jié)構(gòu)技術(shù)有所創(chuàng)新和發(fā)展迄今為止, 阻尼、吸聲材料及結(jié)構(gòu)在汽車噪聲控制領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用, 例如: 阻尼涂層、泡沫材料、約束層阻尼結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾吸聲表面以及最近出現(xiàn)的aba 隔熱墻襯墊, 等等。這

14、些已成為改善車輛nvh 性能的最主要的工程處理手段。傳統(tǒng)的阻尼、吸聲材料及結(jié)構(gòu)普遍存在低頻性能差、空間難以布局等弱點, 限制了其在汽車上的有效使用。因此, 汽車噪聲控制領(lǐng)域目前迫切需要能夠克服上述弱點的新型材料及結(jié)構(gòu)。在這方面, 非阻塞性粉體及顆粒阻尼結(jié)構(gòu)(nopd) 是一項極具價值的新技術(shù), 其適用頻帶寬, 可以不占用有空間, 并且成本低廉。為使該技術(shù)能夠在汽車工程領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用, 目前需要通過進(jìn)一步研究解決兩方面的問題: 一是對其阻尼作用機理的深入揭示, 二是工程應(yīng)用的指導(dǎo)性原則和技術(shù)規(guī)范, 且后者更為迫切。在噪聲、振動的主動控制領(lǐng)域, 壓電材料體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)迅速,因而具有良好的工程應(yīng)用前景。目前, 國外已有技術(shù)機構(gòu)將壓電陶瓷材料用于新型汽車消聲器的研制開發(fā) , 試圖將壓電材料制成傳感器和激勵器并集成于汽車相關(guān)構(gòu)造當(dāng)中, 例如轉(zhuǎn)向柱等, 從而形成機敏結(jié)構(gòu)。現(xiàn)階段, 在汽車噪聲控制領(lǐng)域, 壓電材料技術(shù)的應(yīng)用研究多數(shù)還處在探索、試驗及改進(jìn)的階段。然而, 鑒于壓電材料的種種優(yōu)勢以及汽車噪聲控制的迫切需求, 在短期內(nèi)走向工程應(yīng)用是其必然的發(fā)展趨勢。6 結(jié)束語長期以來, 汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家對汽車噪聲控制問題給予了高度重視, 積累了較