活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲控制技術(shù)研究

李立堯

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，汽車(chē)的使用越來(lái)越普遍，但汽車(chē)的設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)等過(guò)程還存在不少問(wèn)題。如汽車(chē)噪聲不僅影響乘用人員的舒適度，也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染?；钊絻?nèi)燃機(jī)作為現(xiàn)代常見(jiàn)的汽車(chē)種類之一，其噪聲控制也成為相關(guān)行業(yè)發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。本文就活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲控制技術(shù)展開(kāi)論述，闡述活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲種類及特征、控制要求與評(píng)價(jià)，并提出活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲控制方法，帶動(dòng)相關(guān)行業(yè)發(fā)展。

Abstract： With the sustained and stable growth of China's economy， the use of cars is becoming more and more common， but there are still many problems in the process of car design， manufacturing， use， maintenance and so on. For example， automobile noise not only affects the comfort of passengers， but also pollutes the environment. As one of the most common kinds of modern automobiles， the noise control of piston internal combustion engine has become an urgent problem to be solved in the development of related industries. In this paper， the noise control technology of piston-type internal-combustion engine vehicles is discussed， the noise types， characteristics， control requirements and evaluation of the piston-type internal-combustion engine vehicles are expounded， and the noise control method of the piston-type internal-combustion engine vehicles is proposed to drive the development of related industries.

關(guān)鍵詞：活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē);噪聲;控制

Key words： piston type internal combustion engine automobile;noise;control

中圖分類號(hào)：U467.493? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）24-0021-02

1? 活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲種類及特征

活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)是一種新型的汽車(chē)，其凝聚了先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，但在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生了噪音，對(duì)行車(chē)者正常行車(chē)有很大影響。由于活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的原因，其噪音的種類多樣，其中包括以下幾種噪聲：第一，活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)部燃料氧化或者能源轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的噪聲;第二，部分活塞式汽車(chē)設(shè)計(jì)不合理，主要為車(chē)體結(jié)構(gòu)問(wèn)題，部分汽車(chē)結(jié)構(gòu)不合理，外觀設(shè)計(jì)也不符合相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)構(gòu)件之間產(chǎn)生摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲;第三，汽車(chē)電器設(shè)備產(chǎn)生的各種噪音，如車(chē)載交/直流發(fā)電機(jī)噪聲、起動(dòng)機(jī)噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系電動(dòng)風(fēng)扇噪聲等;第四，汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中底盤(pán)產(chǎn)生的噪音，主要由于各個(gè)構(gòu)件之間的相互作用，其中主要為傳動(dòng)噪聲;此外，活塞式內(nèi)燃機(jī)作為大多數(shù)汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，其本身發(fā)動(dòng)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生一定噪聲，主要由于其本體噪聲和進(jìn)氣噪聲組成，噪聲強(qiáng)度比較高。相關(guān)行業(yè)在汽車(chē)制造過(guò)程中要將降噪放到首位，減少內(nèi)燃機(jī)的振動(dòng)以及降低整車(chē)對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)，從根本上降低噪音。最后，活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)長(zhǎng)時(shí)間行駛過(guò)程中因速度變化不均勻容易產(chǎn)生胎噪，即輪胎與地面長(zhǎng)時(shí)間摩擦引起的噪聲，這種情況下空氣被壓縮在兩者的空隙中，車(chē)輛行駛時(shí)只要輪胎離開(kāi)地面就會(huì)產(chǎn)生類似氣泵的噪聲。

2? 活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲控制要求

歐盟是最早利用活塞式內(nèi)燃機(jī)作汽車(chē)動(dòng)力的國(guó)家，早在上個(gè)世紀(jì)七十年代，其就對(duì)汽車(chē)制造做出了明確的規(guī)定，其中規(guī)定客車(chē)的外部噪聲不得高于七十一分貝;美國(guó)部分地區(qū)也對(duì)汽車(chē)制造過(guò)程中的噪聲提出了明確的要求，其法規(guī)中提到小型汽車(chē)的噪聲不得高于七十五分貝。本世紀(jì)初，我國(guó)汽車(chē)制造業(yè)取得了良好的發(fā)展，吸取其他國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步要求汽車(chē)噪聲控制要求，并提出大客車(chē)的噪聲必須低于八十二分貝，對(duì)于一些載貨量不大的汽車(chē)，噪聲不得超過(guò)八十三點(diǎn)五分貝。相比于歐盟以及美國(guó)，我國(guó)的汽車(chē)噪聲控制技術(shù)方面還有待提升。

3? 活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲評(píng)價(jià)

控制噪聲的最好方法是科學(xué)評(píng)價(jià)后“對(duì)癥下藥”。目前來(lái)看，噪聲評(píng)價(jià)方式主要有兩種，即客觀與主觀評(píng)價(jià)法。從主觀評(píng)價(jià)角度來(lái)看，評(píng)價(jià)主要從汽車(chē)舒適性、響度、運(yùn)行情況等方面測(cè)評(píng)，主要測(cè)評(píng)方式為語(yǔ)義微分法。從客觀評(píng)價(jià)的角度來(lái)看，應(yīng)用的裝置主要為PCNM噪聲測(cè)量裝置，將其置于車(chē)身內(nèi)部和外部，通過(guò)該設(shè)備顯示的數(shù)據(jù)分析汽車(chē)噪聲，進(jìn)而進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)。在此過(guò)程中，引入邊界元法和有限元法也能更加科學(xué)地評(píng)價(jià)噪聲。

4? 活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲控制技術(shù)

要想進(jìn)一步優(yōu)化活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲控制方法，就必須找到引起噪聲的原因，對(duì)癥下藥。本文重點(diǎn)探究活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲控制技術(shù)，并針對(duì)不同技術(shù)提出具體的優(yōu)化方案?？陀^來(lái)講，從噪聲的源頭控制噪聲能夠達(dá)到事半功倍的效果，主要方法為增加隔音措施阻斷噪聲傳播路徑或者更換構(gòu)件減少設(shè)備之間的摩擦等。總體來(lái)看，從噪聲源頭進(jìn)行控制才能從根本上消除噪聲，這也是最為有效的噪聲控制方法，具體措施有兩點(diǎn)，第一，優(yōu)化汽車(chē)結(jié)構(gòu)，主要從振源進(jìn)行優(yōu)化;第二，從聲源出來(lái)，優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)，減少內(nèi)燃機(jī)自身的噪聲。對(duì)于部分不可控制的噪音，可以轉(zhuǎn)變控制思路，采用隔音、吸聲等措施，極大程度上降低噪音，以下從五個(gè)方面展開(kāi)論述：

4.1 內(nèi)燃機(jī)本體振動(dòng)噪聲控制

活塞式內(nèi)燃機(jī)作為一種動(dòng)力源泉，其在運(yùn)行過(guò)程中本體會(huì)產(chǎn)生一定噪音。目前來(lái)看，汽車(chē)噪聲控制的主要任務(wù)為內(nèi)燃機(jī)噪聲控制。從內(nèi)燃機(jī)工作情況來(lái)看，其主要依靠燃料實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)化，進(jìn)而維持機(jī)器正常運(yùn)作。深度剖析其工作原理，其主要為化學(xué)能向電能轉(zhuǎn)化，在電力的推動(dòng)下產(chǎn)生活塞連桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)械齒輪運(yùn)作，這種情況下會(huì)產(chǎn)生噪音，加之部分配氣結(jié)構(gòu)敲擊等機(jī)械運(yùn)動(dòng)均會(huì)產(chǎn)生噪聲。

4.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲控制

現(xiàn)階段汽車(chē)制造過(guò)程中要加強(qiáng)對(duì)內(nèi)燃機(jī)本體噪聲的控制，這種情況下要從噪聲的產(chǎn)生路徑來(lái)控制，進(jìn)一步降低噪聲，主要從兩個(gè)方向入手：

第一，改進(jìn)振源。

目前來(lái)看，振源改進(jìn)為降低噪音的有效方法，這種情況下可采取有限元法進(jìn)行控制，該方法能夠比較準(zhǔn)確地計(jì)算出燃料燃燒產(chǎn)生的熱能，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)變化改變能源供給方式，使內(nèi)燃機(jī)燃料燃燒工作過(guò)程更加柔和，實(shí)現(xiàn)能源的高效控制，避免內(nèi)燃機(jī)本體產(chǎn)生噪音。其次，振源控制還可以以提高油底殼等部件的剛度為準(zhǔn)，為了達(dá)到更好的振控效果，可架設(shè)加強(qiáng)筋，這種情況下能夠避免內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部零件運(yùn)行過(guò)程中在強(qiáng)壓力的作用下產(chǎn)生變形。此外，振源控制還可從減小活塞式內(nèi)燃機(jī)氣缸本體和汽缸蓋之間的間隙入手，可以通過(guò)緊配合或過(guò)盈配合的手段實(shí)現(xiàn)，從根本上降低噪聲的激振力。

第二，改進(jìn)聲源。

改進(jìn)聲源也是降低內(nèi)燃機(jī)噪音的有效方法，改進(jìn)聲源的方式有很多，一般方式為在噪聲產(chǎn)生源上鋪設(shè)隔音材料，常用的隔音材料為阻尼材料，該材料能夠分散噪音，使聲源與缸體結(jié)合成一體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)能向熱能的轉(zhuǎn)化，從根本上降低振動(dòng)產(chǎn)生的能量。因結(jié)構(gòu)不同，阻尼材料也有多種類型，依據(jù)阻尼結(jié)構(gòu)分為自由阻尼層、約束阻尼層、間隔阻尼層、間隔自由阻尼等多種結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)阻尼結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)型阻尼材料的降噪效果更為明顯，能夠明顯地減少氣缸各個(gè)零件共振的幅度。此外，從時(shí)間這個(gè)角度來(lái)看，聲源改進(jìn)過(guò)程中應(yīng)用阻尼結(jié)構(gòu)能夠縮短氣缸的振動(dòng)周期，能夠從根本上降低噪聲。

4.1.2 進(jìn)氣噪聲控制

進(jìn)氣噪聲也是內(nèi)燃機(jī)本體常見(jiàn)噪聲之一，該噪聲主要由空氣引起，進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的空氣受汽車(chē)內(nèi)部運(yùn)行的影響產(chǎn)生動(dòng)力，進(jìn)而出現(xiàn)噪聲?；钊絻?nèi)燃機(jī)運(yùn)行需要借助空氣，考慮到活塞式內(nèi)燃機(jī)所需的空氣量隨轉(zhuǎn)速提升不斷增大，故可以判斷活塞式內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣噪聲大小與內(nèi)燃機(jī)本體工作過(guò)程中的轉(zhuǎn)速有極大關(guān)系，且轉(zhuǎn)速越大，噪聲越大。常見(jiàn)的進(jìn)氣噪聲有渦流噪聲、周期性脈動(dòng)壓力噪聲、氣缸的共振噪聲等，針對(duì)這些噪聲的控制，可以使用消聲器控制。消聲器種類也有很多，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中要根據(jù)噪聲的特征選擇合適的控制方式。

4.2 內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)底盤(pán)噪聲控制

活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中底盤(pán)的噪聲也非常大，從其聲源來(lái)看，主要為排氣噪聲引起，其主要由于氣流經(jīng)過(guò)氣門(mén)座產(chǎn)生，這個(gè)情況下產(chǎn)生的噪聲種類很多，包括渦流噪聲、排氣壓力的脈沖噪聲等。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，針對(duì)這部分噪聲，采取邊界元法或者有限元法都能有效控制噪聲，但現(xiàn)階段我國(guó)在這兩種方法應(yīng)用方面還不是很成熟，很多技術(shù)有待完善。從另一個(gè)角度來(lái)看，減少活塞式汽車(chē)自身運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲或者其車(chē)身與消聲器之間的耦合作用能夠減弱噪聲，這種情況就要進(jìn)一步提升車(chē)的動(dòng)力性，降低排氣背壓為一種行之有效的方法。在此過(guò)程中汽車(chē)設(shè)計(jì)人員要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)排氣管，還要適當(dāng)增加其直徑，使氣體順利排出。研究發(fā)現(xiàn)，改變消聲器連接方式，即采用并連式連接方式能夠提升汽車(chē)的動(dòng)力性，這種情況下也能從一定程度上降低氣流的噪聲。此外，由排氣振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，可以轉(zhuǎn)化活塞式內(nèi)燃機(jī)連接方式，采用軟管連接活塞式內(nèi)燃機(jī)和消聲器，能夠降低排氣噪聲。

4.3 內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)電器噪聲控制

4.3.1 冷卻風(fēng)扇噪聲

活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)底盤(pán)賦有冷卻風(fēng)扇，該風(fēng)扇主要功能為降低汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的熱能，冷卻風(fēng)扇在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生噪音，同時(shí)還受散熱器結(jié)構(gòu)的影響，噪聲加大。對(duì)于這種情況，汽車(chē)制造人員在制造過(guò)程中要優(yōu)化底盤(pán)設(shè)計(jì)，可適當(dāng)增強(qiáng)風(fēng)扇的制冷功能，避免因內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)太快導(dǎo)致熱能累積產(chǎn)生更大的噪聲。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還可以改變護(hù)風(fēng)圈形狀，加快熱能散發(fā)速度，從而降低噪聲。

4.3.2 汽車(chē)發(fā)電機(jī)噪聲

發(fā)電機(jī)是汽車(chē)的重要組成部分，在新的時(shí)代背景下，汽車(chē)制造人員要研究發(fā)動(dòng)機(jī)的作用特征，找到噪聲的來(lái)源。發(fā)電機(jī)在工作過(guò)程中受磁體、機(jī)械因素等影響會(huì)產(chǎn)生噪聲。這種情況下應(yīng)該從發(fā)電機(jī)制造工藝、裝配精度、通風(fēng)系統(tǒng)等方面進(jìn)行改造。

4.4 內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)車(chē)身噪聲控制

受汽車(chē)行駛速度的影響，車(chē)身與空氣摩擦?xí)a(chǎn)生噪聲，且運(yùn)行速度越快，噪聲越大。相關(guān)學(xué)者測(cè)試了汽車(chē)速度與空氣摩擦系數(shù)，發(fā)現(xiàn)兩者非線性關(guān)系，但呈正相關(guān)關(guān)系。從科學(xué)的角度來(lái)講，車(chē)身噪聲產(chǎn)生的主要因素為空氣動(dòng)力噪聲。這種情況下要想減弱噪聲就必須優(yōu)化汽車(chē)元件配置，選擇優(yōu)質(zhì)的彈性元件，避免車(chē)身與其他構(gòu)件之間產(chǎn)生摩擦，降低車(chē)輛行駛過(guò)程中各個(gè)構(gòu)件之間摩擦產(chǎn)生的噪聲。與此同時(shí)，相關(guān)人員還要優(yōu)化車(chē)身外觀設(shè)計(jì)，采用流線型設(shè)計(jì)，減少車(chē)身與空氣之間的摩擦力。此外，汽車(chē)車(chē)胎在一定條件下也會(huì)產(chǎn)生噪聲，在行駛過(guò)程中尤為明顯，這與車(chē)胎表面的花紋和材質(zhì)有關(guān)，要想降低車(chē)胎噪聲就必須優(yōu)化輪胎花紋設(shè)計(jì)，更換材料。

4.5 內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)其他噪聲控制

活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)還有其他噪聲，對(duì)于不同的噪聲，需要具體分析。目前來(lái)看，更換零件、篩選合理的噪聲控制技術(shù)均為有效方法，但這種方法也比較被動(dòng)。除了這種控制方法外，相關(guān)人員還可從振動(dòng)波的視角看待噪聲，利用波的疊加原理，人為地產(chǎn)生與噪聲幅度和頻率相同，但相位相反的抵消聲波，從根本上降低噪聲。

5? 結(jié)束語(yǔ)

活塞式內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)噪聲嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響駕乘人員的健康，甚至影響到行車(chē)安全，還會(huì)縮短車(chē)輛的更新周期。噪聲的產(chǎn)生是個(gè)綜合性的問(wèn)題，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是主要因素，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、車(chē)身、電器設(shè)備等都會(huì)產(chǎn)生噪聲，因此，要從設(shè)計(jì)、制造、使用、維護(hù)等全方位提升技術(shù)和規(guī)范，不斷降低噪聲的來(lái)源，努力提高生活質(zhì)量和環(huán)境質(zhì)量。

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