如何将汽车制造成精品-—汽车噪声与振动控制

如何将汽车制造成精品—汽车噪声与振动控制主讲人：李传兵博士目录•第一章汽车精品化：目的和目标•第二章声的测量和声的特性•第三章汽车外部噪声：评价和控制•第四章汽车内部噪声：评价和控制•第五章振动测试和振动特性•第六章振动源及其控制第一章汽车精品化：目的和目标一、汽车精品化的介绍1、什么是汽车精品化精品化就是从粗糙的特征中释放出来，变得高雅或者是完善。精品化不仅是一个过程，而且也是最后状态的描述（精致、优美等）。2、汽车精品化涵盖的内容（1）、NVH（即noise,vibration,harshness）Noise（噪声）：用来描述可听到的声音，特别关注30Hz-4000Hz的声音。Vibration（振动）：用来描述可以感觉到的振动，特别关注30Hz-200Hz的振动。Harshness（声振粗糙度）：指的是由于悬架减振不好而产生的振动与噪声问题。（2）、乘坐舒适性（3）、可操纵性3、精品化后的汽车拥有的特定属性（1）、好的乘坐舒适性；（2）、好的可操纵性；（3）、低风噪声；（4）、低路面噪声；（5）、低发动机噪声；（6）、怠速时低噪声振动；（7）、巡航时低噪声振动和好的乘坐舒适性；（8）、低传动噪声；（9）、低的冲击振动级；（10）、低“吱吱”声、“咯咯”声、“丝丝”声声级；（11）、高质量的低外部噪声级；（12）、噪声作为一个特色被接受。二、汽车精品化的目的1、立法；2、面向新顾客的市场；3、顾客的期望；4、面向现有顾客的市场。三、汽车精品化的目标设置精品化目标的标准管理工具是PDS文件，这个文件是品牌所有者编写，遵守这个文件是所有供应商签订契约的前提。典型的PDS包括以下精品化指标：1、整车外部噪声指标。2、单个零部件外部噪声指标（1）、发动机辐射噪声指标（2）、进气口辐射噪声指标通常在距离进气口100mm处以90°入射角记录的噪声作为最大声压级。（3）、排气管辐射噪声指标通常在距离排气口500mm处以45°入射角记录的噪声作为最大声压级。3、整车内部噪声指标（1）、内部噪声指标：声压级的明显改进；（2）、内部噪声指标：品牌价值；（3）、内部噪声指标：主观指标。4、乘车品质指标（包括振动感受指标）。其中外部噪声指标通常是客观的，而内部噪声指标和乘车品质指标是主观和客观标准的综合。第二章声的测量和声的特性一、声音的产生和传播1、声音的介绍（1）、声音的定义物理学将声音定义为：通过周期性机械振动的中间介质把声音的能量传播出去。根据定义可以看出：1）、声音是一个周期过程；2）、声音包含着能量的传递。声音也可以这样描述：1）、声音的传播包含能量的传递，但并不能引起质点的传播；2）、为了使质点能够围绕它的平衡位置振动，传播声音的介质必须是同时具有惯性和弹性的介质。（2）、各种常见声源的频率范围（3）、可听的频率范围人耳可听到声音的最低20Hz，在空气中的波长17.15m；人耳可听到声音的最高频率20000Hz，在空气中的波长为17.15m。（4）、用线性连续声学方程式对声音进行精确的数学描述1）、线性平面波方程；2）、球坐标系下的线性波动方程；3）、一维线性平面波方程的解。2、声音的产生声音是介质中质点围绕其平衡位置的来回振动。有很多方法可以发出声音，总的来说，这些不同的机构可以分为两类：（1）、直接声学发声装置，其中声音是由物理过程直接产生；辐射噪声（2）、间接声学发声装置，其中声音是由于力使结构产生振动响应而发出声音。辐射噪声物理装置波动的力F（f）结构响应Y（f）辐射特性S（f）3、声音的传播（1）、声音的传播速度二、声音的测量声级是通过传声器联结一些电子信号调理和分析装置来测量的。有很多类型的传声器，它们采用不同方法将波动压力转换为电信号，主要类型有：电动式、带状板、电介质、电容式。在声级测量中，经常采用精度较高的电容式传声器。1、电容传声器的构造电容传声器的工作原理是用一个膜片作为平行板空气电容器的运动电极。膜片在相当高的频率下将产生受控于两电级之间空气运动的共振。在标准的温度和压力下，声音传播速度大约为343m/s声音极板间的距离随着在声音引起的空气压力的变化而变化，而电容量也随之发生相应改变，引起电容的不断充放电，从而将声音信号转换成了电信号2、电容放大器的特征：灵敏度传声器的电极越大，由膜片在给定的挠度下产生的电荷越多，且传声器的灵敏度越高。精密的电容式传声器通常分为四种尺寸，由它们的外部直径来表示（1）1in，（2）0.5in，（3）1/4in，（4）1/8in。通常引用开路灵敏度来直接比较两个传声器。这个开路灵敏度等于用200V极化电压在250Hz时每1Pa压力产生的电压（mV）。传感器灵敏度随温度和气压的变化而变化。3、频率响应灵敏度随频率的变化被称为传声器的频率响应。电容传声器的频率响应主要由以下四个因素决定：（1）、膜片刚度；（2）、由于两电极之间空气流动所造成的粘性阻力引起的膜片机械阻尼；（3）、膜片质量；（4）、在发生干涉和衍射效应的频率处，传声器直径与冲击声音的波长同阶。4、指向特性电容传声器的指向特性取决于连接到前置放大器的装置的大小，且许多不同种类的特定类型的传声器都有相同的指向特性。1in传声器在所有传声器中有着最好的指向特性（特别在10kHz以上时）。5、动态范围一个电容传声器的动态范围的最低限与前置放大器一起由内部噪声级决定，动态范围的最高限由失真度决定。6、前置放大器设计的前置放大器是为了得到高输入阻抗，一般在10-50GΩ。设计的前置放大器要有低输入阻抗，目的在于保留高频响应。7、电源8、测量放大器测量放大器作为电源的同时也将前置放大器变动的电压输出转换成以下两种中的一种：（1）、把磁带记录或者数字存储的信号变成放大的电压；（2）、定量化噪声的均方根级9、声级计把传声器膜片、前置放大器、电源和测量电路连接起来，并放在盒子中则就是一个声级计。10、校正每一个传声器都提供一个单独的校准图，这个图表包括带有灵敏度数据的完整频响曲线。在声场中，从传声器膜片到分析仪显示的整个信号链可以使用以下方法之一进行校准：（1）、声学校正器；（2）、活塞发声器。11、声音的记录声音的记录需注意以下几方面：（1）、选择一个恰当的录音工具；（2）、要仔细设置记录的声压级，确保不过载─即使是偶尔的瞬时噪声；（3）、在记录数据前，先将校正音调记录10s；（4）、“锁住”所有记录的声级，以免被干扰。12、分贝声级一般用给定位置上的噪声源声功率（W）输出和声压幅值（Pa）来描述。然而，由于在宽广范围内存在声压和声功率，分贝是很有用的。为了使描述声级这种情况简化，一般用分贝来描述声级。两个相同的声级叠加在一起，其噪声级比一个噪声源所产生的声级高3dB（A）。将一个噪声级与另外一个幅值小于10dB（A）的噪声级叠加，叠加的结果对最高噪声级的增加可以忽略不计。13、声级的计权（1）、频率计权1）、A计权2）、B计权3）、C计权（2）、时间计权1）、快，指数时间常数为125ms2）、慢，指数时间常数为1s3）、峰值保持，指数时间常数不到100μs三、噪声数据的显示和分析1、单值指数法（1）、压力时程（2）、压力的均方根（3）、声压级时程（4）、等效连续声级（5）、统计声级2、基于频率的指数法（1）、1倍频程（2）、1/3倍频程滤波器（3）、1/12倍频程滤波器（4）、1/24倍频程滤波器（5）、阶次跟踪：当分析旋转机械的噪声时，常采用阶次跟踪技术。（6）、恒定带宽级频率分析方法（7）、瀑布图第三章汽车外部噪声：评价和控制对整车外部噪声的主要贡献是进气噪声、排气噪声、轮胎噪声等。所以控制这些噪声源对控制整车外部噪声是很重要的。噪声源的排列方法：1、隔离2、屏蔽3、近声场的传声器技术4、声强画图5、声场空间转换方法6、来自振动的噪声7、建模一、进气系统噪声1、进气系统主要部件（1）、滤清器壳（2）、进气管（3）、压缩管（4）、容积腔（5）、流道由进气和排气系统运行造成的噪声可以分为：1）、主要噪声源：由通过气阀的不稳定质量流动引起，造成气管中的压力波动，并传播到进气口（或排气管），最后作为噪声辐射出去。2）、次噪声源：由流过进气和排气系统的气体运动造成的噪声。3）、壳体噪声源：由主噪声源和次噪声源激励引起的来自进气和排气管的结构辐射噪声。（1）、进气口的位置（2）、进气管和滤清器壳的尺寸（3）、为改进发动机性能而进行的进气系统设计（4）、进气噪声源（5）、管道流畅声学（6）、简单进气系统的声学性能（7）、锥形进气管（8）、进气管伸进滤清器壳（9）、赫尔姆霍次共振腔（10）、侧置分开式（1/4波长）共鸣器（11）、流动对侧置分开式共鸣器的影响（12）、进气系统安装2、当设计进气系统时，需要考虑以下问题3、汽车进气系统设计初期关键的活动（1）、概念阶段：标明容积（2）、发动机原型阶段：通过进气管设计，研究发动机进气和波形作用的调谐；使系统压力损失最小化；研究空气过滤；定标通气口噪声；研制消声器和谐振器（3）、汽车原型阶段：精品化包装；外部噪声级测试（4）、预生产汽车：精细汽车内部和外部噪声级（5）、预生产评价：解释噪声品质的任何问题4、进气噪声控制（案例分析）（1）、圆锥形进气管：在噪声衰减中，圆锥形进气管可以用来减少波谷的深度。（2）、进气管伸到滤清器中：伸到滤清器主体内的进气管扮演了侧置式共鸣器的角色。（3）、赫尔姆霍次共振器：是小于120Hz的进气噪声通常用的消声元件。（4）、侧置式共鸣器（5）、歧管和拉链管的效果（6）、进气系统支架1、当设计排气系统时，需要考虑以下问题（1）、在排气系统中，由更高流速引起的流动影响更大（2）、温度梯度非常大，特别是在排气歧管中（3）、在消声器设计中，耐久性/抵抗腐蚀经常是限制因素（4）、背压要比排气歧管中波的作用对发动机性能有更大的影响。（5）、深入消声器中的穿孔管经常被用来提供气体的梯度膨胀，在带来较小背压损失情况下取得噪声衰减。可以提供若干个平行的流动途径，且每个管路通过穿孔管来连接。（6）、采用隔板划分消声器的方法，可以在单个消声器壳体内得到多个消声器腔室。（7）、来自消声器外表面的辐射噪声可能较大。（8）、由流体本身产生的噪声也可能较大。（9）、和普通进气系统惯例相比，较少使用侧置式共鸣器和赫尔姆霍次共振器。（10）、消声器内经常塞有诸如玄武石、钢丝绒或玻璃纤维绳的吸声材料。二、排气系统噪声2、排气噪声控制（1）、有关通过排气阀的流量（2）、计算排气温度（11）、在车辆下面安装排气系统很重要，要避免产生结构噪声进入车内的途径。三、轮胎空气噪声1、轮胎空气噪声产生的机理（1）、在接触过程期间，当空气泵入、泵出轮胎面和道路空穴时产生的噪声。（2）、由接触过程造成的轮胎振动产生的噪声。2、道路表面对轮胎空气噪声的影响三种道路特性影响轮胎噪声：（1）、表面粗糙度。（2）、摆脱表面水的能力。（3）、声的吸收。3、如何通过设计控制轮胎空气噪声（1）、减少轮胎面模量（2）、在轮胎面上使用更柔软的橡胶，以减少接触斑点前缘胎面花纹块的冲击。（3）、避免胎面花纹块中的张紧，以减少接触斑点后缘切向振动。（4）、避免出现横向花纹槽，以减少声学空穴共振的影响，一端开口的短花纹槽则更有利于减少影响。（5）、通过选择性布置不同尺寸的轮胎元素来提供轮胎中的频率调制，因而称为节距排列。四、车外汽车通过噪声的测量1、自从在70/157/EEC中介绍认证噪声级以来，M1客车的整车通过噪声限值为74dB(A)2、测量方法第四章汽车内部噪声：评价和控制汽车内部噪声是以下各因素的综合：（1）、发动机噪声；（2）、道路噪声；（3）、进气噪声；（4）、排气噪声；（5）、气动噪声；（6）、来自部件和附件的噪声；（7）、制动噪声；（8）“吱吱”、“格格”和“丝丝”声。车辆内部噪声源噪声源1与车辆结构的相互作用-滤波效应噪声辐射噪声源2与车辆结构的相互作用-滤波效应与车辆结构的相互作用-滤波效应噪声源3噪声辐射噪声辐射车辆内部噪声滤波效应内部噪声除了车厢里出现的“吱吱”、“格格”和“丝丝”声外，噪声或振动通常起源于外部并