第四章：汽车振动噪声控制技术
1、简述汽车振动噪声技术的分析方法及各方法的特点。
汽车结构复杂，零部件众多，且多为不规则形状，任何连续的解析方法对汽车总体及其大部分零部件的振动噪声分析都很难发挥作用，只有利用离散和数值模拟方法求解才能奏效。有限元是求解汽车振动噪声问题最常用的数值模拟方法，此外边界元法、统计能量分析法、模态分析法及传递路径分析法也是汽车上振动噪声问题常用的一些分析方法。
1、有限元法
有限元法是用有限单元将结构弹性域或空气域离散化，根据力学方程或声学波动方法，得到联立代数方程式，通过求解代数方程式得到结构弹性体或声传播空气域中的振动或声特性。在汽车振动噪声问题中，结构有限元可以分析结构振动问题，声学有限元法主要用于分析汽车结构引起的车内噪声问题。
有限元法非常适合低频结构振动模拟和分析，也可模拟和分析振动和声的耦合问题，但对声空间的模拟和分析基本沿用对结构振动的处理方法，常常限于封闭空间。有限元常用的商业软件有HYPERWORKS、ABAQUS、NASTRAN、LS-DYNA等。
2、边界元法
边界元法是在有限元法之后发展起来的一种较精确有效的工程数值分析方法。又称边界积分方程—边界元法。它以定义在边界上的边界积分方程为控制方程，通过对边界分元插值离散，化为代数方程组求解。它与基于偏微分方程的区域解法相比，由于降低了问题的维数，而显著降低了自由度数，边界的离散也比区域的离散方便得多，可用较简单的单元准确地模拟边界形状，最终得到阶数较低的线性代数方程组。又由于它利用微分算子的解析的基本解作为边界积分方程的核函数 ，而具有解析与数值相结合的特点，通常具有较高的精度。
边界元法需要结构表面的复声压或复振动速度两个物理量作为输入，然后根据边界条件计算出结构表面另一物理量。边界元法对处理结构声辐射、声散射和结构声腔问题有独特的优越性，因而在实际中得到应用，如分析轮胎结构振动后的声辐射问题和车身壁板振动和声辐射造成的车内噪声问题。边界元法常用的商业软件有SYSNOISE、COMET/ACOUSTICS等。
3、统计能量分析法
统计能量分析法(Statistic Energy Analysis，SEA)基本思想是功率流平衡，它首先把一个系统划分为若干个子系统，然后对于每一个子系统运用功率流平衡方程即子系统的能量输出功率等于输入功率加上这个子系统的功率损耗，这样就可以建立每一个子系统的功率流平衡方程。其次确定各子系统的模态密度、耦合损耗因子及内损耗因子等统计能量分析参数。最后求出各子系统间功率流。
统计能量分析法在预测和分析车内空气噪声的应用较普遍，其更重要作用在于列出主要噪声贡献，以及预测不同设计对车内噪声的相对影响，是分析汽车车内高频噪声的有效方法。统计能量分析主要的商业软件有AutoSEA、SEAMS等。
4、模态分析法
模态分析法主要有理论模态分析、实验模态分析与参数识别以及模态综合。理论模态分析将给出系统物理参数、模态参数和频响函数的关系。实验模态分析是同时测量结构的输入与输出信号而得到结构的频响函数，将其作为桥梁可进一步识别模态参数和系统参数。模态综合方法则可减少大型结构或整车结构分析时工作量巨大的难度。模态综合方法将一个复杂结构分为若干个子结构，先对每个子结构进行模态分析，然后根据子结构之间的连接条件，将已经获得的子结构的模态特性进行综合分析，从而得到整体结构的模态特性。
通过进行汽车车身结构模态分析、车内空腔声学模态分析及声—固耦合模态分析，可以
对汽车噪声形成机理有更深入的认识，为汽车结构改进及振动噪声治理提供可靠的依据。
5、传递路径分析法
复杂系统受多种振动噪声源的激励，每种激励都可通过不同的路径，经过衰减，传递到多个相应点。为有效降低振动噪声，就需要对各种传递路径进行预测和分析，通常采用矢量叠加法，所以传递路径分析方法(Transfer Path Analysis，TPA)也被称为矢量叠加法。
传递路径分析可以基于实验测量，也可以完全基于有限元分析，但更多点是基于实验—有限元混合方法。对一种特定现有车型，一旦整车传递路径分析模型建立起来，工程人员对这个车型的结构传播噪声就有更深入的了解。在研发新车型时就能够有指导性进行设计。传递路径分析法主要的商业软件有LMS公司开发的TPA软件。
2、简述汽车振动主动控制的基本原理。
1、振动主动控制技术的概述
振动控制一般分为被动、主动和半主动控制等类型。被动控制又称无源控制，它不需外界能源提供控制力，结构简单，易于实现，许多场合已获得了应用。主动控制是指在振动控制过程中，根据检测的振动信号，应用一定的控制策略，经过实时计算，通过驱动作动器对控制目标施加一定的影响，达到抑制或消除振动的目的。主动控制是一种“以动治动”的控制方式，又称有源控制，它可对任意结构进行控制，具有极强的适应性和调节性；可通过动态修改系统结构参数，实现高水平的振动控制。半主动控制是一种振动系统的参数控制技术，其所需外部能源少，控制过程依赖于结构反应或外干扰力信息，能够获得较好的控制效果。
能源作动机构子系统主系统测量系统控制器
图4-10闭环控制方框图
振动主动控制多数采用闭环控制，如图4-10所示。它的基本思想是通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变被控制结构的闭环零、极点配置或参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。
就主动振动控制的应用来看，控制方法主要有以下几种: 独立模态空间法、极点配置法(特征结构配置)、最优控制方法、自适应控制方法、鲁棒控制、智能控制
2、汽车振动主动控制技术
在汽车噪声与振动控制系统中，都有主动控制与半主动控制。图4-11所示为动力装置主动振动控制系统。动力装置通过隔振器安放在车架上，其振动通过隔振器传到车架，同时路面的振动也通过轮胎等部件传递到车架。为了减小这些振动，一个主动控制系统装在车架上，并产生一个相位与振动源相差180°的力来抵消一部分振动。这个控制力是由一个额外能量供应系统来提供的。
发动机发动机附加能源系统激振器控制系统车架传感器激振器控制系统车架传感器
图4-12闭环半主动控制系统 图4-11动力装置主动振动控制系统 主动控制的好处是可以有效地控制振动与噪声，但是其缺点是成本高、需要额外的能源供应系统、增加重量、系统的可靠性降低和维修困难等。半主动控制能够克服主动控制的这些弱点，图4-12所示为闭环的半主动控制系统。比较图4-12与图4-11，其差别是在半主动控制系统中，没有额外的能源供应系统。半主动控制中的激励力来自振动系统本身的能量。当系统振动时，一部分能量储存起来，经过控制器调节后，在适当的时候释放出来抵消传递到车架上的振动。
半主动控制的成本低，结构简单，没有额外的能源供应系统，但是其应用受到限制，低频控制效果好，对高频噪声振动很难控制。
在动力装置隔振系统中，系统对隔振器的要求是：低频的时候，隔振系统的刚度要高以便承受动力装置的重量，同时要求阻尼大，以便有效地抵抗外界的冲力。液压隔振器具备这些特性。高频的时候，隔振系统要求刚度低和阻尼小，以达到良好的隔振效果。橡胶隔振器具有这些特性。也就是说，液压隔振器有很好的抗冲特性，而橡胶隔振器有良好的高频隔振特性。但是这两种隔振器很难兼备抗冲与隔振的特点。耦合的隔振器解决了抗冲与隔振这对矛盾，但是这是在单一输入频率相等的情况下得到的。一旦系统的输入频率很多，耦合隔振器也达不到同时抗冲与隔振的效果。这样就引入了主动隔振器和半主动隔振器。主动隔振器的隔振效果很好，可以适应任何频率，但是结构复杂，需要额外的能源供应系统，成本高，可靠性低，维修困难。半主动隔振器通常只在低频时有效，但是其结构简单，成本低。
3、主动振动控制
它由下面几部分组成：被动隔振器，一般采用液压隔振器作为基础，也有少量橡胶隔振器；激振器，可以是电磁式的，也有的是伺服液压式的；传感器一般用加速度传感器。被动隔振器主要是支撑动力装置系统并具备一定的隔振和防冲性能。安装在车架上的传感器将振动信号传递到控制器上，控制器经过运算，对激振器发出指令。外界能源系统给激振器提供的能量，产生一个与框架振动幅值相等但相位相差180°的力作用在框架上，这个力与振动力相互抵消，从而达到减小振动的目的。主动隔振器使得动刚度大幅度下降，比如从300N/mm降到100N/mm，有时比静刚度还低。
4、半主动振动控制
半主动振动控制有两种形式。第一种是改变结构的特征，这主要是通过液压油缸来实现第二种是改变物质的性能，比如在隔振器中，通过对材料加电或者加磁来改变结构的阻尼和刚度特征。半主动激励器中的压油缸有两个腔室，这两个腔之间是用一根管道相连。管道中间有一个控制阀，来调节两个腔室的压力。控制系统将一部分振动能量储存起来，到一定的时候，这部分能量被释放出来并抵消将要来临的振动。
3、简述汽车噪声主动控制的基本原理。
主动噪声控制技术，也称有源噪声控制(Active Noise Control)技术，有源噪声控制是在指定区域内人为地、有目的地产生一个次级声信号去控制初级声信号,以达到降噪目的的技术，依据的原理是两列声波干涉相消原理。若次级声源产生与初级声源的声波幅值相等、相位相反的声波，则与该区域内的原始声场相互抵消就达到了降噪的目的。
进气系统的主动噪声控制
在进气系统和排气系统中都用到了赫姆霍兹消声器。赫姆霍兹消声器的消声频率和传递损失取决于三个因数：体积、连按管道的长度和截面积。如果这三个因素中的某一个是可以调节的，那么就得到了可调的赫姆霍兹消声器。在这个消声器中，保持管道长度和直径不变，而调节它的体积。消声器的底部是可以滑动的，通过一个控制机构来控制。这样消声器底部的声学阻抗Z2随着转速而变化，也就是随着频率而变。在低频的时候，体积大，频率高时，体积相应减小。这样只用一个可调节的赫姆霍兹消声器，就可以降低许多频率的噪声。
排气系统主动噪声控制
下面介绍的有源消声器用于重型卡车排气噪声的主动控制。该有源消声器与一个简化结构的“无源消声器”串联使用，简化结构无源消声器装在发动机排气管一侧，用于消除高频噪声；有源消声器装在排气管尾部，用于消除低频噪声。有源消声器是一个单通道自适应有源前馈控制系统，设计有源消声器控制500Hz以下的低频噪声，它们都在消声器管道截止频率以下。
车内噪声的主动控制
当声源噪声无法降低的时候，就必须从传递通道和接受体来考虑。在车厢内实行主动噪声控制，就是抑制传递到接受体的噪声。为了减少车内的这种噪声，现在一些汽车上使用了车内主动噪声控制技术。图4-27所示为车内主动噪声控制系统。这个系统包括：主动控制装置、音响系统和传声器。主动控制装置安装在汽车前围板里面，包括电子控制元件和传声器等。产生次级声源的扬声器使用汽车本身的音响。如果要降低后排座位的噪声，则需要在乘客附近安放一个独立的传声器。发动机的转速信号与传声器的信号一起输入到控制装置内。控制装置发出一个与车内声场幅值相等但是相位相反的声波来抵消车内噪声。这个系统采用了自适应前馈控制。
还有一种车内噪声主动控制的办法就是控制时不仅考虑车内噪声，同时还考虑其他噪声源，如进气口噪声和排气尾管噪声等。声源处也安装传声器并将其信号输入到控制装置中，这个信号与车内噪声信号一起被处理，然后发出次级声源。
声品质主动控制
声音的线性度是声品质一个很重要的评价指标，也就是说车内的声音听起来是随着转速的增加而渐进增加的。这种声音听起来比较平稳。图4-29中，噪声在5000r/min时，声音突然下降，这种声音听起来给人两种感觉，一种是发动机马力不足，另一种是好像某一个气缸突然不工作了。对这种情况，我们的目的不是减小噪声，反而是要加入声音来弥补这个声音的“空洞”。
加入噪声可以用被动的办法，也可以用主动办法。用主动办法能准确地通过扬声器发出所需要频率的声音。当有几个不同频率的声音“空洞”时，主动控制就可以不断地调节来满足不同频率的要求，而被动控制很难做到这一点的。
4、简述车内噪声的产生机理、传播途径及控制方法。
1、车内噪声的产生机理、特性及传播途径
从车内噪声和车外噪声的来源来看，它们具有相同的声源：发动机噪声、进排气噪声、冷却风扇噪声及底盘噪声等。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声场。车外噪声要向车内传播，有两个途径：一是通过车身壁板上的孔、缝直接传人车内；二是车外噪声声波作用于车身壁板，激发壁板振动，形成振动噪声。车内噪声的发生机理如图4-31所示。
声源孔缝透声车室内混响振动源车架振动车身振动车内噪声
图4-31车内噪声的发生机理
图4-31中的振动源有两种含义：一是发动机、底盘工作时产生的振动；二是路面激励产生的振动。后者频率较低，对于激发噪声影响较小。由各振动源产生的振动通过车身各支点激励车身壁板强烈振动，并向车内辐射强烈的噪声，此即所谓的固体传声。必须指出，由发动机和底盘传给车身的振动，与上述车外噪声源激发车身壁板的振动，实际上是叠加在一起的，用一般的测试方法很难将它们区别开来。但它们的传播途径不同，所服从的规律不同，频率特性也不尽相同，所采取降噪措施也不同。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。在汽车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与混响声叠加的结果。
综上所述，发动机、底盘和路面作为振源和声源均可激发出车内噪声，其传播途径可分为空气传声和固体传声，如图4-32。其中经由空气传播的噪声主要是发动机表面辐射噪声和空气动力学噪声，经固体传播的噪声主要是发动机、底盘、路面及气流引起车身振动而向车内辐射的噪声。空气传播和固体传播的能量比例因车型结构和噪声的不同频率成分而有差别。一般情况下，500Hz以上，空气声传声占主导地位；400Hz以下，固体传声占主导地位。表4-2说明不同行驶状态下空气传声和固体传声所占的比例。由表可见，匀速时空气传声和固体传声所占的比例大致相同，加/减速时固体传声比例超过空气传声。
排气系表面辐射振动发动机振动传动系空气波动空气传播车内混响车内噪声固体车身振动气流扰动风扇气流流动轮胎/路面振动气流扰动摩擦冲击振动表面辐射振动
图4-32车内噪声的主要来源及传播途径
2、车内噪声控制方法
达到控制车内噪声目的的途径很多，但从原理上归纳起来主要是减弱振动噪声源强度、隔绝振动噪声传播途径、吸声处理、采用阻尼措施及控制车内共鸣和风振等方面。