汽车振动和噪声特性是影响汽车行驶舒适性的主要因素。随着人们对汽车舒适性要求的不断提高，对汽车减振降噪的研究也受到越来越多的重视。汽车振动和噪声的主要振动源是路面不平度激励和发动机振动。其中，发动机的振动对汽车车内声学品质的影响很大，因此控制发动机振动对车内振动和噪声的影响也非常重要。针对发动机振动的减振降噪方法很多，例如为了减轻发动机振动对车内噪声影响而采取的发动机整体封包技术，以及为衰减发动机振动向车体的传递而应用先进的发动机液压弹性支承元件等等。但是，系统研究汽车发动机振动对车内噪声的影响理论在国内仍然比较缺乏。本文根据振动噪声的基本理论，利用现代工程信息处理技术和先进可靠的大型计算机结构分析软件，系统研究了某车发动机对车内噪声的影响机理，识别了发动机固体振动向车内传递的途径，并确定了对车内噪声具有较大影响的车身板件。在此基础上，从控制发动机振动传递途径和车身板件结构振动两个方面着手，改变发动机和副车架支承元件的刚度特性，修改车身顶棚的固有结构振动特性，取得了良好的降噪效果。

1 发动机振动对车内噪声影响的试验研究

试验研究的目的在于探究发动机振动对车内噪声的影响机理，识别发动机振动向车内传递的途径，并确定对车内噪声有显著影响的车身壁板件。这样，可以为针对发动机引起的汽车减振降噪提供依据。

试验系统主要测定动力总成（发动机和变速箱）、副车架、承载式车身纵梁和乘坐室各车身结构板件的振动加速度信号，同时利用测速电机测定发动机转速，利用声级计传声器按照国标的要求测量驾驶员右耳侧附近的噪声信号。按照上述试验设定，分别进行车辆定置和车辆加速行驶工况下发动机由怠速逐渐加速到最高转速两种工况下的试验。试验场地及测量条件满足噪声测试要求。

1.1 车内噪声特性分析

图1所示为车辆定置工况下的车内噪声三维谱阵。由图可见，车内噪声能量主要分布在发动机二阶振动和部分高阶振动相应的频段和转速范围内，尤其是在发动机的转速达到3000r/min以上时。

图1 车辆定置工况车内噪声三维谱阵

试验得到的车辆加速工况时车内噪声的主要能量分布在低频段和发动机二阶振动相应的频段和转速范围内。其中的低频段噪声主要分布在30Hz以下，而且频率与车速（发动机转速）无关，显然是路面不平度通过悬架系统引起车身板件振动引起的。由此可见，车内噪声主要由于底盘振动（路面不平度激励）和发动机振动激励车身板件结构发声所致。而发动机振动对车内噪声的影响主要源于发动机的二阶振动，部分高阶振动也有所影响。

图2所示为车辆定置工况下的车内噪声与发动机二阶振动引起的噪声对比图。显然，发动机二阶振动对车内噪声的影响主要转速范围为：1500r/min，2400r/min，3500r/min和4300-4800r/min。如果按照发动机的二阶振动频率与发动机转速的关系，相应的二阶频率为：50Hz，80Hz，117Hz和143-160Hz。从发动机二阶振动引起的噪声与车内总噪声的对比来看，在这些频率处发动机二阶振动的影响占主导地位，若通过一定的措施抑制发动机的二阶振动对车内噪声的贡献量，将使得车内噪声得到较大的改善。

图2 二阶振动对车内噪声的影响

1.2 发动机振动向车内传递途径识别

考察车内噪声、动力总成和车身构件的振动性态，结合互相关分析可以得到车体结构中振动的传递路径，并初步确定各个车身板壁结构对车内噪声的影响。分析结果表明，由发动机固体振动向车身结构的传递途径如图3所示。

图3 发动机固体振动传递途径

其中，由发动机经由副车架和车身纵梁传递到车身顶棚的主要为低频振动和二阶振动，传递到车身底板的主要为发动机的高阶和高频振动。作为车内噪声的主要发声结构的车身顶棚、车身底板和衣帽箱结构，根据上面对它们振动特性的分析，可以初步确定：车身顶棚主要发生低频和二阶振动，产生车内低频以及二阶噪声；车身底板主要发生高阶高频振动，引起车内较高频段的噪声；衣帽箱主要发生低频和1500r/min附近的二阶振动，对低频噪声和二阶噪声有所贡献。

1.3 主要发声车身板件的确定

通过车身结构板件振动与车内噪声的相干分析，结合在各个频段内的比较，能够确定车身各个结构板件在不同的频段内对车内噪声的贡献。对比分析发现：

（1）在1500r/min左右，主要是车身顶棚和衣帽箱的贡献；

（2）2400r/min左右由车身顶棚、车身底板共同作用所致；

（3）3500r/min左右主要是由于车身底板的振动导致，但车身顶棚亦有所贡献；

（4）4500r/min以上受到车身顶棚、车身底板和衣帽箱振动的共同影响。

由此可见，车身顶棚是主要的振动发声元件，控制它的振动将可以有效地抑制车内噪声水平。

2 减振降噪基本原理和方法

由于发动机的二阶振动传递到车身引起的车内噪声在1500r/min，2400r/min和3500r/min等转速附近激发了较大噪声。根据振动理论，上述转速分别对应发动机二阶振动的50Hz，80Hz和120Hz频率的振动。而且，根据该车车内空腔声学模态有限元分析结果可知，80Hz和120Hz分别与该型轿车车内三维空腔共鸣的第一阶频率74.836Hz和125.466Hz比较接近。因此，上述三个频率中的后两个频率成为研究发动机振动引起噪声的主要研究频率。结合控制振动和噪声的原理，提出如下的改善车内声振特性的途径：

（1）修改发动机和副车架弹性支承特性，控制发动机振动向车内的传递。由于发动机的二阶振动是引起车内噪声的主要原因，因此可以通过修改发动机和副车架的支承元件弹性特性，控制发动机的二阶振动向车体板件的传递，达到降低车内噪声的目的。

（2）修改车身顶棚结构，控制主要发声部件的振动。由于发动机的二阶振动主要传递到车身顶棚激发其振动并辐射噪声。众所周知，板件辐射声压级的变化正比于板件振速级的变化，故而修改车身顶棚的结构特性，控制车身顶棚的振动，进而降低车内噪声将十分有效。3 改进支承特性，控制噪声源

修改发动机和副车架支承弹性特性主要基于移频原理，使发动机悬置的固有特性避开已经确认的敏感频带。为此，建立包括发动机和副车架，并且考虑发动机支承元件和副车架支承元件弹性特性的振动模型如图" 所示。根据振动理论分析计算得到：发动机垂向整机振动固有频率为8Hz，位于可闻噪声研究频率范围之外。但发动机支承的结构为如图4所示的上部带有空腔的结构，其上部空腔垂向间距在装车后过小，在发动机的工作过程中出现空腔闭合现象。此时，隔振橡胶的变形由剪切变形变为压缩变形，支承刚度激增。而且，空腔闭合也会产生二次冲击。两者都导致隔振性能恶化。副车架垂向振动固有频率73Hz，与引起车内噪声的80Hz（相当于2400r/min的发动机转速）接近，有可能引起共振。

图4 发动机振动模型和发动机弹性橡胶支承结构简图

为此提出改进发动机和副车架支承特性的方案：

（1）改变发动机支承的刚度，保证支承元件具有足够的动态变形范围。考虑到发动机工作转矩的作用，建议在原支承的基础上，提高右支承的刚度而降低左支承的刚度，以求发动机工作时左右支承的变形趋于平衡。由于左右支承的刚度分别减小和增加，所以发动机振系的固有频率仍在10Hz以内。另外，要求发动机支承的动刚度在200Hz以下不应有高峰出现，防止支承本身驻波现象出现。

（2）降低副车架支承橡胶件刚度。将副车架支承在车身上的4个橡胶件的刚度都减小，使得副车架振动的固有频率将由73Hz 降为68.6Hz，以避开发动机工作转速引起振动噪声较大的频率80Hz(2400r/min左右)。

4 修改顶棚结构，控制结构振动

对车身顶棚结构进行结构修改，控制车身顶棚的振动强度和振动面积，将有利于降低车内的噪声水平。为此，应用ANSYS大型工作站有限单元分析软件对车身顶棚进行有限元结构模态分析计算，了解车身顶棚的结构振动特性，并据此提出顶棚结构修改方案。

首先建立该车原车身顶棚结构的有限元模型进行分析，彻底了解车身顶棚结构的振动特性。有限元模态分析发现：该结构存在80Hz左右的模态频率80.258Hz和81.449Hz，以及120Hz左右的模态频率114.50Hz和124.71Hz。图5所示为其中两个模态频率下的振型，即车身顶棚结构在80Hz左右（82.258Hz）和120Hz左右（124.71Hz）的频率，分别与发动机二阶振动相应的转速2400r/min和3600r/min相接近，正好与发动机振动引起车内较大噪声的频率相吻合。这也验证了前述的由试验实测得到的车内噪声谱特性。

图5 原车身顶棚有限元分析结果

根据对车身顶棚结构的有限元模态分析结果，并考虑修改车身顶棚结构在成本、工艺等方面的要求，提出如下的车身顶棚结构修改原则：

（1）通过结构修改实现移频；

（2）抑制车身顶棚最接近发动机二阶振动频率的模态振型，降低振动强度和振动面积。在此原则下，进行车身顶棚结构的动力修改。对修改后的车身顶棚结构的有限元分析表

明：

（1）修改后车身顶棚结构成功实现频率转移，在80Hz左右和120Hz左右都实现了移频；

（2）最接近120Hz的模态频率分别为113.613Hz和130.415Hz两阶模态，振型显示（见图6）修改后顶棚振动性态大大改善。、

图6 修改后车身顶棚结构有限元分析结果

5 噪声控制实际效果

按照前述原理和方法修改样车发动机、副车架支承弹性特性和车身板件（主要是车身顶棚）结构。对样车在两种普通水泥和沥青路面上各6种稳速工况和2种升速工况下，测量车内噪声情况。试验结果表明：12种稳速工况下车内噪声的综合指标降低1.5dB(A)。而且，4种加速工况下的车内噪声的转速谱图均优于原车，未出现新的异常区域。车内乘员的主观评价是：轰鸣声明显减小，前后座位上乘员间的对话语音变得清晰，车辆加速声平稳可辨无异常，取得了非常令人满意的减振降噪效果。这也证明上述研究和控制发动机振动及其对车内噪声影响的原理和方法的正确性。

6 结论

通过上述发动机振动对车内噪声影响的研究，以及如何控制发动机振动对车内噪声影响的原理和方法的研究，充分证明理论与实际必须紧密结合的重要性。研究主要得到以下几个结论：

（1）该车发动机对车内噪声的影响的振源是发动机的二阶振动，并且同时存在几个敏感转速（频率）；

（2）发动机的固体振动向车内的传递主要通过发动机的悬置系统，合理设计和优化匹配悬置中的橡胶弹性元件对减轻发动机振动和降低发动机振动对车内噪声影响十分重要；

（3）车身板件对车内噪声的影响很大，尤其是面积很大的车身顶棚。车身板件的结构设计必须考虑车辆的振动和噪声特性。

总之，研究结果表明汽车设计中必须注意振源（发动机等）、振动传递途径设计元件（弹性支承元件和结构部件等）和车体结构特性之间的匹配，否则将会导致车辆声振特性的恶化。而这项工作必须在车辆设计阶段，利用系统分析和综合的方法实现。下载本文