[技术心得]汽车隔音之声学常识

<P>噪音的声学常识</P>
<P>声音的产生</P>
<P>空气中的各种声音，不管它们具有何种形式，都是由于物体的振动所引起的：敲鼓时听到了鼓声，同时能摸到鼓面的振动；人能讲话是由于喉咙声带的振动；汽笛声、喷气飞机的轰鸣声，是因为排气时气体振动而产生的。总之，物体的振动是产生声音的根源，发出声音的物体称为声源。声源发出的声音必须通过中间媒质才能传播出去，人们最熟悉的传声媒质就是空气，除了气体外，液体和固体也都能传播声音。振动在媒质中传播的速度叫声速，在任一种媒质中的声速取决于该媒质的弹性和密度，因此，声音在不同媒质中传播的速度是不同的：在液体和固体中的传播速度一般要比在空气中快得多，例如在水中声速为 1450m/s ，而在铜中则为 5000m/s 。声音在空气中的传播速度还随空气温度的升高而增加。 </P>
<P>向前推进着的空气振动称为声波，有声波传播的空间叫声场。当声振动在空气中传播时空气质点并不被带走，它只是在原来位置附近来回振动，所以声音的传播是指振动的传递。如果物体振动的幅度随时间的变化如正弦曲线那样，那么这种振动称为简谐振动，物体作简谐振动时周围的空气质点也作简揩振动。物体离开静止位置的距离称位移χ，最大的位移叫振幅α，简谐振动位移与时间的关系表示为χ=αsin(2πft+φ)，其中f为频率，(2πft+φ ) 叫简谐振动的位相角，它是决定物体运动状态的重要物理量，振幅α的大小决定了声音的强弱。 </P>
<P>物体在每秒内振动的次数称为频率，单位为赫兹 (Hz)。每秒钟振动的次数愈多，其频率愈高，人耳听到的声音就愈尖或者说音调愈高。人耳并不是对所有频率的振动都能感受到的。一般说来，人耳只能听到频率为20～20000Hz 的声音，通常把这一频率范围的声音叫音频声。低于 20Hz 的声音叫次声，高于 20000Hz 的声音叫超声。次声和超声人耳都不能听到，但有一些动物却能听到，例如老鼠能听到次声，蝙蝠能感受到超声。 </P>
<P>声波中两个相邻的压缩区或膨胀区之间的距离称为波长λ，单位为米(m) 。波长是声音在一个周期的时间中所行进的距离。波长和频率成反比，频率愈高、波长愈短；频率愈低，波长愈长。 </P>

<P>随着现代工业、建筑业和交通运输业的迅速发展，各种机械设备、交通工具在急剧增加，噪音污染日益严重，它影响和破坏人们的正常工作和生活，危害人体健康，在《中华人民共和国环境噪音污染防治法》中，环境噪音是指在工业生产、建筑施工、交通运输和社会生活中所产生的影响周围生活环境的声音。 </P>
<P>从物理学角度讲，声音可分为乐音和噪音两种。表现在听觉上，有的声音很悦耳，有的却很难听甚至使人烦躁。当物体以某一固定频率振动时，耳朵听到的是具有单一音调的声音，这种以单一频率振动的声音称为纯音。但是，实际物体产生的振动是很复杂的，它是由各种不同频率的许多简谐振动所组成的，把其中最低的频率称为基音，比基音高的各频率称为泛音。如果各次泛音的频率是基音频率的整数倍，那么这种泛音称为谐音。基音和各次谐音组成的复合声音听起来很和谐悦耳，这种声音称为乐音。这些声音随时间变化的波形是有规律的，凡是有规律振动产生的声音就叫乐音。 </P>
<P>如果物体的复杂振动由许许多多频率组成，而各频率之间彼此不成简单的整数比，这样的声音听起来就不悦耳也不和谐，还会使人产生烦躁。这种频率和强度都不同的各种声音杂乱地组合而产生的声音就称为噪音。各种机器噪音之间的差异就在于它所包含的频率成分和其相应的强度分布都不相同，因而使噪音具有各种不同的种类和性质。从环境和生理学的观点分析，凡使人厌烦的、不愉快的和不需要的声音都统称为噪音，它包括危害人们身体健康的声音，干扰人们学习、工作和休息的声音及其它不需要的声音。 </P>
<P>根据噪声源的不同，噪音可分为工业噪音、交通噪音和生活噪音三种，是构成环境噪音的三个主要来源。交通噪音是指飞机、火车、汽车等交通运输工具在飞行和行驶中所产生的噪音，汽车隔音降噪网重点探讨的是汽车在运转或行驶中产生的交通噪音。噪音使人感到烦恼，强的噪音还会给人体健康带来危害。 </P>

<P>当没有声波存在、大气处于静止状态时，其压强为大气压强 P0 ；当有声波存在时，局部空气产生压缩或膨胀，在压缩的地方压强增加，在膨胀的地方压强减少，这样就在原来大气压上又增加了一个压强的变化。一般情况下，声压与大气压相比是很弱的。声压的大小与物体的振动有关，物体振动的振幅愈大，则压强的变化也愈大，因而声压也愈大，我们听起来就愈响，因此声压的大小表示了声波的强弱。 </P>
<P>由于正常人耳能听到的最弱声音的声压和能使人耳感到疼痛的声音的声压大小之间相差一百万倍，表达和应用起来很不便。同时，人耳对声音大小的感受也不是线性的，它不是正比于声压绝对值的大小，而是同它的对数近似成正比。这种用对数标度来表示的声压称为声压级，它用分贝 dB 来表示。 </P>
<P>正常人的听觉所能感到的最小声音 即听域的声压级约为 0 分贝 ； 轻声耳语约为 30 分贝 ； 相距 1 米左右的会话语言约为 60 分贝 ； 公共汽车中约为 80 分贝 ； 重型载重车、织布车间、地铁内噪声约为 100 分贝 ； 使人耳痛的声压级界限叫人耳阀，数值为 120 分贝 ； 大炮轰鸣、喷气机起飞约为 130 分贝。 由此可见，当采用声压级的概念后，听域与痛域的声压之比从 100 万倍的变化范围变成 0～120 分贝的变化。所以对行驶中的汽车来说，在一定声压级范围内，只要降低几个分贝，人耳就会有明显感受。许多手持声级计的实际测量误差在 2 分贝，也就是说，噪音源不变的情况下，两次测量结果理论上可以相差 4 个分贝，换句话说，事实上声噪降低 4 个分贝的时候，普通声级计可能显示没有什么变化，但是人耳的感觉却是噪音有明显下降。用仪器对汽车噪音进行测量并进行评测和研究时，应当遵循严格的测试要求和科学的测试方法。 </P>
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<P>考虑到人们主观上的响度感觉，人们设计一种仪器，经频率计权后测量得到的dB数称为计权声级。因为要使仪器能适应所有不同强度的响度修正值是困难的。常用的有A 、B 、C 三种计权网络，经过A计权曲线测量出的dB读数称 A计权声级，简称A声级或LA ，表示为分贝(A)或dB(A)。A声级与人们的主观反映有良好的相关性，即测得的A声级大，人们听起来也觉得响。当用A声级大小对噪音排次序时，与人们主观上的感觉是一致的。 A 声级是目前广泛应用的一个噪音评价量，已成为国际标准化组织和绝大多数国家用作评价噪音的主要指标，许多环境噪音的允许标准和机器噪音的评价标准都采用A声级或以A声级为基础。 </P>
<P>但是，A声级并不反映频率信息，即同一A声级值的噪音，其频谱差别可能非常大。若要比较车辆引发的频谱很不相同的噪音，就要注意到A声级的局限性。C计权与A计权在某些频段测量结果的差别相当大，所以对于一些追求车辆降噪数据的消费者，个别经销商会利用消费者对声音测量标准缺乏认知，或者不熟悉测量仪器的操作，用不同的计权读数来蒙骗消费者。这个时候，正是数字欺骗了大家。 </P>

<P>噪声源总是体现在一定的空间中，因此必须研究声音在空间中传播的特性，包括声波传播过程中的衰弱、反射、折射、绕射和干涉等现象。传播声波的空间称为声场，声场分自由声场、扩散声场和半自由声场。自由声场是一种理想化的声场，严格地说在自然界中不存在这种声场，但是我们可以近似地将空旷的野外看成是自由声场。在声学研究中为了克服反射声和防止外来环境噪音的干扰，专门创造一种自由声场的环境，它可以用做听力实验，检验各种机器产品的噪音，测量声源的声功率，校准一些电声设备等。扩散声场与自由声场完全相反。在扩散声场中，声波接近全反射的状态。例如，在室内，人听到的声音除来自声源的直达声外，还有来自室内各表面的反射声。如果室内各表面非常光滑，声波传到壁面上会完全反射回来。如果室内各处的声压几乎相等，声能密度也处处均匀相等，那么这样的声场就叫做扩散声场(混响声场)。在声学研究中，可以专门创建具有扩散声场特性的房间，即混响室。它可用来测试声源的声功率和做不同混响时间下语言清晰度试验等。在实际生活中，遇到最多的情况，既不是完全的自由声场，也不是完全的混响声场，而是介于二者之间的半自由声场。根据环境吸声能力的不同，有些半自由声场接近自由声场一些，有的更接近扩散声场。粘贴了平静隔音吸音棉的车体，由于异型吸音槽对车辆噪音的高效抑制，可以有效改善驾驶室的声场。 </P>
<P>声源发出的噪音在媒介中传播时，其声压或声强将随着传播距离的增加而逐渐衰减。高频声波比低频声波衰减得快，当传播距离较大时其衰减值是很大的，因此高频声波是传不远的。从远距离传来的强噪音如飞机声、炮声等都是比较低沉的，这就是在长距离的传播过程中高频成份衰减得较快的缘故。除了空气能吸收声波外，一些材料例如玻璃、毛毯、泡沫塑料等也会吸收声音，称为吸声材料。当声波通过这些多孔性吸声材料时，由于材料本身的内摩擦和材料小孔中的空气与孔壁间的摩擦，使声波能量受到很大的吸收并衰减，这种吸声材料能有效地吸收入射到它上面的声能。 </P>
<P>噪音声波在传播过程中经常会遇到障碍物，这时声波将从一个媒质(空气)入射到另一媒质中去。由于这两种媒质的声学性质不同，一部份声波从障碍物表面上反射回去，而另一部份声波则透射到障碍物里面去。利用介质不同的特性阻抗，可以达到减噪目的。例如，在室外测量噪音时，坚硬的地面、公路和建筑物表面都是反射面，如果在反射面上铺以吸声材料，那么反射的声能将减少。由于声波的反射特性，在室内产生的某一噪音会从墙面、地面、天花板上及室内各种不同物体上多次反射，这种反射声的存在使得噪声在室内的声压级比在露天中相同距离上的声压级要提高 10～15dB 。为了降低室内反射声的影响，在房间的内表面覆盖一层吸声性能良好的材料，就可以大大降低反射声，从而使整体噪音得到减弱， 类似的情况体现在车辆上，驾驶室是一个缩小的房间，车辆复杂的噪音作用体现在驾驶室就可以看作是一个噪音源，平静隔音吸音棉在粘贴过程中总是把带有异型吸音槽的一面朝向车内，正是最大限度的降低车身双层隔板之间以及驾驶室内部噪音的反射，同时对噪音起到高效的过滤吸收作用。</P>
<P>声波在传播途中遇到不同介质的分界面时，除了发生反射外，还会发生折射，声波折射时传播方向将改变。此外，声波还会产生绕射现象。绕射现象与声波的频率、波长及障碍物的大小都有关系。如果声波的频率比较低、波长较长，而障碍物的大小比波长小得多，这时声波能绕过障碍物，并在障碍物的后面继续传播，如果声波的频率比较高，波长较短，而障碍物又比波长大得多，这时绕射现象不明显。在障碍物的后面声波到达得就较少，形成一个明显的影区。绕射现象在噪音控制中得到了应用。隔声屏障常被用来减弱高频噪音的影响，在幅射噪音的机器和工作人员之间，放置一道声屏障，就可减弱高频噪音，屏障的高度愈高、面积愈大，降噪效果就愈好，如果在屏障上再覆盖一层吸音材料则效果更好。平静引擎盖防护垫正是利用这种原理起到降噪作用，发动机在引擎盖下方，因此无需增加声屏障的高度，只要在引擎盖上粘贴防护垫，其两倍于隔音面积的吸音层就会有效降低发动机传向引擎盖方向的噪音，使站在引擎舱一侧的人有明显感觉。 </P>

<P>汽车是一个高速运动的复杂组合式噪声源。汽车发动机和传动系工作时产生的震动、高速行驶中汽车轮胎在地面上的滚动、车身与空气的作用，是产生汽车噪音的根本原因。 </P>
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<P>根据汽车噪音对环境的影响，可将汽车噪音分为车外噪音和车内噪音，车外噪音是指汽车各部分噪音辐射到车外空间的那部分噪音。主要包括发动机噪音、排气噪音、轮胎噪音、制动噪音和传动系噪音等。车内噪音是指车厢外的汽车各部分噪音通过各种途径传入车内的那部分噪音以及汽车各部分震动传递路径激发车身各部件的结构震动向车厢内辐射的噪音，这些噪音声波在车内空间声学特性的制约下，生成较为复杂的混响声场，从而形成车内噪音。平静汽车隔音的研发人员通过实验发现抑制车辆内部噪音，改善混响声场最有效的方式就是选择性能优异的隔音材料并利用异型吸音槽来缓冲并吸收汽车噪音，从而在止震和隔音的基础上达到最佳的吸音降噪效果。 </P>
<P>平静隔音把汽车噪音来源简要分为以下几种：发动机噪音、排气系统噪音、风扇噪音、传动系统噪音、轮胎噪音、制动噪音、气动噪音、车身结构噪音等等，由于车辆噪音的复杂性，以上噪音源并非仅是并列关系，而从平静隔音实际研发的角度看，汽车噪音源还可以在目前的基础上做更进一步的分析。</P>
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<P>发动机噪音</P>
<P>发动机噪音中，除了发动机机体发出的机械声外，还包括进气系统噪音，改装族更换“冬菇头”以后动力增大的同时发动机噪音也增加不少，就是因为对原车进气系统做了改动的原因：高速气体经空气虑清器、进气管、气门进入气缸，在流动过程中，会产生一种很强的气动噪音。降低发动机本身产生的噪音及由发动机震动引起的其它噪音有若干办法： </P>
<P>1 、改造发动机燃烧过程以降低燃烧爆发的冲击； </P>
<P>2 、降低由此冲击产生的激后力引起的发动机各部件震动； </P>
<P>3 、降低由活塞上下运动、曲轴转动引起的不平衡力以及降低发动机机械震动。</P>
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<P>发动机运转的噪音主要由挡火墙和驾驶室的前底板部位传入驾驶舱，因此，平静汽车隔音通过在 U 槽、挡火墙及底板部位粘贴带异型吸音槽的吸音棉来抑制噪音。 </P>

<P>是发动机噪音的一部分，主要包括消声器支撑架及排气管道震动辐射出的噪音，发动机震动及排气动作引起的辐射噪音，还包括由排气口出来的排气噪音。主要降噪方法： </P>
<P>1 、利用消声器降低排气出口噪音，在生产消声器的环节，通过提高仿真计算方法的精度，实现在不增加排气阻力的条件下改善消声效果。 </P>
<P>2 、在排气口对排气噪音施加与其幅值大小相等，相位相反的二次声源或震动源，可自动地消除存在的震动噪声问题 ，实现主动降低噪音。目前平静隔音已组织专业人员涉足于这一领域的研究。 </P>
<P></P>
<P>为降低发动机、传动系统、排气系统表面产生的辐射噪音，不仅要降低激励力，而且要改善结构的震动特性，达到即使有激励力，也不易产生噪音的效果。如：可以通过仿真计算推测发动机缸体等部位产生的辐射噪音，用震动特性优化方法，采取在轻量化基础上达到最佳效果的措施。因此，好的隔音材料和降噪效果不应该以增加车辆自重，牺牲加速性能，增加油耗为代价。 </P>

学习！

<P>是发动机噪音的一部分，主要包括消声器支撑架及排气管道震动辐射出的噪音，发动机震动及排气动作引起的辐射噪音，还包括由排气口出来的排气噪音。主要降噪方法： </P>
<P>1 、利用消声器降低排气出口噪音，在生产消声器的环节，通过提高仿真计算方法的精度，实现在不增加排气阻力的条件下改善消声效果。 </P>
<P>2 、在排气口对排气噪音施加与其幅值大小相等，相位相反的二次声源或震动源，可自动地消除存在的震动噪声问题 ，实现主动降低噪音。目前平静隔音已组织专业人员涉足于这一领域的研究。 </P>
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<P>为降低发动机、传动系统、排气系统表面产生的辐射噪音，不仅要降低激励力，而且要改善结构的震动特性，达到即使有激励力，也不易产生噪音的效果。如：可以通过仿真计算推测发动机缸体等部位产生的辐射噪音，用震动特性优化方法，采取在轻量化基础上达到最佳效果的措施。因此，好的隔音材料和降噪效果不应该以增加车辆自重，牺牲加速性能，增加油耗为代价。 </P></TD></TR>
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</TD></TR></TABLE></P>

<P>散热风扇通常也称为电子扇，是引擎舱内较大的噪音源。风扇噪音属于空气动力噪音，严格的说，也是构成发动机噪音的一部分。风扇运转过程中，由散热器隔栅吸入的冷却气流，经散热器风扇叶片吸入，从发动机间隙排出，气流运动的这一过程产生了旋转噪音和涡流噪音。夏季在怠速状态下开空调，风扇的运转会明显引起较大噪音。平静隔音研究人员认为风扇的噪音与以下因素密切相关： </P>
<P>1、风扇的外形。风扇外形决定风扇本体的阻力系数。包括叶片数量、叶片间断间隙、叶片角度及弯曲度等。 </P>
<P>2、散热器吸入气流的紊流度。 </P>
<P>3、风扇叶尖处及缝隙处产生的噪音。 </P>
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<P>因此，对风扇噪音的抑制也主要是从以上几个方面入手。</P>