汽车车身噪声与振动控制

车身框架结构是车身的基础，而板和附件通过焊接或者其他方式与梁框架相连。车身的局部结构有两大类：板结构和附件结构。板结构是指通过焊接或者其他方式与框架相连而形成封闭车身的钣金件，如前壁板、顶棚、地板、侧围板、车门、发动机舱盖板、行李箱盖板等。附件是指安装在车身上起一定功能的部件，如转向系统、仪表台板、内后视镜、侧外后视镜等。

板是薄壁件，被激励后很容易辐射噪声。车内的空气形成一个空腔，具有声腔模态。板结构的模态频率比较低，容易与声腔模态频率耦合，从而产生车内轰鸣声。很多附件与人的触、听、观等感官反应直接相关。它们产生的噪声与振动直接影响人的感受，如用手感受到的转向盘振动、眼睛看到的内后视镜晃动等。

为了控制附件的振动与噪声，车身的局部结构研究必须解决以下问题：

□板结构振动与声辐射控制

□声腔模态

□附件的振动控制

下面就这几项技术作简单介绍。

1.板结构振动与声辐射

板结构就像一个鼓面。敲鼓的时候，鼓面的振动如同向水面投入了石头而产生涟漪那样，如图1-18所示。同样，车身局部板结构被激励时，振动波也会形成这样一层层展开的“涟漪”形状。

当车身板的模态频率与外界激励频率一致时，就容易被激励起来并对车内辐射噪声。比如悬架系统的振动传递到地板上，地板被激励后，对车内辐射噪声。再比如空调管穿过前壁板，将压缩机的振动传递到前壁板上，前壁板振动，然后辐射噪声。

图1-18 板的振动波形

板结构研究的首要任务是确立车身板结构模态与激励之间的关系。车身板结构的主要模态有前壁板模态、顶棚模态、地板模态、发动机舱罩盖模态、行李箱罩盖模态等。几乎所有的激励源都可能将板激励起来，因此必须确定所有激励源的频率，建立一张车身板结构模态和激励频率的规划表。从表中可以清晰地看到模态与激励的耦合关系。板模态和激励源的解耦是控制车身板结构局部模态最基础的工作。另外，相邻板结构的模态频率要避开，而且要与声腔模态避开。

板结构研究的第二任务是研究板结构的振动特征。车身板结构非常复杂，很难用解析方法得到结构的振动。在工程上，通常采用试验方法和数字计算方法来获取板结构的模态和振动响应。但是为了研究板结构振动的机理，可以将某些车身板简化成简支平板，然后用解析的方法进行分析。

板结构研究的第三个任务是研究板的声辐射特征。车身板的振动会带来两类噪声问题：一是板振动直接对车内辐射噪声；二是板的模态与声腔模态耦合而产生轰鸣声。直接声辐射的大小用辐射声功率（W_rad）表示，表达为

式中，σ是声辐射系数；ρ₀为空气密度；c为声速；S为板的面积 为板的均方振动速度。

板声辐射研究的对象包括板结构辐射机理、板的声辐射效率、板声辐射贡献源分析。板结构辐射机理是研究板受到激励后，在板内形成了具有一定频率和速度的弯曲波，然后弯曲波向车内空腔辐射的过程。弯曲波能否向向空气中辐射声音，则取决于它的频率。只有当弯曲波的频率大于某个临界频率时，才会产生辐射声音。由式（1-2）可知，辐射声功率的大小与板结构振动速度的平方成正比。板的辐射效率表示辐射能力，即单位时间内辐射的声能，辐射的声能越多，效率越高。辐射效率也与弯曲波的频率有关系。板声辐射贡献源分析是确定车身上每块板对车内总声压的贡献比例，从而找到主要的贡献源。

板结构研究的第四任务是控制板的振动与声辐射。局部板的控制可以从刚度、阻尼、质量、吸振器几个方面进行。

垂直于板平面的板的刚度决定了板结构的模态频率。板结构的频率偏低时，在板上面加筋是提高其频率最好的方法。例如前壁板的频率为50～150Hz，转向管柱、空调管道、离合器拉索等都会穿过前壁板，并可能把它激励起来。这些激励源的频率可能会与前壁板的频率耦合。当遇到这种情况时，就必须修改前壁板的刚度设计。加筋的方法有几种：第一是直接在平板上冲出筋；第二是把平板设计在不同的平面内；第三是在板上焊接支撑梁或者涂上补强胶。在加支撑梁比较困难的地方，可以涂上补强胶起到支撑作用，例如在车门的外板上使用补强胶。图1-19表示一个平板和一个冲筋板，两个板的尺寸相同。显然冲筋板的频率比平板高很多。

图1-19 平板和冲筋板

当板的振动大而又无法加筋时，阻尼处理是抑制板振动和声辐射最常用的方法。阻尼处理是在板上涂上阻尼胶，或者安装夹心阻尼结构，或者直接采用多层阻尼板。图1-20所示为一个无阻尼平板和一个有阻尼板对外声辐射大小的示意图。

图1-20 平板和阻尼板对外声辐射大小的示意图(www.xing528.com)

阻尼处理的方法有三种：自由阻尼、约束阻尼和阻尼板。自由阻尼是在板上直接涂上阻尼胶，比如在地板、后轮毂包、行李箱地板涂上阻尼材料，可以衰减来自路面的噪声。约束阻尼是在两层板之间夹入阻尼材料，即形成“三明治”结构，通常是在板的局部位置上使用，如在后轮毂包上采用三明治局部结构可以衰减少来自路面的噪声，如溅水的声音。阻尼板是直接采用多层结构的阻尼复合钢板（Laminated Steel），其实它也是约束阻尼，不同的是整块板就是一个阻尼钢板，例如有些车身的前壁板就是一整块阻尼板。

阻尼材料多用到板结构应变能最大的地方。阻尼通常是抑制板的中频（200～500Hz）振动和声辐射，特别是对有共振频率的情况。

使用质量块也可以调节板结构的模态频率。质量块可以看成是一个特殊的阻尼器，将它放置到板结构上既可以使系统的频率偏移，也可以抑制振动幅值。在车身板结构上，通过增加质量阻尼器来降低车内轰鸣声的情况比较多。首先要找到与轰鸣声频率对应的板结构，然后分析或者测量板结构的振动模态，最后确定施加质量块的最佳位置。但是，与刚度控制方法相比，质量阻尼器调节的范围不大。

动态吸振器是在板结构上加上一个质量块-弹簧系统，其目的是抑制某个频率的振动。确定了产生辐射轰鸣声的板结构和频率后，设计一套同样频率的质量块-弹簧系统。这套系统抑制了这个频率的振动和声辐射，降低了轰鸣声。

2.声腔模态

车内空气形成了一个封闭腔室。封闭的空气类似于固体，它有其自身的模态。

图1-21 某车的第一阶声腔模态（见彩插）

由封闭空气而形成的模态被称为声腔模态。结构体的模态分布是用位移来表征的，而封闭空间的模态分布是用压力来表征的。图1-21所示为某车的第一阶声腔模态。

声腔模态形状和频率是由车内空间尺寸和声速决定的，取决于造型和内饰设计。当造型等因素确定后，声腔模态振型和频率也就确定了，几乎是不可能改变的。声腔模态频率比较低，例如中型三厢车的第一阶声腔模态频率在40～60Hz之间，模态振型（声压）沿着车身纵向变化，有的地方压力大，有的地方小，像手风琴一样，如图1-21所示。第二阶模态振型也是沿着车身的纵向变化，振型类似于一阶。第三阶模态振型沿着车身的横向变化，高阶模态振型就比较复杂。

声腔模态会带来两类噪声问题。第一类问题是声腔模态与车身板结构模态耦合运动。车身板结构受到外力的激励，就会推动声腔运动。车身板就像扬声器模板一样运动，发出声音。这种微小的声音在声腔模态内被放大，当板和声腔的模态频率一致时，就会产生轰鸣声。第二类问题是外界噪声源的频率与声腔模态频率耦合，也会产生车内轰鸣声。比如排气尾管噪声传递到车内，当某个频率与声腔模态耦合时，就形成了轰鸣声。

声腔模态的研究涉及三方面内容：第一是研究声腔模态的频率和振型特征，包括声腔模态的测量与分析；第二是研究板的结构振动与声腔模态的耦合关系，并使两者之间解耦。第三是研究声腔模态对声声传递函数的影响，即外界声源激励与声腔模态的关系。引起车内轰鸣声的模态多半是第一阶，因此控制第一阶声腔模态或者使其避免被激励起来是声腔模态控制的核心。

3.附件结构的控制

安装在车身上的其他结构件很多，如转向系统、外后视镜、内后视镜等。如果设计得不好，它们也会产生噪声振动问题，如怠速时转向盘的抖动、高速行驶时内后视镜的抖动。

从车身NVH的角度考虑，可以将附件结构分为三大类：支架、转向系统和座椅。

支架是其他系统与车身之间的连接“桥梁”，如动力总成连接车身的支架、排气系统连接车身的挂钩等。图1-22a所示为一个动力总成支架，b所示为一个支架与悬置相连。支架是噪声振动源传递到车身的一个“通道”，经常会带来噪声振动问题。支架自身的模态频率低，就可能被激励起来，产生共振，将振动传递到车身，并且支架本身可能辐射噪声。比如某个发动机悬置支架的模态频率是300Hz，当一个四缸发动机在4500r/min激励时，其四阶激励频率是300Hz，支架就可能发生共振，并将它传递到车身结构上，形成车内共振。支架和被连接的系统形成一个质量-弹簧系统，如果外界的激励与这个“系统”的频率一致时，就产生共振。例如，电池和电池支架就构成一个“弹簧-质量块”系统，它的频率比较低，很容易被来自路面的振动激励起来。这个系统的振动通过支架传递到车身上。

图1-22 动力总成支架

支架可以看成是车身的延伸。设计支架时一定要同时考虑车身自身的结构特点，以支架不产生共振为原则。支架应该尽可能短，以便使其自身频率高，避开激励频率。支架一定要安装在车身结构刚度大的地方，使原点动刚度尽可能大。

转向系统是由转向管柱和转向管梁两大系统组成的，如图1-23所示。转向盘安装在转向管柱上，而转向盘的振动是顾客感知最多的振动。由于转向系统与车身相连接，所以传递到车身上的振动都有可能传递到转向盘上，并带来三类顾客直接感知的问题：怠速时的抖动、加速过程中的抖动、巡航和加速过程中的摆振。避免这些问题的原则是使转向系统的频率避开激励频率，使转向系统的频率尽可能高。一般原则是使转向系统的频率高于激励频率至少3Hz。例如，一个四缸发动机在开空调时的怠速转速是900r/min，对应发火二阶的频率是30Hz，冷却风扇的转速是1900r/min，对应一阶动平衡的频率是31.7Hz，那么转向系统的频率必须达到35Hz。

图1-23 转向系统示意图

转向系统的频率取决于转向管柱的频率和管梁的频率。转向管柱的频率由管柱刚度、支撑点的位置、支架的刚度、转向盘重量和安全气囊重量决定。管梁的刚度由管梁的刚度、梁与A柱的连接方式、梁中间的支撑点和支架刚度来决定。只有同时提升转向管柱的频率和管梁的频率，才能提高整个转向系统的频率。

座椅由座椅骨架、座垫和靠背组成。骨架起到支撑作用，它必须具有足够的刚度，以保证模态频率与发动机和路面的激励源频率错开，避免共振。座垫和靠背直接与人体接触，影响乘坐舒适性，因此它们的设计要使乘员避开人体敏感的垂向频率和横向频率。