汽車噪聲的研究現(xiàn)狀

汽車噪聲的研究現(xiàn)狀

污染是環(huán)境中的四種污染之一。1992年聯(lián)合國環(huán)境保護(hù)署(UNEP)發(fā)表的報(bào)告《環(huán)境狀況—拯救我們的星球》中關(guān)于噪聲污染方面指出“與10年前相比,噪聲已經(jīng)成為一個(gè)更加嚴(yán)重的問題,特別是在許多發(fā)展中國家,噪聲污染日趨嚴(yán)重?！痹肼曃廴静煌诖髿馕廴?、水污染,它具有大面積、不積累、實(shí)時(shí)、慢性致命等特點(diǎn),人們過去只注意噪聲對聽力的影響,而忽略了它對心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等均有影響,現(xiàn)在人們甚至稱它為“致人死命的慢性毒藥”。隨著我國汽車保有量的增加,汽車對環(huán)境的污染日益嚴(yán)重,已經(jīng)對人們生活質(zhì)量產(chǎn)生了很大的影響,其中汽車噪聲所造成的污染嚴(yán)重影響人的精神狀態(tài)和生活質(zhì)量。試驗(yàn)結(jié)果表明,人們長期在85~90dB(A)噪聲級環(huán)境下工作,將會造成永久性的聽力損害。世界衛(wèi)生組織(WHO)認(rèn)為:噪聲不同程度地影響了人的精神狀態(tài);在一定意義上,噪聲干擾了人們的工作、學(xué)習(xí)、日常生活、休息和睡眠,影響了人的精神狀態(tài)和健康,影響了人們的生活質(zhì)量。因此如何對汽車進(jìn)行降噪已經(jīng)成為一個(gè)全球性課題,得到了世界各國的廣泛重視,汽車制造發(fā)達(dá)的國家都頒布了汽車噪聲法規(guī),不僅規(guī)定了汽車噪聲限值和相應(yīng)的測試規(guī)范,還制定了大量包括發(fā)動(dòng)機(jī)等在內(nèi)的總成噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。1噪聲源部分的噪聲噪聲治理的第一步是聲源識別,即確定汽車各個(gè)部分的噪聲源。由試驗(yàn)結(jié)果可知,汽車主要噪聲源可以分為發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、車身振動(dòng)噪聲、底盤噪聲以及空氣動(dòng)力噪聲等,如圖1所示。1.1燃燒噪聲和機(jī)械噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲包括燃燒、機(jī)械、進(jìn)氣、排氣、冷卻風(fēng)扇及其他部件發(fā)出的噪聲。在發(fā)動(dòng)機(jī)各類噪聲中,發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噪聲和機(jī)械噪聲占主要成分。燃燒噪聲產(chǎn)生于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣四個(gè)行程,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。機(jī)械噪聲是指發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí),各零件相對運(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,包括活塞敲擊聲、氣門機(jī)構(gòu)聲、正時(shí)齒輪聲。燃燒噪聲和機(jī)械噪聲都是由發(fā)動(dòng)機(jī)本體發(fā)出的,并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,噪聲也相應(yīng)增加。一般情況下,低轉(zhuǎn)速時(shí)燃燒噪聲占主導(dǎo)地位,高轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)械噪聲占主導(dǎo)地位?？諝鈩?dòng)力噪聲是指汽車行駛中,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。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。實(shí)踐表明,減少振動(dòng)是降低噪聲的根本措施。增加發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼,是減少表面振動(dòng)的辦法,從而達(dá)到降低噪聲的目的。1.2排氣噪聲的影響發(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:1)排氣門開啟時(shí)產(chǎn)生的周期性排氣噪聲;2)氣體渦流噪聲:當(dāng)高速氣流通過排氣門和管道時(shí)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流而輻射噪聲;3)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。排氣噪聲的大小與發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率、轉(zhuǎn)速、氣門壓力等因素有關(guān),并隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷而變化。對于發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲這類空氣動(dòng)力性噪聲,最有效的降噪措施是在排氣管道中安裝消聲器。消聲器的作用是消耗氣流的能量,平均氣流的壓力波動(dòng),讓氣流通過,對噪聲有一定的消減作用。1.3齒輪噪聲的影響因素汽車傳動(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)而發(fā)出噪聲。影響齒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、嚙合間隙的調(diào)整。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:一是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;二是胎體和花紋部分震動(dòng)引起的輪胎震動(dòng)噪音;三是當(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。1.4《理想國》第5條,認(rèn)為每現(xiàn)代企業(yè)在的領(lǐng)域設(shè)計(jì)了大量的知識,其也和英當(dāng)車速達(dá)到100km/h以上時(shí),氣動(dòng)噪聲成為最主要的噪聲源。對乘用車來說,降低氣動(dòng)噪聲已經(jīng)成為其NVH研究的重要內(nèi)容。乘用車氣動(dòng)噪聲與其外型、速度、風(fēng)向等有關(guān)。對于氣動(dòng)噪聲的研究主要是采用模擬仿真的方法以及進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等。由于受到機(jī)械影響和路面激勵(lì)作用,造成汽車整體上所有部件都會對外產(chǎn)生噪聲。這些影響汽車噪聲的因素原因復(fù)雜,使得控制汽車噪聲仍然顯得十分困難。不同類型的汽車噪聲特征及各個(gè)噪聲源所占整車噪聲的能量比率差異也非常大。2控制車輛噪聲的方法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。2.1齒輪傳動(dòng)降低噪聲隨著材料科技的發(fā)展,各種新型材料應(yīng)運(yùn)而生,用一些內(nèi)摩擦較大的合金,高強(qiáng)度塑料生產(chǎn)機(jī)器零件,對于風(fēng)扇可以選擇最佳葉片形狀降低噪聲;齒輪改用斜齒輪或螺旋齒輪,嚙合系數(shù)大,可降低噪聲3~16dB;改用皮帶傳動(dòng)代替一般的齒輪傳動(dòng),由于皮帶能起到減震阻尼作用;選擇合適的傳動(dòng)比也能降低噪聲。隨著材料科技的發(fā)展,各種新型材料應(yīng)運(yùn)而生,用一些內(nèi)摩擦較大的合金、高強(qiáng)度塑料生產(chǎn)機(jī)器零件,對于風(fēng)扇可以選擇最佳葉片形狀降低噪聲;齒輪改用斜齒輪或螺旋齒輪,嚙合系數(shù)大,可降低噪聲3~16dB;改用皮帶傳動(dòng)代替一般的齒輪傳動(dòng),由于皮帶能起到減震阻尼作用;選擇合適的傳動(dòng)比也能降低噪聲。2.2汽車噪聲的主要表現(xiàn)在于隔聲和震動(dòng)吸聲:吸聲是用特種被動(dòng)式材料來改變聲波的方向,在車室內(nèi)合理的布置吸聲材料能有效降低聲能的反射量,達(dá)到降噪的目的。目前在汽車上使用的吸聲材料有:1)多孔性吸聲材料,其原理是當(dāng)聲波進(jìn)人材料表面空隙,引起空隙中的空氣和材料微小纖維的振動(dòng)來消耗聲能達(dá)到吸聲目的,一般有尼龍、人造絲、聚酯等多孔性材料;2)穿孔板結(jié)構(gòu),在板與車身之間保留一定的空隙,形成赫爾姆霍斯共振腔耗散聲能。隔聲:這種方法是用某種隔聲材料將聲源與周圍環(huán)境隔離,使輻射的噪聲不能直接傳播到周圍區(qū)域,從而達(dá)到降噪目的。常用措施有隔聲材料和隔聲結(jié)構(gòu),選用隔聲結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮所隔噪聲的特點(diǎn)、材料、結(jié)構(gòu)性能和成本。目前通常采用雙層壁結(jié)構(gòu),在夾層中填充玻璃棉聚酯泡沫、毛氈等吸聲材料,以此提高隔聲效果。減震: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)。因此,為了防止發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系、懸架及輪胎的振動(dòng)傳人車內(nèi),需要加強(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,可以防止車身自身振動(dòng)。由于發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車主要噪聲源,同時(shí)距離駕駛員距離最近,因此在引擎蓋內(nèi)側(cè)加貼防火隔音毯、對儀表盤下層加裝消音墊,對吸收發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲有明顯效果。此外,在車內(nèi)乘員廂中央底盤以及行李箱地盤上粘貼阻尼材料和吸聲墊以及防潮吸聲毯,能夠很好抑制板件振動(dòng)以及由此產(chǎn)生的噪聲和輪胎路面噪聲、排氣噪聲等,大大降低車內(nèi)乘員的不舒適感,提高汽車NVH性能。2.3噪聲自適應(yīng)控制隨著微電子學(xué)的發(fā)展,主動(dòng)控制降噪得到廣泛應(yīng)用。噪聲主動(dòng)控制是近20年來發(fā)展起來的一種全新的噪聲控制方法。與傳統(tǒng)降噪措施相比,其突出優(yōu)勢在于低頻噪聲控制效果好。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)。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(次級聲源),使其產(chǎn)生的聲場與原噪聲源(初級聲源)產(chǎn)生的聲場發(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。目前主動(dòng)汽車噪聲的主動(dòng)控制還未大規(guī)模商品化,其控制方法主要有兩種:自適應(yīng)主動(dòng)降噪控制系統(tǒng)以及反振動(dòng)主動(dòng)降噪系統(tǒng),前者利用傳感器拾取噪聲并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柡?送入自適應(yīng)信號處理部分,采用快速橫向?yàn)V波算法,利用其自適應(yīng)干擾抵消功能主動(dòng)降噪;后者利用稀土巨磁致伸縮(REGMS)材料制成的制動(dòng)器對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行反振動(dòng)作用,從而消除發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲。利用REGMS材料制成的位移制動(dòng)器有以下優(yōu)點(diǎn):位移大、制動(dòng)力大、響應(yīng)速度快、可靠性高、頻帶寬、電源簡單。其彈性模量隨磁場變化而變化,便于調(diào)控。在20Hz~1000Hz頻率下工作,頻率特性好,滿足車內(nèi)噪聲頻率范圍要求,降噪效果顯著。若利用逆磁致伸縮效應(yīng),可將REGMS晶體兼做驅(qū)動(dòng)元件和傳感器。當(dāng)使用可編程控制系統(tǒng)時(shí)可降低振動(dòng)36dB。3汽車加速噪聲由于車輛在加速時(shí)能體現(xiàn)出常用工況下的車輛最大噪聲,特別在市區(qū)環(huán)境下行駛的最大噪聲,因此大部分工業(yè)國家都會對汽車加速噪聲進(jìn)行考核,并作為主要指標(biāo)。目前,勻速行駛車外噪聲試驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)方法與交通噪聲的實(shí)際狀態(tài)對應(yīng)差,且相較于加速噪聲,其結(jié)果的再現(xiàn)性也較差,所以現(xiàn)在已經(jīng)很少進(jìn)行勻速噪聲測量了。并且,目前我國頒布實(shí)施的測試方法也只有車輛行駛工況中的加速噪聲的部分。3.1噪聲限值的比較由于我國在規(guī)定車外噪聲限制時(shí)所基于的試驗(yàn)方法是ECER51(1997)《關(guān)于在噪聲方面(至少有4個(gè)車輪)型式認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》,表1為我國與ECER51車外加速噪聲限值的對比。從表1可以看出,我國M1類車輛噪聲最接近發(fā)達(dá)國家的水平,但仍有近10年的差距。M2和N1類雖然限值與國外20世紀(jì)90年代相同,但在噪聲測試中發(fā)現(xiàn)處在限值邊緣的車型不在少數(shù),甚至有些車型不合格。而其他類別的車輛僅為發(fā)達(dá)國家20世紀(jì)80年代末水平。雖然汽車分類發(fā)生了變化,測量方法也有變化,若用現(xiàn)在的限值與原國標(biāo)(GB1495-79)相比存在一定的問題,但是從總體趨勢上來講,轎車下降了8dB,客車減小了3-6dB,貨車減小了5-8dB,降噪成效十分顯著。3.2號識別能力的影響因素車內(nèi)噪聲是影響乘員舒適性、聽覺損害程度、語言清晰度以及對車外各種音響訊號識別能力的重要因素。目前我國僅制定了勻速行駛車內(nèi)噪聲試驗(yàn)方法,而ISO及歐美日等國除制定了勻速行駛車內(nèi)噪聲試驗(yàn)方法以外,還制定了車輛加速行駛和車輛靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況和加速工況對車內(nèi)各個(gè)區(qū)域位置影響的測量方法。3.3噪聲限值的執(zhí)行歐美日行駛試驗(yàn)中都規(guī)定車輛必須做定置狀態(tài)噪聲測量,我國曾參照ISO5130:1982,制訂了GB/T14365-1993《機(jī)動(dòng)車輛定置噪聲測量方法》和GB16170-1996《汽車定置噪聲限值》,但一直未正式執(zhí)行。車輛定置噪聲測量主要是針對排氣噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的測量。實(shí)際在加速行駛噪聲測量中常常會發(fā)現(xiàn)安裝有排氣管的一側(cè)噪聲值比另一側(cè)大1~2dB(A),這說明在汽車綜合噪聲中排氣噪聲所占比重較大。車輛定置狀態(tài)噪聲測量對測量場地要求較低,測試方便、時(shí)間短,便于汽車制造廠對行車噪聲的檢測和車輛管理部門隨時(shí)隨地對在用車輛噪聲進(jìn)行檢測、監(jiān)督和控制;同時(shí)便于維修調(diào)試人員對發(fā)動(dòng)機(jī)和消聲設(shè)備的損壞和失效做出判斷,可使車輛保持在較好的技術(shù)狀態(tài),減少對車輛的毀壞和對環(huán)境的污染。3.4其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)3.4.1最高車速噪聲試驗(yàn)?zāi)壳皣鈨A向于對車速較高的汽車按照高速公路限定的最高車速進(jìn)行以評價(jià)輪胎噪聲為目的的高速行駛噪聲試驗(yàn),國際標(biāo)準(zhǔn)化組織正在開展此項(xiàng)研究工作。目前此項(xiàng)工作在國內(nèi)的開展并不普及。3.4.2噪聲限值的制定發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲目前是整車噪聲的主要因素。在歐盟、日本和美國等汽車生產(chǎn)的發(fā)達(dá)國家,他們基本每隔6年就修訂相關(guān)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn),大幅度降低噪聲限值,從而大大推進(jìn)了噪聲控制技術(shù)的發(fā)展。而在我國,1986年制定了內(nèi)燃機(jī)噪聲限值標(biāo)準(zhǔn),1993年對此標(biāo)準(zhǔn)做了修改。但是相對于歐美日等國,我國總體上進(jìn)展不大。由于發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲在整車中產(chǎn)生的影響,應(yīng)當(dāng)把汽車整體噪聲控制重點(diǎn)放在發(fā)動(dòng)機(jī)降噪上。4汽車噪聲治理的建議從上世紀(jì)70年代以來,噪聲控制工程已經(jīng)從傳統(tǒng)的隔聲法、吸聲法和消聲法,轉(zhuǎn)向?qū)ζ嚶曉吹淖R別和控制技術(shù)的研究上來。這不僅從根本上為控制汽車整車噪聲指出了方向,而且使汽車的性能,節(jié)能減排等各方面都得到了提高。隨著國家法規(guī)的不斷推出和力度的加大,國內(nèi)汽車制造商及發(fā)動(dòng)機(jī)主要生產(chǎn)商在從聲源入手治理噪聲這方面取得了很大的成績,但是,目前還存在缺乏理論指導(dǎo),在實(shí)際過程中依賴經(jīng)驗(yàn)的問題;此外,某些降噪措施會影響到汽車的動(dòng)力性,經(jīng)濟(jì)性和安全性,比如在某些車輛上只存在一些簡單的包裹和遮擋。因此,個(gè)人建議可以從以下三方面采取措施來控制汽車整車噪聲:(1)制定嚴(yán)格的車輛噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與限值。目前,許多發(fā)達(dá)國家均采用立法手段來致力于道路交通噪聲污染的治理,制定嚴(yán)格的車輛噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與限值則是其中最好的根本措施。對于目前我國的汽車噪聲試驗(yàn)來說,制定和修改汽車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)同國際接軌非常重要,既能促進(jìn)我國汽車制造工業(yè)的進(jìn)步,也便于借鑒先進(jìn)國家的治理成果。(2)試驗(yàn)項(xiàng)目種類應(yīng)更加全面。隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,使得車輛的動(dòng)力性能和行駛速度速度提高。與此同時(shí),汽車的排氣噪聲和輪胎噪聲也已成為不可忽視的主要噪聲源之一。目前我國包括試驗(yàn)方法和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi),還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),這不利于我國控制汽車噪聲的發(fā)展需要。(3)提高大中型汽車的噪聲限值。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展特別是通過合資和直接引進(jìn)國外的成熟產(chǎn)品,我國的轎車和輕型汽