“通過噪聲”新法規對NVH的挑戰

董良 王暉

（華晨汽車工程研究院NVH 工程室）

統計資料顯示，城市環境噪聲的70%來源于機動車輛，汽車噪聲已成為環境噪聲的最大污染源。過高的汽車噪聲嚴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，這也是國內外汽車行業逐步對車外加速噪聲測量標準和限值加嚴的主要原因。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測試方法的差異。

1 新舊法規測試方法差異

汽車加速行駛車外噪聲法規是汽車產品上市時的強制性法規要求，道路上行駛的車輛基本都滿足該項法規。2007年歐洲經濟委員會（ECE）和國際標準化組織（ISO）在ECE R51.02 基礎上增加了附錄10，形成了車輛通過噪聲試驗新方法（ECE R51.03 和ISO 362—2007）。ECE R51.03 與 ECE R51.02 在試驗條件、試驗方法及結果處理等方面存在很大差別，這將直接對汽車廠商新產品的研發產生顯著影響。為與國際接軌，我國按照ECER 51.03 在現行國標GB 1495—2002 基礎上制定了新的車外加速噪聲測試方法GB 1495—20××。

1.1 GB 1495—20××產生的背景

通過強制執行車輛通過噪聲法規，車輛車外通過噪聲有了很大降低，ECE 限值在20年內從82 dB（A）下降到74 dB（A），而且現行方法已經推廣到全世界。但是從ECE 調查結果來看，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。

一個主要原因是現行方法中執行的試驗工況與城市工況下噪聲相似性很差。現行方法采用的工況是2 擋、3 擋油門或節氣門全開加速，而城市運行的工況絕大部分都是油門或節氣門部分開啟加速，以及低速勻速行駛。另一個原因是隨著發動機和變速器技術的發展，汽車的主要噪聲源發生了變化，導致當初制定試驗方法的一些假設條件也發生了變化。基于以上原因，根據現行方法所得到的結果不能反映目前實際城市工況中的汽車噪聲，所以需要一個能反映實際噪聲水平的新方法來進一步推進汽車噪聲的改善。ECE 研究發現，同一輪胎在不同車速下噪聲變化的范圍可達到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該引起關注。因此，在GB 1495—20××中引入了勻速測試工況體現車輛輪胎路面噪聲[1]。

1.2 測試車速的來源

GB 1495—20××規定被試汽車最前端通過 AA′ 線時車速為50 km/h，而GB 1495—20××修改為被試汽車的參考點通過PP′ 線時車速要達到50 km/h，這意味著進線速度下降了。ECE 在幾個中型城市中對交通噪聲惱人程度進行了調查，結果如表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，達到73%，同時對該類型道路長度與道路總長度之比進行了統計，該類型道路占比達到67%。調查發現，在城市主干道和車輛加速的瞬時噪聲最惱人[2]。

表1 城市中交通噪聲最惱人路段

另一個調查發現，在限速50 km/h 的主干道上行駛時，平均速度達到50 km/h 時使受訪者感到惱人發生的概率最高。基于這2 項研究，GB 1495—20××規定在試驗時汽車經過PP′線時車速必須達到（50±1）km/h[3]。

1.3 測試方法及結果差別

GB 1495—20××與 GB 1495—2002 在場地條件方面相同，測量區均為最小的標準試驗路面，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，測試數據較少，而從2007年7月開始，在歐洲、日本和美國開始同時運用ECE R51.02 和ECE R51.03 進行車外通過噪聲認證，對ECE R51.03 測得的數據進行積累，為下一階段提出合適的限值做準備。從所收集的數據進行分析[4]，圖2 示出27 輛裝有不同形式動力總成M1 類汽車運用ECE R51.02 和ECE R51.03 方法后噪聲測試結果的對比[4]。從圖2 可以看到，2 種方法測試結果之間沒有必然的聯系。從手動擋的結果看，ECE R51.03 結果普遍小于ECE R51.02。這主要是由于2 種方法測試時發動機運行的狀態是有明顯區別的。ECE R51.02 測試時的發動機轉速高，扭矩大，反映了在全負荷下的發動機噪聲；ECE R51.03 測試時的發動機轉速低，扭矩小，反映了部分負荷下的發動機噪聲。ECE R51.03 需要更加關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行研究，即分析其影響因素，并且掌握噪聲的產生機理，進而采取有效的控制措施，達到降低噪聲的目的。

2.1 主要影響因素

轎車是一種由動力機驅動并且行駛于多種路面的交通工具，因而受動力機影響和路面激勵，使構成汽車3 大部件（即發動機、底盤和電氣系統）的所有部件都會產生噪聲和振動，只是對汽車總噪聲貢獻大小不同而異。影響汽車車外加速噪聲的主要聲源包括：發動機噪聲、進氣噪聲、排氣噪聲、冷卻系統噪聲及輪胎噪聲等。這些噪聲源互相關聯并互相作用，各聲源的產生機理和傳遞途徑也錯綜復雜。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和傳播方向，做到以高聲源方向為重點，以噪聲最大衰減量為目標。

2.2 發動機噪聲

發動機噪聲是主要的噪聲源之一，是首先應當開展噪聲控制的因素。在我國，小型轎車車外加速噪聲中，發動機噪聲約占55%。

發動機噪聲主要包括燃燒噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲。機械噪聲和燃燒噪聲是通過內燃機的外表面向外輻射，而空氣動力噪聲主要是在進氣和排氣過程產生，它直接向大氣輻射。燃燒噪聲聲強與壓力升高率的平方成正比，噪聲聲壓級與放熱率的對數成正比，燃燒噪聲還與滯燃期及轉速負荷等有關。機械噪聲主要是活塞敲擊、配氣機構的摩擦、沖擊、齒輪嚙合、皮帶打滑、軸承工作、正時系統、輔機系統及供油系統噪聲等。

2.3 排氣噪聲

排氣噪聲是汽車及發動機中能量最大最主要的噪聲源，一般要比發動機本體噪聲高出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。

發動機在運動時產生的壓力波在排氣管道中傳播從而形成空氣噪聲；排氣管道中不穩定的氣流會對管道產生沖擊，從而形成沖擊噪聲；排氣系統的管道和消聲元件被機械振動激勵或者受內部流體壓力波動引起振動，這些被激勵的結構對外將聲輻射出去，形成輻射噪聲；當管道中氣體流動速度非常高時，流體與管壁之間產生摩擦，一方面形成紊流，擾動板振動并產生輻射噪聲，另一方面當氣流傳到尾管時對外發出巨大的噪聲，即氣流摩擦噪聲。

2.4 進氣噪聲

進氣門周期性開閉引起進氣系統管道內壓力起伏變化，從而形成空氣動力性噪聲，稱之為進氣噪聲。進氣系統噪聲主要是指進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。進氣噪聲是車外加速噪聲的主要噪聲源之一，同時對于駕駛室內噪聲的貢獻也非常大。

2.5 風扇噪聲

風扇噪聲在空氣動力噪聲中一般小于進排氣噪聲，但在風冷發動機中，風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車內空調系統及排氣凈化裝置等原因，使發動機罩內溫度上升，風扇負荷加大，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際貢獻是開展下一步分析和控制工作的重要前提。文章運用排除法對各個系統貢獻量進行分析。排除法就是分別測試單一系統噪聲存在和不存在2 種情況下測試點的噪聲，從而通過計算將單一系統的噪聲從整體噪聲中分離出來。假設單一系統噪聲存在時，給定測點測量的聲壓級為Lp1，將單一噪聲近似消除后在同一測點測量的聲壓級為Lp2，那么根據聲學能量迭加原理，可以計算出單一系統在單獨正常工作時輻射的噪聲在測試點的聲壓級 Lp1，2為：

通過上述方法及式（1）可以將各個系統單獨工作時對于測試點的輻射噪聲測試出來，進而可以進行所占百分比的計算。

3.1 各系統貢獻量測試方法

3.1.1 原始基礎狀態測試

汽車在原始的正常工作狀態下，根據新的測試方法分別進行加速和勻速測試，記錄測試結果。

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，并運用鉛板將汽車自帶消聲器進行包裹處理，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。在這種條件下進行測試，將測試結果與基礎測試結果按照式（1）進行計算，可得到排氣噪聲的影響。

3.1.3 進氣噪聲排除測試

與排氣噪聲的處理方法類似，在進氣口安裝足夠大容積的消聲器，排除進氣口噪聲的影響，同樣進行測試和計算，得到進氣口噪聲的影響結果。

3.1.4 冷卻風扇噪聲排除測試

將冷卻風扇控制繼電器拆除，保證在測試過程中冷卻風扇處于關閉狀態，進而排除冷卻風扇噪聲的影響。按照標準進行測試及公式計算。

3.1.5 發動機噪聲排除測試

采用鉛皮將發動機底部及側面可以進行包裹的地方進行包裹處理，盡可能保證無噪聲向外輻射。

3.1.6 其他噪聲排除測試

切斷發動機的燃油供給，并且保持離合器分離，即消除發動機的燃燒噪聲和機械噪聲，以及進排氣噪聲和冷卻風扇噪聲。利用牽引車牽引試驗車進行測試，注意要使牽引車和測試車保持足夠距離，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，無需再按照公式進行計算。

3.2 某款車型測試及結果分析

對某款轎車進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，因此只采用了3 擋加速測試和50 km/h的勻速測試，測試結果，如表3所示。

表3 某款轎車車外噪聲排除法測試結果dB（A）

通過聲壓級的百分比計算，可將表3 中的數據轉換為更加直觀的柱狀圖，如圖3所示。從圖3 中可以看出，在加速噪聲中發動機噪聲貢獻量最大，其次是排氣噪聲，其他噪聲源影響較小；勻速噪聲中其他噪聲貢獻量最大，分析主要是輪胎噪聲成分最大，其次是發動機噪聲。從測試結果可以看出，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該從加速噪聲中所占百分比較大的發動機和排氣噪聲入手。對于發動機本體無法進行優化工作，可以增加一些隔聲降噪的材料，如下護板和隔熱罩等。對于排氣系統可以進行排氣的專項測試并進行優化，從而降低總體的車外噪聲。

4 結論

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：發動機噪聲、排氣噪聲、進氣噪聲、其他噪聲及冷卻風扇噪聲。因此，利用排除法可以有效判定汽車各個噪聲源對于車外加速噪聲的貢獻量，從而對各個噪聲源按照貢獻量的大小，進行問題原因分析，對于貢獻量較大的噪聲源進行優化，進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，同時也能夠滿足日趨嚴格的法規。