车身结构振动噪声特性分析与优化

车身结构振动噪声特性分析与优化

陈应航

（蚌埠学院，233000）

摘要：驾驶室噪声对车内乘员的乘坐舒适性和身体健康产生直接的影响，汽车的NVH水平是整车设计与制造品质的重要体现，直接关系到汽车的市场竞争力。结合某试生产阶段非承载式车身的怠速振动噪声问题，对车身整车结构进行噪声特性分析与优化。

关键词：车身结构；振动噪声；优化

1.引言

驾驶室内的振动噪声水平是车内乘员能直接感受到的汽车品质之一，对乘员的心理和生理产生重要的影响，恶劣的振动噪声水平容易导致疲劳和不适，甚至引发交通事故。汽车的NVH水平关系到汽车的市场竞争力。车身主要由板件焊接而成，板件结构在振动激励下的辐射噪声是车内低频噪声的主要来源。利用车身模态分析，找出驾驶室结构中的薄弱处进行优化；或者针对板块辐射噪声大的区域进行局部刚度增强以及阻尼涂贴都是抑制车身低频噪声的有效方法。整车开发流程中，经过方案设计、概念设计、工程设计以及样车试制阶段之后，就进入投产准备阶段。汽车开发的各个阶段，NVH性能开发与验证贯穿其中。从设计到生产过程中，产品的结构往往会发生变化，使得NVH目标与预期不相符的情况。因此，驾驶室的减振降噪需根据汽车特定的生产阶段，综合考虑整车轻量化、碰撞安全性及成本等要求，采取合适的方案进行结构修改。

2.汽车振动噪声的传递与控制

2.1车内噪声产生机理

车内噪声是指经各种途径传入驾驶室及驾驶室内部产生的噪声。主要的噪声源包括发动机噪声、轮胎噪声、进气噪声以及排气噪声等。在理想状态下这些噪声源所占的车内噪声比例分别为40%、35%、13%和12%。传动系统的噪声也在车内噪声中占有一定比重。在车辆不同的工况下，汽车车内主要噪声的类型也有一定差异。怠速状态下，以发动机噪声及车身结构的辐射噪声为主；行驶状态下，轮胎噪声、进排气噪声以及风噪等噪声的比重随着车速的增加而迅速增加。噪声源产生的噪声经汽车结构及空气两条途径传入驾驶室，形成驾驶室混响声场。因此，通常将车内噪声分为结构噪声和空气传播噪声。

（1）结构噪声

由各振动源产生的激励力（包括发动机、传动系统以及路面不平度等引起的振动）经各车身连接点，如悬置、悬架及排气系统挂钩等，传递给车身或车架，激发车身壁板振动，形成车内的辐射噪声，称为结构噪声。车内结构噪声的频率成分主要集中在200Hz以内的中低频范围。发动机周期性的热力过程及活塞、连杆和曲柄等运动部件的往复运动是汽车最主要的振动噪声来源。发动机噪声通过声波传递到空间，通过传动轴的轴承引起驱动系统的振动，同时以结构振动的形式通过动力总成悬置等方式传递到车身或车架，使车身板件振动而辐射出噪声。发动机的宽频激励受车架及驾驶室固有模态的影响，激起驾驶舱内的声学模态，产生驾驶室的轰鸣噪声。

（2）空气传播噪声

驾驶室外部噪声源通过车身板件（如地板、顶棚以及防火墙等）和车身封闭件（如车门、车窗等）上的孔、缝传入车厢，该部分噪声成为空气传播噪声。车内空气传播噪声主要有发动机空气噪声、风噪以及轮胎噪声等。空气传播噪声的频率成分主要集中在中高频。车身结构的密封性能直接影响到空气传播噪声的大小，密封性能差的汽车结构容易引起空气与空气的直接耦合。车身板件结构和玻璃窗也会影响空气噪声从车外到车内的传递。

2.2车内噪声分析方法

汽车研究开发经过多年的发展，已经形成多种车内噪音与振动的分析方法。主要分为试验法和数值分析法两大类。在早期汽车开发设计中，主要基于汽车振动噪声试验以及较为简单的计算。早期主要使用声级计、加速度传感器等进行噪声振动测量。随着电子和信号处理技术飞速发展，频谱分析、相干分析及声强测量、小波分析、声全息等新的测试及分析技术丰富了振动噪声分析和识别的手段。当前常用的振动噪声试验测试分析方法有频谱分析法、声强测量法、消去法和铅覆盖法等。

（1）有限元法

声学有限元法主要用于分析由结构振动引起的车内噪声问题，即结构噪声，其频率范围一般为0~200Hz。对于汽车结构，有限元的基本思想是采用有限的单元离散结构，并通过结构动力学方程求解其结构模态等动力学特性；在车内噪声分析中，采用有限的单元离散驾驶室声传播的空气域，通过声学波动方程求解空气域的声特性。实际运用中，同时考虑结构与空腔耦合问题来求解，求解结构振动的同时求解空气中的声传播。声学有限元法可以利用车身结构模型和驾驶室声腔模型求解结构的耦合模态频率和振型，以及声学模态频率和振型。

（2）边界元法

边界元法是有限元法之后发展起来的一种数值方法，有限元法在连续体域内划分单元，而边界元法只在定义域的边界上划分单元，并用满足控制方程的函数去逼近边界条件。边界元法与有限元法相比，建模过程更加简化，建模的规模更小，因此大幅降低了计算问题的维数，提高了计算的效率。

2.3车内噪声控制方法

车辆噪声控制主要包括主动控制方法和被动控制方法。噪声主动控制方法是通过主动、有目的性地产生次级声源或振动信号去控制原有噪声。该过程中有附加能源控制，称为有源噪声控制（ActiveNoiseControl）。相比于被动噪声控制方法，主动噪声控制措施的优势在于：一方面，可根据噪声的声学特性，针对性地设计和调整控制系统的特性，降噪效果显著；另一方面，被动噪声控制方法对于低频噪声的控制有一定的局限性，而主动控制措施对控制低频噪声有一定的效果。然而，主动控制措施仍存在一定问题，包括其在车身上安装实现的难度较大、成本较高等，在高档轿车上有所应用，大规模的普及应用仍有待提高。传统的车内噪声控制方法主要以被动控制为主。噪声被动控制方法中，针对噪声形成过程中的输入、对象以及接受者，分别采取消除或减弱噪声源、控制噪声的传播路径以及保护噪声接受者的方式来控制噪声。同时也通过改进车身设计，调整驾驶室声腔振型防止或者减弱车内的声腔共鸣与风振现象。

消除或减弱噪声源是控制车内噪声的有效方法。通过技术提升、结构改进以及提高零部件的加工精度和装配质量等，针对主要噪声源如发动机噪声、传动噪声和进排气噪声等进行控制。控制噪声的传递路径上的振动噪声传递是常用的减振降噪方式。采用隔振、隔声和提高车厢密封性等方式来隔绝噪声传播途径。车内低频结构噪声常在驾驶室板件上涂贴黏性阻尼材料来衰减板块的振动辐射噪声、在车身各振动输入点采用合理的悬置隔振技术衰减外部激励的输入等措施，获得一定的降噪效果。车室壁板上的孔和缝隙容易使噪声直接传入车内，使壁板的隔声性能降低，因而可通过提升驾驶室的密封性和铺设吸声材料等使车内中高频空气噪声得到较好的降噪效果。驾驶室隔声对高频噪声效果较好，而对于低频噪声的控制效果差。选用面密度和阻尼均大的隔声材料，可提升车内低频噪声的隔声效果。

3.结束语

近年来，随着我国社会经济的快速发展，汽车工业也发展迅猛，汽车逐渐成为人们生活的一部分。人们的生活水平逐步提升，与此同时，对汽车的品质要求也与日俱增。车身因其空间大、驾驶员视野好以及通过性强等优点在国内外市场得到消费者的亲睐。当前，国内车身汽车市场竞争激烈，人们对汽车的要求已不局限于传统的安全性、动力性、经济性与操控性等，对汽车使用过程中的舒适性提出了更高的要求。汽车的NVH（Noise、Vibration&Harness）性能是汽车乘坐舒适性的重要方面，成为影响消费者购买的重要因素之一，是当前汽车研发的一个热点。

参考文献

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作者简介：陈应航（1990.08-），女，安徽蚌埠人，学历：硕士，职称：助教，研究方向：数字化设计与仿真以及汽车降噪设计。