基于電子模塊控制的摩托車噪聲測試系統設計

李　晶　袁克忠（天津內燃機研究所　天津　300072）

·設計·計算·

基于電子模塊控制的摩托車噪聲測試系統設計

李晶袁克忠
（天津內燃機研究所天津300072）

摘要：基于對美國摩托車噪聲法規的研究，設計了摩托車噪聲測試系統。試驗表明，該系統具有良好的可靠性和穩定性，結構簡單、方便操作、測量精度高，滿足美國摩托車噪聲標準的要求。

關鍵詞：摩托車噪聲測試系統關閉轉速加速點

引言

近年來，我國摩托車出口銷量持續穩定運行。2013年，我國出口摩托車整車產品987.74萬輛，同比增長1.84%；出口金額52.66億美元，同比增長3.94%。出口北美市場19.57萬輛，金額1.15億美元，同比增長率分別為-8.84%和2.48%，出口單價同比增長12.41%。我國摩托車出口美國和加拿大等北美市場，需要滿足美國環保署摩托車噪聲法規（CFR40 PART 205）的要求。目前，大部分廠家在美國或加拿大進行噪聲認證試驗，費用高、效率低；國內的檢測機構在進行噪聲認證試驗時，采用駕駛員目測發動機轉速來確定試驗的加速點，這種方法費時費力、準確性很差[1]。因此，本文通過對美國摩托車噪聲法規及其試驗方法的研究，設計了符合美國標準的摩托車噪聲測試系統，該系統能夠自動確定試驗的加速點，滿足方便、快捷進行美國噪聲標準試驗的要求，從而大大降低試驗費用和試驗周期，并極大提高了試驗的準確性和試驗的工作效率。

1　美國摩托車噪聲法規

1.1美國摩托車噪聲法規概況

美國聯邦政府授權美國環境保護署建立、實施相關噪聲控制標準。美國環境保護署制定的機動車噪聲標準收錄在聯邦法規集（Code of FederalRegulation）中成為國家法規，其代號為CFR 40 PART 205，摩托車噪聲為其中的D、E部分。該法規適用于城市輕便摩托車、城市摩托車以及越野摩托車。對于以下及以后年型的摩托車，其噪聲不得超過表1所示水平[2-3]。

在美國的聯邦法規中，還規定了一個低噪聲產品標準，具體限值見表2，鼓勵摩托車制造商生產的摩托車達到此低限值[2-3]。此限值非強制執行，屬自愿性質。

1.2美國摩托車噪聲法規試驗方法

1.2.1試驗環境及條件

試驗場地：如圖1所示，進行噪聲測試的場地必須滿足一定的聲場條件，要求在測試場地最大輪廓范圍內，沒有停放的車輛、建筑物或山坡等大的聲反射物。測試路面要求至少在圖中的三角形區域內為平坦水平的混凝土或瀝青路面。

背景噪聲：比受試車在聲級計傳聲器處產生的噪聲級至少低10dB（A）[2]。

氣象條件：風速小于20 km/h（5.5m/s）。

表1　美國摩托車噪聲限值

表2　美國摩托車低噪聲產品標準限值

圖1 EPA噪聲測試場地

1.2.2聲級計

聲級計為符合ANSI標準的精密聲級計，聲級計傳聲器距離車輛行駛中心線15±0.3m，離地高度為1.2±0.1m。

1.2.3測試方法

為了便于理解標準，我們在測試過程中定義下列位置點（見圖1）：

A（傳聲器目標點）：行車路線上的一個參考點；

B（加速點）：摩托車由勻速轉為加速行駛的位置；

C（終點）：行車路線上在傳聲器目標點外7.5± 0.3m處，車輛終止加速行駛的位置。

摩托車（輕便摩托車除外，輕便摩托車測試方法不考慮加速點B）入線轉速為50%最大功率轉速與關閉轉速的90%的穩定轉速兩者中較低者；檔位采用二檔（自動變速車輛除外）；關閉轉速為摩托車到達加速終點C，結束加速關閉油門時發動機的轉速。

關閉轉速按照發動機的排量來確定，表3規定了對應不同排量的發動機，關閉轉速與最大功率轉速的百分比。

表3　發動機排量與關閉轉速對應表

測量噪聲時，摩托車以二檔保持穩定入線轉速沿行車路線前進。當摩托車的前端到達加速點B時，圓滑地開大油門并達到全開，全力加速直至在離終點C±1m的范圍內達到關閉轉速，此時圓滑地關閉油門并達到完全關閉。記錄摩托車通過時的最高聲壓級作為測量結果，測量連續進行[2]。

在上述試驗過程中，確定加速點B的位置是整個試驗的難點。由于不同的摩托車關閉轉速不同，車輛加速性能不同，因此造成加速區間BC距離不同，加速點B的位置不是固定的，每次試驗需要首先確定加速點。需要注意的是從加速點B到終點C點的距離必須至少是10m，否則必須使用較高可選擇檔位重新確定加速點B，直到滿足要求。

2　測試系統工作原理

在噪聲測試試驗開始前，確定加速點B的位置為整個測試試驗的關鍵。從與試驗方向相反的的方向以50%的最大功率轉速（或關閉轉速的90%的較低者）的穩定轉速接近終點C。當摩托車的前端到達（從相反方向接近）終點C時，必須圓滑地打開油門使摩托車加速，以全開油門經過傳聲器目標點A。當摩托車達到關閉轉速時，必須圓滑地使油門完全關閉。在油門關閉時的摩托車前端位置就是試驗行車的加速點B。必須以相反方向進行試驗行車，可以進行足夠次數的試行車，以保證準確地確立加速點的位置。

2.1測試系統的組成

整個測試系統主要包括點火感應信號傳感器、控制器、噴印設備三部分組成，如圖2所示。

圖2　測試系統工作原理圖

分別實現轉速輸入、f/v變換、關閉轉速設定、轉速比較、執行噴印動作等功能。基于電子模塊數據處理技術，該儀器提取摩托車發動機點火感應信號，經放大、整形、f/v變換、A/D轉換，將發動機轉速變成直讀數字量。系統可以根據試驗確定的發動機轉速設定相應的模擬電壓，當發動機的實際轉速所轉換成的模擬電壓超過設定值時，發出控制信號，令噴印器向地面噴射出濕棉球，牢固地附著在地面上。同時，訊響器發出聲光，便于尋找噴射的棉球位置，從而確定摩托車返程時的加速起點B。

2.2噴印設定/測量顯示單元（前面板）

噴印設定/測量顯示單元電路如圖3所示。

圖3　噴印設定/測量顯示單元電路簡圖

關閉轉速的設定：調整前面板電位器振蕩頻率，使其關閉轉速符合標準規定的要求。

前面板顯示器調整說明：

1）調整R1相接電位器，使其振蕩頻率為42.6666 kHz，分別經256和512分頻，得166.66 Hz和83.33 Hz對應10 000 r/min和5 000 r/min，調整頻率/電壓電路中的n1和n2電位器，使頻率/電壓輸出4V和8V；

2）調整W1，將1V信號輸給3 1/2面板表，此時應顯示1000。否則，微調W1，使顯示為1000；

3）調整衰減電位器，當K3置于K3B時，K1置于K1B時，面板表亦顯示1000；

4）K1置于K1A，K2置于K2B，K3置于K3B，調整X8電路中的電位器，使設定值小于10 000 r/min時，比較器輸出為“0”，而設定值大于等于10 000 r/min，比較器輸出為“1”；

5）復查n＝5 000 r/min時的動作情況也應如上。

2.3點火感應脈沖電平轉換

點火感應脈沖電平轉換電路如圖4所示。

發動機轉速信號的采集及轉化是測試系統實現轉速比較及控制的基礎。本系統采用次級高壓線感應傳感器獲取發動機點火線圈點火信號，將此高頻脈沖點火信號轉化為與轉速對應的電壓信號。由于發動機工作過程中存在電磁騷擾現象，為獲得穩定、準確的發動機轉速信號，本系統在電路處理上采用了各項應對措施。

電路簡要說明：

1）U1B左邊是輸入電路。其特點是，不論點火高壓感應脈沖使V1輸出何種脈沖，U1B都將輸出滿足下級（U2）所需的負觸發脈沖。調整RW2使接收到點火高壓感應脈沖后V1輸出電平產生跳動，因R8、C3構成的時間常數較大，U1A 2腳的電平代表沒有點火信號時的平均電平，而U1A 1腳反映有點火信號時所產生的電平變化（無論電平由高變低，還是相反），這一變化經異或門U1A將輸出正脈沖，而U1B則輸出負脈沖（電路中U1B相當反相器）；

2）光電耦合器在此雖不再起隔離作用，由于選用的光耦4N25響應時間較慢，它能剔除高頻干擾信號，而可靠地拾取點火高壓感應信號；

3）U6A構成了施密特觸發器，將光耦輸出的信號再整形；

4）U4設置了W1，可調整滿量程（頻率上限）轉換電平的幅度；

5）R3、C7是濾波阻容器件，它均衡輸出電平紋波小，相應時間快的矛盾；

6）U6D是同相跟隨器，為提高輸出載荷而設置。2.4噴印比較驅動及電源單元

噴印比較驅動及電源單元電路如圖5所示。

圖4　點火感應脈沖電平轉換電路簡圖

圖5　噴印比較驅動及電源單元電路簡圖

采集發動機轉速，時時與關閉轉速進行比較。當發動機的實際轉速所轉換成的模擬電壓超過設定值時，發出控制信號，令噴印器向地面噴射出濕棉球，牢固地附著在地面上，以確定加速點B的位置。

經發動機點火裝置次級電壓感應傳感器，將發動機點火信號轉換成模擬電平之后，由插座Q3腳輸給電壓比較器的正相輸入端，調節電位器W1將測量要求的“關閉轉速”對應的電平電壓輸給比較器反相輸入端。在發動機的實際轉速超過“關閉轉速”的瞬間，比較器的輸出端由低電平立即變為高電平，直至試驗中調整發動機節氣門，使其轉速降至“關閉轉速”以下，比較器輸出端再次轉變為低電平，與此同時，關閉V1，使電容C1充滿電荷。由于電路結構中，在V1的集電極串聯了R5（30 kΩ）和小型繼電器的線圈（400Ω），只有當比較器輸出高電平，并在電容C1充滿電荷（C1兩端保有12 V）的瞬間，小型繼電器JZ的常開觸點才被接通，使噴印執行電磁鐵瞬間拉動噴印“槍”。而后，隨著C1儲存的電荷被釋放完畢，則小型繼電器不論比較器輸出是否高電平都將自行關閉。

3　測試系統性能分析

本測試系統采用的次級高壓線感應傳感器拾取發動機點火線圈點火信號，傳感器采集精度高，抗干擾能力強，使用方便。

美國摩托車噪聲測試系統的特點為：

1）在當發動機轉速達到設定值時，系統能夠自動在試驗道路上噴印加速點B的位置；

2）確定加速點B的位置時，迅響器發出聲光，便于尋找噴射的棉球位置；

3）該系統在加速噪聲測試點，能鎖存在該點的發動機轉速，從而驗證試驗的精度。

根據天津市計量監督檢測科學研究院測試結果（測試證書編號：XNcs082271），在發動機轉速2 000～10 000 r/min范圍內，測量準確度在實際發動機轉速的±3%以內；噴印最大延遲時間為20ms。經試驗驗證，整個測試系統的噴印位置誤差不超過±1m。

4　結論

通過對美國摩托車噪聲法規的研究，設計開發了適用于美國EPA法規的摩托車噪聲測試系統，該測試系統體積小重量輕，便于摩托車的車載試驗，方便攜帶。在國家摩托車質量監督檢驗中心（天津）的應用表明，該測試系統不僅大大提高了測試結果的精確度和準確度，科學準確可靠快捷地完成了美國摩托車噪聲的道路試驗，而且還縮短了檢驗時間，提高了工作效率，降低了檢驗成本，同時也減輕了駕駛員負擔。

參考文獻

1蘇梅，張丹，冷傳剛，等.摩托車加速噪聲自動測試系統的實現及通過噪聲特性分析[J].小型內燃機與摩托車，2010，39（5）：39-43

2美國環境保護署.美國聯邦法規CFR 40PART 205[EB/ OL].http：//www.ecfr.gov，2014-08-17

3尹濤.歐洲及美國摩托車噪聲管理及標準發展 [J].摩托車技術，2004（9）：21-23

中圖分類號：TK417+.125

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8234（2015）05-0071-05

收稿日期：（2015-05-25）

作者簡介：李晶（1981-），女，工程師，主要研究方向為摩托車標準分析及檢測技術。

Design ofM otorcycle Noise Test System Based on Electric M odule Control

Li Jing,Yuan Kezhong
Tianjin Internal Combustion Engine Research Institute(Tianjin,300072,China)

Abstract：Based on the study of themotorcycle noise regulations of US,motorcycle noise test system was designed.The Tests indicate that the system has good reliability and stability,it has simple structure and is convenient for operation.Themeasurement precision meets the requirements of the USmotorcycle noise regulations.

Keywords：Motorcycle,Noise,Testsystem,Closing RPM,Acceleration point