汽车振动与噪声控制-1概述

2019/8/161汽车噪声分析与控制2019/8/162目前无十分合适的教材。参考书目有：盛美萍等，噪声与振动控制技术基础，科学出版社徐兀，汽车振动与噪声控制，人民交通出版社1987朱孟华，内燃机振动与噪声控制，国防工业出版社，1995何渝生，汽车噪声控制，机械工业出版社，1995靳晓雄，汽车噪声的预测与控制，同济大学出版社，2004庞剑等，汽车噪声与振动－理论与应用，北京理工大学出版社，2006赵玫等，机械振动与噪声学，科学出版社，2004马大猷，噪声控制学，科学出版社，1987马大猷，噪声与振动控制工程手册，机械工业出版社，20022019/8/163专题书籍有：王治国，MSC.ACTRAN工程声学有限元分析理论与应用，国防工业出版社，2007陈克安等，声学测量，科学出版社2005周广林，扫描声强测量技术，哈尔滨工程大学出版社，2007蒋孝煜，连小珉，声强技术及其在汽车工程中的应用，清华大学出版社，2001张绍栋，熊文波，噪声与振动测量技术，杭州爱华仪器有限公司，2005（日）计量管理协会，噪声与振动测量，中国计量出版社，1990王其政，统计能量分析原理及其应用周新祥，噪声控制技术及其新进展，冶金工业出版社，20072019/8/164主要内容汽车与振动噪声概述噪声控制的振动基础噪声控制的声学基础：声波基本方程、各参数间的关系振动控制的基本措施消振、隔振、吸振、减振噪声控制的基本措施消声、吸声、隔声2019/8/165第一章汽车与振动噪声概述1，声与噪声2，振动3，研究汽车振动噪声的意义4，汽车的NVH问题5，汽车发展与NVH技术进步6，汽车的NVH特征7，汽车振动噪声分类8，汽车振动噪声控制2019/8/1661，声（sound）与噪声（noise）自然界中‘声’是非常直观的一种物理现象，也是最早被人们认识的一种物理现象之一。研究声的科学即为声学。大约在19世纪中期，声学的基本理论已经达到了很完善的地步。声学是当前非常活跃的学科之一，它的分支目前已经超过了20个，而且还有新的分支在不断的产生，因此声学被称为“古老而又年轻的学科”。下图为声学的主要分支以及与一些基础领域的联系。本课程关于声学方面，首先介绍一些声学领域的基础知识，而后介绍噪声学中的部分内容。2019/8/1672019/8/168（1）声的描述量：频率（frequency）、声压（soundpressure）、声强（soundintensity）、声功率（soundpower）等。频率在20Hz～20KHz之间的声波人类能够听到，为可听声（audiblesound）。在该频率范围涉及对人们所需要的声音的研究（如音乐声学），也包括对人们所不需要的声音的研究（如噪声学）。低于20Hz及高于20KHz声人们完全听不到吗？。低于20Hz的声波为次声波(infrasound)；高于20KHz的声波为超声波(ultrasound)。次声波和超声波均难以称为噪声源。只有可听声频域内结构的振动以及气体的脉动和涡流、空腔共鸣才能构成噪声源。1，声与噪声2019/8/169不同声压级给人的感觉1，声与噪声2019/8/1610结构的振动是噪声产生的根源之一，因此，研究噪声时，常常将其与振动一起进行分析，对汽车来说，就是NVH（noise,vibration,Harshness)问题。行驶时振动大的车辆往往噪声也大。因此，从汽车NVH问题的角度看，解决噪声不能头痛治头，脚痛治脚，而应该对车辆进行整体的考虑，例如要考虑到发动机、轮胎、弹性支承等诸方面。结构的振动向周围的空间辐射声波。振动还引起基础及相连的固体结构振动产生声波，如重型汽车的某些振动可能对频繁通过区附近的建筑物造成危害。是不是所有的振动都能够产生噪声呢?1，声与噪声2019/8/1611在可听声频域内，（振动的两面性）振动可以产生刺耳的，对人有不良影响的噪音。振动也可以美妙动听的声音，如各种乐器的发声均是利用乐器结构的振动产生并放大。通常人们将悦耳的声音称之为乐音，将不需要、会产生不利影响的声音叫做噪声。这是从主观感觉上进行区分。从客观上乐音与噪音的区别在于具有不同频谱。音乐：振幅和频率有明确的规律。噪声：各种频率和振幅都无规律的声波的组合。有没有可能将噪声通过改变变成乐音呢？1，声与噪声2019/8/1612噪声污染、大气污染、水污染和固体废弃物污染被称为环境方面的四大公害。大气污染、水污染、固体废弃物污染（电池、核废料）有一定的时间性，即污染源切断后，仍在一定的时间内保持有污染。但是噪声源一旦停止则噪声污染也停止，所以噪声污染有其特殊性。1，声与噪声2019/8/1613噪声污染所导致的危害：噪声对人的危害可表现在两方面：心理方面：当人们在高噪声的环境下时，会感到心情烦躁注意力分散、反映迟钝、容易疲劳。从而造成工作和学习效率降低，引发工作中的差错，严重的会造成事故。生理方面：长期暴露在高噪声的环境易于导致引起听力伤害（轻则高频听阈损伤，中则噪声性耳聋，重则耳鼓膜破裂）、另外还易于引发肠胃功能紊乱、心脏组织缺氧导致肠胃疾病和心血管疾病。噪声可使机械设备、建筑等产生声疲劳。1，声与噪声2019/8/1614噪声污染是工业化所带来的直接后果，随工业发展进程的加快，噪声污染所涉及的范围仍不断扩大，同时随着生活水平的提高，对环境的要求越来越高，所以为噪声的控制提出了更高的要求。汽车领域对交通噪声的控制和乘坐舒适性要求均日益严格。如对汽车等机动车辆，国家制定了“汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法”国家强制标准GB1495－2002，例如轿车允许的车外加速噪声74dB。随着国家强制性标准中噪声要求的提高，了解如何对（汽车的）噪声进行控制的意义显而易见。噪声方面，本课程将学习声学基本知识以及噪声控制的基本措施：包括消声、隔声、吸声等。1，声与噪声2019/8/1615振动——物体在一定位置附近随着时间作往复运动，称为机械振动。更广义的讲，物体或某种状态随着时间往复变化的现象，称为振动。地面上的汽车、火车、拖拉机；地下的地铁；空中的飞机；海洋中的舰船；各种乐器的发声空间存在的电磁波；（收音机的调台是利用电磁共振的原理）建筑、桥梁受到激励也会振动；洗衣机、电冰箱一旦启动，振动就始终伴随；就人体本身，心脏的跳动、肺的呼吸、脑电的波动2，振动2019/8/1616振动的描述量：振幅（位移、速度、加速度）、频率、相位振动的分类：按响应性质分类：确定性振动：确定性系统受到确定性的激励其响应也是确定性的。如不平衡转子激起的振动。确定公式进行描述，可预测的。随机振动：即使是确定性系统，在受到随机激励时，系统的响应也是随机的。例如汽车在路面上奔驰所受到的路面激励为随机激励。不可预测，只能分析其统计特性2，振动2019/8/1617按振动产生的原因分类：自由振动(freeoscillation)：弹性系统具有初始位移或初始速度，此后不再受外界激励的情况下所发生的振动。可用于分析系统的固有特性参数。受迫振动(forcedoscillation）：弹性系统在外界激励下发生的振动，外界激励是周期性的或交变的。如：不平衡转子引起的振动，汽车行驶在不平路面激励下的振动等包括确定性振动、随机振动2，振动2019/8/16182，振动2019/8/1619自激振动：作用在系统上的非周期性激励（或不变激励）被系统本身的振动变为周期性激励，把能量断续地输入到振动系统当中，从而维持或发展系统的振动。振动停止，激振源即停止。（摩擦、空气动力）2，振动2019/8/16202，振动2019/8/1621参变振动：通过周期或随机地改变系统的特征参数来实现。2，振动2019/8/1622按自由度多少分类：单自由度系统振动：若仅考虑汽车的垂直振动且忽略汽车前后悬挂质量的差别，忽略非悬挂质量的振动，可以将汽车简化为单自由度模型进行分析。多自由度系统振动：若考虑汽车的垂直振动，考虑非悬挂质量的振动，同时考虑其俯仰运动，则至少需要将其简化为四自由度模型。弹性体振动：无穷自由度。由于许多情况下弹性体振动无解析解，目前多采用有限元的方法将连续的弹性体划分为若干离散单元的组合体进行研究。2，振动2019/8/1623按振动位移特征分类：角振动：如车架的扭转振动，轴的扭转振动直线振动：如车辆的垂直振动按系统结构参数特性分类：线性振动：如振动系统的质量、刚度、阻尼均不随系统运动参数而变化，且弹性力、阻尼力均可简化为线性模型，该系统发生的振动为线性振动。非线性振动:凡是不能简化为线性系统的振动系统都为非线性系统。如采用可变刚度的钢板弹簧时汽车振动为非线性。（参变振动为非线性振动）2，振动2019/8/1624工程中有大量的振动问题需要人们去分析解决，无论是什么振动问题，一般来说，都是在激励、响应、系统特性三者之间已知两个求第三个。通常将振动问题主要包括以下三类。振动分析：已知激励与系统特性，求系统响应。振动环境预测：已知系统特性及系统响应，反求激励。系统识别：已知激励及系统响应，来确定系统的特性。对系统识别问题的另一种提法是：在一定的激励条件下，如何设计系统的特性，使得系统的响应满足指定的条件，这也称为振动设计。2，振动2019/8/1625当遇到车厢噪声大时，一般考虑加强车厢隔音技术和材料，而对真正的噪声发生源可能无能为力，要从根本上减少噪声，就会涉及发动机、悬置及车架等的设计问题，因此，NVH问题实质是汽车设计中要解决的问题，而不是汽车试制或进入市场后要解决的问题。2，振动2019/8/1626为什么许多情况下要对振动进行控制？振动能够产生噪声，噪声会干扰人的工作和健康。各类振动特别是1~100HZ的低频振动直接对人有影响。长期暴露于强振环境，人的机体会受到损坏。机械设备或建筑结构会受到破坏，任何结构承受动态载荷的能力均低于其承受静态载荷的能力。大幅度的振动将导致结构承受大的动态应力，容易产生疲劳破坏。（振动疲劳、声疲劳）为什么振动会对人体造成危害？2，振动2019/8/1627人体是一个复杂的系统，该系统包含着若干线性和非线性部件，人与人在身高、体重、骨骼、肌肉等方面有很大差别，所以各部件的性能也各不相同。但各部件有各自的固有频率，当激振的频率与固有频率相近时发生共振，这将使人很不舒服，甚至会使身体受到伤害。2，振动2019/8/16282019/8/1629人能感受到的振动频率范围为1~100Hz。根据人的感受将振动按频率划分可分为三类振动：低频振动1~30Hz中频振动30~100Hz高频振动100HZ以上实验表明人对频率为2~12Hz的振动感觉最敏感。高于12低于2Hz则敏感性逐渐降低。这是因为人体许多器官的共振频率分布在此频率范围内。对人最有害的频率是与各器官的固有频率相吻合的频率。例如人肢体在6Hz；内脏器官在8Hz附近；7Hz左右对大脑和神经的影响较大等。人体感觉最舒服的频率：1.6Hz散步的频率。故乘坐舒适的轿车频率在1.6Hz附近。2，振动2019/8/1630由于人体的身体素质、年龄以及心理上的千差万别，对振动的敏感程度也不同，导致评价振动对人体的影响比较复杂，国际标准化组织（ISO）在综合了大量资料的基础上提出了ISO2631/1－1985《人体承受全身振动的评价》，在1997年又做了修正，公布了ISO2631/1－1997。关于汽车纵向振动要求的平顺性，中国也制定了相应的标准QC/T474-1999，即原GB/T12471-90。2，振动2019/8/1631振动的危害是多方面的，它损害或影响在振动环境内工作人员的身体健康和工作效率，对仪器、设备和建筑物造成损坏，特别是结构发生共振时，很容易导致结构的疲劳破坏。振动除了有害的一面，也有有利的一面。例如：振动压路，振动捣实，振动筛选，振动打桩等等，通过学习振动规律可以利用有益的振动，控制有害的振动。本课程将学习振动的基本理论以及振动控制的基本措施：包括消振