第二节
路噪概念及相关系统

一、空气声与结构声

1．空气声及其传递

顾名思义，空气声是声音在空气中传播而人听到的声音。例如，开会的时候，一个人的讲话声音在空气中传播，然后被其他人听到了，这种直接在空气中传播而被听到的声音被称为空气声。

再举一个空气声的例子。图1.4显示小屋外面放置一个扬声器，扬声器发出声音并传递到小屋，一部分声音被墙壁、门、窗等反射回去，还有一部分声音会透过墙壁、门、窗而传递到小屋里面。我们把扬声器发出的声波称为入射波，被墙壁等反射回去的波称为反射波，而穿过墙壁等传到房间的声波称为透射波。透射波被屋内的人直接听到，这种声音就是空气声。

与图1.4类似，汽车有很多空气声声源，比如发动机辐射声、进气口声音、排气尾管声音等，如图1.5所示。这些噪声传递到车身时，一部分入射声波被反射回去，一部分被吸收，剩下的一部分入射声波穿过车身传递到车内。车内乘客听到的声音就是空气声。

2．结构声及其传递

空气声“直接”传递到人耳，而结构声“间接”传递到人耳。顾名思义，结构声是指声波在结构中传递，然后再辐射到空中，最后人听到的声音。

有些人小时候有这样的经历，当在铁轨上玩耍时，把耳朵贴着铁轨，听到“轰隆隆”的声音，就会说“火车快来了”，而此时并没有看见火车。人们是怎么知道火车马上就要来了呢？火车运动时，它的振动通过车轮传递到铁轨中，而振动产生的“结构波”在铁轨中传递，然后辐射到空气中形成“声波”，人就听到了声音，如图1.6所示。由于结构波在固体中的传播速度远远大于在空气中的传播速度，因此，当人们听到铁轨传来的轰鸣声时，就判断火车即将到来。

在通信落后的时代，两个村庄距离很远，居民听不到另一个村居民的讲话声音，于是，他们在两个村庄之间架起一根很长的钢丝绳，在两端安装两个“话筒”。人们对着话筒讲话时，声波使得话筒振动，然后结构波在钢丝里面传播，到达另一端话筒时，钢丝里面的结构波辐射出来，声音被听到。

在这两个例子中，振动以结构波的形式在结构中传递并辐射到空中，最后人听到的声音被称为结构声。

汽车有很多结构声传递的情况，比如发动机振动和排气挂钩振动对车内的传递，如图1.7所示，图中， P 表示车内声压， V 表示车内振动， F 表示外界激励。发动机振动通过悬置系统传递到梁上，振动波在梁和车身板中传递，然后被激励的车身板向车内辐射声音。排气系统振动激励起地板振动，地板对车内辐射声音。这种首先在“结构”中传播，然后辐射到空气中，被车内乘客听到的声音就是结构声。

二、近场路噪和远场路噪

汽车行驶过程中，轮胎与路面接触，它们之间相互作用而产生近场路噪，如图1.8所示。下面简单地描述这种噪声产生的原因。

当轮胎向前滚动时，花纹块与路面发生冲击，发出“砰、砰”的冲击声。在粗糙路面、隔离带路面、凹凸路面、破损路面等地方，这种冲击作用更加明显，所产生的噪声也更大。

车轮前行时，前行端的花纹沟与路面逐渐形成封闭的空腔。在空腔被压缩的过程中，里面的空气被挤出。离地端被压缩的封闭空腔逐渐变大，直到花纹沟离开地面，封闭空腔消失，在这个过程中，空气被吸入。由于这些空腔体积不断变化，空腔内的空气剧烈运动，从而产生了噪声。

轮胎花纹块之间形成了几条纵沟和许多横沟。这些沟被轮胎和路面挤压时，会形成一条条空心管道。气流在管道中穿过时，会形成空管噪声。

在轮胎与路面的相互挤压下，花纹块产生变形并存储能量。花纹块与路面“黏着”在一起，花纹块没有运动并和路面之间形成了静摩擦。当花纹块的内力大于静摩擦力时，花纹块开始滑动，形成了动摩擦。在这个滑动过程中，产生了摩擦噪声。

汽车运行时，空气流作用在车身上，也作用在轮胎上。突出的花纹块导致气流与轮胎之间产生了剧烈摩擦，形成涡流，从而产生气动噪声。

这些噪声源出现在轮胎与路面相互作用的地方。在本书中，把轮胎与路面近场产生的噪声称为轮胎近场路噪，或简称为 近场路噪 。

近场是指离声源最高频率对应一个波长距离的区域。在近场，声波非常复杂，既不是球面波也不是平面波，声压级和距离之间没有确定的关系。轮胎与路面附近测量的噪声主要分布在500～2000Hz之间，这两个频率对应的波长分别是68.8cm和17.2cm，这些距离对应着近场范围。

在声场中，质点振动速度和声压存在平面波简单关系的区域称为远场。在远场，可以认为声波是以平面波的形式传播，距离增加一倍，声压级衰减6dB。

在本书中，把近场路噪辐射到远场的噪声定义为 远场路噪 ，如图1.9所示。在城市里，远场路噪对居民生活和环境影响很大。

三、空气声路噪

近场路噪不仅对周围辐射噪声，而且还会传递到车内。近场路噪传递到车内的噪声被定义为 空气声路噪 ，如图1.10所示。

空气声路噪的源是近场路噪。车身是空气声路噪传递的通道。

近场路噪通过三条路径传递到车内。第一条路径是车身上的孔和缝隙。当车身密封不好时，出现缝隙，近场路噪直接从孔和缝隙进入车内。第二条路径是玻璃。当近场路噪的声波传递到风窗玻璃、侧窗玻璃、天窗玻璃时，一部分声波被反射回去，一部分透过玻璃进入车内。第三条路径是车身板。当近场路噪遇到车身板时，一部分被反射回去，一部分被车身内外的吸声隔声材料吸收，剩下的就透过车身进入车内。

近场路噪频率以中高频为主，传递到车内之后，空气声路噪的频率仍然以中高频为主。车身的隔声与吸声对空气声路噪的控制至关重要，特别是下车体的隔声，如地板和轮毂包的隔声。

四、结构声路噪

汽车行驶过程中，轮胎受到路面激励而振动。轮胎将振动传递到悬架，悬架再将振动传递到车身。被激励的车身板对车内辐射声音，这种声音被定义为 结构声路噪 ，如图1.11所示。

结构声路噪的源是路面与轮胎相互作用之后引起的轮胎振动，传递通道包括悬架、副车架和车身。悬架振动传递通道包括弹簧、阻尼器、减振器、摇臂、拉杆等。悬架整体模态对低频结构声路噪影响很大，特别是当悬架模态频率与轮胎结构模态频率耦合时；当悬架局部模态频率与轮胎声腔模态频率耦合时，会产生空腔噪声，即隆隆声。悬架衬套不仅能衰减低频振动的传递，而且也会影响到中高频振动的传递。

减振器、摆臂和副车架等将振动传递到车身连接点。这些点的动刚度对结构声传递影响很大，只有当刚度足够大时，振动传递才可能得到抑制。车身板被激励之后，会对车内辐射声音，即结构声路噪。板结构振动响应只有控制在一定范围内，才能使得辐射噪声降低。

轮胎、悬架和车身是结构声路噪传递的通道。轮胎振动以低频为主，有部分中频及少量高频成分。车身板的辐射以低频（特别是100Hz以下的频率）为主。所以，结构声路噪以低频为主，伴随着一部分中频。在粗糙路面、破损路面上行驶时，车内乘员容易听到敲鼓声、轰鸣声和隆隆声。

五、车内路噪

轮胎与路面相互作用后，在车内产生的噪声称为 车内路噪 。我们通常所说的“路噪”就是车内路噪，是空气声路噪和结构声路噪之和。本书中，在没有特别描述的情况下，“路噪”这个词就是指“车内路噪”。

图1.12给出了车内路噪（简称为路噪）与近场路噪、空气声路噪、结构声路噪及传递路径的关系。从图中，可以看到路噪取决于近场路噪、车身的隔声与吸声、轮胎和悬架对车身的振动传递以及车身的声振灵敏度和板结构的辐射。

六、与路噪相关的系统

与路噪相关的系统包括路面、轮胎、悬架和车身，如图1.12所示。

路面不仅影响近场路噪，而且影响轮胎振动。在不同路面上，轮胎承受的振动不一样，使得传递到车内的结构声路噪不同。

轮胎与路面直接接触，产生了近场路噪。胎面花纹块和花纹沟的组成对近场路噪的大小和特征起到关键作用。轮胎结构模态与悬架结构模态耦合，以及轮胎空腔模态与轮胎结构模态和/或悬架结构模态耦合会加剧结构声路噪的传递。

悬架是结构声路噪传递的中间通道，其整体模态和局部模态都会影响到它的传递。悬架中的局部部件，如衬套，对结构声的衰减作用很大。

车身是结构声路噪传递的最后一个通道。车身与悬架连接点的动刚度影响传递到车身上的激励力，而板的振动决定了声辐射能力与特征。另外，车身的隔声与吸声决定了空气声路噪的传递。

本章将详细介绍路面特征和轮胎结构。路面结构和路谱特征决定了路面激励源的输入，轮胎的结构特征对应着路面激励的响应。

本书的后续章节将详细介绍轮胎振动特征、近场路噪机理、声腔模态和空腔噪声、悬架系统振动特征、车身隔声与吸声以及车身板结构的振动。

七、与路噪相关的性能

路面、轮胎、悬架和车身不仅与路噪相关，而且还与其他性能相关。因此，在控制路噪时，必须考虑系统改变之后对其他性能的影响。

汽车有很多动态性能，如操纵稳定性（或称为操控性）、安全性能、燃油经济性、排放性能、可靠性、乘坐舒适性等，都与路噪相关，其中，与路噪最相关的性能是操纵稳定性，因为这两个性能都与轮胎和悬架系统息息相关。

操纵稳定性包括操纵性和稳定性。操纵性是指汽车按照驾驶员的意愿来行驶的性能，如直线行驶、转弯、加速、减速等。稳定性是指汽车受到干扰（如道路不平/打滑、侧风、载荷变化等）时恢复到稳定平衡状态的能力。影响操纵稳定性的系统有轮胎、悬架、转向系统、传动系统等。

在多数情况下，轮胎和悬架对路噪和操控性的影响是相反的。例如，扁平比低的轮胎有利于操纵稳定性，跑车采用扁平比低的轮胎以便获得良好的驾驶感；但是扁平比低使得隔振效果差，衰减路面激励的能力低，不利于降低路噪。再比如，大刚度衬套能使得悬架与车身结合得更紧密，这种偏硬的悬架有利于操纵稳定性；但是低刚度衬套具备良好的隔振性能，能更好地衰减来自路面和轮胎的振动，降低传递到车身的力，有利于NVH性能。

乘坐舒适性是汽车在行驶、变道、制动等运动过程中人体感受到的舒适程度。在绝大多数情况下，路噪和乘坐舒适性对轮胎和悬架的要求是一致的，如扁平比大的轮胎、垂向刚度低的悬架衬套对降低路噪和提高舒适性都有好处。少数情况下，两种性能有矛盾，比如，它们对悬架衬套前后方向刚度要求不一样，低刚度有利于降低结构声路噪传递，但是却容易产生汽车起动、制动等过程中的前后耸动，从而降低了舒适性。

其他性能（如燃油经济性、安全性能、可靠性等）将在轮胎和悬架的有关章节中介绍，这些章节还将进一步描述操控性、舒适性和噪声。图1.13给出了2款车的路噪以及相关性能的雷达图。雷达图以主观打分来绘制，10分是最高分，表示性能最好；1分是最低分，表示性能最差。从这张图上，可以一目了然地看到路噪与其他性能的状态。