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共鸣

共鸣(Acoustic Resonance)

共鸣,也称声音的共振,英文Acoustic Resonance。当外来声音的频率与接收声音的声学元件的某个固有频率相同时,该声学元件会吸收比其他频率下更多的声音能量,当声音能量达到一定限值时,则它将由于共振的作用而发声,这种声学中的共振现象叫作“共鸣”。如下图所示为一简单的声音共振现象实验:两个属性相同的音叉,当敲击左侧的音叉时,由于两个音叉的固有频率是相同的,因此右侧的音叉会因为声音的共振作用而发声。

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声音的共振对汽车NVH的影响

一般来讲,声学元件有多个共振频率,尤其频率是最低频整数倍(通常把这样频率的声音称之为谐音)时,共鸣效果最为显著。而当一个含有各种频率的波动(例如:脉冲波、不规律噪声等) 传至声学元件时,该元件有可能过滤掉共振频率以外的声音,因此我们可以利用这个原理来设计汽车进、排气的消声元件

而同时由于汽车车身形成一定形状的封闭空腔,因此可以简单的将车内看做是一个封闭的声学元件,即声腔。当发动机启动或加速时,发动机的激励频率接近或者等于某个声腔的某个声学模态共振频率时,该声音传播到车内时,就有可能引起车体共鸣,使得车内噪声增大,更为甚者会出现乘客难以接受的低频“Booming”声。因此在进行汽车设计时,需要考虑使车身声腔的共振频率远离发动机的激励频率或者其他可能引发共振的部件的激励频率。

声音的共振频率计算公式

由于发动机产生气流噪声主要是通过汽车的进、排气系统传出的,也就是说通过管道传出的,因此要进行相应的消声元件设计,清楚空气管道的声音共振极其重要。

至于声音在管道中传播所造成的共鸣,则与管道的长度、内径大小以及管道两端开关控制有关。

1、开口-开口的管道共振频率计算公式如下:

对于圆柱形的管道,理论共振频率为f = N\nu /2L,其中L是管道长度,\nu 是声速,与温度和空气密度有关。

其修正的共振频率值为f = N\nu /2(L + 0.3d), d代表管道的内径。

2、闭口-开口的管道共振频率计算公式如下:

对于圆柱形的管道,理论共振频率为f = N\nu /4L,其中L是管道长度,\nu 是声速,与温度和空气密度有关。

其修正的共振频率值为f = N\nu /4(L + 0.4d), d代表管道的内径。

如下两图显示的分别的是开口-闭口管道和开口-开口管道的声音的第一、二和三共振频率模式。

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3、封闭的长方形体的共振频率计算公式:

封闭的长方形体其实已经基本接近汽车车身所形成的车内空腔了,其声音共振频率计算公式如下

f = \frac{c}{2}\sqrt {{{(\frac{{{n_x}}}{{{i_x}}})}^2} + {{(\frac{{{n_y}}}{{{i_y}}})}^2} + {{(\frac{{{n_z}}}{{{i_z}}})}^2}}

其中:

f为声腔某固有模态下的共振频率;

c为声音在声腔中的传输速度,一般为空气中速度;

{i_x}, {i_y}, {i_z} 为长方体声腔空间的长、宽、高;

{n_x}, {n_y}, {n_z}为整数向量;

更多NVH相关术语解释参见:NVH百科

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