汽車噪聲源的分析與控制

◆文/遼寧 陳兆俊

汽車噪聲源的分析與控制

◆文/遼寧 陳兆俊

陳兆俊

(本刊編委會委員)

1992年參加工作，一直從事汽車檢測與維修工作，熟悉汽車底盤維護、發(fā)動機維修及電控系統(tǒng)的檢測等汽車檢測維修及改裝工作。在日系車型的電控燃油噴射發(fā)動機、電控自動變速器、ABS、電子/空氣懸掛系統(tǒng)、安全氣囊控制系統(tǒng)等諸方面有較多的探究和實戰(zhàn)的經驗。2008年至今于大連職業(yè)技術學院汽車工程技術系任教，副教授，主要講授汽車檢測維修技術方面的專業(yè)課程。

隨著汽車制造工藝的進步，人們對車輛的品質和舒適度要求越來越高，通常將噪聲、振動與粗糙度(Noise、Vibration、Harshness)統(tǒng)稱為車輛的NVH問題，是給乘客的感受最直接、評價汽車品質優(yōu)劣的重要指標。汽車所有系統(tǒng)，如發(fā)動機、底盤、車身等都會帶來NVH問題。雖然NVH問題是在汽車設計生產階段就要解決的問題，但由于生產成本、材料、技術及設備等原因，在車輛使用與維護階段如果不了解NVH問題的生成機理和控制方法，可能會導致NVH問題加劇，降低汽車品質。

汽車噪聲來源簡要分為以下幾種：發(fā)動機噪聲、排氣系統(tǒng)噪聲、風扇噪聲、傳動系統(tǒng)噪聲、輪胎噪聲、制動噪聲、風激噪聲、車身結構噪聲等等，由于車輛噪聲的復雜性，噪聲源之間可能會相互影響而并非僅是簡單的并列關系。

一、發(fā)動機噪聲與控制

發(fā)動機噪聲包括機體發(fā)出的機械噪聲和進氣系統(tǒng)噪聲。高速氣體經空氣濾清器、進氣管、氣門進入汽缸，在流動過程中會產生很強的氣動噪音。發(fā)動機產生的噪聲一般頻率比較低且與轉速相關。研發(fā)過程中對發(fā)動機噪聲控制措施有：(1)改善發(fā)動機燃燒過程以降低燃燒爆發(fā)的沖擊；(2)改善隔振裝置，降低由此沖擊產生的激后力引起的發(fā)動機各部件振動；(3)加裝隔音裝置，發(fā)動機運轉的噪音主要由擋火墻和駕駛室的前底板部位傳入駕駛艙，通過在擋火墻及底板部位粘貼帶異型吸音槽的吸音棉來抑制噪聲傳遞。通過加裝機蓋隔音棉降低發(fā)動機輻射噪聲；(4)改進進氣消聲裝置，減小發(fā)動機進氣過程中氣動噪聲。

汽車使用過程中經常會遇到在車內能夠感覺到發(fā)動機的振動，這就是發(fā)動機與車身出現了隔振問題。發(fā)動機與車身連接采用橡膠隔振器或液壓隔振器完成柔性連接。隔振器在使用過程中可能會老化或失效，其他安裝的附件變形也可能傳遞振動，使發(fā)動機噪聲控制效果受到影響。例如對于很多自動擋車輛，擋位處在P擋或N擋時，感覺車輛的振動較小，掛入D擋位時會感覺振動明顯增大，其原因就是隔振器的隔振效果不佳導致。值得注意的是，對于橡膠式隔振器，橡膠的硬度及安裝的位置變化都會影響隔振的效果。

二、排氣噪聲與控制

排氣噪聲包括尾管口的噪聲、排氣管和排氣系統(tǒng)部件的輻射噪聲、排氣脈沖噪聲。尾管口的噪聲與發(fā)動機轉速有關，特別是在低轉速的情況下。一般來說轉速在3 500r/min以下，發(fā)動機燃燒產生的噪聲占主要成分，噪聲頻率比較低。在高轉速情況下，空氣流與排氣管的摩擦噪聲非常大，摩擦噪聲占主要成分。摩擦噪聲的頻率較高，頻帶也比較寬。通過增加管道的直徑和增加排氣容積可以減少尾管噪聲。

排氣系統(tǒng)中有很多管道元件和板殼結構，如消音器、共振器、管道等。通過改變排氣管道和消音元件的結構減小輻射噪聲。比如采用雙層管或雙層板替代單層管或者單層板的結構。

排氣脈沖噪聲是當排氣管結構有突然過渡時，氣流會對管壁產生沖擊而增大脈沖噪聲?？梢酝ㄟ^圓滑過渡排氣管道結構減小其脈沖噪聲。主要降噪方法有：(1)維修或更換排氣管道時管道過渡要圓滑，不能有突變的結構；(2)在不增加排氣阻力的條件下改善消聲器結構降低排氣出口噪聲；(3)在排氣口對排氣噪聲施加與其幅值大小相等，相位相反的二次聲源或振動源，實現主動降低噪音。如在部分車型的消音器上裝有用來改變振動頻率類似于“平衡重”的裝置，在維修的過程要注意正確安裝；(4)維修過程中應注意保持整個消音器是與發(fā)動機、車身柔性連接，及時更換掉老化的隔振元件。

三、風扇噪聲與控制

風扇運轉過程中，由散熱格柵吸入的冷卻氣流，經散熱器風扇葉片吸入，從發(fā)動機間隙排出，氣流運動的這一過程產生了旋轉噪聲和渦流噪聲。風扇噪聲屬于空氣動力噪聲，也是構成發(fā)動機噪聲的一部分。風扇的噪聲與風扇的外形及散熱器吸入氣流的紊流度密切相關。風扇外形決定風扇本體的阻力系數，包括葉片數量、葉片間斷間隙、葉片角度及彎曲度等。因此，汽車使用與維護的過程中對風扇噪聲的控制也主要是從以上兩個因素入手，保持風扇的形狀穩(wěn)定、葉片沒有缺損、風扇安裝位置可靠、導流罩完好等。

四、傳動系統(tǒng)噪聲與控制

在傳動系統(tǒng)中，噪聲源主要包括變速器、分動器、傳動軸、差速器和減速器等，傳動系統(tǒng)噪聲是由發(fā)動機傳來的振動引起離合器蓋、變速器蓋等輻射出的噪聲以及齒輪嚙合激振引起殼體輻射發(fā)出的噪聲。這些噪聲既有內部齒輪和軸承運轉引起的，也有其他機構傳遞來的。傳動系統(tǒng)的噪聲是在一輛車出廠前就決定了的，汽車使用與維護的過程中只能保證傳動系統(tǒng)原有的性能穩(wěn)定，很難通過后期的降噪措施得到根本性的改善。

五、輪胎噪聲與控制

輪胎噪聲是由輪胎與路面摩擦所引起的，是構成底盤噪聲的主要因素。輪胎噪聲來自泵氣效應和輪胎的振動。所謂的泵氣效應是指輪胎高速滾動時引起輪胎變形，使得輪胎花紋與路面之間的空氣受擠壓，隨著輪胎滾動，空氣又在輪胎離開接觸面時被釋放，這樣連續(xù)的“擠壓釋放”，空氣就迸發(fā)出噪聲。

輪胎與路面摩擦噪聲的頻率和大小取決于輪胎的輪齒寬度、深度、形狀及輪齒間的距離、路面狀況和行車速度等等。比如輪胎的輪齒不平衡，噪聲會增加；路面濕潤會增加1 000Hz以上的噪聲；在0～40℃范圍內，溫度增加，其噪聲降低；在40～140km/h的速度范圍內，速度增加一倍，輻射噪聲增加約10dB。胎體和花紋部分動可引起輪胎的振動噪聲，輪胎振動與輪胎的剛度和阻尼有關，剛度增大，阻尼減少，輪胎的振動就會增大，噪聲也相應增大。

汽車使用與維護的過程中降低輪胎噪聲，可以采用高阻尼橡膠材料、多種花紋節(jié)距胎面的輪胎，調整好輪胎的氣壓和負載動平衡以減少自激振動。注意檢查輪胎的磨損狀況，也可以在輪罩內加裝吸音材料阻隔胎噪向駕駛艙的傳播。

六、制動噪聲與控制

汽車制動而產生的噪聲主要有制動器噪聲、輪胎與地面的摩擦聲以及車身板件的振顫聲等，制動噪聲一般是指制動器工作時產生的鳴叫。

汽車使用與維護的過程中應合理使用制動器并及時維護保持制動器良好狀態(tài)。如車輛在下坡時長時間制動會因高溫造成制動盤損壞，日后再工作的時候就會發(fā)生尖銳的鳴叫。對制動噪音處理的方式可以通過粘貼吸音棉或隔音墊來減緩車輛緊急制動時引起的車身板件振顫。值得注意的是部分車型制動系統(tǒng)中在制動器部位增加了避震裝置，減小制動系統(tǒng)在制動過程的共振，在汽車制動系統(tǒng)維護的過程中且不可當作裝飾部件忽略掉。

七、風激噪聲與控制

汽車在怠速和低速運行時，主要噪聲來自發(fā)動機和其他動力系統(tǒng)(如進排氣系統(tǒng))。當車速達到50km/h時，路面的噪聲明顯增加；當車速達到80km/h時，路面噪聲可能大于發(fā)動機噪聲，甚至掩蓋發(fā)動機噪聲，成為汽車的主要噪聲源。當汽車速度繼續(xù)增加到達100km/h時，風激噪聲就開始出現；當車速達到120km/h時，風激噪聲成為汽車的主要噪聲源。

行駛中的汽車與空氣有相對運動，運動的空氣作用在車身上，對車內產生的噪聲定義為風激噪聲，也稱為氣動噪聲。運動的空氣與車身各個部位的摩擦產生了不同形式的噪聲源，可以分為四種類型：(1)脈動噪聲：空氣作用在車身上，形成渦流并在車身表面產生了壓力波動，這種渦流擾動產生的噪聲被稱為脈動噪聲；通過車身整體設計保持流暢，使得氣流與車身之間的脈動盡可能小。(2)吸氣噪聲：車外的風聲會穿過車身的縫隙進入室內，如汽車運動時，相鄰部件(如車門與車身)之間就可能出現縫隙，車外的噪聲就會穿過縫隙進入室內；保證車身良好的靜態(tài)密封和動態(tài)密封可以避免或減小吸氣噪聲。(3)風振噪聲：當打開天窗或玻璃窗時，車身就像一個共振腔而發(fā)出低頻的轟鳴聲，這類噪聲稱之為風振噪聲；通過設計合理的天窗導流罩，使得氣流流過導流罩直接落到天窗后面的車身上，避免車外氣流與車內空腔的相互作用。(4)空腔噪聲：車身外部部件之間都有間隙，比如A柱和車門之間的間隙。如果這些間隙大，就形成了一些小的空腔。當風吹到這些小空腔時，氣流在里面振蕩，并產生噪聲。通過減小車身外板之間的縫隙和空腔，來減小或避免氣流吹入縫隙和空腔后產生共鳴聲。

汽車使用與維護的過程中降低風噪的主要措施是保證或加強車身的密封性，防止密封件老化或破損；保證外圍附件安裝與車身的緊密貼合，減少加裝凸起結構部件。如天線安裝時，應盡量選擇風噪小、形狀圓滑的“鯊魚鰭”式或螺旋式天線，如果選擇的是普通柱式天線，可以在天線上螺旋式地纏繞一層鐵絲或膠條，目的是打破紊流，使其不能發(fā)出單頻噪聲。

八、總結

噪聲控制主要通過吸音、隔音、減振、密封等措施來阻隔噪聲傳播途徑。在汽車使用和維護過程中對噪聲的控制，合理使用車輛保持良好技術狀況是最重要的。對于汽車噪聲控制來說，由于發(fā)動機、排氣管、輪胎等引發(fā)噪音的部件在車輛出廠時就已定型，因此各部件的設計水平和組裝工藝就決定了噪聲的大小，也同時體現了一部車輛的技術水平和科技含量。