第4章 汽车振动噪声控制技术.ppt.ppt
第四章 汽车振动噪声控制技术,目录,4.1 汽车振动噪声控制技术的新进展 4.1.1、汽车振动噪声概述 4.1.2、汽车振动噪声技术的分析方法 4.1.3、汽车振动噪声的测试技术4.2 汽车振动噪声的主动控制技术 4.2.1、汽车振动主动控制技术 4.2.2、汽车噪声主动控制技术4.3 汽车车内外噪声控制 4.3.1、车内噪声控制 4.3.2、车外噪声,汽车的振动噪声特性是表征汽车品质的重要指标当今世界汽车市场竞争激烈，在每个市场层次上都充斥着各生产商推出的功能上大同小异的类似车型。消费者挑选汽车时往往首先感受的是驾驶或乘坐汽车时的振动和噪声状态，或者讲是在有意无意地比较其振动和噪声控制水平。同时，汽车产品也必须满足日益严格的噪声法规和标准的要求。因此汽车的振动噪声控制作为汽车设计、制造方面的一个重要课题，受到广泛重视。,4.1 汽车振动噪声控制技术的新进展,4.1.1 汽车振动噪声概述1、汽车振动噪声产生机理,成因,2.国外汽车振动噪声技术发展概况,国外投入大，各大公司有近1/5的开发费用耗费在解决车辆振动噪声问题上；在低噪声汽车产品开发过程中严格控制：1）设计阶段充分考虑，2)生产工艺中严把质量关，3)声源识别及测试分析方法先进。主要研究的趋势表现在三个方面：1）声品质的改善，2）有源噪声控制（Active Noise Control，ANC）技术，3）智能材料用于噪声控制。,3.国内汽车振动噪声技术发展概况,与国外发达国家的同类车型相比，在噪声性能方面的差距较大，大部分汽车车内噪声偏高，乘座舒适性较差，和国外同类产品相比差距很大。导致这一结果的原因有很多，如法规的执行力度不够，时紧时松，使得许多汽车厂不愿意在噪声控制方面投入人力、物力、精力等，同时这与我国对于汽车噪声的研究不够，噪声控制水平低，技术滞后是分不开的。到目前为止，只有少数研究单位和高校作过一些零星的汽车噪声控制方面研究工作，对一些方法进行过一些探讨，许多方法的应用还缺乏足够的经验积累，难以有效地指导产品开发。,4.1.2 汽车振动噪声技术的分析方法,有限元法边界元法统计能量分析法模态分析法传递路径分析法,1.有限元法,在汽车噪声问题中，结构有限元可以分析结构振动问题，声学有限元法主要用于分析汽车结构引起的车内噪声问题。有限元法非常适合低频结构振动模拟和分析，也可模拟和分析振动和声的耦合问题，但对声空间的模拟和分析基本沿用对结构振动的处理方法，常常限于封闭空间。商用软件：HYPERWORKS、NASTRAN、LS.DANA等,2.边界元法,边界元法需要结构表面的复声压或复振动速度两个物理量作为输入，然后根据边界条件计算出结构表面另一物理量。边界元法对处理结构声辐射、声散射和结构声腔问题有独特的优越性，因而在实际中得到应用，如分析轮胎结构振动后的声辐射问题和车身壁板振动和声辐射造成的车内噪声问题。商业软件：SYSNOIS、COMET/ACOUSTICS等,3.统计能量分析法,统计能量分析的基本方程是功率流平衡，即对于每一个子系统输出功率等于输入功率加上这个系统的功率损耗。统计能量分析法在预测和分析车内空气噪声的应用较普遍，其更重要作用在于列出主要噪声贡献，以及预测不同设计对车内噪声的相对影响，是分析汽车车内高频噪声的有效方法。商业软件：AutoSEA、SEAMS等。,4.模态分析法,模态分析法主要有理论模态分析、实验模态分析与参数识别以及模态综合。理论模态分析将给出系统物理参数、模态参数和频响函数的关系。模态测试是同时测量结构的输入与输出信号而得到结构的频响函数，将其作为桥梁可进一步识别模态参数和系统参数。模态综合方法则可减少大型结构或整车结构分析时工作量巨大的难度。模态综合方法将一个复杂结构分为若干个子结构，先对每个子结构进行模态分析，然后根据子结构之间的连接条件，将已经获得的子结构的模态特性进行综合分析，从而得到整体结构的模态特性。,5.传递路径分析法,复杂系统受多种振动噪声源的激励，每种激励都可通过不同的路径，经过衰减，传递到多个相应点。为有效降低振动噪声，就需要对各种传递路径进行预测和分析，通常采用矢量叠加法，所以传递路径分析方法（TPA-Transfer Path Analysis)也被称为矢量叠加法。传递路径分析可以基于实验测量，也可以完全基于有限元分析，但更多点是基于实验有限元混合方法。商用软件：LMS公司开发的TPA软件。,4.1.3 汽车振动噪声的测试技术,1.振动测试技术,2.噪声测试技术,GB 1495-79机动车辆允许噪声GB/T 1496-79机动车辆噪声测量方法汽车行业标准QC/T 57-93汽车匀速行驶车内噪声测量方法QC/T 58-93汽车加速行驶车外噪声测量方法GB/T 14365-93机动车辆定置噪声测量方法GB 16170-1996汽车定置噪声限值。GB 1495-2002汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法。,我国颁布的汽车噪声法规和试验方法标准,汽车噪声测试常用的仪器,4.2 汽车振动噪声的主动控制技术,现在主动噪声与振动控制在汽车上的应用越来越多，而且这种趋势还在继续。随着电子控制系统成本的大幅度下降，主动控制不仅在豪华车上应用，而且开始在普通汽车上应用。主动控制的好处在于：它能在一定宽的频率范围内控制振动与噪声。被动控制一旦设计好了，其作用效果的频率范围也就确定了，但有多个频率需要控制时，就需要多个被动控制系统。可是，一套主动控制系统可以随着频率变化而调节。这样主动控制可以减轻设备重量和体积，还可以进行声品质的调节和设计。,振动主动控制多数采用闭环控制，它的基本思想是通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变被控制结构的闭环零、极点配置或参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。,4.2.1 汽车振动的主动控制技术,1、振动主动控制技术的概述,2、汽车振动主动与半主动控制技术,主动控制的好处是可以有效地控制振动与噪声，但是其缺点是成本高、需要额外的能源供应系统、增加重量、系统的可靠性降低和维修困难等。半主动控制的成本低，结构简单，没有额外的能源供应系统，但是其应用受到限制，低频控制效果好，对高频噪声振动很难控制。,3.主动振动隔振,主动隔振器由下面几部分组成：被动隔振器，一般采用液压隔振器作为基础，也有少量橡胶隔振器；激振器，可以是电磁式的，也有的是伺服液压式的；传感器一般用加速度传感器。被动隔振器主要是支撑动力装置系统并具备一定的隔振和防冲性能。安装在车架上的传感器将振动信号传递到控制器上，控制器经过运算，对激振器发出指令。外界能源系统给激振器提供的能量，产生一个与框架振动幅值相等但相位相差180的力作用在框架上，这个力与振动力相互抵消，从而达到减小振动的目的。,悬架系统也有采用主动减振控制器，如图4.14所示。减振器液压油缸的上腔室通过一根管道与另一个辅助液压装置连起来。传感器将信号输入到控制器，控制器控制能量供应系统来推动辅助液压装置，使液体流入或者流出液压油缸的上腔室，从而达到减小振动的目的。图4-15所示为装有控制系统和没有装控制系统车体上的振动曲线。装有控制系统时，车体的振动大大降低。,4、半主动控制,半主动振动控制有两种形式。第一种是改变结构的特征，这主要是通过液压油缸来实现第二种是改变物质的性能，比如在隔振器中，通过对材料加电或者加磁来改变结构的阻尼和刚度特征。,图4.16所示为闭环的半主动控制悬架系统。它与图4.14的主动悬架系统的根本不同是没有额外的能量供应系统。图4.16中的半主动激励器中的压油缸有两个腔室，这两个腔之间是用一根管道相连。管道中间有一个控制阀，来调节两个腔室的压力。控制系统将一部分振动能量储存起来，到一定的时候，这部分能量被释放出来并抵消将要来临的振动。由于采用了反馈控制系统，因此这是一个闭环的控制系统。,电流变液隔振器,它与普通液压隔振器的区别是液体中悬浮着很多细小的电解颗粒，在两个液压腔之间装有电极。当电极通电的时候，液体的黏性迅速增加，而且电流越大，黏性越大。图4-18电流变液压隔振器中液体黏性与电流的关系。图4-19(a、b)所示为电流变液压隔振器的刚度、阻尼曲线。低频时，增加电流，刚度和阻尼都增加，这有理利于抗冲。频率增高时上加电流或者电流值较低，这样刚度低，有利于隔振，但阻尼大，却不利于隔振。总体说来，通过调节电流的大小改变隔振系统的刚度与阻尼，其隔振防冲效果比纯液压隔振器好。图4-19(c)所示为使用电流变液隔振器系统的传递率曲线。可以根据这条曲线来调节所需的电压，以达到最佳传递率。,磁流变液压隔振器,与电流变液体类似，还有一种叫“磁流变”的液体，加上磁场之后，这种液体的特性会发生改变。图4.20所示为磁流变液压减振器，两个磁体安装在减振器中间。,在没有磁场的情况下，流体中的颗粒是处在自由悬浮状态，如图4.21(a)所示。加入磁场后，流体中的颗粒就变成有规则地沿着东西磁场线排列，如图4.21(b)所示。这样颗粒形成了链状结构，增加了上下运动的阻尼，从而改变了结构的动力性能。这种从自由状态到排序状态的变化在非常短的时间内完成。,镶嵌有记忆合金的液压隔振器,将记忆合金应用到隔振器上，如图4.22所示。记忆合金被镶嵌在液压隔振器的橡胶里面：记忆合金有个特点，它发生塑性变形后，只要加温，又可以恢复到原来的形状。在低温的时候，合金处于马氏体状况，杨氏模量低；在高温的时候，合金处于奥氏体状况，杨氏模量高。这样只要简单地在记忆合金上通电或者断电，就可以改变隔振器的动力特征。,在设计与选用隔振器时，要注意确定振动激励的性质，规定振动隔离的性能指标，选择合适的振动控制方法、分析计算振动隔离系统，并依据载荷的性质、安装空间等条件选择合适的隔振器及安装方式。,4.2.2 汽车噪声主动控制技术,传统的噪声控制技术主要以研究噪声的声学控制方法为主，主要技术途径包括吸声、隔声、使用消声器、振动的隔离、阻尼减振等。这些噪声控制方法的机理在于，通过噪声声波与声学材料或声学结构的相互作用消耗声能，从而达到降低噪声的目的，属于无源或被动式的控制方法，可称为“无源”噪声控制(Passive Noise Control)。一般说来，无源噪声控制方法对控制中高频噪声较为有效，而对低频噪声的控制效果不大。为此，需要采用一项新技术主动噪声控制技术，也称有源噪声控制(Active Noise Control)技术,1、噪声主动控制技术发展概况,有源噪声控制是在指定区域内人为地、有目的地产生一个次级声信号去控制初级声信号,以达到降噪目的的技术，依据的原理是两列声波干涉相消原理。若次级声源产生与初级声源的声波幅值相等、相位相反的声波，则与该区域内的原始声场相互抵消就达到了降噪的目的。与传统的降噪技术相比，它突出的优势在于对低频噪声控制效果好及对原系统的附加质量小，因此近年来有源噪声控制在降低低频噪声中得到了广泛应用。,2、进气系统的主动噪声控制,图4.23所示为体积可调节的赫姆霍兹消声器。在这个消声器中，保持管道长度和直径不变，而调节它的体积。消声器的底部是可以滑动的，通过一个控制机构来控制。这样消声器底部的声学阻抗 随着转速而变化，也就是随着频率而变。在低频的时候，体积大，频率高时，体积相应减小。这样只用一个可调节的赫姆霍兹消声器，就可以降低许多频率的噪声。,3、进气系统主动噪声控制,有源消声器用于重型卡车排气噪声的主动控制。该有源消声器与一个简化结构的“无源消声器”串联使用，简化结构无源消声器装在发动机排气管一侧，用于消除高频噪声；有源消声器装在排气管尾部，用于消除低频噪声。,4、车内噪声的主动控制,六缸发动机当只有三个缸工作时，发动机本身的动态平衡不好，而且发火阶次转变为1.5阶。也就是说它的振动与声学特性与六缸全工作时完全不同，三缸工作时产生的噪声就是一种异常噪声。为了减少车内的这种噪声，现在一些汽车上使用了车内主动噪声控制技术。,图4.27所示为车内主动噪声控制系统。这个系统包括：主动控制装置、音响系统和传声器。主动控制装置安装在汽车前围板里面，包括电子控制元件和传声器等。产生次级声源的扬声器使用汽车本身的音响。如果要降低后排座位的噪声，则需要在乘客附近安放一个独立的传声器。发动机的转速信号与传声器的信号一起输入到控制装置内。控制装置发出一个与车内声场幅值相等但是相位相反的声波来抵消车内噪声。这个系统采用了自适应前馈控制。,图4.28所示为安装控制系统与没有安装控制系统的车内前排座位噪声(1.5阶)比较。加上控制后，噪声大大降低。加控制之前，在1800r/min时，有一个非常明显的鼓鸣声，而且这条噪声曲线的线性度不好。可是加了控制之后，这个鼓鸣噪声降低约10dB，而且线性度明显改善。,5、声品质主动控制,声音的线性度是声品质一个很重要的评价指标，也就是说车内的声音听起来是随着转速的增加而渐进增加的。这种声音听起来比较平稳。图4-29中，噪声在5000r/min时，声音突然下降，这种声音听起来给人两种感觉，一种是发动机马力上足，另一种是好像某一个气缸突然上工作了。对这种情况，我们的目的上是减小噪声，反而是要加入声音来弥补这个声音的“空洞”。,加入噪声可以用被动的办法，也可以用主动办法。用主动办法能准确地通过扬声器发出所需要频率的声音。当有几个上同频率的声音“空洞”时，主动控制就可以上断地调节来满足上同频率的要求，而被动控制很难做到这一点的。图4-30所示为加入所需频率的声音后，这个声音空洞得到填补，从而车内噪声的线性度提高，声品质就提高。,4.3 汽车车内外噪声控制,根据噪声对环境的影响，可将汽车噪声分为车内噪声和车外噪声。车内噪声是指乘坐室外汽车各部分噪声通过各种声学途径传入乘坐室内的那一部分噪声，以及汽车各部分振动通过汽车各种振动传递途径激发车身板件振动向乘坐室内辐射的噪声。这些噪声在乘坐室内声学特性的制约下，形成复杂的混响声场，从而形成车内噪声。车外噪声是指汽车各部分噪声辐射到车外空间的那一部分，主要有：发动机噪声、排气噪声、轮胎噪声、制动噪声和传动系噪声以及鸣笛声等。车内噪声主要影响车内的声学环境；车外噪声主要影响车外道路旁的声学环境。,4.3.1 车内噪声的控制,从车内噪声和车外噪声的来源来看，它们具有相同的声源：发动机噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声及底盘噪声等。这些噪声源所辐射的噪声，在车身周围空间形成一个不均匀声场。车外噪声要向车内传播，有两个途径：一是通过车身壁板上的孔、缝直接传人车内；二是车外噪声声波作用于车身壁板，激发壁板振动，形成振动噪声。车内噪声的发生机理如图4.31所示。,1.车内噪声产生机理、特性及传播途径,2.封闭车厢空腔共鸣现象,汽车车身形成一定形状的封闭空腔，所以会发生与封闭管道类似的共振现象，称为空腔共鸣。它具有增强车内噪声的效果。车内空腔共鸣的特征由空腔的声学模态决定。当外界振动激振频率或声激励频率等于车厢声空腔固有频率时，车厢将产生空腔共鸣，使得车内噪声增强。,3.车室内的风振现象,当高速行驶时打开一车窗，车室相当于一个亥姆霍兹共振腔。该共振腔共振频率(Hz)可用下式计算：式中，为窗框厚度(m)；为窗开启面积(m2)；为车室容积(m3)；为空气中的声速(m/s)。当汽车行驶所产生的涡流与窗框相冲击所产生的压力波动频率与 相等时，车室内就会产生空气共振，称为风振。风振的产生与汽车的外形尺寸、车窗大小、车窗开启面积、车速有关。风振幅度取决于车身特性和涡流与窗框冲击的强度。当车速增加时，这种冲击强度及频率上升。由公式知，增加开窗数量(开启面积)，则共振频率上升。在个车窗开启条件下，小客车风振车速约为80100km/h，风振频率在1520Hz，这是令驾乘人员感到不舒适的声音。,4.车内轰鸣声产生机理,汽车以某些特定的速度行驶时，或其发动机以某些特定的转速工作时，在乘坐室产生的很大峰值的噪声车内轰鸣声(Booming Noise)。车内轰鸣声是车内噪声的主要表现之一。它使乘坐人员感到压抑、烦躁、易于疲劳，严重影响汽车乘坐舒适性。因此这是汽车乘坐室声学设计时，首先需要控制的声音。车辆低速轰鸣声，是由于在低速区域由发动机转矩的变化而成为扭转振动的激励源，驱动系统的扭转振动、后悬架的扭曲振动通过车架传递，引起车身整体弯曲振动，最后在车内形成低速轰鸣声。车辆中速轰鸣声，是由于在中速区域作为激振力的发动机转矩的变化，回转体的不平衡，使车身振动，产生轰鸣声。车辆高速轰鸣声，是由于发动机活塞和连杆等引起的惯性力及惯性力耦矩，使车身振动，产生轰鸣声。,5.轮胎间接噪声,轮胎间接噪声是轮胎作为直接或间接激振源，将振动传给车身并在车内产生噪声。轮胎间接噪声在轿车上比较严重。轮胎间接噪声分为两类：一是以轮胎不均匀为主要原因，使得轮胎本身成为激振源，发生噪声；一是路面凹凸不平，引起轮胎弹性振动并以车身为媒介发生车内噪声。轮胎间接噪声主要包括以下四类：重击噪声敲打噪声崎岖噪声道路噪声,6.车内噪声控制方法,几乎汽车上的所有噪声源都对车内噪声有贡献，而且车身本身对外部噪声、振动有放大作用，所以车内噪声的控制是一项复杂的工作。达到控制车内噪声目的的途径很多，但从原理上归纳起来主要是：减弱噪声源辐射强度隔绝噪声传播途径：隔振、隔声、提高乘坐室的气密性吸声处理表面阻尼处理控制乘坐室的共鸣和风振,4.3.2 车外噪声,随着汽车工业和城市交通的快速发展，汽车保有量迅速增加。汽车在带给我们现代物质文明的同时，也带来了严重的噪声污染。据国外资料统计，机动车辆的总功率比其他各种动力(飞机、船舶、电站等)的总和大20倍，汽车所辐射的噪声占整个环境噪声能量的75。交通噪声已经成为城市环境中最主要的噪声源。为了保护环境，针对汽车噪声，各国政府颁布了相关法规，对其加以限制。机动车辆噪声标准是控制城市环境噪声的一个重要基础标准。它不仅作为一类产品的质量标准，为各种车辆的研究、设计、制造提供噪声控制标准，而且也是城市机动车辆噪声监测、管理的依据。,1.我国汽车车外噪声概况,2.车外噪声控制技术,车外噪声的控制包括以下几方面：(1)噪声源(2)车外噪声控制方法发动机噪声的改善降低辐射噪声降低排气噪声降低轮胎噪声改变道路表面结构控制鸣笛噪声隔声屏障措施交通流量控制,谢谢！,
