輕型載貨汽車車外噪聲分析與控制

曹燦

(南京依維柯汽車有限公司)

輕型載貨汽車車外噪聲分析與控制

曹燦

(南京依維柯汽車有限公司)

針對某輕型載貨汽車車外噪聲超出ECE R51—02規(guī)定限值的狀況，采用噪聲隔離法對噪聲源進(jìn)行了識別，運用噪聲迭加原理確定了其車外主要噪聲源，并通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)噴油預(yù)噴角以及采用吸聲、隔聲材料等降噪措施對其進(jìn)行了降噪處理。通過對降噪前、后該車車外噪聲測試分析表明，采取降噪措施后，被試車輛車外加速噪聲由82 dB（A）下降到77.4 dB（A），滿足了ECE R51—02對該類車輛車外加速噪聲限值的要求。

1 某輕型載貨汽車噪聲超標(biāo)情況

為保護(hù)環(huán)境，各國政府已頒布了相關(guān)的法律法規(guī)來限制汽車噪聲，越來越多的汽車廠商重視對車外加速噪聲的控制和研究，車外加速噪聲控制水平已成為決定車型開發(fā)成功與否的重要因素之一。目前，限制車外加速噪聲的法規(guī)主要有ECER51—02[1]、GB l495—2002[2]和ISO/362等。

國產(chǎn)某輕型載貨汽車搭載90 kW發(fā)動機(jī)，總質(zhì)量為6 t，屬于N2類的車輛。在出口認(rèn)證時，按照ECE R51—02方法A規(guī)定的測量方法（圖1）對該車的加速行駛車外噪聲進(jìn)行了測量，得到其加速行駛車外最大噪聲為82 dB（A），超出ECE R51—02噪聲限值要求的78 dB（A）（表1）。為使該輕型載貨汽車的加速行駛車外最大噪聲滿足ECE認(rèn)證限值要求，對其進(jìn)行了噪聲源識別并采取措施進(jìn)行降噪處理。

表1 加速行駛車外噪聲限值 dB（A）

2 基于隔離法的聲源識別

2.1 噪聲源識別

根據(jù)該車的配置及ECER51—02方法A的規(guī)定，變速器采用3擋，進(jìn)線發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速選取為3/4額定轉(zhuǎn)速，車輛勻速到達(dá)始端線；從車輛前端到達(dá)始端線開始立即將油門踏板踏到底，并直線加速行駛；當(dāng)車輛后端到達(dá)終端線時立即停止加速。在保持運行工況和聲學(xué)環(huán)境基本不變的條件下，首先測得隔離掉所有研究對象聲源后的整車加速通過噪聲，然后拆除某個部件的噪聲隔離件，使之產(chǎn)生噪聲，再次重復(fù)測試車輛加速通過噪聲，最后按噪聲能量迭加原理即可計算出此部件的噪聲水平。通過此方法可測量出車輛各主要聲源噪聲水平及其在車輛運行總聲壓級中所占比重，即貢獻(xiàn)率，根據(jù)此結(jié)果即可采取相應(yīng)的降噪措施。隔離法噪聲源識別試驗步驟見表2，聲源隔離方法見圖2，試驗結(jié)果見表3。

表2 隔離法噪聲源識別試驗步驟

表3 隔離法噪聲源識別試驗結(jié)果

對測得結(jié)果應(yīng)用噪聲能量迭加公式便可得到各噪聲源在加速時的聲壓級[3]:

式中，L1為暴露某零部件后測得的聲壓級；L2為暴露某零部件前測得的聲壓級；L0為暴露零部件為聲源的聲壓級。

L0即為分解出的噪聲源聲壓級，則:L進(jìn)氣=[LALB]；L變速器=[LC-LB]；L排氣=[LD-LC]；L發(fā)動機(jī)=[LE-LD]；L風(fēng)扇=[LF-LE]，[]表示能量迭加。

通過聲源識別發(fā)現(xiàn)（表4），該輕型載貨汽車車外加速噪聲的主要聲源為冷卻風(fēng)扇噪聲，其次為變速器噪聲及發(fā)動機(jī)噪聲。

表4 某輕型載貨汽車主要噪聲源分解數(shù)據(jù)

2.2 主要噪聲源產(chǎn)生機(jī)理分析

由以上分析可知，車外加速噪聲是汽車在特定的運動狀態(tài)下，由各部分噪聲（表4）輻射到車外空間產(chǎn)生的。

2.2.1 風(fēng)扇噪聲

風(fēng)扇噪聲主要由旋轉(zhuǎn)噪聲和渦流噪聲組成[4]。旋轉(zhuǎn)噪聲主要是旋轉(zhuǎn)葉片周期性擾動空氣而引起空氣壓力脈動而發(fā)出的噪聲；渦流噪聲是風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時使周圍的空氣產(chǎn)生渦流，這些渦流由于粘滯力的作用又會分裂成一系列的小渦流，渦流的產(chǎn)生及分裂會使空氣發(fā)生擾動形成壓力波動，從而激發(fā)出噪聲。其中風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對風(fēng)扇噪聲影響很大，轉(zhuǎn)速提高1倍時聲壓級增加超過10 dB（A）。通常在風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速時風(fēng)扇噪聲比發(fā)動機(jī)噪聲低很多，但在高轉(zhuǎn)速時風(fēng)扇往往成為主要的甚至是最大的噪聲源。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇噪聲關(guān)系曲線見圖3，測點在前輪中心線上，高1.2 m，距駕駛員側(cè)1 m。

2.2.2 發(fā)動機(jī)噪聲

發(fā)動機(jī)噪聲由燃燒噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動力學(xué)噪聲構(gòu)成[4]。燃燒噪聲是指氣缸內(nèi)周期性變化的燃燒壓力通過活塞、連桿、曲軸、缸體等途徑向外輻射產(chǎn)生的噪聲，與發(fā)動機(jī)的燃燒方式和燃燒速度密切相關(guān)，其強(qiáng)、弱程度取決于壓力增長率及最高壓力增長率持續(xù)時間，且噴油參數(shù)的選擇對其有很大的影響；機(jī)械噪聲是發(fā)動機(jī)工作時各運動件之間及運動件與固定件之間作用的周期性變化的力引起撞擊產(chǎn)生的振動噪聲，主要包括活塞敲擊噪聲、配氣機(jī)構(gòu)噪聲、皮帶噪聲、軸承噪聲、水流噪聲等；空氣動力性噪聲是氣體流動過程中的相互作用或氣體與物體之間相互作用而產(chǎn)生的噪聲，主要由旋轉(zhuǎn)噪聲（氣壓脈動）和渦流噪聲（紊流噪聲）組成，或者由于空氣發(fā)生壓力突變形成空氣擾動與膨脹而產(chǎn)生的噪聲，主要是發(fā)動機(jī)的進(jìn)排氣噪聲。

2.2.3 變速器噪聲

變速器噪聲主要是齒輪噪聲。漸開線齒輪嚙合過程中，由于各嚙合點位置的剛度隨時間呈周期性變化，即使載荷不變，齒輪系統(tǒng)仍會像變剛度彈簧系統(tǒng)那樣激發(fā)出振動，所以剛度的變化本質(zhì)上是齒輪產(chǎn)生振動的一個非線性問題，也是產(chǎn)生齒輪噪聲的根本原因。

3 車外加速噪聲的控制措施

3.1 降噪措施的路徑分析

降低整車車外加速噪聲主要是降低主噪聲源的貢獻(xiàn)以及采取吸聲、隔聲方法衰減噪聲輻射的傳遞。該車型主要噪聲源為風(fēng)扇噪聲及動力總成噪聲。從風(fēng)扇噪聲產(chǎn)生機(jī)理可知，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可大幅降低風(fēng)扇噪聲。該車型采用的是機(jī)械風(fēng)扇，則發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速即是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，由于風(fēng)扇一直保持高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，所以會產(chǎn)生較大噪聲。對此可采用電子風(fēng)扇代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械風(fēng)扇來降低風(fēng)扇噪聲，因為電子風(fēng)扇可保持低轉(zhuǎn)速甚至停轉(zhuǎn)，停轉(zhuǎn)可最大限度地降低風(fēng)扇噪聲。對于發(fā)動機(jī)噪聲，通過優(yōu)化發(fā)動機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)，以及重新平衡燃油經(jīng)濟(jì)性、動力性、噪聲之間的關(guān)系可達(dá)到很好的降噪效果。因?qū)υ肼曉吹闹鲃咏翟胪艿较拗?，因此，針對發(fā)動機(jī)機(jī)械噪聲、變速器噪聲等可采用降噪復(fù)合材料特有的隔聲、吸聲性能，從噪聲的傳播途徑上實現(xiàn)降噪。

3.2 降低冷卻風(fēng)扇噪聲

從噪聲源識別可知，冷卻風(fēng)扇噪聲是車外加速噪聲中第1噪聲源，整車車外噪聲的降低是以該聲源有效控制為前提?？刹捎肊CU控制的電子風(fēng)扇代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械風(fēng)扇，通過ECU精確控制風(fēng)扇的開啟時間及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，同時對冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。對采用電子風(fēng)扇的車輛進(jìn)行了加速噪聲試驗，試驗時車輛運行在低負(fù)載工況，風(fēng)扇處于不開啟狀態(tài)，風(fēng)扇噪聲完全屏蔽，車外加速噪聲明顯下降，噪聲降低2.1 dB（A）。車外噪聲試驗結(jié)果見表5。

表5 采用電子風(fēng)扇后車外噪聲試驗結(jié)果

3.3 發(fā)動機(jī)本體噪聲的控制

由前述分析可知，采取優(yōu)化燃燒參數(shù)的方式可降低發(fā)動機(jī)噪聲，降低柴油機(jī)燃燒噪聲的根本措施是適當(dāng)降低柴油機(jī)燃燒過程中速燃期氣缸內(nèi)的平均壓力增長率。由車外加速噪聲試驗方法可知，試驗時發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速為2 250～3 000 r/min，噴油量≥50 mg/hub（外特性）。通過調(diào)整發(fā)動機(jī)此工作區(qū)域的預(yù)噴參數(shù)能夠有效的降低缸內(nèi)壓力增長率，從而降低發(fā)動機(jī)噪聲，主要措施是緊貼發(fā)動機(jī)工作區(qū)增加二次預(yù)噴，即圖4中“3”表示的3次噴射（含2次預(yù)噴和1次主噴）。增加預(yù)噴的區(qū)域，主噴油量微降約1 mg，沖抵增加的預(yù)噴油量，用以平衡動力性及燃油經(jīng)濟(jì)性。預(yù)噴調(diào)整前、后發(fā)動機(jī)外特性和油耗變化分別見圖5和圖6，調(diào)整預(yù)噴后車外加速噪聲測試結(jié)果見表6。

表6 調(diào)整預(yù)噴后車外加速車外噪聲

通過調(diào)整預(yù)噴參數(shù)后，發(fā)動機(jī)在工作區(qū)2 250～3 000 r/min內(nèi)噪聲降低1 dB（A）。發(fā)動機(jī)臺架噪聲降噪情況如圖7所示。

對比發(fā)動機(jī)降噪前、后車外加速噪聲的試驗結(jié)果（表5和表6）可知，該車型噪聲降低0.7 dB（A）。由圖5可看出，發(fā)動機(jī)外特性調(diào)整微小，對整車動力性沒有影響。由圖6可看出，發(fā)動機(jī)噴油量在高轉(zhuǎn)速區(qū)略有增加，但小于1%，結(jié)合車用柴油機(jī)的使用特點，實際使用中高轉(zhuǎn)速工況應(yīng)用較少[5，6]，經(jīng)評估可以認(rèn)可該降噪方法。

3.4 采用吸聲、隔聲材料降噪

針對主要噪聲源之一的變速器噪聲，采用吸聲及隔音材料進(jìn)行降噪[7]，同時對傳動軸、排氣噪聲也進(jìn)行隔擋。經(jīng)多次試驗對比后選取的降噪材料[8]見表7。

Analysis and Control of Light-duty Truck Pass-by Noise

Cao Can
（NAVECO Ltd）

For a light-duty truck noise exceeding the limit of ECE R51—02,we use the noise isolation method to identify noise sources,and the principle of superposition of noise to determine the main noise sources outside the truck. And we also take the measures,i.e.optimization of the engine fuel injection advance angle,and using the sound absorption and sound insulation material for noise reduction.Test analysis of the pass-by noise of the vehicle shows that the pass-by noise of the truck,after taking noise reduction measures,declines from 82 dB(A)down to 77 dB(A),which satisfies the requirement of acceleration noise limit of the ECE R51—02 on this class of vehicle.

Light-truck,Pass-by noise,Isolation method,Noise control

輕型載貨汽車 車外噪聲 隔離法 噪聲控制

U467.4+93

A

1000-3703（2015）01-0027-04