“通過噪聲”新法規(guī)對NVH的挑戰(zhàn)

董良 王暉

（華晨汽車工程研究院NVH 工程室）

統(tǒng)計(jì)資料顯示，城市環(huán)境噪聲的70%來源于機(jī)動車輛，汽車噪聲已成為環(huán)境噪聲的最大污染源。過高的汽車噪聲嚴(yán)重影響著人們的生活、工作和健康。為了降低汽車噪聲對城市噪聲的污染程度，控制車輛的加速噪聲是一種行之有效的措施，這也是國內(nèi)外汽車行業(yè)逐步對車外加速噪聲測量標(biāo)準(zhǔn)和限值加嚴(yán)的主要原因。為解讀新版GB 1495—20××《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》征求意見稿，文章闡述了新舊法規(guī)測試方法的差異。

1 新舊法規(guī)測試方法差異

汽車加速行駛車外噪聲法規(guī)是汽車產(chǎn)品上市時(shí)的強(qiáng)制性法規(guī)要求，道路上行駛的車輛基本都滿足該項(xiàng)法規(guī)。2007年歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（ECE）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在ECE R51.02 基礎(chǔ)上增加了附錄10，形成了車輛通過噪聲試驗(yàn)新方法（ECE R51.03 和ISO 362—2007）。ECE R51.03 與 ECE R51.02 在試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法及結(jié)果處理等方面存在很大差別，這將直接對汽車廠商新產(chǎn)品的研發(fā)產(chǎn)生顯著影響。為與國際接軌，我國按照ECER 51.03 在現(xiàn)行國標(biāo)GB 1495—2002 基礎(chǔ)上制定了新的車外加速噪聲測試方法GB 1495—20××。

1.1 GB 1495—20××產(chǎn)生的背景

通過強(qiáng)制執(zhí)行車輛通過噪聲法規(guī)，車輛車外通過噪聲有了很大降低，ECE 限值在20年內(nèi)從82 dB（A）下降到74 dB（A），而且現(xiàn)行方法已經(jīng)推廣到全世界。但是從ECE 調(diào)查結(jié)果來看，城市交通引起的噪聲并沒有隨著限值的下降而有同樣明顯的改善。

一個(gè)主要原因是現(xiàn)行方法中執(zhí)行的試驗(yàn)工況與城市工況下噪聲相似性很差?，F(xiàn)行方法采用的工況是2 擋、3 擋油門或節(jié)氣門全開加速，而城市運(yùn)行的工況絕大部分都是油門或節(jié)氣門部分開啟加速，以及低速勻速行駛。另一個(gè)原因是隨著發(fā)動機(jī)和變速器技術(shù)的發(fā)展，汽車的主要噪聲源發(fā)生了變化，導(dǎo)致當(dāng)初制定試驗(yàn)方法的一些假設(shè)條件也發(fā)生了變化?；谝陨显?，根據(jù)現(xiàn)行方法所得到的結(jié)果不能反映目前實(shí)際城市工況中的汽車噪聲，所以需要一個(gè)能反映實(shí)際噪聲水平的新方法來進(jìn)一步推進(jìn)汽車噪聲的改善。ECE 研究發(fā)現(xiàn)，同一輪胎在不同車速下噪聲變化的范圍可達(dá)到25 dB（A），不同路面情況下噪聲又有10 dB（A）的變化。因此，對于車外通過噪聲而言，輪胎路面噪聲的影響更應(yīng)該引起關(guān)注。因此，在GB 1495—20××中引入了勻速測試工況體現(xiàn)車輛輪胎路面噪聲[1]。

1.2 測試車速的來源

GB 1495—20××規(guī)定被試汽車最前端通過 AA′ 線時(shí)車速為50 km/h，而GB 1495—20××修改為被試汽車的參考點(diǎn)通過PP′ 線時(shí)車速要達(dá)到50 km/h，這意味著進(jìn)線速度下降了。ECE 在幾個(gè)中型城市中對交通噪聲惱人程度進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果如表1所示，在限速50 km/h的主干道上，感到噪聲惱人的受訪者占比最高，達(dá)到73%，同時(shí)對該類型道路長度與道路總長度之比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，該類型道路占比達(dá)到67%。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在城市主干道和車輛加速的瞬時(shí)噪聲最惱人[2]。

表1 城市中交通噪聲最惱人路段

另一個(gè)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在限速50 km/h 的主干道上行駛時(shí)，平均速度達(dá)到50 km/h 時(shí)使受訪者感到惱人發(fā)生的概率最高?；谶@2 項(xiàng)研究，GB 1495—20××規(guī)定在試驗(yàn)時(shí)汽車經(jīng)過PP′線時(shí)車速必須達(dá)到（50±1）km/h[3]。

1.3 測試方法及結(jié)果差別

GB 1495—20××與 GB 1495—2002 在場地條件方面相同，測量區(qū)均為最小的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)路面，傳聲器高1.2 m，如圖 1所示。GB 1495—20××與 GB 1495—2002的主要差別，如圖2所示。

表2 GB 1495—20××與 GB 1495—2002 的主要差別

由于GB 1495—20××目前還處于征求意見階段，測試數(shù)據(jù)較少，而從2007年7月開始，在歐洲、日本和美國開始同時(shí)運(yùn)用ECE R51.02 和ECE R51.03 進(jìn)行車外通過噪聲認(rèn)證，對ECE R51.03 測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，為下一階段提出合適的限值做準(zhǔn)備。從所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[4]，圖2 示出27 輛裝有不同形式動力總成M1 類汽車運(yùn)用ECE R51.02 和ECE R51.03 方法后噪聲測試結(jié)果的對比[4]。從圖2 可以看到，2 種方法測試結(jié)果之間沒有必然的聯(lián)系。從手動擋的結(jié)果看，ECE R51.03 結(jié)果普遍小于ECE R51.02。這主要是由于2 種方法測試時(shí)發(fā)動機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)是有明顯區(qū)別的。ECE R51.02 測試時(shí)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高，扭矩大，反映了在全負(fù)荷下的發(fā)動機(jī)噪聲；ECE R51.03 測試時(shí)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速低，扭矩小，反映了部分負(fù)荷下的發(fā)動機(jī)噪聲。ECE R51.03 需要更加關(guān)注輪胎噪聲對車外通過噪聲的影響。

2 影響因素分析

要想有效控制轎車的車外加速噪聲，首先必須對噪聲源進(jìn)行研究，即分析其影響因素，并且掌握噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，進(jìn)而采取有效的控制措施，達(dá)到降低噪聲的目的。

2.1 主要影響因素

轎車是一種由動力機(jī)驅(qū)動并且行駛于多種路面的交通工具，因而受動力機(jī)影響和路面激勵(lì)，使構(gòu)成汽車3 大部件（即發(fā)動機(jī)、底盤和電氣系統(tǒng)）的所有部件都會產(chǎn)生噪聲和振動，只是對汽車總噪聲貢獻(xiàn)大小不同而異。影響汽車車外加速噪聲的主要聲源包括：發(fā)動機(jī)噪聲、進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、冷卻系統(tǒng)噪聲及輪胎噪聲等。這些噪聲源互相關(guān)聯(lián)并互相作用，各聲源的產(chǎn)生機(jī)理和傳遞途徑也錯(cuò)綜復(fù)雜。在整車噪聲控制中，不僅要考慮噪聲輻射的大小，而且還要考慮各噪聲源分布特點(diǎn)和傳播方向，做到以高聲源方向?yàn)橹攸c(diǎn)，以噪聲最大衰減量為目標(biāo)。

2.2 發(fā)動機(jī)噪聲

發(fā)動機(jī)噪聲是主要的噪聲源之一，是首先應(yīng)當(dāng)開展噪聲控制的因素。在我國，小型轎車車外加速噪聲中，發(fā)動機(jī)噪聲約占55%。

發(fā)動機(jī)噪聲主要包括燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動力噪聲。機(jī)械噪聲和燃燒噪聲是通過內(nèi)燃機(jī)的外表面向外輻射，而空氣動力噪聲主要是在進(jìn)氣和排氣過程產(chǎn)生，它直接向大氣輻射。燃燒噪聲聲強(qiáng)與壓力升高率的平方成正比，噪聲聲壓級與放熱率的對數(shù)成正比，燃燒噪聲還與滯燃期及轉(zhuǎn)速負(fù)荷等有關(guān)。機(jī)械噪聲主要是活塞敲擊、配氣機(jī)構(gòu)的摩擦、沖擊、齒輪嚙合、皮帶打滑、軸承工作、正時(shí)系統(tǒng)、輔機(jī)系統(tǒng)及供油系統(tǒng)噪聲等。

2.3 排氣噪聲

排氣噪聲是汽車及發(fā)動機(jī)中能量最大最主要的噪聲源，一般要比發(fā)動機(jī)本體噪聲高出10～15 dB（A）。排氣噪聲主要包括空氣噪聲、沖擊噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲。

發(fā)動機(jī)在運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的壓力波在排氣管道中傳播從而形成空氣噪聲；排氣管道中不穩(wěn)定的氣流會對管道產(chǎn)生沖擊，從而形成沖擊噪聲；排氣系統(tǒng)的管道和消聲元件被機(jī)械振動激勵(lì)或者受內(nèi)部流體壓力波動引起振動，這些被激勵(lì)的結(jié)構(gòu)對外將聲輻射出去，形成輻射噪聲；當(dāng)管道中氣體流動速度非常高時(shí)，流體與管壁之間產(chǎn)生摩擦，一方面形成紊流，擾動板振動并產(chǎn)生輻射噪聲，另一方面當(dāng)氣流傳到尾管時(shí)對外發(fā)出巨大的噪聲，即氣流摩擦噪聲。

2.4 進(jìn)氣噪聲

進(jìn)氣門周期性開閉引起進(jìn)氣系統(tǒng)管道內(nèi)壓力起伏變化，從而形成空氣動力性噪聲，稱之為進(jìn)氣噪聲。進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲主要是指進(jìn)氣口處的噪聲及空氣濾清器和消聲元件、管道由于剛度不足而引起的輻射噪聲。進(jìn)氣噪聲是車外加速噪聲的主要噪聲源之一，同時(shí)對于駕駛室內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)也非常大。

2.5 風(fēng)扇噪聲

風(fēng)扇噪聲在空氣動力噪聲中一般小于進(jìn)排氣噪聲，但在風(fēng)冷發(fā)動機(jī)中，風(fēng)扇噪聲往往是主要的噪聲源之一。近些年來，由于安裝隔聲裝置和裝設(shè)車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)及排氣凈化裝置等原因，使發(fā)動機(jī)罩內(nèi)溫度上升，風(fēng)扇負(fù)荷加大，噪聲所占百分比也逐漸升高。

3 影響因素所占百分比分析

研究影響因素對車外加速噪聲的實(shí)際貢獻(xiàn)是開展下一步分析和控制工作的重要前提。文章運(yùn)用排除法對各個(gè)系統(tǒng)貢獻(xiàn)量進(jìn)行分析。排除法就是分別測試單一系統(tǒng)噪聲存在和不存在2 種情況下測試點(diǎn)的噪聲，從而通過計(jì)算將單一系統(tǒng)的噪聲從整體噪聲中分離出來。假設(shè)單一系統(tǒng)噪聲存在時(shí)，給定測點(diǎn)測量的聲壓級為Lp1，將單一噪聲近似消除后在同一測點(diǎn)測量的聲壓級為Lp2，那么根據(jù)聲學(xué)能量迭加原理，可以計(jì)算出單一系統(tǒng)在單獨(dú)正常工作時(shí)輻射的噪聲在測試點(diǎn)的聲壓級 Lp1，2為：

通過上述方法及式（1）可以將各個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)對于測試點(diǎn)的輻射噪聲測試出來，進(jìn)而可以進(jìn)行所占百分比的計(jì)算。

3.1 各系統(tǒng)貢獻(xiàn)量測試方法

3.1.1 原始基礎(chǔ)狀態(tài)測試

汽車在原始的正常工作狀態(tài)下，根據(jù)新的測試方法分別進(jìn)行加速和勻速測試，記錄測試結(jié)果。

3.1.2 排氣噪聲排除測試

將特制的較大容積消聲器安裝到排氣尾口，并運(yùn)用鉛板將汽車自帶消聲器進(jìn)行包裹處理，使得排氣尾口及消聲器輻射噪聲大幅度降低，即排除排氣噪聲對于車外加速噪聲的影響。在這種條件下進(jìn)行測試，將測試結(jié)果與基礎(chǔ)測試結(jié)果按照式（1）進(jìn)行計(jì)算，可得到排氣噪聲的影響。

3.1.3 進(jìn)氣噪聲排除測試

與排氣噪聲的處理方法類似，在進(jìn)氣口安裝足夠大容積的消聲器，排除進(jìn)氣口噪聲的影響，同樣進(jìn)行測試和計(jì)算，得到進(jìn)氣口噪聲的影響結(jié)果。

3.1.4 冷卻風(fēng)扇噪聲排除測試

將冷卻風(fēng)扇控制繼電器拆除，保證在測試過程中冷卻風(fēng)扇處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)而排除冷卻風(fēng)扇噪聲的影響。按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試及公式計(jì)算。

3.1.5 發(fā)動機(jī)噪聲排除測試

采用鉛皮將發(fā)動機(jī)底部及側(cè)面可以進(jìn)行包裹的地方進(jìn)行包裹處理，盡可能保證無噪聲向外輻射。

3.1.6 其他噪聲排除測試

切斷發(fā)動機(jī)的燃油供給，并且保持離合器分離，即消除發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲和機(jī)械噪聲，以及進(jìn)排氣噪聲和冷卻風(fēng)扇噪聲。利用牽引車牽引試驗(yàn)車進(jìn)行測試，注意要使?fàn)恳嚭蜏y試車保持足夠距離，排除牽引車的影響。該條件下測試出的結(jié)果即為其他噪聲對于車外加速噪聲的影響，無需再按照公式進(jìn)行計(jì)算。

3.2 某款車型測試及結(jié)果分析

對某款轎車進(jìn)行了加速行駛車外噪聲的排除法測試，由于該車型的3 擋測試加速度在參考加速度的±5%范圍內(nèi)，因此只采用了3 擋加速測試和50 km/h的勻速測試，測試結(jié)果，如表3所示。

表3 某款轎車車外噪聲排除法測試結(jié)果dB（A）

通過聲壓級的百分比計(jì)算，可將表3 中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更加直觀的柱狀圖，如圖3所示。從圖3 中可以看出，在加速噪聲中發(fā)動機(jī)噪聲貢獻(xiàn)量最大，其次是排氣噪聲，其他噪聲源影響較??；勻速噪聲中其他噪聲貢獻(xiàn)量最大，分析主要是輪胎噪聲成分最大，其次是發(fā)動機(jī)噪聲。從測試結(jié)果可以看出，勻速噪聲總體較低，所占百分比較小。因此，如果要降低車外加速噪聲就應(yīng)該從加速噪聲中所占百分比較大的發(fā)動機(jī)和排氣噪聲入手。對于發(fā)動機(jī)本體無法進(jìn)行優(yōu)化工作，可以增加一些隔聲降噪的材料，如下護(hù)板和隔熱罩等。對于排氣系統(tǒng)可以進(jìn)行排氣的專項(xiàng)測試并進(jìn)行優(yōu)化，從而降低總體的車外噪聲。

4 結(jié)論

通過排除法可以判定該車型的車外加速噪聲的主要因素依次為：發(fā)動機(jī)噪聲、排氣噪聲、進(jìn)氣噪聲、其他噪聲及冷卻風(fēng)扇噪聲。因此，利用排除法可以有效判定汽車各個(gè)噪聲源對于車外加速噪聲的貢獻(xiàn)量，從而對各個(gè)噪聲源按照貢獻(xiàn)量的大小，進(jìn)行問題原因分析，對于貢獻(xiàn)量較大的噪聲源進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而更加有效地控制汽車的車外加速噪聲，降低城市的噪聲污染，同時(shí)也能夠滿足日趨嚴(yán)格的法規(guī)。