汽车车内声场分析及降噪方法研究现状

汽车车内声场分析及降噪方法研究现状1汽车车内声场分析及降噪方法研究现状摘要：本文首先对车内噪声的来源进行分析，然后建立了车室空腔声场的声学有限元模型，利用结构及声场动态分析技术，对车身结构的动态特性、车室空腔声场的声学特征进行了研究。在此基础上，分析了声固耦合系统在外界激励下的声学响应。阐述了车内被动噪声控制在低频噪声上的原理与应用。及决定主动噪声控制效果的决定因素及在车内噪声控制中应用的发展过程,并指出当前研究中需解决的问题和今后的研究方向。关键词：车内噪声；控制；车室空腔；主动降噪Abstract：Thisarticlefirstinteriornoisesourceswereanalyzed,andthentheestablishmentofafiniteelementmodelofthevehiclecompartmentacousticsoundfieldinthecavity,theuseofthestructureanddynamicsoundfieldanalysisofthedynamiccharacteristicsofthebodystructure,theacousticcharacteristicsofthevehiclecompartmentcavitiesweresoundfieldthestudy.Onthisbasis,theanalysisoftheacousticexcitationsolidcouplingsystemintheoutsideworldundertheacousticresponse.Itdescribestheprincipleandapplicationofpassivenoisecontrolcaronthelow-frequencynoise.Anddeterminetheeffectofactivenoisecontroldeterminantsanddevelopmentprocessinthecarnoisecontrolapplications,andpointedoutthatcurrentresearchproblemstoberesolvedandfutureresearchdirections.Keywords:interiornoise;control;thepassengercompartmentofthecavity;ActiveNoiseReduction0引言汽车车内噪声不但增加驾驶员和乘客的疲劳,而且影响汽车的行驶安全。因此,车内噪声特性已成为汽车乘坐舒适性的评价指标之一,日益受到人们的重视。车内噪声主要由发动机、传动系、轮胎、液压系统及结构振动引起。而这些噪声有直接或间接地传到车身结构，在车室内形成声场。车内的噪声水平是体现其舒适性的一项重要指标。为了提高车辆的舒适性,世界各大汽车公司都对车内噪声水平制定了严格的控制标准,将车内噪声的控制作为重要的研究方向。特别是轿车,车内噪声状况更是衡量轿车档次的标准之一。如何改善车辆内部乘员室声学环境,降低车内噪声水平,提高车辆乘坐舒适性已成为研究的热点。1车内噪声来源一切向周围辐射噪声的振动物体都被称为噪声源。噪声源的类型较多,有固体的,即机械性噪声;还有流体的,即空气、水、油的动力性噪声;行驶汽车的噪声包括发动机、汽车动力总成所产生的噪声,车身因发动机、道路和空气流的作用而振动所产生的噪声以及附件噪声等。车内噪声产生机理如图1所示[1]。从声源来看,车内噪声的来源主要有:发动机噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声等。车外噪声向车内传播的具体途径主要有两个:一是通过车身壁板及门窗上所有的孔、缝直接传入车内;二是车外噪声声波作用于车身壁板,激发壁板振动,并向车内辐射噪声。从振动源来看,主要有两个方面:发动机、底盘工作时产生的振动和路面激励产生的振动。后者频率较低,对激发噪声影响较小。车身壁板主要由金属板和玻璃构成,这些材料都具有很强的声反射性能。在车室门窗均关闭的条件下,上述传入车内的空气声和壁板振动辐射的固体声,都会在密闭空间内多次反射,相互叠加成为车内噪声。图1车内噪声产生机理汽车车内声场分析及降噪方法研究现状2从上述可知,发动机、底盘、路面作为声源和振源均可激发车内噪声,其传播途径可分为空气传声和固体传声两种,其中由空气传播的噪声主要为发动机表面辐射噪声和气体流动噪声,而固体传播的噪声主要为发动机、轮胎、路面及气流等引起车身振动而向车内辐射的噪声。1.1发动机噪声发动机工作时产生的声强很大的声音，其声强和声频呈不规律的变化。强烈的噪声影响乘员的舒适性，长时间的噪声环境会使听力减弱，甚至失听。噪声还能引起飞行器结构的疲劳破坏和仪器设备失效。包括发动机工作时产生的进气噪声、排气噪声、冷却风扇噪声、结构噪声等通过空气,由车身的缝隙或孔、洞传播至车内而形成的车内噪声,以及由于发动机燃烧和惯性力矩引起的振动,通过发动机悬架和副车架传动车身,而引起车身弯曲振动,扭转振动等,同时也会引起板件及结构产生局部振动,进一步向车内辐射的中、低频噪声。发动机的噪声源有：①压气机和风扇：各级转子叶片和导向叶片与气流相互作用引起的气动噪声;②涡轮：涡轮叶片与燃气作用引起的噪声,转速越高噪声越大；③喷流：由喷管中高速排出的喷流与外部气流掺混时产生噪声，喷流速度越高噪声越大。涡轮喷气发动机喷流速度较高，喷流噪声比压气机和涡轮的噪声大。高流量比涡轮风扇发动机喷流速度低，风扇噪声占主要成分。火箭发动机主要是喷流掺混噪声，由于喷流能量大、速度高，所以噪声较大。1.2底盘噪声主要包括由于轮胎快速滚动对其周围空气形成扰动而产生的轮胎噪声,齿轮系啮合和振动而产生的变速器、驱动桥噪声,旋转和振动传递而产生的传动轴噪声,汽车高速行驶时,空气紊流对车身的激励造成高频振动,并在车内产生的高频噪声,汽车制动时产生鸣叫声等几个方面。1.3车身噪声及车内附属设备噪声包括由于车身的振动和空气与车身的冲击与摩擦而产生的噪声,以及空调机或暖风装置工作而产生的噪声。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的声场,并主要通过两个途径向车内传播:一个是通过车身壁板及门窗上的所有孔、缝隙直接传入车内;二是车外噪声声波作用与车身壁板振动,并向车内辐射噪声,这种辐射声的强度与壁板的隔声能力有关,也就是说它服从质量定律的规律。需要注意的是，由发动机和底盘传给车身的振动与车外噪声声源激发车身壁板的振动是叠加在一起的，用一般的测试方法很难将它们区分开来。但它们的传播路径不同，所服从的规律不同，频率特性也不尽相同，所采取的降噪措施也不同。车身壁板主要由金属和玻璃构成。这些材料都具有很强的声反射性能。在车室门窗都关闭的情况下，上述传入室内的空气声和壁板振动辐射的固体声，都会在密闭空间内多次反射，所以车内噪声实际是直达声和混响声叠加的结果。所以车内噪声可用下式描述：RSACIIII式中，CI——车内噪声总声强；AI——传入车内的空气声声强；DTAIIITI——车外噪声透过乘坐室壁面进入车内的声强；DI——车外噪声通过壁板上的孔缝直接传入车内的声强；SI——发动机和底盘传给乘坐室，引起乘坐室壁板振动所辐射的噪声声强；RI——上述噪声在车内封闭空间中多次反射所形成的混响声强。2车内声场分析车内声场的分析与研究一直是车辆工程界所关注的一大课题近年来,随着计算机的普及。数值分析技术被广泛应用到声场分析领域。由于边界元方法离散化误差低。离散后的联立方程组数目少，便于在微机上应用,并且具有适合各种几何边界形状和边界条件的优点。在车室的结构开发设计阶段实现车室的声学优化设计创造条件。汽车车内声场分析及降噪方法研究现状3因此，为了降低和控制汽车车内的噪声,必须研究汽车乘坐室的声学特性。汽车乘坐室是由板件围成的一个封闭的空腔,该空腔内有座椅等部件和内饰件。从模态角度看,该系统同任何结构系统一样,具有自身的模态频率和模态形状.声学系统的模态是以具体的声压分布为特征,以区别于结构系统的模态特征。轿车乘坐室的声学特性与其声学模态特性相联系,如果乘坐室空腔受到与其共鸣频率相同的激励时,乘坐室内将发生声学共鸣,车内将存在噪声[2]。特别是构成车身的某些板件的低频振动,如果该振动与车内空腔的共鸣频率一致时,车内将发出令人极其不舒服的低频轰鸣噪声。2.1车室声腔模态分析探讨轿车车内空腔声学模态,获取车内空腔的声学模态频率和模态形状,从而在车辆设计中可能避免车身板件的低频振动而导致的车内低频噪声的发生。根据车内空腔的声学模态形状,合理进行车内布置和优化车内声学特性。这样,人就可能处于噪声较小的环境中,获得较好的舒适性。目前有限元法是计算复杂车身结构振动辐射噪声的有力工具，特别是对于车内封闭空腔的声场计算。2.1.1声学模态理论简介声学模态振型则是指声波在某一声学模态频率下，在车内空腔中传播时，入射波与空腔边界反射而形成的反射波相互叠加或相互消减而在不同位置处产生不同的声压分布[3]。将无衰减声波方程0122pcp①式中，2——拉普拉斯算子；c为声波流体介质中的传播速度，Kc；p——流体动压力；K——流体压缩模量；——流体密度。封闭空间的问题需要考虑被封闭流体的边界条件，无衰减声波方程的边界条件为：（1）在流体-弹性固体交界面lS上，如果在流体-弹性固体交界面为完全反射面，则有22tunpn②式中，n交界面的法线方向；22tun弹性固体的法向加速度。（2）在固定界面bS上，如果固定界面为完全反射面，则有0np③如果固定界面为非完全反射面，则有tuBnpnn④式中nB——声导呐。（3）在自由表面FS上，忽略气体的密度，则0np⑤（4）在无限远边界处，可以按无反射条件建立边界条件tpcrp1⑥式中，r——无限远处的法线方向。当计算车内混响声场时，如果不开启车窗，车身刚性弱的部分就是边界条件式②；车身刚度强的部分就是边界条件式③；如果开启车窗，则在开启处边界条件为④。2.1.2车室声腔模态分析车室声腔模态分析在轿车设计阶段,车内声学模态分析为避免车身壁板与车内声腔声学共振提供了非常有价值的信息,此外,车内声学模态分析可以用来确定声腔是否被强烈地激起共振。由于车内声场是由车室壁板包围的声腔,因此建立声场模型时,可以先选出与声场接触的车身壁板,并将其封闭,然后将此封闭声腔围成的体划分实体单元,即得到声场有限元模型。[4]研究的三维车室声腔有限元模型如图2所示。汽车车内声场分析及降噪方法研究现状4图2车室声场三维有限元模型重庆大学曹友强等人在研究车内耦合声场时发现第1阶声场模态节线位于前排座椅处;第2阶节线位于前排座椅附近和后排座椅位置。可见,该车室前2阶声场模态从振型上看是有利的,可以使人耳处于车内噪声较小的位置。但是第1阶声场模态值与白车身结构模态第6、7、8阶值很接近,容易引起车室声腔共鸣[5]。要避免乘坐室的低频共鸣,首先应避开第一阶纵向频率。一般轿车的第一阶纵向模态频率为40Hz-80Hz,落在路面激励和发动机振动激励范围内,很容易被路面或发动机振动激励出来而产生低频轰鸣声,使车内声学特性变坏,这是最应加以关注的。本次声学模态测试是在整车状态下进行的,前、后排座椅全带,获得的声学模态对该车型进行舒适性评价有指导意义。2.2结构-声场耦合系统模态分析对整个汽车系统，车身受到外界激励后引起车身壁板振动,同时车身壁板的振动还要受到乘坐室封闭空间内空气的制约,各测点产生由于壁板振动产生的噪声再经过乘坐室空腔放大和衰减才形成车内噪声。反过来,产生的噪声同样作用在车身壁板上放大或抑制壁板的振动(在乘坐室内声场共振时,这种作用还不容忽视)。外界的力作用须经过这样耦合后传到受声点,才形成最终的车内噪声。应用声固耦合理论对某型轿车车身与车内噪声进行耦合分析，为提高车内噪声性能提供车身结构改进方向。2.2.1结构-声场耦合系统模态理论设车身壁板结构振动而造成车内噪声的某点A声压值为PA,车身壁板结构振动时,可看作活塞点声源的集合。