汽車噪聲與振動(dòng)及評(píng)價(jià)

1、第八章 汽車噪聲與振動(dòng)的評(píng)價(jià)第一節(jié) 概述汽車噪聲與振動(dòng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是由三個(gè)因素來決定的。第一是顧客的要求，第二是公司的技術(shù)水平，第三是政府的法規(guī)。噪聲振動(dòng)評(píng)價(jià)有車內(nèi)噪聲與振動(dòng)評(píng)價(jià)，系統(tǒng)和零部件的噪聲與振動(dòng)評(píng)價(jià)，車外噪聲評(píng)價(jià)。噪聲與振動(dòng)評(píng)價(jià)的第一個(gè)方面是車內(nèi)評(píng)價(jià)。顧客購買汽車的時(shí)候，最關(guān)心的是坐在汽車?yán)锩鎸?duì)噪聲與振動(dòng)的感覺，這就是車內(nèi)噪聲評(píng)價(jià)。它是從顧客的角度來評(píng)價(jià)一部車的噪聲與振動(dòng)大小，所以也叫顧客層次的評(píng)價(jià)。顧客在購買汽車時(shí)，對(duì)汽車的價(jià)格、品牌等有自己的定位。他們會(huì)根據(jù)這個(gè)定位來期待車內(nèi)的噪聲與振動(dòng)的水準(zhǔn)。比如豪華車的噪聲與振動(dòng)就應(yīng)該比普通車的低。汽車公司在得到了市場調(diào)查結(jié)果后，就會(huì)以它為指南

2、，然后將市場上相近的幾款車拿來做“比較車”。在測量了這些“比較車”的噪聲與振動(dòng)后，汽車公司就會(huì)結(jié)合顧客的反饋和“比較車”的測量結(jié)果，來確定自己將要開發(fā)的汽車在市場上的定位和噪聲與振動(dòng)量級(jí)。車內(nèi)評(píng)價(jià)反映了一部汽車整體噪聲與振動(dòng)水準(zhǔn)，所以又叫整車評(píng)價(jià)。汽車有很多性能，噪聲與振動(dòng)就是其中的一個(gè)重要性能。整車評(píng)價(jià)是汽車產(chǎn)品開發(fā)的核心。噪聲與振動(dòng)評(píng)價(jià)的第二個(gè)方面是系統(tǒng)和零部件的評(píng)價(jià)。在開發(fā)的初期，在車內(nèi)噪聲與振動(dòng)指標(biāo)確定后，這個(gè)指標(biāo)就分解到各個(gè)系統(tǒng)和零部件。在以后的開發(fā)過程中，所有系統(tǒng)和零部件的開發(fā)就是以車內(nèi)指標(biāo)為中心進(jìn)行的。比如車內(nèi)噪聲分解到排氣系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)就設(shè)立排氣尾管的噪聲指標(biāo)、排氣系統(tǒng)的輻射噪

3、聲指標(biāo)、消音器的傳遞損失指標(biāo)、掛鉤傳遞力指標(biāo)等等。能否達(dá)到系統(tǒng)和零部件的噪聲與振動(dòng)指標(biāo)就完全取決于汽車公司和供應(yīng)商的技術(shù)水平和制造能力。這些決定了一家公司在市場上的競爭力。噪聲與振動(dòng)評(píng)價(jià)的第三個(gè)方面是“通過噪聲”。汽車在通過街道和居民區(qū)時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲。過大的噪聲會(huì)影響人們的休息和生活，於是政府頒定法規(guī)，規(guī)定當(dāng)汽車通過街道時(shí)，在一定的距離內(nèi)，其噪聲不能超過某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，這就是通過噪聲。每個(gè)國家有自己的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)，ISO也有一個(gè)統(tǒng)一的噪聲標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在歐洲和日本的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)比美國要嚴(yán)些，因?yàn)闅W洲和日本的人口密度比美國大得多。在這三個(gè)評(píng)價(jià)之中，車內(nèi)評(píng)價(jià)取決于顧客，通過噪聲取決于政府法規(guī)，這兩個(gè)評(píng)價(jià)都是汽車

4、公司以外的事情，但卻決定了汽車的銷售。本章集中介紹這兩種噪聲與振動(dòng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。第二個(gè)評(píng)價(jià)，即系統(tǒng)和零部件的評(píng)價(jià)是公司內(nèi)部的事情，本書的絕大多數(shù)篇幅都是在講述系統(tǒng)和零部件的噪聲與振動(dòng)技術(shù)以及要求達(dá)到的水準(zhǔn)，本章就不再介紹了。在評(píng)價(jià)汽車噪聲與振動(dòng)時(shí)，還可以分為主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)是顧客對(duì)車內(nèi)噪聲振動(dòng)的直觀感覺，感覺聲音是安靜還是吵鬧，是和諧還是刺耳，感覺振動(dòng)大小和舒適性。比如，一般顧客喜歡車內(nèi)安靜和舒適，而運(yùn)動(dòng)車的顧客則喜歡車內(nèi)的聲音聽起來馬力十足，開車時(shí)使人產(chǎn)生動(dòng)感?？陀^評(píng)價(jià)是通過分析和測量的方法得到噪聲與振動(dòng)的參數(shù)來評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲與振動(dòng)的大小和好壞。傳統(tǒng)上，主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)是分開的，很

5、難彼此代替?？墒墙陙?，研究人員和工程師們一直在研究怎么樣用定量的方法來描述主觀評(píng)價(jià)。比如說聲品質(zhì)(將在本章介紹)原來是一個(gè)單純的主觀評(píng)價(jià)，是司機(jī)和乘客對(duì)汽車噪聲的主觀反應(yīng)，可是現(xiàn)在我們可以通過測量曲線上來判斷一部車的聲品質(zhì)的好壞。車內(nèi)噪聲與振動(dòng)的主觀評(píng)價(jià)指標(biāo)包括主觀定級(jí)和聲品質(zhì)。主觀定級(jí)是人為地把噪聲或者振動(dòng)分成10個(gè)級(jí)別。第1級(jí)表示噪聲或者振動(dòng)非常大，人絕對(duì)不能接受。第10級(jí)表示噪聲或者振動(dòng)非常小，以至在車?yán)锩娓杏X不到噪聲與振動(dòng)的存在。其他的8個(gè)級(jí)別介入第1級(jí)和第10級(jí)之間，從噪聲振動(dòng)大到小。表8.1列出了這10個(gè)級(jí)別以及相應(yīng)的噪聲與振動(dòng)大小和舒適程度的描述。表8.1 噪聲與振動(dòng)主觀評(píng)價(jià)級(jí)

6、度級(jí)度12345678910不能接受接受的過渡可以接受接受對(duì)象所有顧客絕大多數(shù)顧客比較挑剔的顧客受過培訓(xùn)的人員車內(nèi)噪聲的主觀評(píng)級(jí)與客觀測量數(shù)據(jù)之間存在著關(guān)系。圖8.2表示了這兩者之間的大致關(guān)系。圖8.1 主觀評(píng)級(jí)與客觀噪聲級(jí)之間的大致關(guān)系圖8.2表示人體振動(dòng)與噪聲的測量點(diǎn)。車內(nèi)噪聲與振動(dòng)的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)有：· 司機(jī)耳朵和乘客耳朵處的噪聲。包括噪聲量級(jí)和聲品質(zhì)。· 汽車地板或者椅子基架處的振動(dòng)· 方向盤上的振動(dòng)· 座椅上的振動(dòng)和人體的振動(dòng)圖8.2 人體振動(dòng)與噪聲的測量點(diǎn)本章將分別介紹噪聲的評(píng)價(jià)、聲品質(zhì)、振動(dòng)的評(píng)價(jià)和通過噪聲。第二節(jié) 噪聲的評(píng)價(jià)一概述車內(nèi)噪聲的

7、評(píng)價(jià)包括噪聲量級(jí)的大小和聲品質(zhì)。由於聲品質(zhì)是一門專門的技術(shù)，所以將用單獨(dú)的一節(jié)來講述。本節(jié)只介紹與噪聲量級(jí)有關(guān)的內(nèi)容。車內(nèi)噪聲直接作用到人的耳朵，所以噪聲采用dB(A)。汽車最主要的噪聲源是發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣車內(nèi)噪聲是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化的。因此在評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲時(shí)，不是用一個(gè)總的噪聲量值，而是采用一條隨著轉(zhuǎn)速變化的曲線。近二十年來，世界各國的汽車公司已經(jīng)不滿足僅用一條噪聲曲線來評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲，而進(jìn)一步分解這條曲線的組成。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)與噪聲是與階次密切相關(guān)的，因此車內(nèi)噪聲也是由不同階次組成。如果階次曲線知道了，振動(dòng)級(jí)或者噪聲級(jí)與轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系也就確定了，這對(duì)于尋找噪聲源非常有幫助。關(guān)于噪聲階次的問題將

8、在“聲品質(zhì)”一節(jié)中介紹。還有一些噪聲是與轉(zhuǎn)速?zèng)]有關(guān)系的。若這個(gè)噪聲的頻率不隨轉(zhuǎn)速而變化，那么很可能是一個(gè)由共振引起的噪聲。如果這個(gè)噪聲雜亂無章，那么這個(gè)噪聲很可能是摩擦噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況可以分成三種：第一種是怠速，即汽車停止時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在空轉(zhuǎn)；第二種是全負(fù)荷，用WOT(Wide Open Throttle)來表示，即使勁地將油門踩到底，進(jìn)氣控制閥門全開，在全力加速時(shí)，通常處于這種狀況；第三種是半負(fù)荷，用POT(Partial Open Throttle)來表示，進(jìn)氣控制閥門半開，汽車在正常行駛通常處於這種狀態(tài)。那么在評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲與振動(dòng)時(shí)，分別對(duì)這三種狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。在測量車內(nèi)噪聲時(shí)，通常是在司

9、機(jī)靠窗子的耳朵旁邊放一個(gè)麥克風(fēng)來測量司機(jī)耳朵的響應(yīng)。為了測量乘客對(duì)噪聲的影響，可以在乘客的位子安裝麥克風(fēng)，也可以用專門的儀器來測量。圖8.3為一臺(tái)HEAD聲學(xué)測量系統(tǒng)，專門來測量人耳朵的聲音。這種專門的設(shè)備分辨率非常高。用它記錄的聲音可以在實(shí)驗(yàn)室非常逼真地回放。圖8.3 HEAD聲學(xué)測量儀二怠速時(shí)的聲音評(píng)價(jià)指標(biāo)汽車在啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低，轉(zhuǎn)速通常比較高，在1000rpm左右。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一會(huì)，溫度上升后，怠速會(huì)下降?，F(xiàn)在在設(shè)計(jì)一部新車時(shí)，怠速通常定在600rpm到700rpm。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，車內(nèi)噪聲就不是速度的函數(shù)，當(dāng)然發(fā)動(dòng)機(jī)速度會(huì)在這個(gè)轉(zhuǎn)速上下移動(dòng)。如果每個(gè)中心頻率，的聲級(jí)都測量到，為，

10、那么總的噪聲為：(8.1)我們就用這個(gè)值來評(píng)價(jià)殆速時(shí)的噪聲大小。三全負(fù)荷(WOT)/半負(fù)荷(POT)的聲音評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)在全負(fù)荷時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速迅速上升，發(fā)出的噪聲也最大。在開發(fā)一部新汽車或者評(píng)價(jià)現(xiàn)有汽車的車內(nèi)噪聲時(shí)，WOT時(shí)的噪聲最能考驗(yàn)汽車噪聲水準(zhǔn)。汽車在行駛時(shí)，進(jìn)氣閥門處于半開狀況，這種巡航狀況下的噪聲也非常重要。一般來說，WOT時(shí)的噪聲比POT時(shí)的噪聲大，如圖8.4所示。在這些狀況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍一般為1000rpm到6000rpm。聲級(jí)是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，表達(dá)為：(8.2)圖8.4 某車在WOT和POT狀況下的車內(nèi)噪聲。四說話清晰因子說話清晰因子是Beranek提出來的。這個(gè)參數(shù)描述了

11、在噪聲環(huán)境下說話的清晰程度。說話清晰因子是用百分?jǐn)?shù)來表示，100%表示說話完全聽得清楚，0%表示說話完全聽不清楚。說話是否聽得清楚類似于看字是否清楚。圖8.5表示看字清楚的不同程度。圖8.5 看字清楚的不同程度說話的聲音有它的頻譜。這個(gè)頻譜是用三分之一倍頻程來表示的，用符號(hào)記為：。當(dāng)背景噪聲超過說話聲音時(shí)，說話聲音就聽不清楚了。當(dāng)噪聲完全蓋過說話聲音，說話就聽不見了。假設(shè)噪聲超過說話聲音12dB時(shí)，說話聲音就聽不見了。這時(shí)的背景噪聲定義為上限噪聲，用符號(hào)表示。和的關(guān)系表示如下：(8.3)同樣，當(dāng)背景噪聲低到一定的時(shí)候，說話聲音就可以完全聽清楚。假設(shè)當(dāng)背景噪聲比上限噪聲低30dB時(shí)，說話完全聽得

12、清楚，這個(gè)背景噪聲稱為下限噪聲，用表示。與的關(guān)系為：(8.4)上面定義的上限噪聲和下限噪聲之間的差值對(duì)所有的頻率都是一樣的，即30dB。然而說話聲音是與頻率有關(guān)的。這樣就引入了一個(gè)計(jì)權(quán)系數(shù)，在表8.2中列出。200赫茲以下和6300赫茲以上的說話頻帶不考慮。引入了上限噪聲、下限噪聲和計(jì)權(quán)系數(shù)后，我們就可以定義說話清晰因子，并將其歸一化。說話清晰因子AI定義如下：(8.5)式中，定義如下：當(dāng)噪聲超過上限噪聲時(shí)，即，說話完全聽不見，說話清晰因子為零。這時(shí)的為：(8.6)當(dāng)噪聲在下限噪聲和上限噪聲之間，即，說話被噪聲掩蓋了一部分，這時(shí)的為：(8.7)當(dāng)噪聲小于下限噪聲時(shí)，即，說話可以完全聽得清楚。這

13、時(shí)的為：(8.8)表8.2中列出了各個(gè)頻率下的上限噪聲值和計(jì)權(quán)系數(shù)。表中還給出了兩組噪聲值，以及相應(yīng)的值和說話清晰因子。圖8.6畫出了上限噪聲、計(jì)權(quán)系數(shù)和兩組噪聲隨著頻率變化的曲線。這兩組噪聲相應(yīng)的說話清晰因子分別為49.5%和33.6%。第二組噪聲比第一組噪聲的聲級(jí)大，但是第二組噪聲對(duì)應(yīng)的說話清晰因子比第一組噪聲小。也就是說，噪聲越大，說話清晰因子越小，說話越聽不清楚。表8.2 上限噪聲、計(jì)權(quán)因子以及兩組噪聲值頻率上限噪聲計(jì)權(quán)系數(shù)噪聲 1噪聲 2D(f) 1D(f) 2帶寬說話清晰因子 1帶寬說話清晰因子 22006416070400.1302506926272700.470315713.2

14、56468730.760.33400734.256566871.130.99500754.56671941.350.6630755.257073520.880.35800756.56972631.30.651000747.256669851.931.211250728.560651273.41.9816007011.5566014105.373.8320006711495518126.64.42500659.5455220136.334.123150639414822156.64.54000607.75354025206.465.175000566.25343822184.583.756300

15、512.5253026212.171.7549.3333.63圖8.6 上限噪聲、計(jì)權(quán)因子以及兩組噪聲值頻率表8.2中每個(gè)頻段的說話清晰因子可以計(jì)算得到，然后將之加起來就得到總的說話清晰因子。汽車內(nèi)噪聲是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而變化的，一個(gè)轉(zhuǎn)速包括了許多頻率成分，這個(gè)轉(zhuǎn)速下的說話清晰因子就可以用上面的方法計(jì)算。這樣每個(gè)轉(zhuǎn)速的說話清晰因子計(jì)算出來后就可以畫成象圖8.7那樣的圖。從圖中就可以判斷那種情況下和那個(gè)轉(zhuǎn)速下說話清晰因子的高低。圖8.7 兩組噪聲的說話清晰因子曲線第三節(jié) 聲品質(zhì)一聲品質(zhì)的概念傳統(tǒng)的汽車噪聲控制中，只強(qiáng)調(diào)噪聲量級(jí)的大小，認(rèn)為只要噪聲級(jí)越低越好。但是自二十世紀(jì)八十年代以來，人們不僅關(guān)心

16、汽車噪聲的大小，還關(guān)心汽車噪聲的頻率組成成分以及與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系。汽車聲音好壞既要考慮聲壓級(jí)的大小又要考慮其頻率成分和與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，這種特定考慮的聲音及其好壞就是聲品質(zhì)。具體來說，什么是聲品質(zhì)呢？聲音不僅有大小，而且跟頻率密切相關(guān)。比如，一個(gè)非常悅耳的音樂，一個(gè)是雜亂無章的噪聲，假如兩個(gè)聲音的總的聲壓級(jí)是一樣的，但是人對(duì)這兩種聲音反應(yīng)是截然不同的。絕對(duì)多數(shù)人是喜歡音樂而討厭噪聲的。由於音樂和噪聲的頻率組成不一樣，因此人們對(duì)這兩者的態(tài)度就截然相反。再舉一個(gè)例子，同樣是音樂，一個(gè)是輕音樂，一個(gè)是搖滾樂，兩者的聲音量級(jí)是一樣的。大多數(shù)年長者可能喜歡輕音樂，搖滾樂對(duì)他們來說可能是一種噪聲。而另一方面

17、，年輕人可能喜歡搖滾樂，甚至隨著音樂翩翩起舞。同樣是因?yàn)槁曇舻念l率組成不一樣，音樂對(duì)人的效果是不同的。這還說明人對(duì)聲品質(zhì)好壞的評(píng)價(jià)是非常主觀的。近這二十年來，在汽車開發(fā)過程中，聲品質(zhì)越來越重要。聲品質(zhì)甚至影響到汽車的品牌。除了上面介紹噪聲和音樂的聲品質(zhì)與聲音大小和頻率有關(guān)外，汽車聲音還有非常獨(dú)特的一方面，就是與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車最主要的噪聲源，發(fā)出的聲音是隨著轉(zhuǎn)速而變的，一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，其聲音也就越大。發(fā)動(dòng)機(jī)的聲音是由一系列階次聲音組成，人對(duì)不同階次的聲音反應(yīng)是不一樣的。比如說，運(yùn)動(dòng)車的聲音節(jié)奏強(qiáng)烈，帶給人動(dòng)感，這樣聲音的組成上不僅發(fā)火階次以及諧次聲音強(qiáng)烈，而且要

18、求半階次的聲音也強(qiáng)烈。這種聲音的圖譜如圖8.8所示。圖8.8 運(yùn)動(dòng)車的車內(nèi)噪聲圖而一般的轎車和豪華車，人們喜歡和諧越耳的聲音，而不喜歡運(yùn)動(dòng)車那樣強(qiáng)烈刺激的聲音。要實(shí)現(xiàn)和諧的聲音，就要控制發(fā)動(dòng)機(jī)聲音的階次，要使得半階次的聲音越低越好。這樣的聲音基本是由發(fā)火階次以及諧次聲音組成，如圖8.9所示。圖8.9 轎車的車內(nèi)噪聲圖聲品質(zhì)已經(jīng)在汽車許多系統(tǒng)與部件中使用，比如汽車關(guān)門的聲音。人們喜歡關(guān)門時(shí)，聲音聽起來小，清脆，沒有雜音，而不喜歡聲音大，含有嘰嘰喳喳的雜聲。坐在汽車?yán)锩妫藗兿矚g聲音安靜，在汽車加速時(shí)，聲音是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而逐步漸漸增加，而不是時(shí)高時(shí)低的聲音?，F(xiàn)在，世界各國的汽車公司都在研究聲品質(zhì)

19、的主觀評(píng)價(jià)與客觀測試之間的關(guān)系，即不僅能定性而且能定量地來描述聲品質(zhì)。聲品質(zhì)的定性和定量描述有下面幾個(gè)指標(biāo)：聲音的聲壓級(jí)指標(biāo)、聲音的階次組成、聲音的線性度、高頻噪聲。二聲音的聲壓級(jí)指標(biāo)在開發(fā)一部汽車的時(shí)候，通常會(huì)制定車內(nèi)噪聲量級(jí)指標(biāo)。制定指標(biāo)決于幾個(gè)因素：第一是顧客的要求，這來源于市場調(diào)查；第二是對(duì)競爭對(duì)手的車輛進(jìn)行評(píng)估，然后決定自己要開發(fā)的汽車在未來的市場上占據(jù)什么位子；第三是根據(jù)公司的技術(shù)水平來尋求最佳的聲音效果。只有制定了噪聲指標(biāo)，才能為保證聲品質(zhì)提供一個(gè)基礎(chǔ)。圖8.10是一部車車廂內(nèi)噪聲與目標(biāo)曲線。目標(biāo)通常是一條隨著轉(zhuǎn)速而上升的直線。設(shè)計(jì)時(shí)期望噪聲接近直線，這樣就能使噪聲保持良好的線性

20、度。聲音的線性度將在下面的材料中介紹。圖8.10 車內(nèi)噪聲與目標(biāo)曲線三聲音的階次組成在前面的章節(jié)已經(jīng)介紹了發(fā)動(dòng)機(jī)聲音的特點(diǎn)。一個(gè)四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火階次是第二階，諧頻階次為四階、六階等。一個(gè)六缸發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)火階次是第三階，諧頻階次為六階、九階等。圖8.8和圖8.9分別為運(yùn)動(dòng)車和轎車的車內(nèi)總噪聲及階次噪聲圖。前面介紹了不同汽車(如運(yùn)動(dòng)車、轎車等)的階次大小設(shè)計(jì)是不一樣的。發(fā)火階次是每部車都有的。在考慮階次時(shí)，主要是半階。聲音中半階的大小完全取決于顧客要求。聲音階次的調(diào)節(jié)主要靠進(jìn)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。進(jìn)氣多支管和排氣多支管中各個(gè)分管長度對(duì)半階的影響非常大。各分管越是對(duì)稱，長度越是接近，那么半階聲音就越

21、小。V型發(fā)動(dòng)機(jī)的兩支排氣分岔管(Y管)的長度差越大，半階聲音成分就越多。在運(yùn)動(dòng)車中，進(jìn)氣多支管和排氣多支管的長度一般是不等的。V型發(fā)動(dòng)機(jī)的兩支排氣分岔管的長度也不相等。而在設(shè)計(jì)轎車時(shí)，盡可能使得這些分管長度相等和分岔管長度相等。四聲音的線性度線性度指的是車內(nèi)噪聲隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的曲線接近一根直線的程度。當(dāng)噪聲曲線越接近直線，我們說這個(gè)噪聲的性度越好。反之，就越差。圖8.11中有兩部車的車內(nèi)噪聲曲線。一條線接近直線，聲音大小是隨著轉(zhuǎn)速漸漸增加的，這樣的聲音聽起來比較平緩。另一條線總體上是隨著轉(zhuǎn)速而增加，可是在2500rpm和4150rpm時(shí)，突然有兩個(gè)峰值出現(xiàn)。聽這樣的聲音時(shí)，就會(huì)明顯感到聲音的

22、跳動(dòng)。比較這兩個(gè)聲音，我們說第一部車的聲音線性度比第二部車的線性度好。我們要盡可能地使聲音隨著轉(zhuǎn)速的曲線接近線性。圖8.11 車內(nèi)噪聲的線性度五高頻噪聲從前面的說話清晰因子知道，這個(gè)因子隨著轉(zhuǎn)速的增加而衰減。也就是說，說話清晰因子在高頻時(shí)比低頻時(shí)低，所以高頻噪聲嚴(yán)重地影響到說話清晰度。改變排氣管、進(jìn)氣管道的尺寸和結(jié)構(gòu)以及車身隔聲與吸聲設(shè)計(jì)可以控制高頻噪聲。在汽車開發(fā)過程中，第一步要做的事情是給確定聲品質(zhì)的內(nèi)容和目標(biāo)。在以后的開發(fā)過程中，所做的一切就是圍繞這個(gè)聲品質(zhì)來進(jìn)行的。第四節(jié) 振動(dòng)的評(píng)價(jià)一人體對(duì)振動(dòng)的反映特性乘座質(zhì)量(Ride quality)是車內(nèi)振動(dòng)最主要的衡量指標(biāo)。發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)通過隔

23、振器傳遞到車體再傳到椅子上，地面的振動(dòng)通過懸掛系統(tǒng)傳到車體然后傳到椅子上。人直接從椅子的振動(dòng)感覺到舒適與否。另外，手扶著方向盤會(huì)感受到振動(dòng)，腳踩著地板也會(huì)接受振動(dòng)。人體對(duì)振動(dòng)的感覺來自這三個(gè)位置，如圖8.2所示。地板(或者是椅子的支架)的振動(dòng)反應(yīng)了車體本身的特性，同時(shí)又是對(duì)椅子的振動(dòng)輸入。椅子的振動(dòng)與地板的輸入和椅子的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。所以知道這些結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性對(duì)提高人體的舒適性非常重要。人體各個(gè)部位對(duì)振動(dòng)敏感的頻率是不一樣的。手的敏感頻率是8到16赫茲。坐著的時(shí)候?qū)φ駝?dòng)的敏感頻率：在垂直方向?yàn)?到8赫茲，而在橫向?yàn)?到2赫茲。圖8.12給出了人體在垂直方向上的反應(yīng)與頻率的關(guān)系。圖8.12 人體在

24、垂直方向的反應(yīng)與振動(dòng)頻率的關(guān)系ISO2631標(biāo)準(zhǔn)和ISO2631-1標(biāo)準(zhǔn)中，列出了人體舒適程度對(duì)振動(dòng)大小的主觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表8.3所示。表8.3 振動(dòng)量級(jí)與主觀評(píng)級(jí)之間的關(guān)系振動(dòng)大小 (m/s2)人體舒服程度<0.315感覺不到不舒服0.315 - 0.63有一點(diǎn)不舒服0.5 - 1比較不舒服0.8 - 1.6不舒服1.25 - 2.5非常不舒服>2極度不舒服二椅子模型和椅子-人體組合模型評(píng)價(jià)汽車座椅的舒適性涉及到三個(gè)因素：座椅結(jié)構(gòu)振動(dòng)傳遞率、輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。一般來說，這三個(gè)因素都是頻率的函數(shù)，要評(píng)價(jià)椅子的舒適性是很復(fù)雜的。為了簡單地評(píng)價(jià)一把椅子的舒適性，引入SEAT(座椅有效

25、幅值傳遞率)這個(gè)概念。SEAT定義如下：(8.9)式中，和分別為椅子和地板的加速度頻譜，是針對(duì)人體響應(yīng)的頻率計(jì)權(quán)函數(shù)。表8.4為頻率計(jì)權(quán)函數(shù)。表8.4 頻率計(jì)權(quán)函數(shù)頻率范圍 (Hz)頻率計(jì)權(quán)函數(shù)0.52.0= 0.42.05.0= f/5.05.016.0= 1.016.080= 16.0/fSEAT只是一個(gè)數(shù)值，它表示了椅子舒適程度的大概量值。比如，SEAT值為100%時(shí)，表示椅子的振動(dòng)與地板是一樣的，也就是說椅子剛性地與地板相連接；當(dāng)SEAT小于100%時(shí)，表明地板傳遞到椅子的振動(dòng)減??；當(dāng)SEAT值大于100%時(shí)，表明振動(dòng)從地板傳到椅子時(shí)被放大；當(dāng)SEAT值為50%時(shí)，表明這把椅子比SEA

26、T值為100%的椅子舒服一倍。汽車的座椅具有非常明顯的非線性特性。圖8.13為一部賽車座椅的振動(dòng)傳遞率曲線。地板的輸入加速度從0.05g到0.45g。這個(gè)曲線有兩個(gè)明顯的非線性特征：第一是當(dāng)?shù)匕逭駝?dòng)加速度增加的時(shí)候，傳遞率的共振頻率減??；第二個(gè)特征是當(dāng)?shù)匕逭駝?dòng)加速度增加的時(shí)候，傳遞率的幅值減小。非線性座椅可以簡化為一個(gè)單自由度系統(tǒng)，如圖8.14所示。這個(gè)模型可以用數(shù)學(xué)公式表示為：(8.10)式中，k1和k2是系統(tǒng)的剛度；c1和c2是系統(tǒng)的阻尼系數(shù)；是座椅的座墊與地板之間的相對(duì)位移；是地板的位移。圖8.13 一部賽車座椅的振動(dòng)傳遞率曲線圖8.14 非線性座椅單自由度模型人體模型一般采用ISO的線

27、性模型，如圖8.15所示。當(dāng)這個(gè)線性的人體模型與非線性的座椅模型結(jié)合的時(shí)候，就形成了非線性的座椅-人體模型，如圖8.16所示。圖8.17表示這部運(yùn)動(dòng)車人體到地板之間的傳遞率曲線。這條曲線也是非線性的，其傳遞率的共振頻率和幅值隨著地板輸入大小的變化趨勢與單自由度椅子模型是一致的，但是頻率變化范圍變窄了。圖8.15 ISO線性人體模型圖8.16 非線性座椅-人體模型圖8.17 某運(yùn)動(dòng)車人體到地板的傳遞率曲線三怠速時(shí)的振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)從圖8.12知道，人體在4到8赫茲之間對(duì)垂向振動(dòng)最為敏感。在8赫茲以上，敏感度隨著頻率的增加而減小。如果加速度曲線在頻域內(nèi)從8赫茲開始積分，那么得到的速度曲線將是一條水平線

28、。而發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率大于8赫茲，因此用速度來評(píng)價(jià)振動(dòng)的響應(yīng)比加速度更方便。這樣在8赫茲以上時(shí)，人體對(duì)速度的敏感度是一樣的。在評(píng)價(jià)地板、座椅和方向盤的振動(dòng)時(shí)，我們采用速度而不是加速度。與怠速時(shí)評(píng)價(jià)噪聲一樣，由於怠速時(shí)，轉(zhuǎn)速是固定的(當(dāng)然轉(zhuǎn)速會(huì)在這個(gè)固定轉(zhuǎn)速附近漂移)，因此我們采用一個(gè)統(tǒng)計(jì)速度來評(píng)價(jià)怠速時(shí)的振動(dòng)。測量的時(shí)候，在每個(gè)振動(dòng)輸入位子(地板、方向盤和座椅)測量三個(gè)方向的加速度。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定的時(shí)候，某個(gè)頻率下，某個(gè)方向的速度與加速度，存在下列關(guān)系：(8.11)式中，m代表振動(dòng)的三個(gè)方向：x、y和z方向。和分別是m方向的加速度和速度。對(duì)這個(gè)轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)來說，速度是由很多頻率成分組成?？紤]所有頻率

29、的貢獻(xiàn)，我們用各個(gè)頻率下速度平方之和的根值來表示某個(gè)方向總的振動(dòng)速度，如下：(8.12)如果將三個(gè)方向的速度考慮進(jìn)來，就得到了最后的速度值，如下：(8.13)在評(píng)價(jià)地板、方向盤和座椅的振動(dòng)時(shí)，三個(gè)方向的振動(dòng)都應(yīng)該包括。四全負(fù)荷(WOT)/半負(fù)荷(POT)振動(dòng)評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)全負(fù)荷/半負(fù)荷狀況與怠速狀況是不同的。怠速的時(shí)候，假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變，可是進(jìn)氣控制閥全開或者半開時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是變化的。因此，評(píng)價(jià)振動(dòng)時(shí)，不能只用一個(gè)合成速度數(shù)值，而是要用一條隨著轉(zhuǎn)速變化的曲線。但是在每個(gè)轉(zhuǎn)速下的計(jì)算方法與上面介紹的怠速是一致的。在某個(gè)轉(zhuǎn)速下，某個(gè)方向的振動(dòng)為：(8.14)在某個(gè)轉(zhuǎn)速下的合成振動(dòng)為：(8.15)這

30、樣就得到了隨著轉(zhuǎn)速而變化的合成速度曲線，這條曲線就表示某個(gè)位置(地板、方向盤、座墊)的振動(dòng)強(qiáng)烈程度。第五節(jié) 通過噪聲評(píng)價(jià)一概述汽車工業(yè)在過去的幾十年中飛速發(fā)展。汽車改變了人們的生活，帶動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。在很多國家，汽車已經(jīng)是支柱產(chǎn)業(yè)。但是汽車的發(fā)展也給社會(huì)帶來了一些負(fù)面的影響，汽車排氣污染和噪聲污染就是其中的兩個(gè)典型例子。汽車的能源來自石油、天然氣等化工原料。這些化工原料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后產(chǎn)生一氧化碳和氮氧化合物等對(duì)人和環(huán)境有害的物質(zhì)。這些廢氣就形成了大氣污染。發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候，要吸收空氣，然后與燃油混合爆炸，產(chǎn)生巨大的推力推動(dòng)曲軸運(yùn)動(dòng)，再通過動(dòng)力傳遞軸系帶動(dòng)車輪。這樣發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的

31、噪聲。這些噪聲透過汽車殼體、進(jìn)排氣管道傳出來，就形成了噪聲污染。在過去的幾十年時(shí)間內(nèi)，汽車的擁有量和街道上汽車的流量急劇增加。這樣人們對(duì)控制汽車產(chǎn)生的污染日益關(guān)注。隨著生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的要求更加高。噪聲污染已經(jīng)提高到與其他污染一樣的高度。於是很多國家紛紛制定了汽車噪聲污染的標(biāo)準(zhǔn)。雖然汽車只有一百多年的歷史，但是早在古羅馬時(shí)代，就制定了交通噪聲污染的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)是控制馬車通過醫(yī)院時(shí)馬蹄發(fā)出的噪聲。不過現(xiàn)代社會(huì)真正對(duì)汽車噪聲立法是在二十世紀(jì)六十年代。汽車噪聲污染是汽車通過住宅區(qū)、街道等地方對(duì)居民和行人聽覺產(chǎn)生的傷害，因此在測量和制定標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候就要模仿這樣的環(huán)境。為了確定汽車通過街道上噪聲的

32、大小，通常是在專門的試驗(yàn)場來測試。在試驗(yàn)道路兩邊安放麥克風(fēng)來測量汽車通過麥克風(fēng)時(shí)的噪聲，所以這類測量叫“通過噪聲測量”，相對(duì)應(yīng)的噪聲叫著“通過噪聲”(pass-by noise)。麥克風(fēng)測量到的最大dB(A)噪聲就是通過噪聲的量值。ISO在1964年時(shí)就推出了ISO R362的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)。之后很多國家在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上根據(jù)本國國情制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲在這方面做的工作最多。歐共體在ISO R362之后推出了70/157/EEC標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)M1類型的汽車，通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為82dB(A)。在隨后的三十多年中，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不斷修改，噪聲指標(biāo)越來越嚴(yán)。到了上個(gè)世紀(jì)的九十年代，新的標(biāo)準(zhǔn)92/97/EE

33、C中規(guī)定M1類型車的通過噪聲指標(biāo)為74dB(A)。在從70/157/EEC到92/97/EEC的過程中，還經(jīng)歷了73/350/EEC，77/212/EEC，81/334/EEC，84/372/EEC，84/424/EEC等標(biāo)準(zhǔn)。在77/212/EEC標(biāo)準(zhǔn)中通過噪聲為80dB(A)，在84/424/EEC標(biāo)準(zhǔn)中，通過噪聲為77dB(A)。在不遠(yuǎn)的將來汽車通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)可能為71dB(A)。從70/157/EEC的82dB(A)到92/97/EEC的74dB(A)，其噪聲要求提高了8dB(A)。但是實(shí)際上對(duì)噪聲要求的提高量大於8dB(A)。在六十年代，汽車馬力不大，車速較慢，汽車的密度也不高。汽車的

34、主要噪聲源是發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲和排氣噪聲?？墒堑搅司攀甏?，汽車的馬力大大增加，速度提高，汽車的密度急劇增加，因此汽車產(chǎn)生的噪聲比六十年代汽車的噪聲要大。車胎與地面的摩擦噪聲成了主要噪聲源之一。所以比較六十年代和九十年代，對(duì)汽車提高噪聲的要求實(shí)際上是提高了十多分貝。· 通過噪聲的主要噪聲源也隨著通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)的提高而變化。在不同的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)時(shí)代，其主要聲源和重要程度的排列循序也不一樣。下面列舉了這種變化：· 通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為80dB(A)的時(shí)候，主要噪聲源是排氣噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲；· 通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為77dB(A)的時(shí)候，主要噪聲源是排氣噪聲、進(jìn)氣噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲；

35、· 通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為74dB(A)的時(shí)候，主要噪聲源是排氣噪聲(包括了輻射噪聲)、進(jìn)氣噪聲、車胎-路面摩擦噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲；· 當(dāng)通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為71dB(A)的時(shí)候，主要噪聲源將是車胎-路面摩擦噪聲、排氣噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲、進(jìn)氣噪聲。將來車胎-路面摩擦噪聲將越來越重要，但是車胎的設(shè)計(jì)除了噪聲外，安全是更重要的參數(shù)。安全總是放在第一位來考慮的。在現(xiàn)在世界各國的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)中，歐共體的92/97/EEC標(biāo)準(zhǔn)是最嚴(yán)格的。如果這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通過了，那么其他的標(biāo)準(zhǔn)就沒有什么問題了。美國的汽車公司一般遵循SAE(汽車工程師協(xié)會(huì))的標(biāo)準(zhǔn)，如SAE J1470、SAE J986等等。用得最為

36、廣泛的是1998年6月的SAE1470標(biāo)準(zhǔn)(汽車在高速公路上加速時(shí)輻射噪聲的測量標(biāo)準(zhǔn))。本節(jié)將用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來講述通過噪聲的測量。由於美國地域遼闊，人口密度比歐洲、中國和日本等國低得多，因此通過噪聲的要求也低些。美國的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為78dB(A)。通過噪聲在汽車產(chǎn)品開發(fā)中非常重要。針對(duì)不同的市場，要達(dá)到不同的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)。如果按照美國市場開發(fā)的汽車，在歐洲有可能賣不出去。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，可以用現(xiàn)有類似的汽車來做通過噪聲試驗(yàn)，來檢查開發(fā)這種車型的可能性。在產(chǎn)品開發(fā)階段，要不斷地監(jiān)視汽車能否達(dá)到通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)。通過噪聲的測試與分析還有助于不斷了解系統(tǒng)的噪聲源。二通過噪聲的噪聲源汽車高速行駛時(shí)，其噪聲

37、源有兩大類：一類是汽車本身的噪聲源，另一類是是汽車與之接觸的物體的摩擦噪聲。汽車本身的噪聲源在前面的章節(jié)中已經(jīng)介紹過，包括：進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲、排氣系統(tǒng)的噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射噪聲。而汽車與之接觸的物體的摩擦噪聲包括：車胎-路面摩擦噪聲，車體-空氣摩擦產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲。圖8.18列出了通過噪聲源分解圖。圖8.18 通過噪聲源分解圖1進(jìn)氣噪聲進(jìn)氣噪聲主要是進(jìn)氣口的噪聲。進(jìn)氣噪聲的特點(diǎn)在第十二章已經(jīng)作了詳細(xì)的介紹。進(jìn)氣噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)氣口噪聲越大。另外空氣過濾器也會(huì)輻射出噪聲。2排氣噪聲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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)

38、，特別是在低轉(zhuǎn)速的情況下。在高轉(zhuǎn)速情況下，空氣流與排氣管的摩擦噪聲非常大，這種噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)]有關(guān)系。一般來說轉(zhuǎn)速在3500rpm以下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的噪聲占主要成分。而在3500rpm以上，摩擦噪聲占主要成分，中心頻率一般在500Hz以上。低轉(zhuǎn)速下的噪聲頻率比較低，而摩擦噪聲的頻率較高，頻帶也比較寬。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(jié)構(gòu)，如消音器、共振器、催化器、管道等等。排氣管道和消音元件的結(jié)構(gòu)往往決定了這種噪聲的大小。比如單層管或者單層板的結(jié)構(gòu)，其輻射噪聲就大于雙層管或者板。輻射噪聲與排氣系統(tǒng)的位置有關(guān)，路兩邊的噪聲大小可能不一樣。這種噪聲

39、的頻帶比較寬，其中心頻率大概在1000Hz。排氣系統(tǒng)中還一個(gè)聲源是脈沖噪聲。當(dāng)排氣管結(jié)構(gòu)有突然過渡時(shí)，氣流會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生沖擊。這種噪聲是與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)的。一般是窄帶，頻率低于300Hz。3發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲會(huì)透過殼體進(jìn)入大氣。這種噪聲直接與轉(zhuǎn)速有關(guān)，一般頻率比較低。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)上的很多設(shè)備，如風(fēng)扇、起動(dòng)機(jī)等等也會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲。4車胎-路面摩擦噪聲這些年汽車本身的噪聲不斷降低，汽車速度不斷提高，這樣車胎-路面的摩擦噪聲對(duì)通過噪聲的貢獻(xiàn)比例也就越來越大了。車胎橫向和縱向輪齒在與路面接觸的時(shí)候會(huì)形成空腔?？諝庠谶@些空腔中會(huì)發(fā)生共振，從而產(chǎn)生噪聲。這個(gè)噪聲是寬帶的，中心頻率為1000Hz左右。車胎-路面摩擦噪聲的頻率和大小取決于：車胎的輪齒寬度、深度、形狀、輪齒間的距離、路面狀況和車的速度等等。比如輪胎的輪齒不平衡，噪聲會(huì)增加；路面濕潤會(huì)增加1000Hz以上的噪聲；在0到40度范圍內(nèi)，溫度增加，其噪聲降低；在40到140公里/小時(shí)的速度范圍內(nèi)，速度增加一倍，輻射噪聲增加約10dB。5風(fēng)激噪聲當(dāng)車速低于60公里/小時(shí)時(shí)，這種噪聲幾乎可以不考慮。當(dāng)汽車以高速行使的時(shí)候，汽車車身和附件，如反光鏡、天線等，與空氣產(chǎn)生摩擦，就產(chǎn)生了噪聲。這種噪聲的頻帶很寬，可以達(dá)到幾千赫茲。三通過噪聲測