電動(dòng)汽車低速提示音系統(tǒng)測(cè)試分析

馬 可，陳 煜，李孟員

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022；2.江蘇省特種機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213022）

純電動(dòng)汽車以低于20 km/h的車速行駛時(shí)，車外噪聲平均比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車低10分貝左右，使得道路的其他使用者不容易察覺(jué)到車輛的接近，容易導(dǎo)致發(fā)生交通事故[1]。為解決此問(wèn)題，國(guó)際上近年來(lái)的研究一致傾向于在安靜行駛的車輛上配備一種能夠在低速時(shí)發(fā)出提示音的系統(tǒng)，旨在提醒前方行人正有車輛向他們靠近，做好避讓準(zhǔn)備，以此來(lái)減小與行人發(fā)生交通事故的概率[2]。

2009年日本某機(jī)構(gòu)研究表明，車輛的提示音系統(tǒng)對(duì)于幫助行人或者有視力障礙的人士辨識(shí)出低速行駛的電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車有著重要作用[3]。2011年美國(guó)頒布了法案要求有關(guān)部門制定一項(xiàng)美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車安裝低速提示音有了明確規(guī)定[4]。2016年聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)發(fā)布了《電動(dòng)汽車在低速行駛時(shí)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車輛需發(fā)出同等音量聲音的安全標(biāo)準(zhǔn)》，明確規(guī)定電動(dòng)汽車需要安裝低速提示音裝置，這是為了保證行人尤其是一些行動(dòng)不便或者患有視覺(jué)障礙的人士的安全[5]。國(guó)內(nèi)從2010年開(kāi)始了電動(dòng)汽車低速提示音相關(guān)的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的研究，主要涉及提示音工作時(shí)的車速范圍、聲級(jí)限值、頻率要求、聲音類型要求和試驗(yàn)方法等[6]，如中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司陸春等分析了電動(dòng)汽車低速提示音的聲學(xué)特性和技術(shù)要求[7]。

在建立標(biāo)準(zhǔn)方面，GB/T28382－2012《純電動(dòng)乘用車技術(shù)條件》中對(duì)電動(dòng)車配備低速提示音系統(tǒng)進(jìn)行了定性要求[8]；本文從聲音的傳遞路徑角度出發(fā)，針對(duì)國(guó)內(nèi)某型自主生產(chǎn)的純電動(dòng)汽車，依據(jù)GB/T 37153－2018《電動(dòng)汽車低速提示音》中有關(guān)規(guī)定對(duì)其進(jìn)行低速提示音的研究。主要包括其提示音對(duì)車外行人的警示效果是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而起到在行駛時(shí)提示行人的作用并且也不至于產(chǎn)生過(guò)大的噪聲，當(dāng)不滿足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)通過(guò)一些改變聲音傳遞路徑的方法來(lái)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 主要測(cè)試參數(shù)

在GB/T 37153－2018《電動(dòng)汽車低速提示音》中，對(duì)電動(dòng)汽車低速提示音主要的有關(guān)規(guī)定如下：

1.1 車輛聲級(jí)試驗(yàn)

車輛聲級(jí)試驗(yàn)中傳聲器的位置應(yīng)處于圖1所示的PP′線上，其到CC′線之間的距離為2.0 m±0.05 m。傳聲器應(yīng)布置于水平面以上高1.2 m±0.02 m處，其應(yīng)當(dāng)與水平面平行，并且指向與車輛的中軸線（圖1中的CC′線）垂直。

圖1 傳聲器的位置

1.2 聲級(jí)限值及頻率要求

依據(jù)規(guī)定的測(cè)量方法獲得的電動(dòng)汽車車外噪聲應(yīng)當(dāng)在其所包含的各個(gè)1/3倍頻程上，其中在至少兩個(gè)1/3倍頻程上不小于表1中所規(guī)定的聲級(jí)，且同時(shí)滿足表1 中對(duì)其總聲級(jí)的要求。這兩個(gè)1/3 倍頻程的最小聲級(jí)不得低于表1中所要求的對(duì)應(yīng)的聲級(jí)限值且至少有一個(gè)1/3倍頻程在1 600 Hz（含）以下。

表1 最低聲級(jí)限值/dB(A)

由于頻移不是本研究重點(diǎn)，因此未作頻移說(shuō)明。

2 車輛初始狀態(tài)測(cè)試

本測(cè)試所用車輛為國(guó)內(nèi)某型已上市的純電動(dòng)汽車，其所用的低速提示音系統(tǒng)由漢德利（常州）電子股份有限公司生產(chǎn)，其會(huì)在車輛速度低于20 km/h時(shí)發(fā)出提示音。

測(cè)試目的是收集試驗(yàn)車輛（初始狀態(tài)）在低速行駛并且開(kāi)啟低速提示音時(shí)的車外聲級(jí)有關(guān)參數(shù)，包括聲級(jí)以及1/3倍頻程圖。

2.1 測(cè)試方法

2.1.1 測(cè)試設(shè)備及測(cè)試環(huán)境

本測(cè)試作為一種聲學(xué)試驗(yàn)，用到的設(shè)備主要有測(cè)試用傳聲器（麥克風(fēng)）和多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（包括多通道數(shù)據(jù)采集前端和測(cè)試軟件），測(cè)試環(huán)境為整車四驅(qū)轉(zhuǎn)轂半消聲室。

2.1.2 測(cè)試工況及測(cè)點(diǎn)

（1）D檔（前進(jìn)檔）：在整車四驅(qū)轉(zhuǎn)轂半消聲室的四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上，測(cè)試車輛分別以10 km/h和20 km/h的速度勻速行駛；

（2）R檔(倒車檔)：在整車四驅(qū)轉(zhuǎn)轂實(shí)驗(yàn)室的四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上，測(cè)試車輛以6 km/h的速度勻速行駛；

（3）測(cè)點(diǎn)：車外前艙左側(cè)和右側(cè)各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

圖2 車外測(cè)點(diǎn)

2.1.3 測(cè)試步驟

（1）將試驗(yàn)車輛置于整車半消聲室的四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上；

（2）按照要求將傳聲器布置到相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)上，利用信號(hào)傳輸線連接傳聲器、多通道數(shù)據(jù)采集前端和計(jì)算機(jī)；

（3）在計(jì)算機(jī)上對(duì)測(cè)試軟件進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，利用測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作。

倒檔測(cè)試的步驟與前進(jìn)檔一致，不同點(diǎn)在于需要在車后左右布置麥克風(fēng)，如圖3所示。

圖3 倒檔測(cè)試

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

圖4 為車輛處于原始狀態(tài)時(shí)車外各工況的1/3倍頻程聲級(jí)和總聲級(jí)柱狀圖。其中橫坐標(biāo)為1/3 倍頻程頻率，范圍是表1 中規(guī)定的160 Hz～5 000 Hz，縱坐標(biāo)為各頻率上的聲級(jí)，最右側(cè)兩個(gè)柱從左至右分別為左測(cè)點(diǎn)總聲級(jí)和右測(cè)點(diǎn)總聲級(jí)。從圖4(a)中可以看出，在車速為10 km/h時(shí)，只有一個(gè)1/3倍頻程（中心頻率為200 Hz 頻段）的車外左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)同時(shí)高于目標(biāo)線，不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。對(duì)于總聲級(jí)，左測(cè)點(diǎn)總聲級(jí)為56.43 dB(A)，但右測(cè)點(diǎn)總聲級(jí)為51.97 dB(A)，小于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的52.00 dB(A)。從圖4(b)中可以看出，在車速為20 km/h時(shí)，未達(dá)到1/3 倍頻程的車外左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)同時(shí)高于目標(biāo)線，不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。而對(duì)于總聲級(jí)，左測(cè)點(diǎn)為60.91 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)為61.11 dB(A)，符合標(biāo)準(zhǔn)中58 .00 dB(A)的最小規(guī)定。從圖4(c)中可以看出，在車速為R檔（倒檔）6 km/h時(shí)，車外左測(cè)點(diǎn)總聲級(jí)為49.61 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)總聲級(jí)為55.55 dB(A)，均符合標(biāo)準(zhǔn)中49.00 dB(A)的最小規(guī)定。

圖4 車外各工況下1/3倍頻程聲級(jí)圖

3 低速提示音優(yōu)化試驗(yàn)

從上文的測(cè)試結(jié)果可以看出，該測(cè)試車車外聲級(jí)1/3倍頻程存在不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求的情況，因此將從低速提示音傳遞路徑的角度考慮，試圖通過(guò)一定的優(yōu)化手段，改變傳遞路徑，從而使其低速提示音符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3.1 更改音源位置試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)原理

從能量的角度來(lái)分析，聲音在介質(zhì)中的傳遞時(shí)，其聲能會(huì)逐漸減小，該過(guò)程被稱為聲能衰減。造成聲能衰減的因素有很多，比如由于聲音傳遞范圍的增大而導(dǎo)致的幾何擴(kuò)散衰減、空氣吸收而導(dǎo)致的吸收衰減以及壁面或構(gòu)筑物等因素而導(dǎo)致的其它衰減。根據(jù)聲學(xué)有關(guān)理論，半自由聲場(chǎng)中到聲源的距離不同，其聲級(jí)也會(huì)不同，且距離越遠(yuǎn)，其聲級(jí)下降越明顯[9]。由于本研究是在半消聲室環(huán)境中進(jìn)行，可以認(rèn)為是處于半自由聲場(chǎng)中，因此考慮到與聲源的距離不同的位置處，低速提示音對(duì)車外行人的影響可能會(huì)發(fā)生改變，所以進(jìn)行更改音源位置的試驗(yàn)，以探求其不同位置時(shí)發(fā)出的聲音對(duì)車內(nèi)外人員的影響。

3.1.2 位置方案

從聲音的傳播路徑來(lái)看，音源越靠近前保險(xiǎn)杠，其傳遞到車外的路徑上的阻礙越少，傳遞到車內(nèi)的路徑上的阻礙越多，這樣可以盡可能保證音源對(duì)車外影響大，對(duì)車內(nèi)影響小。因此音源放置的位置盡可能靠近前保險(xiǎn)杠，本文所用試驗(yàn)車輛在初始狀態(tài)下的音源位于前艙保險(xiǎn)杠右端車燈下方部位，如圖5(a)所示。選取以下3 個(gè)位置進(jìn)行試驗(yàn)：車前保險(xiǎn)杠右端（初始狀態(tài)）、中間以及左端（與右端對(duì)稱），這3個(gè)位置位于同一水平線上且相鄰兩個(gè)位置的間距相等，如圖5(b)所示。

圖5 音源初始位置及位置方案

3.2 護(hù)板開(kāi)孔試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)原理

在汽車行業(yè)中，降低噪聲常用到的方法是隔聲，即利用隔聲材料來(lái)阻檔或減少聲音的傳遞路徑。材料的隔聲能力以隔聲量大小來(lái)度量，一般以從材料一側(cè)的入射能和另一側(cè)的透射能的差值來(lái)當(dāng)作材料的隔聲量，該差值越大表明隔絕噪聲的效果越好。

由隔聲量相關(guān)理論可知，當(dāng)材料上的孔洞面積是整個(gè)結(jié)構(gòu)面積的1%時(shí)，雖然假定結(jié)構(gòu)材料的傳聲系數(shù)為0，但此時(shí)由于孔洞的存在，車身結(jié)構(gòu)的隔聲量也只有20 dB；而當(dāng)孔洞面積是整個(gè)結(jié)構(gòu)面積的10%時(shí)，車身結(jié)構(gòu)的隔聲量為10 dB。所以，當(dāng)車輛存在孔洞和縫隙時(shí)能夠在一定程度上改變結(jié)構(gòu)的隔聲量[10]。根據(jù)以上分析，從減小隔聲的角度考慮設(shè)計(jì)開(kāi)孔試驗(yàn)。

3.2.2 開(kāi)孔方案

本方案選擇開(kāi)孔位置為音源下方底護(hù)板，音源的尺寸長(zhǎng)和寬均為77 mm，開(kāi)孔時(shí)考慮孔應(yīng)覆蓋其出音口面積，且應(yīng)盡量減小對(duì)底護(hù)板的破壞，因此設(shè)計(jì)的開(kāi)孔為多個(gè)連續(xù)矩形孔。其尺寸為：長(zhǎng)80 mm，寬20 mm，相鄰兩個(gè)孔之間的間距為10 mm，總共開(kāi)4個(gè)孔，如圖6所示。

圖6 開(kāi)孔方案示意圖

在完成開(kāi)孔操作后，進(jìn)一步分析音源朝向。試驗(yàn)車輛初始狀態(tài)下的音源出音口朝向是面向車輛正前方，其發(fā)出的聲音會(huì)直接傳遞到向前保險(xiǎn)杠，而保險(xiǎn)杠具有一定的隔聲量，所以聲音碰到保險(xiǎn)杠時(shí)可能會(huì)發(fā)生衰減，因此考慮改變音源朝向。

音源初始朝向如圖7(a)所示，更改后的朝向如圖7(b)所示。

圖7 音源朝向

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 音源位置試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)車輛在初始狀態(tài)下的音源位于右端車燈下方部位，其試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。進(jìn)行更改音源位置試驗(yàn)時(shí)，則將音源位置設(shè)置在前艙保險(xiǎn)杠中間以及左端車燈下方部位。

4.1.1 音源置于中間位置

圖8所示為將音源放置于前保險(xiǎn)杠中間位置時(shí)車外各工況下的1/3倍頻程聲級(jí)圖。

從圖8(a)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔10 km/h時(shí)，只有一個(gè)1/3 倍頻程（中心頻率為200 Hz 頻段）的車外左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)同時(shí)高于目標(biāo)線，此結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。但對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為56.40 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為53.14 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的52.00 dB(A)。

從圖8(b)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔20 km/h時(shí)，并不存在某個(gè)1/3倍頻程的車外左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)同時(shí)高于目標(biāo)線，此結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。但對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為61.45 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為61.21 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的58.00 dB(A)。

從圖8(c)中可以看出，在車速為倒檔6 km/h時(shí)，對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為48.49 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為54.91 dB(A)，前者不滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的49.00 dB(A)，但后者滿足要求。

4.1.2 音源置于左端位置

圖9所示為將音源放置于前保險(xiǎn)杠左端位置時(shí)車外各工況下的1/3倍頻程聲級(jí)圖。

從圖9(a)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔10 km/h時(shí)，只有一個(gè)1/3 倍頻程（中心頻率為200 Hz 頻段）的車外左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)同時(shí)高于目標(biāo)線，此結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。但對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為56.66 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為52.53 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的52.00 dB(A)。

從圖9(b)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔20 km/h時(shí)，只有一個(gè)1/3 倍頻程（中心頻率250 Hz 頻段）的車外左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)同時(shí)高于目標(biāo)線，此結(jié)果不滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。但對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為61.10 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為60.89 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的58.00 dB(A)。

從圖9(c)中可以看出，在車速為倒檔6 km/h時(shí)，對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為47.09 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為54.52 dB(A)，前者不滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的49.00 dB(A)，但后者滿足要求。

為方便分析，現(xiàn)將音源置于不同位置時(shí)的數(shù)據(jù)整理成表2，從圖8、圖9 和表2 中結(jié)果對(duì)比來(lái)看，音源放置在不同位置時(shí)，各工況下車外測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程聲級(jí)圖均沒(méi)有過(guò)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)線，并且左右測(cè)點(diǎn)的總聲級(jí)在數(shù)值上相差不大，說(shuō)明低速提示音對(duì)車外行人的影響與音源在前艙的位置并無(wú)太大的關(guān)聯(lián)，即改變音源位置無(wú)法增強(qiáng)低速提示音的提示作用。

圖8 音源置于中間時(shí)車外各工況下1/3倍頻程聲級(jí)圖

圖9 音源置于左端時(shí)車外各工況下1/3倍頻程聲級(jí)圖

表2 音源位于不同位置時(shí)的總聲級(jí)匯總/dB(A)

4.2 護(hù)板開(kāi)孔試驗(yàn)結(jié)果分析

圖10 所示為在底護(hù)板開(kāi)孔時(shí)車外各工況下的1/3倍頻程聲級(jí)圖。

從圖10(a)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔10 km/h時(shí)，有兩個(gè)1/3倍頻程（中心頻率為200 Hz頻段和250 Hz頻段，均低于1 600 Hz）的車外左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)同時(shí)高于目標(biāo)線，此結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。另外對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為56.77 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為53.55 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的52.00 dB(A)。

圖10 底護(hù)板開(kāi)孔時(shí)車外各工況下1/3倍頻程聲級(jí)圖

從圖10(b)中可以看出，在車速為前進(jìn)檔20 km/h時(shí)，有兩個(gè)1/3倍頻程（中心頻率為250 Hz頻段和315 Hz頻段，均低于1 600 Hz）的車外左測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)同時(shí)高于目標(biāo)線，此結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)中的要求。另外對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為61.25 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為60.95 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的58.00 dB(A)。

從圖10(c)中可以看出，在車速為倒檔6 km/h時(shí)，對(duì)于總聲級(jí)而言，左測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為50.65 dB(A)，右測(cè)點(diǎn)聲級(jí)為55.63 dB(A)，均滿足標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最低總聲級(jí)所要求的49.00 dB(A)。

根據(jù)以上結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)開(kāi)孔操作后車外各測(cè)點(diǎn)在各工況下的1/3 倍頻程聲級(jí)均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定，并且從整體上來(lái)看車外測(cè)點(diǎn)的聲級(jí)相比于初始狀態(tài)有一定的增大。因此可以認(rèn)為底護(hù)板開(kāi)孔（包含改變音源朝向）操作能增強(qiáng)低速提示音對(duì)車外人員的影響。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）確定試驗(yàn)工況以及測(cè)點(diǎn)，在整車四驅(qū)轉(zhuǎn)轂半消聲室中對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行初始狀態(tài)下的測(cè)試，獲取其車外有關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)。將車外數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)中的要求對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其1/3倍頻程聲級(jí)圖中的數(shù)據(jù)并不滿足規(guī)定（達(dá)不到表1中的要求）。

（2）根據(jù)相關(guān)原理分別設(shè)計(jì)了更改音源位置試驗(yàn)和護(hù)板開(kāi)孔試驗(yàn)。對(duì)于更改音源位置試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的3 個(gè)位置為車前保險(xiǎn)杠右端（初始狀態(tài)）、中間以及左端（與右端對(duì)稱）。

（3）位置試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果表明音源放置于不同的位置對(duì)低速提示音的影響并不明顯（如車速為10 km/h 時(shí)車外左側(cè)點(diǎn)的聲級(jí)均在56 dB～57 dB）。對(duì)于護(hù)板開(kāi)孔試驗(yàn)（包含改變音源朝向），各工況下車外測(cè)點(diǎn)的1/3倍頻程聲級(jí)圖均通過(guò)了目標(biāo)線，從整體上來(lái)看各左右測(cè)點(diǎn)的總聲級(jí)在數(shù)值上相比于車輛初始狀態(tài)有一定的增大（如車速為10 km/h時(shí)車外右測(cè)點(diǎn)為53.55 dB，大于初始的51.97 dB）。因此認(rèn)為相比于原狀態(tài)，底護(hù)板開(kāi)孔且音源朝下對(duì)增強(qiáng)試驗(yàn)車輛低速提示音的影響效果更好。