NVH試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)淺析

陳雪

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230091)

NVH試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)淺析

陳雪

(安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥 230091)

根據(jù)國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)對(duì)NVH重視的提升及國(guó)民對(duì)整車乘坐舒適性要求的提高，NVH試驗(yàn)室的建設(shè)將對(duì)整車NVH性能提升起著至關(guān)重要的作用。介紹了消聲室的主要技術(shù)指標(biāo)和影響消聲室技術(shù)指標(biāo)的主要結(jié)構(gòu)，闡述了NVH試驗(yàn)室建設(shè)的主要指標(biāo)。建成后的NVH試驗(yàn)室將縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高試驗(yàn)的精準(zhǔn)度、提供安全測(cè)試環(huán)境、適應(yīng)新產(chǎn)品的開發(fā)需求及提升試驗(yàn)驗(yàn)證能力。

消聲室；NVH試驗(yàn)室；低頻截止頻率

0 引言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求已經(jīng)不僅限于汽車的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能的提升，越來越關(guān)注汽車的振動(dòng)、噪聲以及舒適性和周圍環(huán)境。2010年國(guó)家起草的《汽車加速行駛車外噪聲限值及測(cè)量方法》,對(duì)試驗(yàn)條件要求極為嚴(yán)格，并且噪聲限值大大降低。整車及零部件的NVH性能成為重點(diǎn)研究的課題。

1 消聲室簡(jiǎn)介

消聲室是一個(gè)人工模擬聲場(chǎng)的房間，在這個(gè)房間內(nèi)，傳播聲波的介質(zhì)均勻地向各個(gè)方向無限延伸，使聲源輻射的聲能夠“自由”傳播，即無障礙地反射，也無環(huán)境噪聲的干擾。

1.1 消聲室的分類

根據(jù)被測(cè)對(duì)象的測(cè)試內(nèi)容及所要求的精度，消聲室分為全消聲室和半消聲室。全消聲室即室內(nèi)各面均鋪設(shè)吸聲材料或吸聲構(gòu)件，半消聲室即有一面為反射面，其余面均鋪設(shè)吸聲材料或吸聲構(gòu)件。全消聲室內(nèi)空間基本為自由聲場(chǎng)，半消聲室為一個(gè)反射面上方為自由聲場(chǎng)的空間。

1.2 消聲室主要技術(shù)指標(biāo)

在消聲室的建設(shè)過程中，首先要確定被測(cè)對(duì)象所要求的精度，即截止頻率、自由場(chǎng)半徑、本底噪聲與通風(fēng)噪聲。

1.2.1 截止頻率

消聲室的截止頻率，是指在消聲室內(nèi)，能夠滿足用戶要求的自由場(chǎng)半徑和偏差要求的最低頻率。

被測(cè)試件的主要噪聲頻段作為確定低頻截止頻率的依據(jù)。

1.2.2 自由場(chǎng)半徑

自由場(chǎng)半徑的選擇依據(jù)：(1)被測(cè)試件最大尺寸；(2)聲功率測(cè)量，按GB/T6882中8.2測(cè)量表面的規(guī)定；(3)聲壓級(jí)的測(cè)量，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；(4)取上述最大值。

1.2.3 本底噪聲與通風(fēng)噪聲

(1)在測(cè)量表面上，所有傳聲器位置和測(cè)試頻率范圍內(nèi)的每個(gè)頻帶，本底噪聲至少比被測(cè)試件的最小聲壓級(jí)低20 dB(具體設(shè)計(jì)時(shí)可考慮3 dB的余量);

(2)在測(cè)量表面上，所有傳聲器位置和測(cè)試頻率范圍內(nèi)的每個(gè)頻帶，通風(fēng)噪聲至少比測(cè)試件的最小聲壓級(jí)低10 dB(具體設(shè)計(jì)時(shí)可考慮3 dB的余量)。

1.2.4 自由聲場(chǎng)精度要求

建設(shè)消聲室最終的目的是要獲得符合聲學(xué)測(cè)試要求的自由聲場(chǎng)空間，并且對(duì)自由聲場(chǎng)空間進(jìn)行了定義，即反射聲能與直射聲能的比值足夠小，及允許誤差范圍足夠小，而允許誤差范圍為消聲室設(shè)計(jì)的輸入之一。下式為誤差范圍的計(jì)算公式：

對(duì)于允許誤差范圍，ISO3745給出了明確的規(guī)定，即采用1/3倍頻程頻帶噪聲和純音測(cè)試，按ISO3745-2003測(cè)量，精度達(dá)到ISO3745-2003對(duì)半消聲室的反平方率偏差規(guī)定，如下：

50～630 Hz， 自由聲場(chǎng)偏差小于±2.5 dB；

800～5 000 Hz，自由聲場(chǎng)偏差小于±2.0 dB；

6 300 Hz以上， 自由聲場(chǎng)偏差小于±3.0 dB。

1.3 消聲室吸聲結(jié)構(gòu)的類型

鋪在消聲室內(nèi)各面的吸聲層的吸聲性能，對(duì)于室內(nèi)自由聲場(chǎng)范圍的大小具有決定性的作用，也是決定消聲室質(zhì)量的最重要的部分。目前吸聲結(jié)構(gòu)主要有板式吸聲材料及尖劈吸聲材料。

1.3.1 尖劈

尖劈的聲學(xué)經(jīng)典理論：

L+D=λ/4

式中：L為尖劈長(zhǎng)度，D為后空腔長(zhǎng)度，λ為低頻截止頻率的波長(zhǎng)。

尖劈的優(yōu)點(diǎn)：

(1)在100 Hz以下的低頻和4 kHz以上的高頻吸聲特性優(yōu)于平板吸聲體；

(2)純音測(cè)量滿足GB/T 6882自由場(chǎng)偏差要求。

適用于：聲學(xué)基礎(chǔ)研究、電聲測(cè)試等各種用途的消聲室。

以金屬穿孔板作為尖劈護(hù)面材料的金屬尖劈的優(yōu)點(diǎn)：

(1)使用壽命長(zhǎng)，20年以上；

(2)表面可清潔；

(3)表面噴漆，美觀。

金屬尖劈吸聲結(jié)構(gòu)組成見圖1。

傳統(tǒng)尖劈和金屬尖劈實(shí)景圖片分別見圖2、圖3。

圖2 傳統(tǒng)尖劈 圖3 金屬尖劈

1.3.2 平板吸聲體

(1)普通平板

吸聲原理：板共振吸聲，吸聲材料內(nèi)有一塊或多塊共振板，每塊共振板的邊界是固定的，是一個(gè)質(zhì)量-彈簧共振體系。

低頻吸聲板通常厚度為100 mm，主要適用于100 Hz以下的低頻吸聲。

平板吸聲體的優(yōu)點(diǎn)：

①吸聲結(jié)構(gòu)占用室內(nèi)空間?。?/p>

②更容易清潔。

適用于：場(chǎng)地小、有油污的工業(yè)產(chǎn)品測(cè)試消聲室。

缺點(diǎn)：共振頻率單一，共振峰較窄，致使在低頻段吸聲特性不均勻。其典型的吸聲特性曲線見圖4。

(2)平面薄型寬頻帶復(fù)合吸聲體(BCA)

寬頻帶的復(fù)合板共振吸聲器，除了質(zhì)量-彈簧共振之外，同時(shí)也可以激發(fā)大量彎曲振動(dòng)。BCA吸聲構(gòu)造每個(gè)構(gòu)件的大小約為1 m×1.5 m,總厚度為35 cm，改變其中不同的振動(dòng)板的厚度，可以在40～100 Hz內(nèi)調(diào)節(jié)它的最低有效吸收頻率。因此，吸聲結(jié)構(gòu)的厚度不因截止頻率的降低而增厚，始終保持為35 cm的薄型結(jié)構(gòu)(如圖5所示)。BCA吸聲構(gòu)造組件表面為厚度約1.5 mm、穿孔率約40%的透聲穿孔成型鋼板，內(nèi)部是厚約350 mm的3層Caruso棉。因此，吸聲構(gòu)造的表面能保證透聲，并能防護(hù)機(jī)械碰撞，且能用清潔布擦凈，油污后仍然能簡(jiǎn)易地恢復(fù)清潔。

BCA產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)：

①材料環(huán)保、無人體過敏反應(yīng)；

②適用于更低頻要求消聲室。

2 影響消聲室技術(shù)指標(biāo)的主要結(jié)構(gòu)

2.1 房體的結(jié)構(gòu)形式

(1)內(nèi)外套房結(jié)構(gòu)——房中房結(jié)構(gòu)

外套房一般為磚混重質(zhì)結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)套房采用輕質(zhì)磚墻，重質(zhì)套房采用粘土磚墻或混凝土墻。

一般用于要求本底噪聲小于30 dB(A)或環(huán)境振動(dòng)和噪聲嚴(yán)重的情況。

(2)普通單層結(jié)構(gòu)——磚混結(jié)構(gòu)

一般用于要求本底噪聲大于30 dB(A)或環(huán)境振動(dòng)和噪聲不嚴(yán)重的情況。

2.2 隔振器的類型

橡膠隔振器。適合于金屬隔聲板浮筑地面。

玻璃纖維隔振器。適合于混凝土現(xiàn)澆浮筑樓板，見圖6。

彈簧隔振器。適合于環(huán)境地面振動(dòng)聲較大的場(chǎng)合，見圖7。

2.3 消聲室隔聲門、吸聲門的隔聲量

在消聲室的建設(shè)過程中，門、窗、風(fēng)道、減振機(jī)構(gòu)的空氣聲隔聲量均需滿足相應(yīng)的隔聲量需求。其中，門和隔振系統(tǒng)，由于距測(cè)試傳聲器較近，是最薄弱的環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)嚴(yán)格把控隔聲量指標(biāo)，確保整個(gè)消聲室系統(tǒng)隔聲量滿足要求。

門的隔聲量也必須達(dá)到土建結(jié)構(gòu)本身的隔聲量要求，否則如門外有噪聲源，而門內(nèi)3～4 m內(nèi)有傳聲器，將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)試結(jié)果，導(dǎo)致試驗(yàn)室無法使用，耗費(fèi)巨資建設(shè)的房中房結(jié)構(gòu)發(fā)揮不出應(yīng)有的作用。

不考慮表面的吸聲材料(按常規(guī)，作為隔聲設(shè)計(jì)安全余量)，其計(jì)算見下式：

R=R1+R2+R3+R4

式中：R為總隔聲量，R1為單道門隔聲量,R2為隔聲量相當(dāng)?shù)碾p道門增加的隔聲量6 dB，R3為第二道門為輕質(zhì)鋼架結(jié)構(gòu)2 dB，R4為聲閘10 dB。

2.4 隔振器

隔振器主要分為橡膠隔振器、玻璃纖維隔振器及彈簧隔振器3種。其中橡膠隔振器適合于金屬隔聲板浮筑地面；玻璃纖維隔振器適合于混凝土現(xiàn)澆浮筑樓板；彈簧隔振器適合于環(huán)境地面振動(dòng)噪聲較大的場(chǎng)合，分國(guó)產(chǎn)彈簧隔振器和進(jìn)口彈簧隔振器。

2.5 消聲室房間尺寸的確定

消聲室的體積主要取決于被測(cè)物的大小和測(cè)試距離，此外。消聲室的聲學(xué)經(jīng)典理論：

D≥λ/4+2r

式中：D為房間剛性界面尺寸，λ為低頻截止頻率的波長(zhǎng)，r為自由場(chǎng)半徑。

上述公式適用于包括尖劈型和平板型所有類型的消聲室。

3 NVH試驗(yàn)室建設(shè)主要指標(biāo)

參考同行業(yè)當(dāng)前NVH試驗(yàn)室的建設(shè)情況，結(jié)合試驗(yàn)?zāi)芰π枨?，建立整車通過噪聲試驗(yàn)室、小整車半消試驗(yàn)室、音質(zhì)評(píng)價(jià)室、混響室和全消室、零部件試驗(yàn)室及模態(tài)試驗(yàn)室。

設(shè)計(jì)時(shí)需考慮主機(jī)廠自己獨(dú)特的地方及汽車產(chǎn)品范圍。

此試驗(yàn)室主要設(shè)計(jì)原則為：

(1)試驗(yàn)范圍。此試驗(yàn)室的設(shè)計(jì)初衷為跨越轎車及輕卡車型的試驗(yàn)室，對(duì)試驗(yàn)室內(nèi)轉(zhuǎn)轂要求軸載荷5×104N。

(2)截止頻率。由于柴油車有著更低的頻率特性，需要有足夠大的低頻率自由場(chǎng)空間來滿足其試驗(yàn)的需要，故截止頻率要求達(dá)到40 Hz。

(3)自由場(chǎng)半徑。40 Hz時(shí)，自由場(chǎng)半徑不小于7 m; 31.5 Hz時(shí)，自由場(chǎng)半徑不小于5 m，用于排氣噪聲測(cè)量。

(4)消聲室本底噪聲。

試驗(yàn)間周圍噪音小于80 dB(A) (此值供參考，具體以現(xiàn)場(chǎng)預(yù)估的噪聲值為準(zhǔn))；

室內(nèi)所有設(shè)備關(guān)閉時(shí)消聲室本底噪聲不大于20 dB(A)；

空調(diào)出風(fēng)口全風(fēng)量時(shí)消聲室本底噪聲不大于25 dB(A)。

(5)門的隔聲量。為了滿足測(cè)試要求，消聲室內(nèi)的本底噪聲要求約為20 dB(A),而此時(shí)的外部噪聲約為80 dB(A),房中房本身的土建結(jié)構(gòu)，如采用250混凝土+240磚墻的方案，則土建結(jié)構(gòu)本身的隔聲量可以達(dá)到60 dB。此時(shí)，就要求門的隔聲量也必須達(dá)到此隔聲量。

4 結(jié)論

對(duì)消聲室的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)介紹，同時(shí)對(duì)新建NVH試驗(yàn)基地設(shè)計(jì)要領(lǐng)做出了簡(jiǎn)單的分析。針對(duì)消聲室的設(shè)計(jì)提供建議如下：

(1)低頻截止頻率的依據(jù)為被測(cè)試件的主要噪聲頻段；

(2)自由場(chǎng)范圍需將被測(cè)試件覆蓋在內(nèi)，保證被測(cè)件測(cè)試的準(zhǔn)確性。

【1】 孫廣榮.消聲室聲學(xué)設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)注意[J].電聲技術(shù),2009,33(7):4-5.

【2】孫廣榮,胡春年,吳啟學(xué).消聲室和混響室聲學(xué)設(shè)計(jì)原理[M].北京:科學(xué)出版社,1981：46-54.

BriefAnalysisaboutDesignofNVHLaboratory

CHEN Xue

(Anhui Jianghuai Automobile Co.， Ltd., Hefei Anhui 230091, China)

According to the domestic auto industry increasing attention on NVH and high requirements on vehicle riding comfort, the construction of NVH Lab plays an extremely key role in vehicle NVH performance improving. The main technology indexes of anechoic chamber and the main structure influencing its technical indicators were expounded, as well as the main indicators of construction of NVH Lab. NVH Lab after building will shorten the product development cycle, improve the test precision and provide safety testing environment, meet the development demand of new products and improve the capability of verification test.

Anechoic chamber; NVH laboratory; Low cut-off frequency

2015-01-07

陳雪(1987—)，女，本科，助理工程師，主要從事整車裝配工藝研究。E-mail：jac_chenxue@163.com。