國產(chǎn)自主品牌汽車車內(nèi)噪聲的識別與控制

吳超群，汪三龍，徐進，張選國

（1.武漢理工大學(xué)機電工程學(xué)院，武漢 430070；2.湖北通達股份有限公司技術(shù)中心，武漢 430056）

隨著汽車的發(fā)展和生活水平的提高，人們對汽車的乘坐舒適性要求也逐漸提高，車內(nèi)的NVH性能越來越受到消費者的重視。噪聲是NVH研究的重要組成部分，車內(nèi)噪聲過大將嚴重影響汽車的舒適性和語言交流的清晰度，使司機情緒變得急躁,乘客容易感到疲勞。司機長時間駕駛車內(nèi)噪聲較大的車輛會導(dǎo)致其聽覺損失，甚至?xí)斐伤緳C對各種信號的識別能力變低從而導(dǎo)致車禍。因此車內(nèi)噪聲作為汽車NVH重要指標之一，受到消費者和汽車廠商的共同關(guān)注[1，2]。目前評價車內(nèi)噪聲好壞的主要指標主要有以下幾個：1)在常用轉(zhuǎn)速范圍(1 500～4 000 r/min)車內(nèi)有無轟鳴；2)車內(nèi)總體噪聲水平是否在國家標準或者行業(yè)標準之下；3)車內(nèi)加速噪聲的線性度如何[3]

本文通過對國產(chǎn)某自主品牌汽車的車內(nèi)噪聲進行分析和聲源識別，綜合考慮這三個評價指標提出了降低該車車內(nèi)噪聲的方法，并對其降噪效果進行了評價。

1 試驗樣車概述及問題描述

試驗樣車為我國國產(chǎn)某自主品牌SUV車型，

圖1 原車內(nèi)駕駛員右耳處聲壓級水平Fig.1 Sound pressure level nearby the driver’s right ear before modification

搭載四缸汽油發(fā)動機，其排氣量為2 L，發(fā)動機額定功率為102 kw。在對新車NVH性能評價試驗中，開啟空調(diào)，在節(jié)氣門全開工況下從最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速1 000 r/min加速到5 000 r/min，對車內(nèi)噪聲進行主觀評價，發(fā)現(xiàn)在2 000 r/min左右能夠感覺到很大的轟鳴聲，而且壓耳現(xiàn)象非常明顯。同時通過傳聲器測得車內(nèi)駕駛員右耳處急加速時的聲壓級水平如圖1所示，由圖1可以看出駕駛員右耳處噪聲在1 750～2 500 r/min之間存在一個很大的尖峰，峰值位于2 000 r/min，峰值噪聲大約7 dB，這與主觀評價的結(jié)果相符。然后將發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在2 000 r/min測得駕駛員右耳處噪聲的1/3倍頻程圖如圖2所示。從圖2中可以看出，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，車內(nèi)噪聲主要位于中心頻率為63 Hz和125 Hz的頻帶內(nèi)，且在中心頻率為63 Hz的頻帶內(nèi)有最大值71 dB(A)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時，其對應(yīng)的基頻（以發(fā)動機轉(zhuǎn)速頻率為基頻）為33.3 Hz，2階頻率為66.6 Hz，正好位于中心頻率為63 Hz的頻帶范圍內(nèi)，這說明車內(nèi)2 000 r/min的峰值主要是由2階噪聲引起的。

圖2 原車內(nèi)2 000 r/min噪聲1/3倍頻程圖Fig.2 1/3 octave of interior noise at 2 000 r/min before modification

2 車內(nèi)轟鳴聲的成因及來源識別

車內(nèi)噪聲的來源有聲源和振動源兩種表現(xiàn)形式，其中聲源是指外界及整車系統(tǒng)噪聲通過空氣直接傳播到車內(nèi)產(chǎn)生車內(nèi)噪聲，振動源是指車身各部件的振動向車內(nèi)輻射產(chǎn)生車內(nèi)噪聲[4]。針對車內(nèi)2 000 r/min時的轟鳴聲，主要考慮排氣系統(tǒng)振動、汽車外框振動、進氣噪聲和排氣噪聲這四個方面的影響。為了節(jié)省試驗時間，省略測量每一個聲源或振動源的噪聲或振動特性，在屏蔽單一聲源或振動源之后；通過主觀評價和測量車內(nèi)相應(yīng)位置聲壓級水平來判斷該聲源或振動源對車內(nèi)轟鳴聲的影響程度，找出真正來源之后再對其進行具體分析。

2.1 排氣系統(tǒng)振動對車內(nèi)轟鳴聲的影響

為了驗證排氣系統(tǒng)振動對車內(nèi)轟鳴聲的影響，將排氣系統(tǒng)的吊耳摘除，改用地面支架將排氣系統(tǒng)固定在車底盤相同的位置。同時，在發(fā)動機和排氣系統(tǒng)之間連接一段柔性管以避免排氣系統(tǒng)振動通過排氣系統(tǒng)的懸掛或者發(fā)動機傳到車內(nèi)。然后同樣在從1 000 r/min加速到5 000 r/min的工況下對車內(nèi)噪聲進行評價。主觀評價發(fā)現(xiàn)2 000 r/min時的轟鳴聲依然存在，而且聲音大小相差不大。在轉(zhuǎn)速2 000 r/min、頻率為63 Hz時駕駛員右耳處聲壓級為73 dB(A)，與吊耳未摘除之前相比增加了2 dB，這說明排氣系統(tǒng)的振動與車內(nèi)轟鳴聲關(guān)系不大。

2.2 汽車外框振動對車內(nèi)轟鳴聲的影響

在現(xiàn)代汽車車身設(shè)計中，為了達到節(jié)能、高速和減少材料使用量，就不斷的對車身結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計，由于汽車頂棚面積大而且結(jié)構(gòu)簡單，它便成了輕量化設(shè)計的主要對象，但一旦輕量化之后，其結(jié)構(gòu)成為極薄的鋼板，剛度將顯著下降，容易與車內(nèi)其他部件發(fā)生共振從而產(chǎn)生車內(nèi)轟鳴聲。本研究中為了驗證本車外框振動與其車內(nèi)轟鳴聲的影響關(guān)系，在汽車前蓋、后蓋以及頂棚上增加配重和支撐以提高汽車外框的剛度；以提高其固有頻率避開共振點[5]。然后在同樣的工況下評價車內(nèi)噪聲，在2 000 r/min時依然能感覺到明顯的轟鳴聲，用聲級計測得轉(zhuǎn)速2 000 r/min、頻率為63 Hz時車內(nèi)噪聲的聲壓級為70.5 dB(A)，與未對外框加配重和支撐之前相比變化不大，說明汽車外框振動對車內(nèi)轟鳴聲的影響不明顯。

2.3 進氣噪聲對車內(nèi)轟鳴聲的影響

為了驗證進氣噪聲對車內(nèi)轟鳴聲的影響，在發(fā)動機室外壁包裹一層吸音棉用來減少傳入車內(nèi)的進氣噪聲，然后在急加速工況下評價車內(nèi)噪聲。發(fā)現(xiàn)2 000 r/min時的轟鳴聲依然存在，用聲級計測得車內(nèi)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、頻率為63 Hz時的聲壓級為69.8 dB(A)，與進氣噪聲屏蔽之前相差不大，表明進氣噪聲對車內(nèi)轟鳴聲的影響不大。

2.4 排氣噪聲對車內(nèi)轟鳴聲的影響

為了驗證排氣噪聲對車內(nèi)轟鳴聲的影響，在排氣尾管末端接一根長達8 m的管子，將排氣噪聲引至8 m之外，然后對車內(nèi)噪聲進行主觀評價。結(jié)果發(fā)現(xiàn)2 000 r/min時車內(nèi)的轟鳴聲基本消除，用聲級計測得車內(nèi)轉(zhuǎn)速2 000 r/min、頻率為63 Hz時的聲壓級為65 dB(A)，與排氣噪聲未引出之前相差6 dB，說明排氣噪聲對車內(nèi)2 000 r/min時的轟鳴聲有顯著的影響。為了更好地分析排氣噪聲對車內(nèi)轟鳴聲的影響，在急加速工況下測得排氣尾管噪聲及其階次曲線如圖3所示。由圖3可以看出，排氣尾管噪聲在1 500～2 300 r/min之間存在一個明顯的尖峰，峰值位于1 800 r/min，峰值噪聲大約6 dB，且主要由2階噪聲引起，峰值頻率在60 Hz左右，與2 000 r/min時車內(nèi)噪聲的頻譜分析比較吻合。

圖3 原車排氣尾管噪聲Fig.3 The tail pipe noise before modification

通過以上評價結(jié)果，證明車內(nèi)2 000 r/min時的轟鳴聲是由排氣噪聲引起的，因此需要對消聲器結(jié)構(gòu)進行改進來降低車內(nèi)噪聲。

3 消聲器結(jié)構(gòu)改進及效果分析

排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，由催化轉(zhuǎn)化器、排氣管、前消聲器、主消聲器、后消聲器和尾管組成。其中，主消聲器是一個帶共振腔的4腔消聲器，前消聲器和后消聲器都是單腔直通穿孔管結(jié)構(gòu)，且穿孔面積較大，其消聲性能類似于擴張腔。

圖4 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure of exhaust system

針對排氣系統(tǒng)噪聲2階成分在1 800 r/min左右存在的噪聲峰值，一般需要在排氣系統(tǒng)中添加一個共振頻率為60 Hz的共振腔結(jié)構(gòu)?？紤]到主消聲器已經(jīng)是4腔結(jié)構(gòu)且本身帶有一個共振腔，因此不對主消聲器結(jié)構(gòu)作改動。將后消聲器改成一個帶共振腔結(jié)構(gòu)的兩腔消聲器，利用GT-POWER軟件設(shè)計共振腔的尺寸，得到改進的后消聲器A的結(jié)構(gòu)及其傳遞損失曲線如圖5和圖6所示。由圖6可以看出，共振腔在其共振頻率60 Hz附近有很大的消聲量，但偏離共振頻率后，消聲量則迅速下降。原排氣系統(tǒng)尾管噪聲在1 800 r/min左右存在的尖峰頻帶較寬；因此，如圖5所示單頻的共振腔結(jié)構(gòu)可能滿足不了要求。共振腔的并聯(lián)可以產(chǎn)生多個頻率處的共振峰，使消聲帶寬增加[6]。為了達到共振腔并聯(lián)的效果，在改進的后消聲器中間的隔板上開一個直徑15 mm的小孔，得到改進的后消聲器B結(jié)構(gòu)如圖7所示。利用GT-POWER計算開孔后的傳遞損失曲線并與未開孔的傳遞損失進行比較，得到的結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，在隔板上開孔之后，原共振頻率的峰值依然存在，只是峰值有所降低，但是在100 Hz處產(chǎn)生了一個新的共振峰，峰值大小約12 dB，使得在50 Hz到110 Hz較寬的頻帶內(nèi)均有消聲效果。

圖5 改進后消聲器A結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The structure of mufflerA

圖6 改進后消聲器A傳遞損失曲線Fig.6 The transmission loss of mufflerA

圖7 改進后消聲器B結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The structure of muffler B

圖8 后消聲器A和B傳遞損失比較Fig.8 Comparison of transmission loss of mufflerAand B

圖9 后消聲器改進前后駕駛員右耳處聲壓級水平對比Fig.9 Comparison of sound pressure level nearby the driver’s right ear before and after modification

綜合以上考慮，選定隔板上開孔的后消聲器B為最終改進方案，將后消聲器B裝車之后，再對車內(nèi)噪聲進行主觀評價，2 000 r/min左右的轟鳴聲消除。測得后消聲器改進前后車內(nèi)駕駛員右耳處的聲壓級水平對比圖如圖9所示。由圖9可以看出，消聲器改進后車內(nèi)2 000 r/min時的噪聲峰值降低了大約6 dB，且從1 000 r/min加速到5 000 r/min過程中無明顯尖峰，線性較好。說明改進的后消聲器結(jié)構(gòu)滿足車內(nèi)NVH性能要求。

4 結(jié)語

本文在對國內(nèi)某車型開發(fā)后期車內(nèi)的轟鳴聲作來源識別的時候，分別屏蔽不同的噪聲源和振動源，然后通過主觀評價快速有效地分析出車內(nèi)轟鳴聲的來源是排氣噪聲，再針對排氣噪聲進行具體分析，這樣可以節(jié)約試驗的時間和成本。在改進后消聲器結(jié)構(gòu)的時候，通過在后消聲器的共振腔隔板上開孔，產(chǎn)生多個頻率的共振峰，使得消聲帶寬增加，達到在一個更寬的頻帶內(nèi)消除尖峰的效果，解決了車內(nèi)轟鳴聲的問題，改善了車內(nèi)的NVH性能。

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