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
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：This article first interior noise sources were analyzed, and then the establishment of a finite element model of the vehicle compartment acoustic sound field in the cavity, the use of the structure and dynamic sound field analysis of the dynamic characteristics of the body structure, the acoustic characteristics of the vehicle compartment cavities were sound field the study. On this basis, the analysis of the acoustic excitation solid coupling system in the outside world under the acoustic response. It describes the principle and application of passive noise control car on the low-frequency noise. And determine the effect of active noise control determinants and development process in the ca
r noise control applications, and pointed out that current research problems to be resolved and future research directions.
Keywords: interior noise; control; the passenger compartment of the cavity; Active Noise Reduction
0 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
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：
R
S
A
C I
I
I
I+
+
=
式中，C I——车内噪声总声强；
I——传⼊车内的空⽓声声强；
D
T
A I
I
I+
=
T
I——车外噪声透过乘坐室壁⾯进⼊车内的声强；
D
I——车外噪声通过壁板上的孔缝直接传⼊车内的声强；
S I——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；
R
I——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。
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=-
p c
p ①式中，2
——拉普拉斯算⼦；c 为声波流体介
质中的传播速度，ρ
c =；
p ——流体动压
⼒；
K ——流体压缩模量；ρ——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l S 上，如果在流体-弹性固体交界⾯为完全反射⾯，则有
22t
u n p n
-=ρ②式中，n 交界⾯的法线⽅向；2
2t u n ??弹性固体的
法向加速度。
（2）在固定界⾯b S 上，如果固定界⾯为完全反射⾯，则有
0=??n
p
③如果固定界⾯为⾮完全反射⾯，则有
t
u B n p n
n ??-=??ρ④式中n B ——声导呐。
（3）在⾃由表⾯F S 上，忽略⽓体的密度，则 0=??n
p
⑤（4）在⽆限远边界处，可以按⽆反射条件建⽴边界条件
t
p c r p ??=??1 ⑥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。
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 -80H z, 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P A ，车⾝壁板结构振动时，可看作活塞点声源的集合。由声学基本理论[6] , A点的声压P A 为
m
m
m
m
L
m
降噪轮胎A S
R
jkR
V
jkd
P?
-
=∑
=
)
exp(
2
1
1