汽车减振降噪技术的研究

zghitboy

摘要：从汽车噪声的产生机理入手，分析了噪声传播的途径，从主动控制与被动控制两方面对汽车减振降噪技术进行了研究，介绍了实际应用的降噪方法。
关键词：汽车噪声；减振降噪；降噪技术
O 引言
       随着生活水平的提高，人们对汽车的噪声、震动和舒适性要求越来越高，为了提高车辆的舒适性，世界各大汽车公司都对汽车内噪声水平制定了严格的控制标准，将车内噪声控制作为重要的研究方向。因此掌握车内噪声产生机理，采用相应的减振降噪技术加以控制是十分必要的，也是衡量现代汽车制造质量的一个综合性技术指标。
1 汽车噪声产生的机理
      汽车内噪声的来源可以从2个传播途径加以分类，即固体传播和空气传播。具体来讲，根据车内噪声产生的不同震动源，噪声源又可分为以下3种：
1.1 变速器产生的振动
       汽车变速器噪声是汽车的主要声源之一。首先，变速器振动常常会诱发与其相连接部件的振动，影响整车的工作性能；其次，齿轮噪声的频率一般处于200 Hz一5000Hz的范围内，对这一频率范围的噪声人耳尤为敏感；此外，由于变速器载荷和速度的提高，由此产生的齿轮噪声比其他声源的噪声更突出。因此，从某种程度上说，控制了汽车变速器齿轮振动噪声，也就大大提高了汽车乘坐舒适性，解决汽车变速器的振动噪声问题，比以往显得更迫切[1]。
      一般来说，变速器的振动噪声主要是齿轮噪声，它的发生可表示为图1所示的框图。齿轮系统的噪声强度不仅与齿轮啮合的动态激励力有关，而且还与轮体、传动轴、轴承及箱体等的结构形式、动态特性以及动态啮合力在它们之间的传递特性有关。


1.2 动力传动系统产生的噪声
       发动机燃烧和惯性力引起的震动传至车身引起弯曲振动和扭曲振动，向车内辐射中、低频噪声；传动系由于质量不平衡及齿轮啮合产生的振动，发动机运行产生的排气噪声、进气噪声、风扇噪声等，由空气通过车身的孔、缝隙传至车内或通过车身板壁透声至车内。
1.3 其它噪声
1.3.1 路面不平度激励引起的噪声
路面激励通过悬架等引起车身振动造成车内低频噪声。
1.3.2 车轮噪声
       由于车轮不平衡引起的震动传至车身引起的振动，产生车内低频噪声；轮胎与地面的摩擦声(路噪)通过车底板传到车内。
1.3.3 空气扰动噪声
       高速行驶时，汽车冲破空气幕产生的碰撞及摩擦对车身的激励造成车身高频振动，在车内产生高频噪声。
此外，还有驾驶舱内饰板等部件发生震动产生的内部噪声；空调系统产生的噪声；制动系统产生的高频噪声。
       综上可知，固体震动通过构件传播至车身，引起车身的振动，再由车身板壁振动辐射噪声至车内，引起车内噪声；空气传播则将各种噪声源所辐射的噪声通过空气由车身的缝隙或孔洞传播至车内，形成车内噪声。而对于车身而言，本身结构的固有频率、振型、阻尼等模态参数，对车内噪声的形成有着重要的作用。当外界激励与车身固有的频率一致时，车身发生共振，可使噪声放大；同时，车身上外界振动输入点的动刚度对振动能量的输入也有很大影响，在一定程度上影响着车内噪声水平。实践表明，中低频(30—400Hz)车内噪声主要由固体传播这一途径造成，而高频车内噪声则以空气传播为主。如果能够削弱或消除固体传播，则可使车内噪声大大降低[2]。
2 汽车减振降噪主动控制技术
2.1 变速箱箱体的降噪技术
2.1.1 提高刚度
对变速箱的箱体进行加固，尤其是提高关键点处的刚度，降低变速箱箱体的辐射噪声是降低该变速箱箱体噪声的主要措施。主要采用增加加强筋的方法，提高整体刚度，达到减振降噪的目的。
2.1.2 提高箱体内齿轮啮合质量
       齿轮啮合动态激励是汽车变速器产生振动的基本原因，提高箱体内常啮合齿轮的啮合质量，减小振动激励源，达到降低噪声的目的。
2.2 噪声的有源控制
       原始声源产生噪声以后，置于声场中的多个传声器迅速检测到声源信号，并通过信号放大及相位调节送入相应的附加声源中，使该附加声源产生的声能量与原始声源产生的噪声相互抵消，从而达到噪声控制的目的。因此，有源消声适应的环境是以声场中的声能量减小为目的的场合，所需要的设备是多个传声器及具有运算、信号放大等功能的计算元件，此外还需要多个执行器件(如扬声器等)。
2.3 智能结构系统的噪声主动控制
实现智能结构的基本逻辑构思就是：将驱动元件和传感元件紧密结合在结构中，同时也将逻辑控制电路、信号处理器、功率放大器、信息处理和人工智能环节以及数据传输总线等集成在结构中，通过机械、热、电、磁等激励和控制，使智能结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能[3-4]。
2.3.1 电／磁流变减振器控制
电／磁流变减振器属于主动减振器，其阻尼力是通过孔道的节流阻力来实现的。不加电／磁场时，减振器的阻尼力较小；在外加电／磁场后，作为减振器工作液的电／磁流变流体的粘性流动阻力增大，其孔道节流阻尼力也增大，减振器的性能随之改变。由于电／磁流变流体的响应速度很快，故可根据汽车的行驶状态通过外加的电／磁场控制减振器的性能参数，从而达到主动减振的目的。目前电子技术及集成电路技术的发展水平可以满足电／磁流变减振器的响应能力的控制要求。汽车半主动悬架系统减振器的减振液常选用磁流变液体。目前，一些工业发达国家对磁流变技术进行了大量的研究工作，已有一些产品问世。如Lord公司开发的商业磁流变液MRx一126PD，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载重汽车司机座椅半主动悬架减振系统。发动机电流变隔振悬置可有效地减小发动机产生的振动，起到隔振降噪的作用。
2.3.2 压电材料智能结构控制
用压电智能材料制成的元件即压电元件。应用压电智能材料降低车内噪声，是通过对车身振动的主动控制来实现的。其基本原理是把分别作为传感器和驱动器的压电元件粘贴或嵌入车身结构(如板、壳、梁)中，传感器感受到车身结构振动，车声相映的振动信号，并反馈到电子控制单元(ECU)，经相应的控制算法进行处理后，产生相应的控制信号，控制信号经功率放大后，驱动驱动器，使车身结构产生应变以改变结构的动态阻尼，来实现对车身的主动控制，从而抑制车内噪声。
噪声主动控制技术的最突出优点有2个：一是主动性，可根据所控制噪声的特性，相应地设计和改变控制系统的各种特性，使控制具有针对性和目标性；二是低频噪声控制效果好，弥补了噪声被动控制技术的不足，此外，噪声主动控制系统体积小自质量轻，并且对汽车的结构及工作特性几乎没有影响。噪声主动控制技术是一种能够有效地控制车内低频噪声的方法，已逐渐成为汽车车内噪声控制的发展趋势。
3 汽车减振降噪被动控制技术
被动控制降噪技术多从以下3方面着手：一是消除或减弱声源噪声；二是控制噪声传播途径，阻断固体传播；三是保护噪声接受者[5]。
3.1 消除、减弱噪声源
首先，在开发过程中，必须对汽车进行减振降噪结构设计。目前国外已有用于研究汽车噪声与振动的软件工具，帮助设计者识别、隔离和排除可能的噪声源，例如使用ANSYS有限元分析软件进行汽车的空腔声学模态分析，得到声学模态频率和振型，并结合声学实验分析和轿车顶棚、前挡风玻璃有限元模态分析，进行针对降低车内噪声结构的设计。另外，零部件生产企业也会遇到振动、噪声问题，设计者考虑的问题也不是单纯零部件本身，而是零部件与零部件之间，零部件与整车之间的关系。其次，在降噪处理时，减弱声源的途径主要有：①对发声部件采用消声器，对振动部件采用减振器；②采用或改进密封元件来消除泄漏气流的间隙，增加密封压力。
3.2 控制噪声传播途径
通过阻尼隔振、隔声、吸声等措施处理来改善振源和车身的传递关系，从而达到降噪的目的[6]
1)振动与噪声的阻尼控制有3种方式。一是通过表面阻尼处理来提高结构阻尼，抑制共振，改善结构抗振降噪性能。目前在汽车上使用的阻尼材料有；①沥青类阻尼材料；②橡胶类阻尼材料(均已广泛用于汽车)；③车用阻尼涂料，它是减少振幅、降低噪声和隔热吸音的功能性涂料，已在汽车上得到了广泛应用；④采用新技术的宽温域阻尼材料，此材料在各种复杂的条件下都能起到减振、降噪、隔音、隔热的作用，目前已试用于国产客车上。二是采用高阻材料制作汽车零部件，目前高阻尼m —zn系合金已用于制作汽车发动机盖的材料。三是通过阻尼隔振技术来防止振动传人车内。
2)隔声。车内隔声结构一般根据阻尼减振、隔声和吸声等多项要求，在不同部位适当组合吸声防振材料而构成。应根据所隔噪声的特点、隔声材料、结构性能和成本来选择隔声结构。
3)吸声。在声空间的界面上附加吸声材料，从而空气波入射到这些界面时，声能量由吸声材料的内损耗而转变成为热能，避免反射而出现的混响作用，从而减小声空间的声压级，达到控制车内噪声的目的。车内顶棚、底板和侧壁内饰衬垫应尽量使用本身具有吸声性能的材料，同时隔声与吸声应综合考虑，以实现用最少的材料，用最简单的结构来控制车内噪声。目前在汽车上使用的吸声材料主要有：① 多孔性吸声材料，这类材料主要有玻璃棉、毛毡等；② 开孔壁吸声材料，车身顶部内饰面即采用这种吸声材料。
通常情况下，综合应用上述三种降噪方法来进行减振、隔振和吸声降噪。如：① 地板采用地毯、麻毡、毛毡、钢板、内涂层；② 顶盖采用钢板、再生棉毡、乙烯、人造革；③ 行李箱板采用纤维板、毛毡、钢板；④ 后轮罩采用乙烯、人造革、毛毡、钢板、内涂层；⑤ 座椅靠板采用麻毡、乙烯、钢板；⑥ 前位板采用聚乙烯、玻璃纤维、钢板；⑦ 驾驶员脚踏板采用钢板、麻毡、玻璃纤维等。
3.3 保护噪声接受者
这主要是对保护车内驾驶员和乘客而言，常用的方法有使用防声耳塞、耳罩和防声帽盔等。
上述被动控制技术大多能对车内中、高频噪声进行有效控制，但对低频噪声控制效果基本上都不明显。
4 结束语
随着汽车工业的发展，人们对汽车舒适性的要求越来越高，因此也对车内减振降噪技术的要求也越来越高，主动控制技术的研究尚处于发展阶段，与技术成熟和普及还有一定距离。但随着电子技术、控制技术和材料结构的发展，我们有理由相信：主动控制技术必将在汽车减振降噪方面得到广泛应用。
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