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汽车噪声与振动及评价
第八章汽车噪声与振动的评价
第一节概述
汽车噪声与振动的评价标准是由三个因素来决定的。
第一是顾客的要求，第二是公司的技术水平，第三是政府的法规。
噪声振动评价有车内噪声与振动评价，系统和零部件的噪声与振动评价，车外噪声评价。
噪声与振动评价的第一个方面是车内评价。
顾客购买汽车的时候，最关心的是坐在汽车里面对噪声与振动的感觉，这就是车内噪声评价。
它是从顾客的角度来评价一部车的噪声与振动大小，所以也叫顾客层次的评价。
顾客在购买汽车时，对汽车的价格、品牌等有自己的定位。
他们会根据这个定位来期待车内的噪声与振动的水准。
比如豪华车的噪声与振动就应该比普通车的低。
汽车公司在得到了市场调查结果后，就会以它为指南，然后将市场上相近的几款车拿来做“比较车”。
在测量了这些“比较车”的噪声与振动后，汽车公司就会结合顾客的反馈和“比较车”的测量结果，来确定自己将要开发的汽车在市场上的定位和噪声与振动量级。
车内评价反映了一部汽车整体噪声与振动水准，所以又叫整车评价。
汽车有很多性能，噪声与振动就是其中的一个重要性能。
整车评价是汽车产品开发的核心。
噪声与振动评价的第二个方面是系统和零部件的评价。
在开发的初期，在车内噪声与振动指标确定后，这个指标就分解到各个系统和零部件。
在以后的开发过程中，所有系统和零部件的开发就是以车内指标为中心进行的。
比如车内噪声分解到排气系统，排气系统就设立排气尾管的噪声指标、排气系统的辐射噪声指标、消音器的传递损失指标、挂钩传递力指标等等。
能否达到系统和零部件的噪声与振动指标就完全取决于汽车公司和供应商的技术水平和制造能力。
这些决定了一家公司在市场上的竞争力。
噪声与振动评价的第三个方面是“通过噪声”。
汽车在通过街道和居民区时会产生噪声。
过大的噪声会影响人们的休息和生活，於是政府颁定法规，规定当汽车通过街道时，在一定的距离内，其噪声不能超过某个标准，这就是通过噪声。
每个国家有自己的通过噪声标准，ISO也有一个统一的噪声标准。
现在欧洲和日本的通过噪声标准比美国要严些，因为欧洲和日本的人口密度比美国大得多。
在这三个评价之中，车内评价取决于顾客，通过噪声取决于政府法规，这两个评价都是汽车公司以外的事情，但却决定了汽车的销售。
本章集中介绍这两种噪声与振动的评价指标。
第二个评价，即系统和零部件的评价是公司内部的事情，本书的绝大多数篇幅都是在讲述系统和零部件的噪声与振动技术以及要求达到的水准，本章就不再介绍了。
在评价汽车噪声与振动时，还可以分为主观评价和客观评价。
主观评价是顾客对车内噪声振动的直观感觉，感觉声音是安静还是吵闹，是和谐还是刺耳，感觉振动大小和舒适性。
比如，一般顾客喜欢车内安静和舒适，而运动车的顾客则喜欢车内的声音听起来马力十足，开车时使人产生动感。
客观评价是通过分析和测量的方法得到噪声与振动的参数来评价车内噪声与振动的大小和好坏。
传统上，主观评价和客观评价是分开的，很难彼此代替。
可是近年来，研究人员和工程师们一直在研究怎么样用定量的方法来描述主观评价。
比如说声品质（将在本章介绍）原来是一个单纯的主观评价，是司机和乘客对汽车噪声的主观反应，可是现在我们可以通过测量曲线上来判断一部车的声品质的好坏。
车内噪声与振动的主观评价指标包括主观定级和声品质。
主观定级是人为地把噪声或者振动分成10个级别。
第1级表示噪声或者振动非常大，人绝对不能接受。
第10级表示噪声或者振动非常小，以至在车里面感觉不到噪声与振动的存在。
其他的8个级别介入第1级和第10级之间，从噪声振动大到小。
表8.1列出了这10个级别以及相应的噪声与振动大小和舒适程度的描述。
表8.1噪声与振动主观评价级度
级度
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
不能接受
接受的过渡
可以接受
接受对象
所有顾客
绝大多数顾客
比较挑剔的顾客
受过培训的人员
车内噪声的主观评级与客观测量数据之间存在著关系。
图8.2表示了这两者之间的大致关系。
图8.1主观评级与客观噪声级之间的大致关系
图8.2表示人体振动与噪声的测量点。
车内噪声与振动的客观评价指标有：
∙司机耳朵和乘客耳朵处的噪声。
包括噪声量级和声品质。
∙汽车地板或者椅子基架处的振动
∙方向盘上的振动
∙座椅上的振动和人体的振动
图8.2人体振动与噪声的测量点
本章将分别介绍噪声的评价、声品质、振动的评价和通过噪声。
第二节噪声的评价
一．概述
车内噪声的评价包括噪声量级的大小和声品质。
由於声品质是一门专门的技术，所以将用单独的一节来讲述。
本节只介绍与噪声量级有关的内容。
车内噪声直接作用到人的耳朵，所以噪声采用dB（A）。
汽车最主要的噪声源是发动机，这样车内噪声是随著发动机的转速而变化的。
因此在评价车内噪声时，不是用一个总的噪声量值，而是采用一条随著转速变化的曲线。
近二十年来，世界各国的汽车公司已经不满足仅用一条噪声曲线来评价车内噪声，而进一步分解这条曲线的组成。
发动机的振动与噪声是与阶次密切相关的，因此车内噪声也是由不同阶次组成。
如果阶次曲线知道了，振动级或者噪声级与转速和频率的关系也就确定了，这对于寻找噪声源非常有帮助。
关于噪声阶次的问题将在“声品质”一节中介绍。
还有一些噪声是与转速没有关系的。
若这个噪声的频率不随转速而变化，那么很可能是一个由共振引起的噪声。
如果这个噪声杂乱无章，那么这个噪声很可能是摩擦噪声。
发动机的运转状况可以分成三种：
第一种是怠速，即汽车停止时，发动机在空转；第二种是全负荷，用WOT（WideOpenThrottle）来表示，即使劲地将油门踩到底，进气控制阀门全开，在全力加速时，通常处于这种状况；第三种是半负荷，用POT（PartialOpenThrottle）来表示，进气控制阀门半开，汽车在正常行驶通常处於这种状态。
那么在评价车内噪声与振动时，分别对这三种状态进行评价。
在测量车内噪声时，通常是在司机靠窗子的耳朵旁边放一个麦克风来测量司机耳朵的响应。
为了测量乘客对噪声的影响，可以在乘客的位子安装麦克风，也可以用专门的仪器来测量。
图8.3为一台HEAD声学测量系统，专门来测量人耳朵的声音。
这种专门的设备分辨率非常高。
用它记录的声音可以在实验室非常逼真地回放。
图8.3HEAD声学测量仪
二．怠速时的声音评价指标
汽车在启动时，发动机温度低，转速通常比较高，在1000rpm左右。
发动机运转一会，温度上升后，怠速会下降。
现在在设计一部新车时，怠速通常定在600rpm到700rpm。
当发动机转速稳定后，车内噪声就不是速度的函数，当然发动机速度会在这个转速上下移动。
如果每个中心频率，
，的声级都测量到，为
，那么总的噪声为：
（8.1）
我们就用这个值来评价殆速时的噪声大小。
三．全负荷（WOT）/半负荷（POT）的声音评价评价
在全负荷时，发动机的功率和转速迅速上升，发出的噪声也最大。
在开发一部新汽车或者评价现有汽车的车内噪声时，WOT时的噪声最能考验汽车噪声水准。
汽车在行驶时，进气阀门处于半开状况，这种巡航状况下的噪声也非常重要。
一般来说，WOT时的噪声比POT时的噪声大，如图8.4所示。
在这些状况下，发动机的转速范围一般为1000rpm到6000rpm。
声级是转速的函数，表达为：
（8.2）
图8.4某车在WOT和POT状况下的车内噪声。
四．说话清晰因子
说话清晰因子是Beranek提出来的。
这个参数描述了在噪声环境下说话的清晰程度。
说话清晰因子是用百分数来表示，100%表示说话完全听得清楚，0%表示说话完全听不清楚。
说话是否听得清楚类似于看字是否清楚。
图8.5表示看字清楚的不同程度。
图8.5看字清楚的不同程度
说话的声音有它的频谱。
这个频谱是用三分之一倍频程来表示的，用符号记为：
。
当背景噪声超过说话声音时，说话声音就听不清楚了。
当噪声完全盖过说话声音，说话就听不见了。
假设噪声超过说话声音12dB时，说话声音就听不见了。
这时的背景噪声定义为上限噪声，用符号
表示。
和
的关系表示如下：
（8.3）
同样，当背景噪声低到一定的时候，说话声音就可以完全听清楚。
假设当背景噪声比上限噪声低30dB时，说话完全听得清楚，这个背景噪声称为下限噪声，用
表示。
与
的关系为：
（8.4）
上面定义的上限噪声和下限噪声之间的差值对所有的频率都是一样的，即30dB。
然而说话声音是与频率有关的。
这样就引入了一个计权系数，
，在表8.2中列出。
200赫兹以下和6300赫兹以上的说话频带不考虑。
引入了上限噪声、下限噪声和计权系数后，我们就可以定义说话清晰因子，并将其归一化。
说话清晰因子AI定义如下：
（8.5）
式中，
定义如下：
当噪声超过上限噪声时，即
，说话完全听不见，说话清晰因子为零。
这时的
为：
（8.6）
当噪声在下限噪声和上限噪声之间，即
，说话被噪声掩盖了一部分，这时的
为：
（8.7）
当噪声小于下限噪声时，即
，说话可以完全听得清楚。
这时的
为：
（8.8）
表8.2中列出了各个频率下的上限噪声值和计权系数。
表中还给出了两组噪声值，以及相应的
值和说话清晰因子。
图8.6画出了上限噪声、计权系数和两组噪声随著频率变化的曲线。
这两组噪声相应的说话清晰因子分别为49.5%和33.6%。
第二组噪声比第一组噪声的声级大，但是第二组噪声对应的说话清晰因子比第一组噪声小。
也就是说，噪声越大，说话清晰因子越小，说话越听不清楚。
表8.2上限噪声、计权因子以及两组噪声值
频率
上限噪声
计权系数
噪声1
噪声2
D（f）1
D（f）2
带宽说话清晰因子1
带宽说话清晰因子2
200
64
1
60
70
4
0
0.13
0
250
69
2
62
72
7
0
0.47
0
315
71
3.25
64
68
7
3
0.76
0.33
400
73
4.25
65
66
8
7
1.13
0.99
500
75
4.5
66
71
9
4
1.35
0.6
630
75
5.25
70
73
5
2
0.88
0.35
800
75
6.5
69
72
6
3
1.3
0.65
1000
74
7.25
66
69
8
5
1.93
1.21
1250
72
8.5
60
65
12
7
3.4
1.98
1600
70
11.5
56
60
14
10
5.37
3.83
2000
67
11
49
55
18
12
6.6
4.4
2500
65
9.5
45
52
20
13
6.33
4.12
3150
63
9
41
48
22
15
6.6
4.5
4000
60
7.75
35
40
25
20
6.46
5.17
5000
56
6.25
34
38
22
18
4.58
3.75
6300
51
2.5
25
30
26
21
2.17
1.75
49.33
33.63
图8.6上限噪声、计权因子以及两组噪声值频率
表8.2中每个频段的说话清晰因子可以计算得到，然后将之加起来就得到总的说话清晰因子。
汽车内噪声是随著发动机转速而变化的，一个转速包括了许多频率成分，这个转速下的说话清晰因子就可以用上面的方法计算。
这样每个转速的说话清晰因子计算出来后就可以画成象图8.7那样的图。
从图中就可以判断那种情况下和那个转速下说话清晰因子的高低。
图8.7两组噪声的说话清晰因子曲线
第三节声品质
一．声品质的概念
传统的汽车噪声控制中，只强调噪声量级的大小，认为只要噪声级越低越好。
但是自二十世纪八十年代以来，人们不仅关心汽车噪声的大小，还关心汽车噪声的频率组成成分以及与发动机转速的关系。
汽车声音好坏既要考虑声压级的大小又要考虑其频率成分和与转速的关系，这种特定考虑的声音及其好坏就是声品质。
具体来说，什么是声品质呢？
声音不仅有大小，而且跟频率密切相关。
比如，一个非常悦耳的音乐，一个是杂乱无章的噪声，假如两个声音的总的声压级是一样的，但是人对这两种声音反应是截然不同的。
绝对多数人是喜欢音乐而讨厌噪声的。
由於音乐和噪声的频率组成不一样，因此人们对这两者的态度就截然相反。
再举一个例子，同样是音乐，一个是轻音乐，一个是摇滚乐，两者的声音量级是一样的。
大多数年长者可能喜欢轻音乐，摇滚乐对他们来说可能是一种噪声。
而另一方面，年轻人可能喜欢摇滚乐，甚至随著音乐翩翩起舞。
同样是因为声音的频率组成不一样，音乐对人的效果是不同的。
这还说明人对声品质好坏的评价是非常主观的。
近这二十年来，在汽车开发过程中，声品质越来越重要。
声品质甚至影响到汽车的品牌。
除了上面介绍噪声和音乐的声品质与声音大小和频率有关外，汽车声音还有非常独特的一方面，就是与发动机的转速密切相关。
发动机是汽车最主要的噪声源，发出的声音是随著转速而变的，一般情况下，发动机的转速越高，其声音也就越大。
发动机的声音是由一系列阶次声音组成，人对不同阶次的声音反应是不一样的。
比如说，运动车的声音节奏强烈，带给人动感，这样声音的组成上不仅发火阶次以及谐次声音强烈，而且要求半阶次的声音也强烈。
这种声音的图谱如图8.8所示。
图8.8运动车的车内噪声图
而一般的轿车和豪华车，人们喜欢和谐越耳的声音，而不喜欢运动车那样强烈刺激的声音。
要实现和谐的声音，就要控制发动机声音的阶次，要使得半阶次的声音越低越好。
这样的声音基本是由发火阶次以及谐次声音组成，如图8.9所示。
图8.9轿车的车内噪声图
声品质已经在汽车许多系统与部件中使用，比如汽车关门的声音。
人们喜欢关门时，声音听起来小，清脆，没有杂音，而不喜欢声音大，含有叽叽喳喳的杂声。
坐在汽车里面，人们喜欢声音安静，在汽车加速时，声音是随著发动机转速而逐步渐渐增加，而不是时高时低的声音。
现在，世界各国的汽车公司都在研究声品质的主观评价与客观测试之间的关系，即不仅能定性而且能定量地来描述声品质。
声品质的定性和定量描述有下面几个指标：
声音的声压级指标、声音的阶次组成、声音的线性度、高频噪声。
二．声音的声压级指标
在开发一部汽车的时候，通常会制定车内噪声量级指标。
制定指标决于几个因素：
第一是顾客的要求，这来源于市场调查；第二是对竞争对手的车辆进行评估，然后决定自己要开发的汽车在未来的市场上占据什么位子；第三是根据公司的技术水平来寻求最佳的声音效果。
只有制定了噪声指标，才能为保证声品质提供一个基础。
图8.10是一部车车厢内噪声与目标曲线。
目标通常是一条随著转速而上升的直线。
设计时期望噪声接近直线，这样就能使噪声保持良好的线性度。
声音的线性度将在下面的材料中介绍。
图8.10车内噪声与目标曲线
三．声音的阶次组成
在前面的章节已经介绍了发动机声音的特点。
一个四缸发动机的发火阶次是第二阶，谐频阶次为四阶、六阶等。
一个六缸发动机的发火阶次是第三阶，谐频阶次为六阶、九阶等。
图8.8和图8.9分别为运动车和轿车的车内总噪声及阶次噪声图。
前面介绍了不同汽车（如运动车、轿车等）的阶次大小设计是不一样的。
发火阶次是每部车都有的。
在考虑阶次时，主要是半阶。
声音中半阶的大小完全取决于顾客要求。
声音阶次的调节主要靠进气系统和排气系统的设计。
进气多支管和排气多支管中各个分管长度对半阶的影响非常大。
各分管越是对称，长度越是接近，那么半阶声音就越小。
V型发动机的两支排气分岔管（Y管）的长度差越大，半阶声音成分就越多。
在运动车中，进气多支管和排气多支管的长度一般是不等的。
V型发动机的两支排气分岔管的长度也不相等。
而在设计轿车时，尽可能使得这些分管长度相等和分岔管长度相等。
四．声音的线性度
线性度指的是车内噪声随发动机转速变化的曲线接近一根直线的程度。
当噪声曲线越接近直线，我们说这个噪声的性度越好。
反之，就越差。
图8.11中有两部车的车内噪声曲线。
一条线接近直线，声音大小是随著转速渐渐增加的，这样的声音听起来比较平缓。
另一条线总体上是随著转速而增加，可是在2500rpm和4150rpm时，突然有两个峰值出现。
听这样的声音时，就会明显感到声音的跳动。
比较这两个声音，我们说第一部车的声音线性度比第二部车的线性度好。
我们要尽可能地使声音随著转速的曲线接近线性。
图8.11车内噪声的线性度
五．高频噪声
从前面的说话清晰因子知道，这个因子随著转速的增加而衰减。
也就是说，说话清晰因子在高频时比低频时低，所以高频噪声严重地影响到说话清晰度。
改变排气管、进气管道的尺寸和结构以及车身隔声与吸声设计可以控制高频噪声。
在汽车开发过程中，第一步要做的事情是给确定声品质的内容和目标。
在以后的开发过程中，所做的一切就是围绕这个声品质来进行的。
第四节振动的评价
一．人体对振动的反映特性
乘座质量（Ridequality）是车内振动最主要的衡量指标。
发动机的振动通过隔振器传递到车体再传到椅子上，地面的振动通过悬挂系统传到车体然后传到椅子上。
人直接从椅子的振动感觉到舒适与否。
另外，手扶著方向盘会感受到振动，脚踩著地板也会接受振动。
人体对振动的感觉来自这三个位置，如图8.2所示。
地板（或者是椅子的支架）的振动反应了车体本身的特性，同时又是对椅子的振动输入。
椅子的振动与地板的输入和椅子的结构特征有关。
所以知道这些结构的振动特性对提高人体的舒适性非常重要。
人体各个部位对振动敏感的频率是不一样的。
手的敏感频率是8到16赫兹。
坐著的时候对振动的敏感频率：
在垂直方向为4到8赫兹，而在横向为1到2赫兹。
图8.12给出了人体在垂直方向上的反应与频率的关系。
图8.12人体在垂直方向的反应与振动频率的关系
ISO2631标准和ISO2631-1标准中，列出了人体舒适程度对振动大小的主观统计数据，如表8.3所示。
表8.3振动量级与主观评级之间的关系
振动大小（m/s2）
人体舒服程度
<0.315
感觉不到不舒服
0.315-0.63
有一点不舒服
0.5-1
比较不舒服
0.8-1.6
不舒服
1.25-2.5
非常不舒服
>2
极度不舒服
二．椅子模型和椅子-人体组合模型
评价汽车座椅的舒适性涉及到三个因素：
座椅结构振动传递率、输入信号和输出信号。
一般来说，这三个因素都是频率的函数，要评价椅子的舒适性是很复杂的。
为了简单地评价一把椅子的舒适性，引入SEAT（座椅有效幅值传递率）这个概念。
SEAT定义如下：
（8.9）
式中，
和
分别为椅子和地板的加速度频谱，
是针对人体响应的频率计权函数。
表8.4为频率计权函数。
表8.4频率计权函数
频率范围（Hz）
频率计权函数
0.5~2.0
=0.4
2.0~5.0
=f/5.0
5.0~16.0
=1.0
16.0~80
=16.0/f
SEAT只是一个数值，它表示了椅子舒适程度的大概量值。
比如，SEAT值为100%时，表示椅子的振动与地板是一样的，也就是说椅子刚性地与地板相连接；当SEAT小于100%时，表明地板传递到椅子的振动减小；当SEAT值大于100%时，表明振动从地板传到椅子时被放大；当SEAT值为50%时，表明这把椅子比SEAT值为100%的椅子舒服一倍。
汽车的座椅具有非常明显的非线性特性。
图8.13为一部赛车座椅的振动传递率曲线。
地板的输入加速度从0.05g到0.45g。
这个曲线有两个明显的非线性特征：
第一是当地板振动加速度增加的时候，传递率的共振频率减小；第二个特征是当地板振动加速度增加的时候，传递率的幅值减小。
非线性座椅可以简化为一个单自由度系统，如图8.14所示。
这个模型可以用数学公式表示为：
（8.10）
式中，k1和k2是系统的刚度；c1和c2是系统的阻尼系数；
是座椅的座垫与地板之间的相对位移；
是地板的位移。
图8.13一部赛车座椅的振动传递率曲线
图8.14非线性座椅单自由度模型
人体模型一般采用ISO的线性模型，如图8.15所示。
当这个线性的人体模型与非线性的座椅模型结合的时候，就形成了非线性的座椅-人体模型，如图8.16所示。
图8.17表示这部运动车人体到地板之间的传递率曲线。
这条曲线也是非线性的，其传递率的共振频率和幅值随著地板输入大小的变化趋势与单自由度椅子模型是一致的，但是频率变化范围变窄了。
图8.15ISO线性人体模型
图8.16非线性座椅-人体模型
图8.17某运动车人体到地板的传递率曲线
三．怠速时的振动评价指标
从图8.12知道，人体在4到8赫兹之间对垂向振动最为敏感。
在8赫兹以上，敏感度随著频率的增加而减小。
如果加速度曲线在频域内从8赫兹开始积分，那么得到的速度曲线将是一条水平线。
而发动机的激振频率大于8赫兹，因此用速度来评价振动的响应比加速度更方便。
这样在8赫兹以上时，人体对速度的敏感度是一样的。
在评价地板、座椅和方向盘的振动时，我们采用速度而不是加速度。
与怠速时评价噪声一样，由於怠速时，转速是固定的（当然转速会在这个固定转速附近漂移），因此我们采用一个统计速度来评价怠速时的振动。
测量的时候，在每个振动输入位子（地板、方向盘和座椅）测量三个方向的加速度。
当转速一定的时候，某个频率
下，某个方向的速度与加速度，存在下列关系：
（8.11）
式中，m代表振动的三个方向：
x、y和z方向。
和
分别是m方向的加速度和速度。
对这个转速下的振动来说，速度是由很多频率成分组成。
考虑所有频率的贡献，我们用各个频率下速度平方之和的根值来表示某个方向总的振动速度，如下：
（8.12）
如果将三个方向的速度考虑进来，就得到了最后的速度值，如下：
（8.13）
在评价地板、方向盘和座椅的振动时，三个方向的振动都应该包括。
四．全负荷（WOT）/半负荷（POT）振动评价评价
全负荷/半负荷状况与怠速状况是不同的。
怠速的时候，假设发动机转速不变，可是进气控制阀全开或者半开时，发动机的转速是变化的。
因此，评价振动时，不能只用一个合成速度数值，而是要用一条随著转速变化的曲线。
但是在每个转速下的计算方法与上面介绍的怠速是一致的。
在某个转速下，某个方向的振动为：
（8.14）
在某个转速下的合成振动为：
（8.15）
这样就得到了随著转速而变化的合成速度曲线，这条曲线就表示某个位置（地板、方向盘、座垫）的振动强烈程度。
第五节通过噪声评价
一．概述
汽车工业在过去的几十年中飞速发展。
汽车改变了人们的生活，带动了社会生产力的发展。
在很多国家，汽车已经是支柱产业。
但是汽车的发展也给社会带来了一些负面的影响，汽车排气污染和噪声污染就是其中的两个典型例子。
汽车的能源来自石油、天然气等化工原料。
这些化工原料在汽车发动机内燃烧后产生一氧化碳和氮氧化合物等对人和环境有害的物质。
这些废气就形成了大气污染。
发动机工作的时候，要吸收空气，然后与燃油混合爆炸，产生巨大的推力推动曲轴运动，再通过动力传递轴系带动车轮。
这
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