汽車聲品質技術研究

摘 要：為了降減汽車噪聲危害需提高聲品質，應分析減振、隔聲、吸聲材料和消聲器技術性能，要做車身氣密和輪胎噪聲試驗，以消除共振和共鳴峰值噪聲；消聲室數(shù)采發(fā)動機振動噪聲和定位噪聲源，測量聲源聲級、響度、波長和頻率，噪聲經(jīng)頻譜分析濾掉刺耳聲頻，不同相位、波長和功率噪聲匹配傳出低聲級悅耳聲音，提高汽車NVH性能和人類安全工作效率。

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2015)08-33-03

作者簡介：魏兆平, 高級工程師，就職于中國汽車技術研究中心。

A Study On Technology Of Vehicle Sound Quality

Wei Zhaoping

( Aotomotive Testing Research Institute Of China Aotomotive Technology & Research Center, Tianjin 300300 )

Abstract: In order to decrease hazard of vehicle noise which needs improving sound quality, we should analyze technical performance of materials of vibration reduction and sound insulation and sound absorption and silencer, we need making a test of vehicle body airtight and tire noise,to eliminate sympathetic vibration and the resonance peak noise; through data collectin system aquiring vibration noise of engine and positioning noise source in anechoic chamber, measuring noise level and loudness and wave length and frequency for sound source,noiser will be analyzed by frequency spectrum and filtrated ear-piercing audio frequency, noiser of different phase and wave length and power should be matched up to emit low sound level and musical sound, to improve vehicles performance of Noise Vibration and Harshness and mankind safe working efficiency.

Keywords: Resonance noise; Material of sound absorption and silencer; Anechoic chamber; Technology of sound quality; Loudness of sound source

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)08-33-03

引言

隨著循環(huán)經(jīng)濟、一帶一路科技建設持續(xù)健康發(fā)展和智能交通進步，我國步入了汽車社會，近期汽車保有量有所增加；汽車噪聲影響著人們聽力、注意力、學習、休息和工作安全，為了提高環(huán)境和生活質量，人們對汽車聲品質期盼和要求也越來越高，要控制振動和分析環(huán)保噪聲技術法規(guī)，降低汽車加速和車內(nèi)噪聲排放，頻譜分析輻射噪聲的頻率和波長，噪聲經(jīng)調頻調幅變低和抑揚頓挫，提高了安全工作效率；因此，研發(fā)低噪高聲品汽車、發(fā)動機和降低成本需建聲學半消聲NVH實驗室，研究分析發(fā)動機、驅動電機、動力傳動系、懸架減振器、輪胎、吸聲、隔聲、消聲材料和消聲器技術性能，確定最大聲源、聲級位置及噪聲傳遞路徑，數(shù)學統(tǒng)計汽車不同系統(tǒng)、總成和位置A計權噪聲級，采用小波分析法有的放矢、快速治理脈沖噪聲污染；設計有源聲源聲音頻率和波長，兩種或多種相位相反聲波匹配波峰變小、聲強變?nèi)?、聲級變小且聲頻在人耳愛聽范圍的滿足聲品質要求；隨著高速和高等級低噪公路里程增加，新能源電動汽車的使用，為了提高安全和舒適性，需降低和減少汽車無用及有害噪聲，利用電喇叭、倒車蜂鳴器和專用汽車警報器等有用聲音，以保障人類健康和緩解緊張及疲勞，汽車媒體播放器要防電磁干擾，接收的聲頻和視頻信號應更清晰。

1、汽車聲源

汽車噪聲主要由發(fā)動機、驅動電機、傳動系、懸架、輪胎、車身、風扇、氣泵、氣流、空調、關門和制動運動噪聲等幾部分組成；怠速、低速加速和勻速行駛時發(fā)動機排氣噪聲占主要成分，車速大于50km/h行駛時輪胎、風扇和氣流噪聲占主要成分，要降減排氣噪聲、輪胎振動、泵氣和風鳴噪聲，另外還要分辨車外和車內(nèi)噪聲影響因子，立法制定各總成降噪技術標準和限值并形成規(guī)范性引用文件以提高汽車聲學 [1]性能，減少噪聲對生態(tài)環(huán)境污染。

1.1 發(fā)動機

發(fā)動機噪聲由懸置、燃燒、機械運動、氣泵、風扇、發(fā)電機、進氣和排氣噪聲組成；發(fā)動機性能與選用高熱值燃料標號、品質匹配才能勻質充分燃燒，消滅爆震并降低發(fā)動機噪聲，采用優(yōu)秀減振材料和位置，減小發(fā)動機抖動、轉動慣量、懸置振幅和共振；發(fā)動機熱平衡技術性能優(yōu)秀，以消減多余風扇噪聲，空調制冷量要符合標準要求以控制壓縮機噪聲和熱污染；發(fā)動機凈功率要與消聲器和催化轉化器性能匹配，量身定制阻性、抗性、阻抗復合性和微穿孔板消聲器正確類型，分析發(fā)動機凈功率、轉速與噪聲關系譜圖，才能根治排氣噪聲和功率損失，配置增壓器以提高經(jīng)濟性、凈功率和扭矩并降低單位功率噪聲，科學設計發(fā)動機潤滑系并采用正確牌號潤滑油、油壓和油溫，減少氣缸沖擊和配氣機構等機械運動噪聲；檢測發(fā)動機噪聲 [2]限值，改善進氣道結構和進氣消聲器性能，使進氣溫度、壓力和流量最佳以減少進氣振動噪聲，依汽車和發(fā)動機最大用電量來配置發(fā)電機，減少電量消耗和電磁噪聲；根據(jù)這些噪聲因子份量和聲波傳遞路徑建立發(fā)動機噪聲數(shù)學模型，確定應重點降噪系統(tǒng)部件并改善發(fā)動機聲品質。

1.2 動力傳動系

動力傳動系離合器接合柔和減小摩擦噪聲，機械變速箱和驅動橋優(yōu)化匹配減少齒輪嚙合噪聲，軸承承載、潤滑合理減少旋轉噪聲，有合適檔位數(shù)并安裝同步器，換擋時無齒輪沖擊聲，控制彈性懸置振動和傳動軸動不平衡旋轉噪聲；自動變速箱液力變矩器產(chǎn)生的渦流噪聲，采用符合標準要求牌號齒輪油、油量和油溫來降低齒輪噪聲，齒輪齒面要耐磨、耐沖擊和有一定強度，主被動齒輪接合高度和間隙公差符合技術要求以提高傳動扭矩及效率；根據(jù)行駛工況選擇正確檔位，滿足動力性時還節(jié)能降噪。

1.3 懸架和輪胎

設計或選擇正確懸架類型，計算懸架剛度和阻尼系數(shù)，用傳感器測量懸架固有振動位移、頻率，整車各懸架性能要協(xié)調；懸架同車身或底盤彈性連接以減少機械沖擊噪聲，懸架、減振器、緩沖塊、輪胎剛度和阻尼系數(shù)要匹配，避免共振發(fā)生，提高汽車平順性可降低振動噪聲和緩解駕乘人員疲勞；依據(jù)路面譜功率密度函數(shù)選擇懸架剛度和阻尼參數(shù)，分析懸架振動位移、速度和加速度，依汽車最高車速、負荷指數(shù)和氣候情況選擇輪胎型號，使用正確輪胎類型、固有頻率及低噪花紋、配置TPMS系統(tǒng)并填充正確輪胎氣壓，分析輪胎受力和力矩，減少車輪輪胎動不平衡沖擊噪聲和輪胎泵氣非穩(wěn)態(tài)噪聲，彈性輪胎要有一定徑向、縱向和橫向剛度，研究環(huán)保子午線輪胎噪聲與行駛速度成正比關系曲線，使用Zwicker響度計算方法客觀評價輪胎噪聲，減小直接和間接噪聲，小型備胎使用噪聲要符合環(huán)保標準要求，設計低噪高品質輪胎；獨立懸架與輪胎類型彈性力學參數(shù)匹配能減少振動激勵，提高汽車舒適性和操穩(wěn)安全性。

1.4 車身和制動

車身有氣密性、減振、隔聲和傳熱系數(shù)要求，車身結構類型、剛度和強度合理，輕量化隔聲設計對降低振動和車內(nèi)噪聲很重要；車身與（空氣）懸架用減振器連接，振幅和固有圓頻率經(jīng)倍頻程濾波器濾波變的更柔順，沖擊噪聲消失，防治車身門蓋鎖止不緊摩擦、車內(nèi)振動及關門噪聲，提高車身密封性和隔聲性能，降低高速行駛車內(nèi)風鳴和振動噪聲；車輪制動器溫度升高或淋濕，摩擦副摩擦系數(shù)變化，制動時會出現(xiàn)尖叫聲，也加劇了異常磨損和污染，提高制動器摩擦材料技術性能和熱衰退效能，安裝ABS減少車輪制動抱死、輪胎滑移磨損和制動器異常摩擦噪聲；電動汽車增裝電力再生式制動系可實現(xiàn)節(jié)能和降低電磁噪聲。

2、聲源定位

消聲室臺架和精密聲級計測量車型各系統(tǒng)、總成的最大噪聲響度及倍頻程頻率，確定最大噪聲源位置和分析發(fā)聲機理，繪制聲場聲源聲級、發(fā)動機轉速和噪聲位置關系曲線圖，采取有效減振、潤滑、消聲方法和彈性耐磨部件，提高科技水平和積累經(jīng)驗實現(xiàn)噪聲數(shù)據(jù)庫建設；實驗室轉鼓上模擬或再現(xiàn)汽車不同行駛工況的車外和車內(nèi)噪聲，分析噪聲、車速和檔位關系曲線圖；研究聲源聲波波形、響度、傳遞方向和能量衰減規(guī)律，降低最大和次大聲源噪聲聲級，改變不同聲源聲波相位消滅共振噪聲公害，不愛聽的噪聲經(jīng)改良變成人們能接受的小聲音；為開展聲品質虛擬實驗研究和設計聲學汽車做好技術儲備和數(shù)據(jù)積累。

3、振動噪聲控制

振動是噪聲產(chǎn)生的原因，分為機械噪聲、空氣動力學噪聲和電磁噪聲；用減振阻尼材料、隔聲和吸聲材料可抑制振動噪聲、屏蔽噪聲輻射污染，科學設計汽車懸架、減振器和輪胎剛度及阻尼系數(shù)，建立懸架系統(tǒng)振動方程，掌握振動規(guī)律，減小振動位移、速度和加速度能有效降低機械振動噪聲，改良振動激勵源波形、固有圓頻率和聲品質；修建低噪高等級路面以減少振動和噪聲，車內(nèi)噪聲是由機械振動噪聲通過固體傳至車內(nèi)的間接噪聲，提高車身隔聲性和密封性可降低氣流噪聲、發(fā)動機、傳動系和環(huán)境噪聲傳至車內(nèi)，車外噪聲是由發(fā)動機排氣系、風扇、動力傳動系和輪胎等噪聲通過空氣傳播的直接噪聲，考慮環(huán)境、車況、隔吸聲和消聲材料等性能，治理噪聲回音；減少車外噪聲是在保證動力性情況下，降低發(fā)動機、傳動系和車輪轉動慣量，采用高效和低功耗消聲器，發(fā)動機艙安裝優(yōu)秀隔吸聲材料，采用低噪輪胎；減降車內(nèi)噪聲要裝隔吸聲內(nèi)飾材料和消減振動；輪胎振動固有頻率和車身振動頻率要兼容，減少不同聲源激勵源振幅，防止聲學共振及共鳴噪聲發(fā)生，車身結構要防振并有隔吸聲性；新能源純電動汽車傳動系簡單且機械振動源少，能有效消減車內(nèi)外環(huán)境噪聲和提高聲品質技術性能，消減驅動電機和電機控制系統(tǒng)等產(chǎn)生的電磁噪聲；NVH高級工程師分析不同聲源、頻率噪聲級對環(huán)境、工作、消化系統(tǒng)、聲覺、休息和安全影響系數(shù)，快速找到控制振動噪聲的技術方案，發(fā)明消降振動噪聲的新材料部件。

4、提高聲品質技術方法

汽車聲品質是滿足人和環(huán)境要求下，尋求符合汽車特性的產(chǎn)品聲音，屬NVH范疇；聲學領域技術精英設計聲學汽車和發(fā)動機，降低汽車中乘用車發(fā)動機凈功率及噪聲能量；半消聲室內(nèi)，理論與實踐結合研究發(fā)動機和動力傳動系內(nèi)每個聲源的聲級、響度、頻率和波長，繪制聲源噪聲等響度曲線圖，編制提高汽車和發(fā)動機聲品質技術方法，用聲全息技術確定運動汽車各聲源位置，用有限元法、邊界元法和統(tǒng)計能量法對消聲器噪聲傳遞損失進行仿真分析和試驗測試，提高金屬件機械性能、加工精度和潤滑性能，減少滾動和滑動摩擦副的摩擦系數(shù)，減少吸氣、風扇、摩擦、燃燒、齒輪和電磁噪聲，設計新型不共振減振裝置，用隔吸聲材料阻止聲波穿過、衰減聲波能量或改變聲波波長及傳播方向，聲音經(jīng)反射、折射或衍射響度衰減，傳至車內(nèi)1/3倍頻程總噪聲聲壓級經(jīng)頻譜分析，濾波器濾掉高頻和不需要的低頻音調，音色變的圓潤，聲音更小音質也更柔和；積分、精密聲級計經(jīng)校準器校準和計量檢定，減少測量誤差，提高測量不確定度；提高滿足吸聲系數(shù)、路面結構和孔隙率要求噪聲試驗跑道 [3]寬度、長度、耐磨層厚度和質量，保證輪胎橡膠彈性并防止老化以減少輪胎噪聲，降低空氣阻力系數(shù)減少氣動噪聲；按汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法 [4]技術法規(guī)，測量汽車加速噪聲倍頻程聲壓級和目標加速度，降低背景噪聲和風速以控制二次校正誤差，以犧牲汽車動力性和發(fā)動機凈功率來降低排氣噪聲是得不嘗失的，編制不同車型類別噪聲譜，經(jīng)頻譜、響度和音階分析，加速噪聲經(jīng)改良變低和有節(jié)奏，按聲學汽車車內(nèi)噪聲測量方法 [5]技術標準檢測車內(nèi)聲壓級，高級聲學技術工程師與企業(yè)NVH工程工程師在理論實踐基礎上技術協(xié)作和創(chuàng)新設計，探索新減振降噪措施和聲品質評價參數(shù)，設計有源聲源抵消和改良噪聲源聲級及頻率，車內(nèi)聲信號經(jīng)整理和弦增加也變清晰和宛轉悠揚，改善了車內(nèi)聲品質；提高汽車聲品質技術能保障人們身體健康、精神飽滿和運輸物資不受損，保證安全科研工作和學習高效率，降低精密儀器設備損壞率，控制汽車保有量、交通噪聲聲級、波長和頻率，提升交通噪聲聲品質，減少汽車噪聲源數(shù)量和噪聲污染引起事故損失。

5、結論

本文理論分析了汽車系統(tǒng)、總成和部件噪聲源的發(fā)聲機理，半消聲室內(nèi)測量并分析其聲壓級、響度、頻率、波長和振幅，利用最大聲源定位法確定應降噪位置，設計高效低噪發(fā)動機、懸架、輪胎、消聲器、跑道和隔吸聲材料，消滅聲學共振及共鳴噪聲公害；對捕獲噪聲聲壓級倍頻程頻率頻譜和濾波分析，剔除噪雜脈沖和尖銳噪聲，宣傳汽車聲品質理論知識，保障人類和生態(tài)環(huán)境健康及安全工作高效率。