基于輪胎／路面噪聲替換的車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究*

劉 策，陳 劍，張永斌，李家柱

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥 230009； 2.安徽省汽車(chē)NVH工程技術(shù)研究中心，合肥 230009）

前言

汽車(chē)加速通過(guò)噪聲測(cè)量國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 362—1：2007）在測(cè)量?jī)x器、測(cè)量場(chǎng)地、測(cè)量環(huán)境和測(cè)量車(chē)輛準(zhǔn)備4個(gè)方面提出更嚴(yán)格的要求，測(cè)量難度加大，測(cè)量數(shù)據(jù)合格率降低，費(fèi)工費(fèi)時(shí)［1-2］。為經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)施測(cè)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究在半消聲室內(nèi)開(kāi)展車(chē)輛通過(guò)噪聲測(cè)量方法與技術(shù)，力求室內(nèi)外測(cè)量結(jié)果在精度上實(shí)現(xiàn)等效［3-5］。然而，在通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量方法研究過(guò)程中，面臨著一個(gè)急待解決的問(wèn)題——室內(nèi)外輪胎／路面輻射噪聲存在差異，這將影響車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量精度，尤其是新版法規(guī)將勻速測(cè)量工況納入車(chē)輛通過(guò)噪聲測(cè)量中后，輪胎／路面噪聲在車(chē)輛通過(guò)噪聲中的貢獻(xiàn)明顯增加。因此，如何解決車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量時(shí)輪胎／路面噪聲與室外的差異問(wèn)題，是進(jìn)行通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量方法研究的關(guān)鍵之一［6-7］。

為克服室內(nèi)外輪胎／路面噪聲差異對(duì)通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量結(jié)果的影響，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在制定通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，明確提出要對(duì)室內(nèi)輪胎／路面噪聲進(jìn)行修正，定義輪胎／路面噪聲修正函數(shù)Fcor，但是，如何獲取該修正函數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)中并未給出明確的實(shí)驗(yàn)方法［8］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展過(guò)許多方法學(xué)的研究與實(shí)驗(yàn)，文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］中針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)給出的光胎實(shí)驗(yàn)法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，提取動(dòng)力總成噪聲并與室外輪胎／路面噪聲進(jìn)行能量合成。由于受光胎噪聲的影響，勻速工況下車(chē)輛通過(guò)噪聲測(cè)量結(jié)果并不理想。文獻(xiàn)［11］中嘗試在NVH轉(zhuǎn)鼓的滾筒表面噴涂一層路面復(fù)合材料來(lái)模擬室外輪胎／路面噪聲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與車(chē)輛室外通過(guò)噪聲也存在明顯的偏差。文獻(xiàn)［12］中通過(guò)開(kāi)展室外通過(guò)噪聲測(cè)量獲取輪胎輻射近場(chǎng)噪聲，基于聲傳遞路徑法在半消聲室內(nèi)獲取目標(biāo)點(diǎn)的輪胎／路面噪聲，計(jì)算結(jié)果在通過(guò)噪聲的峰值點(diǎn)與室外測(cè)量結(jié)果吻合度較高，其余位置的差異也比較明顯。針對(duì)上述方法存在的不足，本文中在前人研究的基礎(chǔ)上，提出一種基于室內(nèi)滑行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量的新方法，該方法在NVH轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行車(chē)輛滑行實(shí)驗(yàn)，獲取室內(nèi)輪胎／路面噪聲系數(shù)，提取室內(nèi)輪胎／路面噪聲，并與室外輪胎／路面噪聲進(jìn)行替換，實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)車(chē)輛通過(guò)噪聲正確測(cè)量。同時(shí)，文中給出了兩種室內(nèi)滑行提取輪胎／路面噪聲的實(shí)驗(yàn)方法，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1 基于輪胎／路面噪聲替換的通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量原理

1.1 通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量方法

車(chē)輛在半消聲室內(nèi)的低噪聲NVH轉(zhuǎn)鼓上“行駛”，兩側(cè)傳聲器陣列模擬并記錄通過(guò)噪聲測(cè)量時(shí)車(chē)輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輻射噪聲，如圖1所示。根據(jù)車(chē)輛“行駛”的位移信息，通過(guò)依次切換傳聲器來(lái)模擬車(chē)輛通過(guò)噪聲室外測(cè)量時(shí)的運(yùn)動(dòng)歷程，具體的室內(nèi)通過(guò)噪聲信號(hào)合成原理已在文獻(xiàn)［2］～文獻(xiàn)［5］中詳細(xì)論述，在此不再闡述，本文中重點(diǎn)研究解決車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量時(shí)，室內(nèi)外輪胎／路面噪聲的差異對(duì)通過(guò)噪聲測(cè)量精度的影響問(wèn)題。

圖1 通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量原理圖

1.2 輪胎／路面噪聲替換原理

車(chē)輛總的通過(guò)噪聲LTVN是動(dòng)力總成噪聲LPTN（含進(jìn)排氣噪聲）和輪胎／路面噪聲LTRN的能量總成，即

車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量時(shí)，通過(guò)NVH轉(zhuǎn)鼓對(duì)車(chē)輛進(jìn)行模擬加載，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量時(shí)的行駛阻力和加速度曲線與室外測(cè)量結(jié)果一致，即保證室內(nèi)和室外測(cè)量時(shí)的LPTN相等。但是，由于室內(nèi)NVH轉(zhuǎn)鼓滾筒表面與室外測(cè)量路面結(jié)構(gòu)的差異導(dǎo)致室內(nèi)輪胎／路面噪聲與室外不一致，這一現(xiàn)象在后面的實(shí)驗(yàn)中也得到驗(yàn)證。因此，為保證室內(nèi)測(cè)量結(jié)果能更準(zhǔn)確地反映車(chē)輛通過(guò)噪聲的真實(shí)水平，本文中提出將式（1）中的輪胎／路面噪聲LTRN替換為室外輪胎／路面噪聲LTRNo，則最終的通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量結(jié)果為

式中：LPTNi為室內(nèi)動(dòng)力總成噪聲聲壓級(jí)；LTRNo為室外輪胎噪聲聲壓級(jí)。

上述室內(nèi)外輪胎／路面噪聲替換原理如圖2所示，其中室外輪胎／路面噪聲測(cè)量方法已在 ISO 362—3：2016標(biāo)準(zhǔn)中明確闡述，但是室內(nèi)的動(dòng)力總成噪聲無(wú)法通過(guò)測(cè)試直接得到。

圖2 輪胎／路面噪聲替換原理圖

1.3 動(dòng)力總成噪聲獲取

目前獲取室內(nèi)動(dòng)力總成噪聲通常采用標(biāo)準(zhǔn)中建議的光胎實(shí)驗(yàn)法，當(dāng)通過(guò)噪聲聲壓級(jí)比光胎噪聲大10 dB（A）時(shí)，可以直接忽略光胎噪聲的影響，將測(cè)得的通過(guò)噪聲結(jié)果視為車(chē)輛動(dòng)力總成噪聲的貢獻(xiàn)。但在實(shí)際中光胎噪聲通常不滿足10 dB（A）差值的要求，尤其是在室內(nèi)模擬勻速工況測(cè)量時(shí)，光胎噪聲的占比明顯增加。圖3對(duì)車(chē)輛使用光胎進(jìn)行通過(guò)噪聲實(shí)驗(yàn)與滑行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，此時(shí)光胎噪聲的貢獻(xiàn)不能直接忽略，需要進(jìn)行修正，但是如何修正標(biāo)準(zhǔn)中并未說(shuō)明。

圖3 光胎實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

針對(duì)上述問(wèn)題，本文中采用差異工況法獲得動(dòng)力總成噪聲的方法，該方法同時(shí)適用于加速與勻速兩種測(cè)量工況。其實(shí)驗(yàn)原理是直接使用正常輪胎在室內(nèi)開(kāi)展車(chē)輛通過(guò)噪聲測(cè)量（工況1），然后從總的測(cè)量結(jié)果中剔除室內(nèi)輪胎／路面噪聲LTRNi（工況2）得到動(dòng)力總成噪聲，即

為保證式（3）獲得的動(dòng)力總成噪聲的準(zhǔn)確性，需要首先保證獲取的室內(nèi)輪胎／路面噪聲的準(zhǔn)確性。對(duì)此，文中提出兩種車(chē)輛室內(nèi)滑行實(shí)驗(yàn)方法，即多次滑行與一次滑行方法，并基于拉格朗日最小二乘原理對(duì)滑行實(shí)驗(yàn)結(jié)果開(kāi)展回歸分析，得到室內(nèi)輪胎／路面噪聲系數(shù)，進(jìn)而獲取室內(nèi)輪胎／路面噪聲。

2 室內(nèi)／外輪胎／路面噪聲獲取方法

不管是在室內(nèi)還是室外，輪胎／路面噪聲都是由自由滾動(dòng)噪聲與轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)噪聲組成，即

式中：LFRN為輪胎自由滾動(dòng)噪聲聲壓級(jí)；ΔLTI為輪胎轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)噪聲聲壓級(jí)。其中輪胎自由滾動(dòng)噪聲是關(guān)于速度的函數(shù)，滿足如下對(duì)數(shù)回歸模型：

式中：v（x）為車(chē)輛的速度；x為車(chē)輛的位置坐標(biāo)；α（x）和β（x）分別為輪胎自由滾動(dòng)噪聲系數(shù)，該系數(shù)的大小由測(cè)量路面與輪胎本身共同決定，與車(chē)輛運(yùn)行工況無(wú)關(guān)，因此通過(guò)室內(nèi)滑行實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)獲得加速和勻速兩種工況下的輪胎／路面噪聲。需要注意的是，加速工況下，需要修正轉(zhuǎn)矩對(duì)輪胎／路面噪聲的貢獻(xiàn)。

2.1 多次滑行實(shí)驗(yàn)法

本文中提出的多次滑行實(shí)驗(yàn)法由室外輪胎／路面噪聲標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法演化而來(lái)，即車(chē)輛在NVH轉(zhuǎn)鼓上進(jìn)行多種速度工況下的自由滑行，速度范圍包括40-90 km／h，速度增量不大于10 km／h。同時(shí)，為保證統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的均勻性，一般要求車(chē)輛每次至少進(jìn)行4組低于參考速度和4組高于參考速度的滑行實(shí)驗(yàn)，且各組測(cè)試速度間隔應(yīng)大致相等，圖4描述了車(chē)輛多次滑行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的速度譜線。

多次滑行實(shí)驗(yàn)法是以“鼓帶車(chē)”的方式開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，不受駕駛技術(shù)的影響，車(chē)速穩(wěn)定且易于控制。但滑行次數(shù)較多，后期數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜。

2.2 一次滑行實(shí)驗(yàn)法

圖4 車(chē)輛多次滑行實(shí)驗(yàn)的速度曲線

考慮室內(nèi)傳聲器陣列可以實(shí)時(shí)記錄車(chē)輛不同速度工況下不同位置點(diǎn)處的聲壓信號(hào)，本文中提出以“車(chē)帶鼓”的方式使車(chē)輛一次性地完成整個(gè)速度區(qū)間的滑行過(guò)程，即：車(chē)輛以略高于90 km／h的速度時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)使其空擋在滾筒表面自由滑行，傳聲器陣列記錄聲壓信號(hào)，其速度變化過(guò)程如圖5所示，整個(gè)滑行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輪胎僅經(jīng)歷一次滑行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間顯著降低。

圖5 一次滑行實(shí)驗(yàn)的速度曲線

用上述兩種方法分別開(kāi)展室內(nèi)滑行實(shí)驗(yàn)，并對(duì)滑行結(jié)果展開(kāi)回歸分析，得到式（5）中的輪胎自由滾動(dòng)噪聲系數(shù)，代入加速或勻速工況測(cè)量時(shí)的位置和速度信息，可得到不同工況下的車(chē)輛左右兩側(cè)輪胎自由滾動(dòng)噪聲。圖6為兩種滑行方法得到的加速工況左右兩側(cè)輪胎自由滾動(dòng)噪聲的對(duì)比?？梢钥闯?，兩種滑行方法得到的左右兩側(cè)輪胎自由滾動(dòng)噪聲基本一致。考慮一次滑行實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、省時(shí)，故下面將基于一次滑行方法對(duì)室內(nèi)通過(guò)噪聲測(cè)量結(jié)果開(kāi)展實(shí)驗(yàn)分析。

圖6 兩種滑行方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

式（4）中的第2項(xiàng)為轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)噪聲，這一項(xiàng)不能直接通過(guò)測(cè)量得到。準(zhǔn)確的獲取方法是首先測(cè)量包含自由滾動(dòng)和轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)的實(shí)際輪胎／路面噪聲，然后剔除自由滾動(dòng)噪聲，即

但是由于包含自由滾動(dòng)和轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)的輪胎噪聲的測(cè)量需要借助專門(mén)的輪胎測(cè)試車(chē)輛，且實(shí)驗(yàn)不易操控，故輪胎轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)噪聲常采用如下標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行評(píng)估：

式中：ζ為轉(zhuǎn)矩影響系數(shù)（0.075～0.15），其值的大小取決于測(cè)試路面的情況，測(cè)試路面越“安靜”，其值越大，因此在計(jì)算輪胎轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)噪聲之前，要對(duì)測(cè)試路面進(jìn)行評(píng)估?？紤]輪胎轉(zhuǎn)矩貢獻(xiàn)噪聲對(duì)車(chē)輛整體通過(guò)噪聲貢獻(xiàn)較小，在測(cè)量精度要求不高的情況下，可以忽略其影響。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文中提出的通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)外輪胎／路面噪聲替換解決通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量時(shí)輪胎／路面噪聲差異方案的有效性，對(duì)某款自動(dòng)擋車(chē)型開(kāi)展室內(nèi)外通過(guò)噪聲測(cè)量，實(shí)驗(yàn)布置與測(cè)量過(guò)程遵循國(guó)標(biāo)草案（GB1495—20xx）與國(guó)際ISO 362—1∶2007標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示?？紤]車(chē)輛左右兩側(cè)測(cè)量結(jié)果基本對(duì)稱，故以下都以車(chē)輛左側(cè)測(cè)量結(jié)果為例進(jìn)行展示。

圖7 通過(guò)噪聲室內(nèi)外測(cè)試

在NVH轉(zhuǎn)鼓上對(duì)車(chē)輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，復(fù)現(xiàn)車(chē)輛通過(guò)噪聲室外測(cè)量時(shí)的路面行駛阻力，確保車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量時(shí)，車(chē)輛速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與室外的差異在誤差允許范圍以內(nèi)，如圖8所示。

對(duì)比加速與勻速兩種測(cè)量工況下車(chē)輛左右兩側(cè)室內(nèi)外通過(guò)噪聲測(cè)量結(jié)果，圖9為兩種工況下車(chē)輛左側(cè)通過(guò)噪聲室內(nèi)外測(cè)量結(jié)果的對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)，勻速工況下，室內(nèi)測(cè)量結(jié)果比室外大2～3 dB（A）；加速工況下，室內(nèi)外測(cè)量結(jié)果差距縮小，主要原因是加速工況下，動(dòng)力總成噪聲為主要噪聲源，輪胎／路面噪聲的貢獻(xiàn)相對(duì)減小所致。

為修正室內(nèi)外輪胎／路面噪聲差異對(duì)室內(nèi)通過(guò)噪聲測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)車(chē)輛開(kāi)展室內(nèi)外滑行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到室內(nèi)外輪胎自由滾動(dòng)噪聲系數(shù)，表1為車(chē)輛左側(cè)輪胎自由滾動(dòng)噪聲系數(shù)。

表1 輪胎自由滾動(dòng)噪聲系數(shù)

圖8 車(chē)輛速度和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)比

由表1可以看出，室內(nèi)外輪胎自由滾動(dòng)噪聲系數(shù)確實(shí)存在差異，這是導(dǎo)致車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)外測(cè)量結(jié)果不同的一個(gè)主要原因。結(jié)合式（5）與式（7），分別計(jì)算室內(nèi)外測(cè)量時(shí)的輪胎／路面噪聲，圖10為加速工況下車(chē)輛左側(cè)的室內(nèi)外輪胎／路面噪聲的對(duì)比?？梢钥闯?，室內(nèi)輪胎／路面噪聲明顯大于室外結(jié)果，因此，消除室內(nèi)外輪胎／路面噪聲差異對(duì)獲得正確的通過(guò)噪聲測(cè)量結(jié)果顯得十分必要。

為消除室內(nèi)外輪胎／路面噪聲差異對(duì)室內(nèi)通過(guò)噪聲測(cè)量結(jié)果的影響，基于聲壓能量疊加原理，對(duì)車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量結(jié)果展開(kāi)室內(nèi)外輪胎／路面噪聲替換，并將替換后的通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量結(jié)果與室外結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖11為輪胎噪聲替換后車(chē)輛左側(cè)通過(guò)噪聲室內(nèi)外結(jié)果。

可以看出，輪胎／路面噪聲替換后的車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量結(jié)果與室外測(cè)量結(jié)果基本一致，特別是在峰值處，兩者的差異在±1 dB（A）以內(nèi)，滿足工程實(shí)際要求。

圖9 通過(guò)噪聲室內(nèi)外測(cè)量結(jié)果

圖10 加速工況室內(nèi)外輪胎／路面噪聲對(duì)比

綜上所述，本文中提出基于室內(nèi)滑行實(shí)驗(yàn)提取室內(nèi)輪胎／路面噪聲并與室外輪胎／路面噪聲進(jìn)行替換的方法可有效地解決車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量時(shí)輪胎／路面噪聲與室外存在差異問(wèn)題，這對(duì)于提高車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量精度、縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期具有重要的意義。

圖11 輪胎噪聲替換后車(chē)輛左側(cè)通過(guò)噪聲室內(nèi)外結(jié)果

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某型車(chē)開(kāi)展室內(nèi)外通過(guò)噪聲測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究并進(jìn)行輪胎／路面噪聲提取與替換分析，可得以下結(jié)論：

（1）基于輪胎噪聲替換的車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量方法同時(shí)適用于加速與勻速兩種通過(guò)噪聲測(cè)量工況，實(shí)驗(yàn)效率高且不易受人為因素的干擾；

（2）采用一次滑行方法與多次滑行方法提取室內(nèi)輪胎／路面噪聲，具有同樣的精度，一次滑行方法操作簡(jiǎn)單、省工省時(shí)；

（3）室內(nèi)NVH轉(zhuǎn)鼓滾筒表面與室外測(cè)量路面的差異導(dǎo)致車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)外測(cè)量時(shí)輪胎／路面噪聲存在較大的偏差，這是通過(guò)噪聲室內(nèi)外測(cè)量結(jié)果不同的一個(gè)主要原因；

（4）開(kāi)展室內(nèi)外輪胎／路面噪聲替換后，車(chē)輛通過(guò)噪聲室內(nèi)測(cè)量結(jié)果與室外測(cè)量結(jié)果的差異可以控制在±1 dB（A）以內(nèi)，且室內(nèi)通過(guò)噪聲測(cè)量不受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地與環(huán)境的約束，可重復(fù)性好。