车内噪声机理.测量及其评价标准

车内噪声的产生机理、测量方法及其评价标准

汽车噪声与振动是一门非常复杂的学科，涉及很多方面。在汽车产品开发过程中，噪声与振动控制也是一门关键技术。汽车噪声与振动可以用很多方法来分类：按频率来分，可以分成低频问题、中频问题和高频问题；按专题来分可以分成摩擦噪声、风激励噪声、机械噪声等等；按源—传递途径—接受体来分，可以分成振动噪声源、传递通道和人体对噪声与振动的响应。

本文就汽车噪声与振动问题中的一个方面——车内噪声的产生机理、测量方法及其评价标准作一个简单的论述。

1车内噪声的产生机理

一般噪声与振动系统可以用源- 传递路径- 接受体模型来表示。车辆的主要噪声源有: 发动机辐射噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声、底盘噪声、轮胎噪声、风噪声等; 主要振动源有: 发动机自身振动、排气系统振动、传动轴振动、悬架振动、路面激励等。振动的传递路径主要有: 发动机悬置、车身、悬架、排气系统悬置等; 噪声传递路径主要有: 车身孔隙、车身。接受体主要指驾驶员和乘客, 噪声和振动通过传递路径传递到人体。对于噪声与振动的控制包括对噪声源和振动源的控制、对传递路径的控制和对接受体的控制, 降噪的根本是要控制噪声源和振动源, 其次在传播路径上加以控制。车内噪声产生的机理如图1 所示。车辆噪声源, 如轮胎- 路面噪声和发动机噪声向外辐射, 通过车身孔隙透射到乘坐室内, 车内这部分噪声被称为空气传播噪声, 其频率一般在几百赫兹到几千赫兹。车辆振动源, 如路面激励、发动机振动等直接或者间接作用到车身, 引起车身振动; 另外车辆噪声源向外辐射噪声作用到车身, 也会引起车身振动,车身的振动产生结构辐射噪声, 车内这部分噪声被称为结构噪声, 结构噪声的频率一般在几十赫兹到几百赫兹。结构噪声和空气传播噪声相互叠加形成车内噪声。

图1

1.1 发动机的噪声

发动机热力过程中的周期性及部分受力机件的往复运动构成为汽车主要的振动噪声源，主要分为三种：燃烧噪声、机械噪声和空气动力噪声。燃烧噪声声强与压力升高率的平方成正比，噪声声压级与放热率的对数成正比，燃烧噪声还与滞燃期、转速负荷等有关。机械噪声主要是活塞敲击、配气机构的摩擦、冲击、齿轮啮合、齿带啮合、皮带打滑、轴承工作、供油噪声等。机械噪声正比于发动机转速，另外结构的共振也引起噪声辐射，在发动机表面辐射噪声中，主要是发动机机体表面和油底壳辐射，其次是缸头、缸盖罩等。风扇噪声的主要影响因素是转速、叶片弦长、型线、夹角和叶片数。进、排气噪声是由于压力脉动、气流通过气门时的涡流、边界层气流扰动排气口喷注引起的。尾管的影响和消声器壁

面振动辐射的噪声也是重要声源之一。图2为发动机噪声贡献分项图,可见影响发动机噪声的主要因数有燃烧噪声、排气噪声等。

图2 发动机噪声贡献分项图

表1为发动机主要噪声源的噪声主要频率范围表，这里大部分噪声源都与发动机转速密切相关。

表1 发动机主要噪声源的噪声主要频率范围表 噪声源

燃烧 频率范围/Hz 500-8000 备注 汽油机集中在500-4000Hz，柴油机范围广

活塞敲击

进、排气门

冷却风扇

进气

排气

喷油泵

齿轮

皮带 2000-8000 500-2000 200-2000 50-5000 50-5000 〉2000

1.2 风激励噪声

风激励噪声是汽车在高速行驶的时候，车身与空气相互摩擦而产生的。汽车高速行驶的时候，风对车身的激励成了最主要的噪声源，同时也会使车体产生振动。风激励噪声是一种空气动力噪声，风与汽车接触的时候，一些转角处形成空气动力紊流，这种紊流特别容易在结构不平滑的地方出现，如天线、雨刷等地方。如果汽车密封不好，车身有空洞和缝隙，这种风激励的噪声就更容易传进车内。汽车车内感受到的风噪属于来自单极子声源发生的情况有两种，一种是通过车门窗的密封条传递的噪声，又称渗漏噪声，另外一种单极子声源发生是车外空气动压造成车门车窗密封条处局部很大的负压，引起密封条变形而使车外噪声传入车内，这种噪声是气吸噪声。汽车车内感受到的风噪属于来自双极子声源的一个例子是汽车表面的非定常空气动力脉动。这种动力脉动具有时间上的随机性和空间分布的统计特性，不妨理解成为成百上千个微型扬声器阵和激振器阵相互关联的作用在汽车结构表面，引起噪声向车内投射，并引起汽车结构的振动，向车内声辐射噪声。汽车车内感受到的风噪属于来自双极子声源发声的另外一种情况是气流与汽车表面突出杆状物体，如天线和行李架杆等作用，产生涡流单音噪声。从表现形式上我们可大致的分为以下几类：①、密封不良引起的噪声，与车门、车窗等密封条的密封设计有关；②、车身外表面的沟、偏移和其他几何表面过渡处的不平整度引起的噪声；③、车身外表突出结构，如雨刷、后视镜、天线、行李架及外饰件等引起的噪声。风噪问题复杂，为避开轮胎和发动机噪声的影响，风洞试验是评价和解决风噪问题的重要方法。通常大型汽车公司才建自己专用的汽车风洞，而且与一般的空气动力风洞有所不同，声学风洞对环境噪声有严格要求，大部分一些声学风洞是在现有的空气空力风洞基础上进行后期声学改造的。

1.3 动力传动系统噪声

动力传动系统是将发动机发出的功率传递给车轮并带动汽车运行的系统，包括变速箱、分动器、传动轴、半轴、轴承等，这些都是动力传动系统的振动源。一般我们将发动机和变速箱放在一起考虑，两者构成了一个刚体，其惯性特征直接决定了系统的隔振特性。在分析动力传动轴系时我们也将变速箱考虑进来，因为整个轴系是与变速箱直接连接，其特征影响着整个动力传动系统的振动与噪声特性。变速箱里有很多齿轮，这些齿轮之间不可能完美的啮合，因此会产生振动，同样在驱动桥内部和分动器中，动力的传递和分配也是靠齿轮啮合进行的，同样齿轮啮合不好就会产生震动。传动轴和半轴都是旋转运动部件，当轴系的质心与旋转中心线不重合的时候就会产生离心力，而这个系统的弯曲和扭转频率与发动机的激振频率一致的时候，系统会发生共振。当轴系用十字轴式刚性万向节连接时，由于被动轴的角速度不均匀，所以会发生2阶振动。这些振动产生的噪声传到车内主要有：传动轴系旋转阶次引起的轰鸣声(boom),与发动机发火阶次有关的呻吟声（moan），齿轮啮合引起的单频噪声，以及一些碰撞噪声。

1.4 轮胎噪声

这里只针对行驶时轮胎噪声进行阐述 ①、当轮胎胎面某一胶条进入路面滚压前，会首先敲击路面并引起自身振动，这种不断的敲击具有周期性，与周向胶条数目和汽车行驶速度有关。胶条的敲击和振动会辐射噪声，其波形近似为正弦波，并可能存在三次谐波成分。这种敲击在平路面比粗糙路面更明显些，但现在胎纹设计在很大程度上缓解了这种敲击效应。②、轮胎与路面进入滚压，有些胶条会相对路面移动，产生滑移噪声。粗糙路面的凹凸不平会阻止滑移，从而减弱这种滑移噪声。但另一方面，粗糙路面汇集了接触面内的胶条，使其振动而产声辐射噪声。③、周向凹槽风管噪声指胎纹凹槽内空气产生共振效应而发声，产生很大的声振问题，凹槽风管噪声在粗糙路面上不是很突出。④、轮胎花纹与路面形成空腔，当轮胎滚动时，小空腔内的气体受到压缩突然向大气中喷出；当轮胎滚离地面时受压缩的花纹胶条又重新舒展，使空腔容积增大而形成一定的真空度将空气吸入。这种突然的对空气施压和降压的作用和泵气一样，因而这种噪声机理又常被称为泵气噪声。轮胎胎面在侧向、周向和径向的凹槽会产生噪声辐射。如果路面多孔，空气会被泵入路面孔隙中，泵气噪声强度会因而明显减弱。⑤、胶条结束滚压后会因变形而释放回弹，从而产生振动并且发声。⑥、

轮胎侧壁结构在路面接触面附近不断受到变形，产生结构声辐射。⑦、轮胎内空气第一阶共振频率在220-240Hz左右，是沿周向的共振，当频率达到1100-1200Hz时，轮胎内空气会在侧向上形成驻波，发生共振。这种共振有可能与其他振动和声学模态耦合，成为重要的噪声源之一。一般认为空气传播噪声的贡献主要是来源于上述机理的泵气噪声和胶条回弹噪声。泵气噪声声能谱频带较宽，并在胎纹周转频率附近最大。胎纹周转频率由车速、轮胎尺寸和周向胎纹分割数目决定。对大部分轿车在60Km/h速度下，这个频率通常在800-1200Hz，这类噪声总体声压随车速增大而增大，车速增加一倍声压增加约10-12dB。噪声级受载荷的影响也很大，载荷增加50%，声压可以增加8-10dB。胶条回弹噪声强度随牵引力增加而增大。

2.车内噪声的测量分析

由前面的叙述知, 车内噪声由空气传播噪声和结构噪声两部分构成, 因此在分析车内噪声时,不仅要知道车内的噪声情况, 更要了解其结构振动的情况。而汽车作为一个系统, 其车内噪声是由多个噪声源和振动源共同作用的结果, 为此首先要对直接或者间接形成车内噪声的车辆噪声源、振动源、传递路径进行噪声和振动测试, 其次要对车内噪声进行测量。需要测定: 主要噪声源, 如发动机舱噪声、排气管口噪声的声级值; 主要振动源, 如发动机的振动值; 主要传递路径, 如车身的动态特性; 各种工况下的车内噪声值。从而对车内噪声水平做一个普查和优势噪声频率的统计。

2.1 噪声测试技术

2.1.1噪声标准

我国先后颁布了GB/T 1496-79《机动车辆噪声测量方法》；汽车行业标准QC/T 57-93《汽车匀速行驶车内噪声测量方法》、GB/T 14365-93《机动车辆定置噪声测量方法》GB 16170-1996《汽车定置噪声限值》。

2.1.2测量仪器

在汽车噪声测试中常用设备有传声器、声级计、频谱分析仪和声强分析仪，其中声级计和频谱分析仪用来分小声的频率构成特征；声强分析仪则可测声压级、声强极，也可绘制声强三维谱图。随着噪声测量的目的不同，所用的仪器也不同。声音的主要特征为声压、频率、质点振速和声功率等。声压和频率是两个主要参数，也是测量的主要对象。

（a） 传声器 传声器是一种把声能转换成电能的电声器件，可用来直接测量声场的声压。传声器包括两部分:一是将声能转换成机械能的声接收器。声接收器一般具有力学振动系统如振膜，传声器置于声场中，振膜在声压作用下产生受迫振动。二是将机械能转换成电能的机电转换器。依靠这两部分，可以把声压的输入信号转换成点能输出。灵敏度是传感器最重要的技术指标。由于电容传声器的输出阻抗很高，所以加前置放大器，进行阻抗变化。输入和输出放大器是电压放大器，它们在相当宽的频率范围内相应平直，同时还要给电容传声器提供直流极化电压。电容式传声器是目前较为理想的一种换能器，它主要有构成电容两个极板的振膜和背极组成。振膜和背极之间加一直流电压（极化电压），使振膜与背极保持一个不变的充电状态。当振膜在声压作用下振动时，电容的变化在极板间产生和声压相应的电压。这种传声器灵敏度高，在很宽的频率范围内频率相应平直，输出性能稳定，一般在负50-150摄氏度的温度范围内和0-100%的相对湿度范围内几乎不变，因此它适用于精密声级计除了声压和频率的测量以外，声功率和声强测试也常用到。

（b） 声级计 声级计是噪声测量中最常用的便携式仪器可测量总声压级和各种A、B、C计权声级和各频带声级。它与其他仪器配合时，还可进行频谱分析和振动测量。汽车噪声测量常用精密声级计，它由传声器、放大器、衰减器、计权网络、检波器和指示表头组成，见图3 声级计原理方框图。

1-传声器，2-前置放大器，3-输入衰减器，4-输入放大器，5-计权网络，6-输出

衰减器，7-输出放大器，8-检波器 9-表头

图3 声级计原理方框图

（c）频谱分析仪 频谱分析仪是用来测量噪声频谱的仪器。它主要由两大部分组成，一部分是测量放大器，另一部分是滤波器。按滤波器频带宽度分为：1、恒定带宽频谱分析仪 其中心频率可以连续改变，但通过的带宽保持不变，这种分析仪对高频频率选择性强，能提供非常细致频率信息，适用于噪声源的识别及检验产品的脉冲噪声。2、恒定百分比带宽式频率分析仪 其通频带宽度始终等于中心频率的某一百分数，如果百分数为3，中心频率为

100Hz时，其带宽为3Hz；若中心频率为1000Hz时，其带宽为30Hz。故通过的频带宽度是随中心频率的增大而增大的。这种分析仪适用于测量分析不稳定噪声，能测出各谐波成分的相对大小。3、等对数频宽式频率分析仪 即倍频程或1/3倍频程分析仪，用于测量噪声频谱的大概分布，它只能对噪声作粗略的频率分析。4、实施分析仪 上述频谱分析仪要完成一个有一定频率范围的频谱分析，需花费较长的分析时间，且无法分析那些频谱随时间而急剧变化的噪声。实时分析仪是可即时完成频谱分析的仪器。

（d）信号处理仪 随着以FFT为基础的数字计算机技术的发展和信号分析技术的提高，各种专用或多用信号处理仪得到了迅速的发展。这类信号处理仪普遍能进行幅值域内的统计分析，时域内的相关分析和频率域内的频谱分析等，还具有细化、瞬态信号捕捉、波形编辑等多种特殊功能。

2.1.3噪声源识别技术

用于噪声源测试的传统方法主要有分别运转消去法、频谱分析法、声压测量法，表面声强测量法。随着声学测量技术的发展，迅速、简便地识别噪声源的方法也随之取得了进展。新识别方法发展的基本趋势是要求测试方法能现场测量，能实时分析和处理所得测量信号及能提高测试结果的可靠性，包括新发展的信号分析法、声全息技术等。下面介绍这些常用的识别方法。

（a）分别运转消去法 汽车行驶时，有上百个不见在同时工作，要判断那部分辐射的噪声最大，早期一般使用消去法。消去法就是首先测定试验对象在一定条件下的总体噪声，然后对可能发出较大噪声的部分，或暂时停止其工作，或用铅覆盖等方法控制其噪声辐射。再按同样的条件测定试验对象的工作噪声，根据声压级的叠加原理，从两次噪声的测试结果中算出这部分辐射的噪声大小。同样的方法可以得到各个部分的噪声辐射大小，从而找出主要噪声源。

（b）频谱分析法 各种噪声源都有不同的频率特征，如发动机噪声与气缸内燃烧的发火频率有关，风扇噪声与扇叶频率有关，进、排气噪声与进排气门的开闭频率有关，齿轮噪声与基节频率有关，轮胎噪声与花纹间距有关等。噪声的频谱分析法就是利用汽车上各个噪声源产生的噪声频率的不同来判断哪个是主要噪声源的分析方法。首先采用整车噪声场分析法找到主要噪声的发生位置，然后再对该位置处的噪声进行频谱分析，找出主要产生噪声的总成或部件。在汽车的噪声谱中，有时会遇到噪声谱峰值所对应的频率由几个噪声源共同发

出的噪声所组成，而不是由某个单独的噪声源所产生。在这种情况下为正确判断噪声源的主次，可以适当配合其他方法或改变汽车、发动机等的运转工况，重新获取噪声频谱、分析这些频谱成分的变化，从而识别出主要噪声源。一般来说，频谱图上总要出现几个峰值，该噪声的主要能量就集中在这几个频率处，特别是集中在最高的哪个峰值频率处，而总噪声的频谱则是各组成源的频谱在该测点处叠加结果。

（c）声压分析法 声压是一个标量，空间某点处的声压往往受各个方向上存在的声源的影响，所以从一点测到的声压很难判断出其中的主要噪声源。但在一些特定的条件下，如下面介绍的近场测量法和通管测定法，在抑制了其他方向上的噪声干扰的影响时，还是可以从声压的测量结果中判断出主要噪声源。采用这样的方法是别主要噪声源时，操作别叫复杂、效率也较低。

（d）表面声强测量法及表面振动测定法 通过测定振动表面的声压和振速，可以求的声强和声功率。测量时一般用加速度计取得振速信号，用传声器取得声压信号，并要求传声器的位置应尽量靠近加速度计，以减少两信号之间的相位差。

（e）信号分析方法 在整车和个总成部件的噪声测量中，常采用信号分析的方法识别噪声源。一般的使用方法有频谱分析法、倒谱分析法、相关分析法、常相干分析法、数字滤波、时间-频率分析、和小波分析

3车内噪声的评价

车内噪声的评价包括噪声量级的大小和声品质

3.1噪声量级

首先简述声量级。噪声量级直接作用到人的耳朵，采用dB(A)计量。汽车最主要的噪声源是发动机，这样车内噪声随着发动机的转速而变化。因此在评价车内噪声时，不是用一个总的噪声量值，而是采用一条随着转速变化的曲线。在测量车内噪声时，通常是在驾驶员靠近窗户的耳朵旁放一个传声器来测量他耳朵的响应。

3.1.1怠速和加速的声音评价指标

汽车在启动时，发动机温度低，转速较高，1000r/min。发动机运转一会儿，温度升高，怠速会下降，600-700r/min.当发动机转速稳定后，车内噪声就不是转速的函数。声压或声功率是频率的函数。求出所有频率下的声压或是声功率的均方根值，然后得到棋声压级或声功率级。这种声级用来作为怠速时声音的评价标准。

在WOT时，发动机的功率或转速迅速上升，噪声也变大。WOT最能检验汽车的噪声水平。另外乘客驾车多半在POT状态，一般来说，WOT的噪声比POT时要大。在这些状况下，发动机的转速为1000-6000r/min。声级不仅是频率的函数，也是转速的函数可以绘制成三维图谱，或者其总量级和各个阶次的量级绘制在平面图上。噪声的总量级和主要阶次的量级用来评价这些状态下的声音。

3.1.2语音清晰度

语音清晰度是Beranek提出来的。这个参数描述了在噪声环境下说话的清晰程度，用百分数来表示，100%表示说话完全听得清楚，0%表示说话完全听不清楚。说话的声音有他的频谱。这个频谱用1/3倍频程来表示，记为H(ƒ)。

当背景噪声超过说话声音时，说话声音就听不清楚了。当噪声完全盖过说话声音，说话就听不见了。假设噪声超过说话声音12dB时，说话声音就听不见了。这时的背景噪声定义为上限噪声，用UL(ƒ)表示。

UL(ƒ)=H(ƒ)+12dB

同样，当背景噪声低到一定的时候，说话声音就可以完全挺清楚。假设当背景噪声比上限噪声低30dB时，说话完全挺清楚，这个背景噪声称为下限噪声，并且用LL(ƒ)表示。

LL(ƒ)=UL(ƒ)-30dB

上面定义的上下限噪声之间的差值对所有的频率都是一样的，即30dB。然而说话声音是与频率有关的。这样就引入了一个计权系数W(ƒ)。这样就可以定义语音清晰度，用AI表示。

AI=ΣW(ƒ)D(ƒ)/30

其中D(ƒ)定义如下；

当噪声超过上限噪声时，即N(ƒ)>UL(ƒ),说话完全听不见，语音清晰度为0.这时的D()为；

D(ƒ)=0

当噪声在下限噪声和上限噪声之间，即LL(ƒ)

D(ƒ)=UL(ƒ)-N(ƒ)

当噪声小于下限噪声时，即N(ƒ)

D(ƒ)=0

3.2声品质

自20世纪80年代以来，人们不仅要求汽车“安静”，还关心它的频率组成成分，与发动机转速的关系等因素，即考虑声音的质量。声品质包括响度、音色、音调、锐度、纯音度、声音的调制和语音清晰度等方面的指标。响度是指人对声音的主观感受。锐度是指高频部分与低频成分的比值，如果高频的成分多，声音的锐度高。当某个频率的声音掩盖了其他频率的声音，这个声音就可以听得非常清楚，被称为纯音。同时，考虑到这些与声音有关的指标已达到顾客所需的声音就是寻求所需的声品质。

声品质的研究涉及物理、机械、通讯、声学、心理学、音乐和市场等学科，它是一种主观概念。汽车上发出声音的系统和部件很多，最主要的是与发动机有关的。人们用很多主观指标来评判这些声音的声品质，如舒适感、运动感、平稳感、动力感和纯音色感觉等等。发动机的声音与发火阶次密切相关，于是声音的阶次的成分决定了声品质。如运动车的声音节奏强烈，带给人动感，这样的声音组成上不仅发火阶次以及谐波次声音强烈，而且半阶次的声音也强烈。对豪华轿车而言，人们喜欢和谐悦耳的声音。这样就要控制发动机声音的阶次，要使得半阶次的声音越低越好。这样的声音基本是由发火阶次以及谐次声音组成。

现在，世界各国的汽车公司都在研究声品质的主观评价与客观测试之间的关系，即不能定性而且能定量的描述声品质。与发动机有关的声品质的定性和定量描述有以下几个指标：声压级指数、阶次组成、线性度、和高频噪声。

(a)声压级指数

在开发一部新汽车时，会制定车内噪声量级指标，为保证声品质提供基础。车内噪声的目标曲线是一条随转速而上升的直线，在设计时期望噪声线与目标直线尽量与目标直线接近。，这样就能使噪声保持良好的线性度。

(b)声音的阶次组成

汽车噪声与发火阶次相关，但不同的汽车的阶次大小设计是不同的。主要是考虑半阶，其大小完全取决于顾客的需求。声音阶次的调节主要靠进排气系统的设计。

(c)声音的线性度

线性度是指车内噪声随发动机转速的变换而变化的曲线接近一条直线的程度。噪声曲线越接近直线，表明线性度越好，反之就越差。一条噪声线接近直线，且声音大小是随着转速的增加而增加的，这样声音听起来比较平缓；反之如果在转速区间中的某些点处出现峰值，这时就会明显感觉到声音的跳动。比较这两个声音，认为第一个声音要好于第二个。

(d)高频噪声

从前可知语音清晰度随转速的增加而衰减，也就说明语音清晰度在高频时比低频时低，所以高频噪声严重的影响说话的清晰度。改变进排气管道的尺寸和结构以及车身隔声与吸声设计可以控制高频噪声。