1 前言
车外噪声是指汽车行驶时在其旁测得的噪声,这个噪声是汽车制造鉴定中一个重要的指标, 它是交通噪声中最主要的一部分。现代汽车的噪声特性是衡量汽车质量的重要标志之一。汽车噪声不仅造成周围环境的污染, 影响人们的生活和工作, 严重的甚至会对人们的健康造成威胁。为了进一步限制汽车噪声, 2002 年我国颁布了GB1495—2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》。根据该强制性标准, 2005 年1 月1 日以后, 我国各种车型的噪声限值标准将更加严格, 这将促使各汽车厂家加大对汽车噪声控制的研究。国外汽车工业早就在降低发动机噪声方面做出了相当大的努力, 取得了一些进展。我国在这方面的研究水平还很低, 距离发达国家的降噪水平还有一定的差距。
2 车外噪声产生机理
行驶汽车的噪声包括发动机噪声、底盘噪声、车身噪声以及汽车附件和电气系统的噪声。发动机噪声是汽车的主要噪声源。在我国, 车外噪声, 中发动机噪声约占60%左右。
2.1 发动机噪声
发动机噪声按其机理可分为结构振动噪声和空气动力性噪声。发动机噪声源示意图如图1 所示。
2.1.1 结构振动噪声
通过发动机外表面以及与发动机外表面刚性连接件的振动向大气辐射的噪声称为结构振动噪声或者称为表面辐射噪声。根据发动机表面噪声产生的机理, 结构振动噪声又可分为燃烧噪声和机械噪声以及液体动力噪声。燃烧噪声的发生机理相当复杂, 主要是由于气缸内周期性变化的压力作用而产生的, 与发动机的燃烧方式和燃烧速度密切相关。机械噪声是发动机工作时各运动件之间及运动件与固定件之间作用的周期力、冲击力、撞击力所引起的, 它与激发力的大小和发动机结构动态特性等因素有关。一般说来, 在低速时, 燃烧噪声占主导地位; 在高转速时, 由于机械结构的冲击振动加剧而使机械噪声上升到主导地位。车用发动机的辐射噪声频率范围主要在500~3000Hz 内, 而其主要噪声辐射部件的临界频率大致在500~800Hz 范围内。发动机中液体流动产生的力对发动机结构激振产生的噪声称为液体流动噪声。如冷却系中的水流循环对水套的冲击而产生的噪声。
2.1.2 空气动力性噪声
直接向大气辐射噪声源, 即由于空气动力学的原因直接使空气质点振动产生的噪声为空气动力性噪声。空气动力噪声包括进、排气噪声和风扇或风机噪声。排气噪声是发动机的最大声源, 进气噪声次之。风扇噪声也是发动机的主要噪声源之一。排气噪声由周期性排气噪声、涡流噪声和空气柱共鸣噪声组成。周期性排气噪声是排气门开启时一定压力的气体急速排出而产生的; 涡流噪声是高速气流通过排气门和排气管道时产生的; 空气柱共鸣噪声是管道中的空气柱在周期性排气噪声的激发下发生共鸣而产生的。
对于发动机噪声的评价, 除考虑其辐射噪声声能量总水平外, 还应考察以下噪声特性: 噪声级及其随发动机工作状态的变化关系, 发动机周围空间各点噪声级数值的分布状态, 空间各点的噪声频谱以及发动机工作过程各阶段的瞬时声压级。通过这些信息, 不但可以比较和评价发动机辐射噪声的大小,还可以深入研究辐射声能在频率上的分布情况, 判断发动机工作循环中辐射声最大的阶段, 以便分析产生高噪声的原因, 提高噪声控制措施并比较和评价这些措施的有效性和经济上的合理性。
2.2 底盘噪声
汽车底盘结构固体声源产生噪声主要是传动系噪声和轮胎噪声。传动系噪声频率为400- 2000Hz。其中齿轮传动的机械噪声是主要部分。齿轮噪声以声波向空间传出的仅是一小部分, 而大部分则成了变速器驱动桥的激振使各部分产生振动而变为噪声。
轮胎噪声的主要产生机理, 按声源的激励性质不同, 轮胎噪声主要产生机理可分三大类:
（1） 气流生机理。随着轮胎的滚动, 在与路面接触区, 花纹沟内空气不断地被吸入与挤出, 由此形成“空气泵” 噪声, 这是横向花纹的一种主要噪声机理。此声源为作起伏变化的气体, 属气流噪声。
（2） 机械声机理。由胎面花纹块不断撞击路面、轮胎结构的不均匀性以及路面的不平性等因素激发机械噪声, 是光面胎及纵向花纹的主要噪声源。
（3） 滤波放大机理。轮胎与路面接触处形成喇叭口几何体, 对上述噪声起着滤波放大作用。另外,胎面花纹沟与路面所围管道内的空气共振以及轮胎花纹块离开路面处形成的亥姆霍兹共振效应主要为袋状沟的噪声机理。
2.3 车身噪声
车身噪声主要是由于汽车加速行驶时空气流过汽车表面和孔道时产生的噪声。该噪声主要来源于气流有明显折弯的地方, 在该区域内气流分离,分离区内旋涡脱落, 形成噪声。
3 噪声控制的基本技术
降低声源噪声是噪声控制的最根本、最直接和最有效的途径。为了降低声源噪声, 首先必须识别出噪声源, 弄清声源产生噪声的机理和规律, 然后改进机器设计方案和结构, 降低产生噪声的激振力, 降低发声部件对激振力的响应, 从而达到根治噪声的目的。
降低发声部件对激振力的响应包含两层意思,其一是分析辨别机器主要辐射噪声的部件或表面,改善激振力源到该部位的传递特性, 使之对激振力具有较小的响应; 其二是降低噪声辐射表面的声辐射系数, 即使得同样大小的振动所辐射的噪声能量更小, 常用措施是改善辐射表面的结构形状和附加一些内损耗系数较大的阻尼材料。
常用的噪声振动控制技术, 包括吸声、隔声、消声、隔振和阻尼减振, 也称为无源控制技术。
3.1 吸声降噪
在任何有限的空间内, 噪声源辐射噪声形成的声场都包含直达声和混响声两部分。如果在噪声源周围的有限空间内布置一些可吸声的材料, 就会降低声能的反射量, 使混响声部分大大降低, 从而达到降噪的目的。这种降噪方法叫做吸声法。
采用吸声材料进行声学处理是最常用的吸声降噪措施。工程上具有吸声作用并有工程应用价值的材料多为多孔性吸声材料, 而穿孔板等具有吸声作用的材料, 通常被归为吸声结构。多孔材料主要吸收中高频噪声, 大量的研究和实验表明: 多孔性吸声材料, 如矿棉、超细玻璃棉等, 只要适当增加厚度和容重, 并结合吸声结构设计, 其低频吸声性能也可以得到明显改善。
吸声结构的吸声机理, 就是利用赫姆霍兹共振吸声原理。当声波入射到赫姆霍兹共振吸声器的入口时, 容器内口的空气受到激励, 将产生振动, 容器内的介质将产生压缩或膨胀变形。当赫姆霍兹共振吸声器达到共振时, 其声抗最小, 振动速度达到最大, 对声的吸收也达到最大。
吸声材料主要用在发动机壳体上来吸收和降低其声辐射效率。在汽车发动机罩壳体内侧表面使用吸声材料时车内噪声降低效果, 在500Hz 以上的区域, 车室内噪声可降低2~3dBA。发动机罩内侧吸声层一般是以玻璃纤维和毛毡系的吸声材料的基体的材料, 用非织物进行表明处理, 背后设计成空气层结构。
3.2 隔声降噪声
波在传播途径中, 遇到匀质屏障物时, 由于介质特性阻抗的变化, 使部分声能被屏障物反射回去,一部分被屏障物吸收, 只有一部分声能可以透过屏障物辐射到另一空间去, 透射声能仅是入射声能的一部分。由于反射与吸收的结果, 从而降低噪声的传播。
隔声构件隔声量的大小与隔声构件的材料、结构和声波的频率有关。常见的基本隔声结构有单层壁和双层壁两种。
最简单的隔声结构是单层均匀密实壁, 如钢板、铅板、砖墙、钢筋混泥土墙等。试验发现, 单层壁的隔声量与壁的单位面积质量有密切关系。单位面积质量越大, 其隔声量越高, 同样厚度的钢板比铝板隔声效果好, 同样材料的结构厚度大的隔声效果好, 这个规律称为隔声的质量定律。
双壁层就是在双列平行的单层壁之间保留一定尺寸的空气层。一般情况下, 双层墙比单层匀质墙隔声量大5~10dBA; 如果隔声量相同, 双层墙的总重比单层墙减少2/3~3/4。这是由于空气层的作用提高了隔声效果。其机理是当声波透过第一层墙时, 由于墙外及夹层中空气与墙板特性阻抗的差异, 造成声波的两次反射, 形成衰减, 并且由于空气层的弹性和附加吸收作用, 使振动的能量衰减, 然后再传给第二层墙, 又发生声波的两次反射, 使透射声能再次减少, 因而总的透射损失更多。
隔声法常用的隔声装置有隔声罩、隔声室和隔声屏。在汽车中一般都采用发动机罩将辐射噪声强烈的发动机遮蔽起来, 发动机罩就是一种典型的隔声罩。根据隔声罩的封闭范围可分成三种型式的隔声罩: 全隔声罩、半隔声罩和局部隔声罩。全隔声罩可用于机车发动机组降噪。国际上已经成功设计出低噪声机组。汽车驾驶室和客车车厢都属于隔声室这类隔声装置。在高速公路两旁可以采用声屏障来抑制交通噪声对两旁居民的干扰。
3.3 阻尼降噪
对于金属薄板振动辐射的噪声, 常采用阻尼降噪技术。阻尼是指系统损耗能量的能力。从减振的角度看, 就是将机械振动的能量转变成热能或其他可以损耗的能量, 从而达到减振的目的。阻尼技术就是充分运用阻尼耗能的一般规律, 从材料、工艺、设计等各项技术发挥阻尼在减振方面的潜力, 以提高机械结构的抗振性、降低机械产品的振动、增强机械与机械系统的动态稳定性, 减少因机械振动所产生的声辐射, 降低机械噪声。此外, 阻尼还可以使脉冲噪声的脉冲持续时间延长, 降低峰值噪声强度。
衡量材料阻尼特性的参数是材料损耗因子, 大多数阻尼材料的损耗因子随环境条件变化而变化,特别是温度和频率对损耗因子具有重要影响。
3.4 空气动力噪声
的控制消声器能有效地阻止或减弱噪声向外传播, 是控制空气动力性噪声的主要技术措施。在空气动力机械的输气管道中或进、排气口上安装合适的消声器, 就能使进、出口噪声降低20~50dBA。因此, 消声器广泛用于各种风机、内燃机、空气压缩机、燃汽轮机及其它高速气流排放的噪声控制中。
4 汽车噪声控制步骤
4.1 噪声控制一般步骤
噪声污染的特点是局部性和无后效应的。声源停止辐射, 噪声污染就消失了。在任何噪声环境中,声源发出噪声并向外界辐射的过程为噪声源通过一定的途径到达接受者。噪声源、传播途径和接收者三个环节是噪声控制中必须考虑的, 相应的措施包括:
（1） 从声源上降低噪声, 研究各种声源的发生机理、控制和降低噪声的发生是根本性措施。目前在声源的控制上主要采用两种办法: 一是改进设备结构, 提高加工和装配质量, 以降低声源的辐射声功率; 二是采取隔振、阻尼处理等减少振动能量传递或减少振动。
（2） 在传输途径上控制噪声, 即从噪声的传播途径上控制噪声。这方面的方法有很多, 如隔声、隔振处理以及隔声屏障、隔声间的使用等措施。
（3） 在接受点阻止噪声, 保护接收者。接收者可以是人, 也可以是灵敏的设备。工人可以佩带护耳器或在隔声间操作等加以保护; 仪器设备可以采用隔声、隔振设计等手段加以保护。
4.2 汽车噪声控制步骤
汽车噪声控制工程的基本过程:
（1） 对象的噪声现状的评价、声源分离和主要声源识别。汽车声源识别方法有: 噪声源的分离技术包括整车加速噪声分离的道路试验方法与整车、主要总成噪声分离的台架试验方法。表面声源识别技术包括铅覆盖法、声强法等近场测试方式。声振相关分析。功率流分析技术。统计能量分析技术。
（2） 主要声源的发生、传播机理分析和控制措施研究。
（3） 控制措施的实施、效果验证、总结评估。
5 结束语
本文主要论述了车外噪声控制技术与基本实施步骤, 从工程应用实例分析看, 国内各类车型的噪声控制还有一定的空间, 即国内各类车型目前噪声较大。只要控制噪声方法得当, 正确地识别出声源, 采用基于试验分析技术和基于解析分析技术的汽车噪声控制方法, 是可以降低汽车噪声。但随着噪声标准的提高, 要降低汽车噪声达到新的国标困难就很大, 必须在现有的技术的基础上提高研究和检测手段。从汽车振动与噪声控制的方面看, 主要进行以下工作。
（1） 提高噪声声源检测手段, 解决运动中的多个声源的检测问题。如高速列车、汽车运动中的噪声源依次通过声波束时, 系统应能测量噪声的声源强度, 并能给出三维的噪声声源分布。并能在汽车行驶中区别出发动机噪声、轮胎噪声、排气噪声和空气动力学噪声等检测问题。
（2） 研究汽车智能子系统, 减少汽车振动, 降低汽车噪声。
（3） 研究汽车在多场耦合作用下, 噪声产生机理, 减少多场作用产生噪声。
（4） 从系统理论出发, 研究车- 路- 人的噪声传播机理, 研究低噪声路面、低噪声轮胎和隔声设备以降低汽车噪声对人类的影响。
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