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1、汽车噪声声音品质主观评价及控制第一章 绪论1.1 论文研究的背景随着现代社会的发展以及对高质量生活的不断追求，人们对车辆乘坐的舒适性要求越来越高。车内噪声不仅降低了乘坐的舒适性，还增加了驾驶员的疲劳感，容易使人烦躁，甚至危及行车安全。除此之外，也影响到人们对汽车质量的评价，进一步影响到汽车的销售。因此，如何控制和改善车内噪声就显得尤为重要。传统的噪声控制，只强调噪声量级的大小，认为噪声级越低越好。为了得到舒适的车内环境，以前主要采取降低车内噪声的声压级的办法。随着研究的不断深入，我们发现传统的声压级不足以描述汽车噪声的全部特征，单纯地降低声压级并不能改善汽车乘坐的舒适性。近年来人们提出了声品质
2、(Sound Quality)：声品质是在特定的技术目标或任务内涵中声音的适宜性。汽车声品质就是在满足人和环境的要求下，寻求符合汽车特性的产品声音。声品质的研究实际上提出了现代噪声控制的理念，即噪声控制不仅仅是消极被动地降低噪声的声压级，而是能够根据顾客的主观评价，通过合理有效的措施，使特定产品的噪声听上去不仅仅安静，而且尽可能的悦耳，甚至调节噪声至理想状态，并使不同的产品有各自独特的声音特性。除了频率及强度两大因素外，声品质的研究更强调心理声学及非声学因素等的直接影响。1.2 汽车NVH 研究汽车噪声就要谈到NVH技术，汽车NVH是指汽车的Noise(噪声)、Vibration(振动)和Ha
3、rshness(舒适性)，主要是研究汽车噪声振动对整车性能及舒适性的影响。Noise(噪声)是指引起人烦躁而危害人体健康的声音。汽车噪声不但增加驾驶员和乘员的疲劳从而影响汽车的行驶安全，而且对环境造成噪声污染。噪声常用声压级评价，其频率范围在20Hz-20kHz。汽车噪声主要包括结构噪声(车身壁板振动产生的噪声)、辐射噪声(如发动机、排气系统、制动器等辐射的噪声)、空气动力噪声(风噪、空气摩擦车身形成的噪声)等。Vibration(振动)描述的是系统状态的参量(如位移)在其基准值上下交替变化的过程。汽车低频振动危害驾驶员和乘员的身体健康，同时不良的振动会给汽车零部件带来损坏，影响零部件的寿命。
4、振动是噪声产生的原因，因此，振动和噪声的研究是密不可分的。Harshness(舒适性)指的是振动和噪声的品质，它并不是一个与振动、噪声相并列的物理概念，而是描述人体对振动和噪声的主观感觉，不能用客观测量方法来直接度量。由于声振粗糙度描述的是振动和噪声使人不舒服的感觉，因此有人称Harshness为不平顺性。又因为声粗糙度经常用来描述冲击激励产生的使人极不舒服的瞬态响应，也有人称Harshness为冲击特性。总的说来，舒适性描述的是振动和噪声共同作用而使人感到疲劳的程度在研究汽车噪声与振动时，通常采用 NVH 指标.1.3 论文的主要内容与结构声品质的研究与应用己成为噪声控制研究的热点与发展方向
5、，我们试图在消费者主观感受、客观评价与产品质量参数间建立联系，以便通过主观感受及客观评价指标，设计出声学特性让人们满意、甚至令人愉悦的产品。就现在噪声控制的研究状况而言，由于许多产品设计较为成熟，人们对噪声影响的感受己经由单一的对声级大小的关注转向对听觉舒适度的关注，产品辐射噪声降低到一定程度再进行降噪在技术实现上比较困难；开展这一新的研究，是新世纪人们追求高质量生活的需要。因此，基于当前迅速发展的汽车工业，确立汽车声品质的目标，选取合适的汽车声品质评价的参数，结合人的生理特征和主观感觉，建立系统的声品质评价方法是必须的。系统的评价方法建立是进行汽车声品质改进与设计的基础是实现汽车声品质工程的
6、基础，也是进行汽车NVH改善与设计的重要一环.因此论文的主要内容是讨论汽车噪声声品质的评价方法。论文结构：第一章介绍声品质概念的提出，然后简单的介绍声品质在汽车实验技术上的应用技术，汽车NVH实验技术 。第二章介绍了汽车噪声的产生、传播、控制的基础知识。为进一步讨论汽车噪声的主观评价奠基。第三章总体上介绍声音感知模型和噪声主观评价研究的内容。第四章详细介绍噪声评价的实验步骤与评价方法，以及常用参量的计算。第五章主观评价试验及总结。第二章 噪声产生、传播机理及控制技术2.1 汽车车内噪声的形成汽车车内噪声指的是行驶汽车车厢内存在的各种噪声。车内噪声极易使乘车人员感到疲劳对汽车的舒适性有着重要影响
7、。从声源来看车内噪声和车外噪声的来源基本相同，即:发动机噪声，进排气噪声，底盘噪声等。这些噪声声源的噪声能经由空气和固体两个途径传进车内，如图2.1所示。 图2.1车内噪声的主要来源与传播途径前人研究的结果表明，车厢外的噪声向车厢内的传播是按空气传播的规律进行的，具体途径有两个:第一个途径是通过车厢壁板(包括地板、顶板和四周的壁板)，门窗上所有的孔、缝，直接传入车厢内。称之为空气声。第二个途径是车厢外的声源或振动(源)动，作用于车身壁板，激发壁板振,并向车厢内辐射噪声。称之为固体声.传播过程如下图所示:声源孔缝传声振动源机体振动壁板振动室内混响室内噪声图2.2车厢内部噪声传播示意图振源产生的振
8、动，通过汽车的机体传递到车厢与机体的联结处，激发车厢产生强烈振动，并向车厢内辐射强烈的噪声。机体传给车厢壁的振动与车厢外声波激发起的车厢壁的振动是迭加在一起的，很难区分，但因它们的传播途径不同，频率特性不尽相同，因而采取的降噪措施不同。车厢内的噪声实际上是直达声与多次反射声迭加的结果，因此在未加降噪措施的情况下，车厢内的噪声有可能比卸去车厢后相同位置的噪声要大(指未采用任何吸声材料的空车厢)。2.2 汽车车内噪声主要声源机理分析2.2.1 发动机噪声的产生机理发动机噪声的发生机理，可用图2.3来说明。它的发生过程可分为内部激振力，振动传递系统和外部辐射源三个部分。内部激振力有燃烧激振力和机械激
9、力两种:前者是气缸的燃烧压力，由此产生燃烧噪声;后者主要是惯性力，活塞撞击气缸，齿轮因扭振而相互撞击，进排气门落座等。由此产生机械噪声。在发动机中，由于激振力多为冲击力，故包含的频率成分丰富，其频率范围主要分布在0.5k-10kHz。同时，被激振的发动机构造也很复杂，多数零件用螺栓机械地联接起来，分别具有无数个固有频率，它们或独立或复合起来，以各自的固有振型相互影响，引起复杂的振动，再沿不同的途径传递，最后由发动机表面辐射出噪声来。发动机表面的声辐射是由于结构表面的振动产生的，发动机表面辐射的声功率与发动机表面的振动功率成正比。与机体或缸盖直接联结的油底壳、齿轮室盖、气门罩盖等，由于它们一般为
10、薄壳零件，与机体、缸盖相比，刚度小、振动大，往往是噪声的主要辐射源。图2.3发动机噪声产生过程发动机主要激力压力(惯性力，扭振激力)的基频及谐波为: (2-1)其中:n发动机转速(r/min)冲程数，四冲程: =2，二冲程：=1m=整数，m=1，2，3当发动机运行时，若压力或惯性激力谐波与直接或间接受激励的零件固有频率吻合时，就会产生共振而辐射出很大的噪声来。2.2.2 进、排气噪声 汽车发动机的进、排气噪声是汽车的空气动力性噪声源之一。 1.进气噪声进气噪声是由进气门的周期性开闭，而产生的压力起伏变化所形成的。其主要频率范围为505OOHz。进气噪声的主要成分为: Hz (2-2)式中：n发
11、动机转速(r/min)i气缸数冲程数，四冲程: =2一般来讲，进气噪声中，f、2f、3f的谐波成分较为明显，更高次谐波，能量逐渐减弱。除了进气脉动以外，还有涡流成分，它是由高速气流经过进气门时，产生大量涡流而形成，是宽带、连续的高频噪声，涡流噪声的峰值频率为: Hz （2-3）式中：S1斯托罗哈数，一般取0.05 V进气门处，进气截面的气流流速(m/s) d进气门杆直径（m）当周期性进气噪声的主要频率与进气管空气柱的固有频率一致时，空气柱的共鸣声也很突出。管中的气柱共振频率由下式计算： （2-4）式中:c声速(m/s)l总管长（m）n=1,2,32. 排气噪声排气噪声是汽车主要噪声源之一。其主
12、要频率范围是50一5000Hz。它主要由排气脉动噪声、管道气柱共振噪声和废气喷注噪声等组成，它的排气脉动计算式同式(2.3)，管道气柱共振噪声频率同式(2.5)，当排气噪声中的某频率成分恰好等于气柱共振频率时，会激发管道气柱共振噪声。另外，在发动机的排气系统中，排气系统薄壁管道及壳体表面的振动也将辐射出噪声，排气系统产生振动的原因有两个:a. 由发动机排气歧管传来的振动;b. 由排气压力波在排气管、消声器内部所激发的振动。排气系统的振动噪声有时会成为汽车的主要噪声源。2.2.3 风扇噪声风扇噪声是空气动力性噪声。主要由旋转噪声(叶片噪声)和涡流噪声组成。主要频率范围为200-2000Hz。旋转
13、噪声是由风扇旋转叶片周期性的拍击空气，引起空气压力脉动而激发出的噪声，它的基频计算式为: = （2-5）式中:n1风扇转速(r/min)z风扇叶片数i1曲轴的传动比n发动机转速(r/min)除了基频外，它的高频成分2f、3f有时也很重要。涡流噪声是由于风扇旋转时，叶片周围产生的空气涡流而形成的。涡流噪声的频率由下式计算: （2-6）式中:St斯脱罗哈数St =0.14-0.20V气体与叶片的相对速度D叶片的正面宽度在垂于速度平面的投影K谐波次数K=1，2，3.涡流噪声的频率取决于叶片与气体的相对速度，而叶片的圆周速度则随着与圆心距离线性变化，所以噪声频率也是连续的。2.2.4 传动系的振动与噪
14、声 汽车传动系包括发动机与汽车驱动轮之间的一系列旋转部件，传动系是多质量的弹性系统。当传动系的固有频率之一与干扰力矩频率吻合时，便会发生扭振，而产生强烈的噪声。传动系的弯曲振动，通过支承传给车身，引起车身部件的振动与噪声。传动系(尤其变速器)，齿轮系噪声也较为明显。齿轮噪声主要是由轮齿啮合强制振动造成的，它由齿轮啮合噪声和齿轮固有振动噪声组成。1. 齿轮啮合噪声 这种噪声是指齿轮传动时，齿与齿之间因撞击所产生的噪声，它的频率计算式如下: Hz (2-7)式中: n齿轮转速(r/min)z齿数K谐波次数K=1，2，3.2. 齿轮的固有振动噪声齿轮啮合时，由于外激力的作用，齿轮本身也会产生一些固有振动，在负荷较大或者低速运转时，此噪声一般较为突出。如果齿轮的啮合频率与固有振动频率接近时，往往会发生共振而产生大的噪声。此外，齿轮箱壁的振动噪声一般也很大，尤其应避免齿轮的啮合频率与箱壁的固有自振频率相吻合，应有足够的壁厚;为了提高箱壁的固有自振频率，可适当加筋。2.2.5 轮胎噪声轮胎
