環(huán)境條件對摩托車加速噪聲的影響

武政杰 張智軒 曹 洋 任 園 李帥旗 王 謙

（天津內(nèi)燃機研究所 天津 300072）

引言

近年來，摩托車行業(yè)由代步工具逐漸向娛樂、文化等方向發(fā)展，大排量摩托車受到消費者的青睞，產(chǎn)銷量均不斷增加。與此同時，國家的法規(guī)日益嚴(yán)格，目前制動標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)同步，新的噪聲標(biāo)準(zhǔn)也在不斷推進中，因而排除干擾因素，準(zhǔn)確測量發(fā)動機的噪聲對摩托車的檢測具有重要意義。國內(nèi)部分學(xué)者對不同測試環(huán)境下車輛噪聲的影響因素進行了研究，其中冷傳剛等人[1]對溫濕度等氣象條件對摩托車噪聲在傳播中的衰減進行了分析，發(fā)現(xiàn)濕度對聲音的傳播影響很大。王雷等人[2]研究了溫度對車外加速噪聲的影響，并提出了修正系數(shù)。劉軍等人[3]發(fā)現(xiàn)發(fā)動機進氣噪聲是車輛加速噪聲的來源之一。本文根據(jù)GB 16169-2005試驗方法[4]，在實驗條件下對真實的大排量摩托車進行加速噪聲實驗，研究了空氣密度、溫度和大氣壓力等環(huán)境因素對摩托車加速噪聲測試結(jié)果的影響，結(jié)合實驗結(jié)果對摩托車測試方法提出了改進意見。

1 試驗方法

試驗選在天津的11月至次年6月，經(jīng)歷冬天、春天、夏天，共測量7次，以分析季節(jié)氣象條件對實驗結(jié)果造成的影響。根據(jù)GB 16169-2005標(biāo)準(zhǔn)，對某型大排量摩托車進行加速噪聲實驗，測量其在工作狀態(tài)下的噪聲變化特點，實驗選用的車輛參數(shù)見表1。實驗路面符合ISO 10844標(biāo)準(zhǔn)，孔隙率≤8%，吸聲系數(shù)≤0.1，路表構(gòu)造深度≥0.4 mm[5]。

表1 車輛參數(shù)

測量場地表面由混凝土、瀝青或類似的堅實材料構(gòu)成，場地應(yīng)基本水平、平整、表面干燥、無雪、高草、塵土或類似的吸聲物覆蓋。實驗場地布置如圖1所示，以O(shè)點為基點、半徑50 m范圍內(nèi)沒有大的聲反射物。O點為測量區(qū)域的中心，AA′線為加速起始端，BB′線為加速終端線，CC′線為行駛中心線。

測試儀器選用聲級計，采用A頻率計權(quán)特性，快F檔，放置在O點兩側(cè)，傳聲器頭部端面中心離地高 1.2±0.1 m，各距 CC′線 7.5±0.2 m（沿 CC′線的垂直線測量），傳聲器參考軸與地面平行，并垂直指向CC′線。受試車排量大于175 mL，擋位為5擋，最大功率對應(yīng)轉(zhuǎn)速S為5 050 r/min，2擋3/4S對應(yīng)車速大于50 km/h。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，受試車沿著CC′線以50 km/h的入線速度進入AA′線，全開油門，通過BB′線后迅速回收油門。2擋往返測量一次，3擋往返測量一次。讀取并記錄聲級計的最大值。

為了能獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要對測試后的數(shù)據(jù)進行有效性判斷，如果實驗前后聲級計的偏差超過0.5 dB（A），或者測試車輛往返兩次同側(cè)聲壓級相差2 dB（A）以上時，實驗結(jié)果無效。同時為了消除干擾，每次測量結(jié)果減去1 dB（A）作為選用結(jié)果，將車輛往返2次測得的4個測量值的平均值作為測試車輛的最大加速形式噪聲級，將2擋和3擋的平均值作為最終結(jié)果。

圖1 加速噪聲試驗場地

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 空氣密度對結(jié)果的影響

實驗測取的不同工況下摩托車加速噪聲實驗結(jié)果如表2所示，同時測量聲壓級時其結(jié)果受到溫度與大氣壓力的影響，根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV=nRT可知，大氣壓力增高，溫度降低造成氣體密度增大。假設(shè)100 kPa、0℃的空氣密度為1，對表2中的數(shù)據(jù)進行計算，得到不同溫度壓力下氣體相對密度值如表3所示。

對空氣密度和實驗測得的噪聲值進行數(shù)據(jù)擬合，如圖2所示。由分析可知，由氣象條件差異造成的空氣密度差異，直接影響摩托車加速噪聲最終試驗結(jié)果，隨著空氣密度的增大，加速噪聲結(jié)果不斷增大，基本符合線性關(guān)系。

2.2 環(huán)境條件對測試結(jié)果的影響

2.2.1 空氣密度對摩托車加速性能的影響

測試車輛在實驗條件下的加速度可由公式（1）求得

式中：v1為出線速度；v2為入線速度；S為加速區(qū)間，本研究中選取S=22 m。測得不同工況下的2擋及3擋加速度如表4所示，對表4數(shù)據(jù)進行擬合，所得曲線如圖3所示。

結(jié)合圖表可知，空氣密度與加速度基本符合線性關(guān)系，且2擋加速度受到空氣密度的影響比3擋更大。這是由于2擋的發(fā)動機轉(zhuǎn)速變化區(qū)間為2 700～3 700 r/min之間，3擋的發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2 000～2 600 r/min之間，發(fā)動機在2擋處于發(fā)動機更佳的工作轉(zhuǎn)速，因此受到空氣密度的影響更大。此外，由于測試地點是在天津，冬天溫度低，氣壓高，也就是說空氣密度較大時，低溫有利于發(fā)動機散熱，更有利于發(fā)揮發(fā)動機性能。而且，丁平等人發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化100 r/min 時，聲壓級變化 0.7 dB（A）[6]。本文中通過實驗數(shù)據(jù)計算出線轉(zhuǎn)速與聲壓級的關(guān)系如表5所示，通過擬合曲線可以看出，2擋轉(zhuǎn)速變化100 r/min，聲壓級變化1.03 dB（A）。與丁平等人的結(jié)論在趨勢上保持一致，但聲壓級變化量較大，這是由于摩托車相比較于汽車，發(fā)動機裸露在外部，消聲效果不如汽車，相同的轉(zhuǎn)速變化量必然造成更大的聲壓級變化量。

表2 加速噪聲實驗原始實驗數(shù)據(jù)

表3 每種工況對應(yīng)的空氣相對密度表

圖2 空氣相對密度與聲壓級之間關(guān)系

表4 不同工況下2擋及3擋加速度

圖3 空氣密度對加速性能影響

2.2.2 溫度與大氣壓力對聲音傳播的影響

大氣壓力與空氣密度和聲強的關(guān)系如公式（2）所示：

式中：P為聲壓；I為聲強；ρ為空氣密度；T為溫度。

表5 不同轉(zhuǎn)速下聲壓級特性

圖4 轉(zhuǎn)速對聲壓級影響

聲壓級計算可由公式（3）求得

假設(shè)同一聲源，即測量點處聲強（I）保持不變，0℃，94 kPa時測量點的噪聲值為80 dB(A)，那么該測量點隨著溫度與壓強的變化曲線如圖5、6所示

圖5 溫度與聲壓級之間關(guān)系

由圖可知，隨著大氣壓力的提高，聲壓級變大，0℃時，104 kPa比 94 kPa要高 0.44 dB（A）；隨著溫度的升高，聲壓級不斷降低，94 kPa時，38℃比0℃時低0.28 dB（A）。也就是說高溫低壓與低溫高壓相比，相同聲源，相同聲級計測量點，聲壓級可以相差0.72 dB（A）。

圖6 大氣壓力與聲壓級之間關(guān)系

2.2.3 三分之一倍頻程分析

人耳聽音的頻率范圍為20 Hz到20 kHz，其頻率分辨能力不是單一頻率，而是頻帶，1/3倍頻程目前被認為是比較符合人耳特性的頻帶劃分方法。本文針對加速噪聲，采用傅立葉變換對其進行處理，進行1/3倍頻程分析，探究發(fā)動機在各個頻帶的噪聲聲壓級特性，如圖7、8所示。

圖7 3擋左右兩側(cè)三分之一倍頻程對比分布圖

圖8 2擋與3擋右側(cè)三分之一倍頻程對比分布圖

分析圖7可知，隨著中心頻率的增大，聲壓級不斷增大，到了高頻區(qū)域，聲壓級不斷降低。其中1 250～3 150 Hz聲壓級最高，且左右側(cè)相差不大，可以認為這個頻段的聲源為發(fā)動機的主體聲源，這也正好是人耳最敏感的頻率范圍。3擋右側(cè)的聲壓級普遍高于左側(cè)聲壓級，尤其是4 000 Hz以上頻率區(qū)域，這主要是因為該車型排氣管在右側(cè)且密閉性良好，排氣管中的纖維吸聲材料能夠有效降低高頻噪聲[7]，但不能完全消除，所以在高頻區(qū)域右側(cè)聲壓級大于左側(cè)聲壓級。

分析圖8可知，2擋聲壓級普遍高于3擋聲壓級，在低頻區(qū)域尤其明顯，而高頻區(qū)域卻相差不多。由于2擋發(fā)動機轉(zhuǎn)速高于3擋發(fā)動機轉(zhuǎn)速，所以2擋聲壓級普遍高于3擋聲壓級。而排氣管中的纖維吸聲材料對高頻噪聲的降低效果尤其明顯，這就是造成了二者在高頻區(qū)域差別不大的原因。因而如何降低該型車的低頻噪聲是下一步需要改進的重點。

3 結(jié)論

1）環(huán)境溫度與大氣壓力共同影響發(fā)動機進氣空氣密度，同時環(huán)境溫度能夠影響發(fā)動機散熱條件，進而影響發(fā)動機加速過程。溫度降低、大氣壓力增高，造成車輛加速性能變好，轉(zhuǎn)速增高，進而噪聲加大。同時，同一聲源，傳播至同一位置，環(huán)境溫度越高，大氣壓力越低，該位置聲壓級越低。

2）由于大氣壓力和溫度對聲壓級測試結(jié)果有著重要影響，為了提高噪聲測試準(zhǔn)確度，建議在下一階段噪聲標(biāo)準(zhǔn)中加入溫度與大氣壓力修正系數(shù)。

3）三分之一倍頻程譜圖表明，排氣管中的纖維吸聲材料能夠有效減小高頻噪聲，而中低頻噪聲的降低需要對發(fā)動機結(jié)構(gòu)及排氣管進行進一步的優(yōu)化，以滿足日益嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)要求。