車外通過噪聲法規(guī)的勻速噪聲控制方法

梁銳 顧彥

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心）

隨著城市汽車數(shù)量的增多，汽車產(chǎn)生的噪聲問題正變得日益嚴(yán)重。汽車加速行駛車外噪聲法規(guī)ECE R51 02是汽車產(chǎn)品上市時(shí)的強(qiáng)制性法規(guī)要求，目前道路上行駛的車輛都已經(jīng)滿足該項(xiàng)法規(guī)，但城市中汽車噪聲問題依然沒有改善。為此，2007年聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（ECE）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）在ECE R51 02基礎(chǔ)上增加附錄10，形成了車輛通過噪聲試驗(yàn)新方法（ECE R51 03）。新方法（ECE R51 03）與老方法（ECE R51 02）在試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法及結(jié)果處理等方面存在很大的差別，這將直接對(duì)汽車廠商新產(chǎn)品的研發(fā)產(chǎn)生顯著的影響[1]。文章結(jié)合新測試方法，介紹了勻速測試工況引入的背景，以及勻速工況主要噪聲源（輪胎噪聲）的影響因素和控制方法。

1 新方法簡介

表1示出ECE R51 03與ECE R51 02的主要差別[2]。從表1可以看出，相對(duì)于老方法，新方法最明顯的變化在于增加了50 km/h勻速測試工況。

表1 ECE R51 03與ECE R51 02的主要差別

通過強(qiáng)制執(zhí)行車輛通過噪聲法規(guī)，車外噪聲有了很大降低，ECE限值在20年內(nèi)從82 dB下降到74 dB。這意味著現(xiàn)在約6輛汽車行駛中發(fā)出的噪聲與20年前1輛汽車發(fā)出的噪聲能量相當(dāng)。但是從調(diào)查結(jié)果來看，環(huán)境噪聲的降低并不如人意，城市中車輛引起的噪聲并沒有得到明顯的改善。ECE對(duì)城市中同一路段、同一時(shí)間、同樣交通流量下的噪聲進(jìn)行了監(jiān)控，從得到的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)境噪聲并沒有隨著限值的下降出現(xiàn)明顯的改善。

一個(gè)主要原因是老方法中執(zhí)行的試驗(yàn)工況與城市工況相似性差。現(xiàn)行方法采用的工況是2擋、3擋油門或節(jié)氣門全開加速，而這種工況在城市交通工況下很少出現(xiàn)，城市運(yùn)行工況絕大部分都是油門或節(jié)氣門部分開啟加速，以及低速勻速行駛工況。所以，新方法引入了勻速工況對(duì)油門或節(jié)氣門全開加速工況進(jìn)行平均，這樣得到的測試結(jié)果較老方法更接近城市工況。

還有一個(gè)原因是隨著發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及動(dòng)力總成噪聲降低，輪胎噪聲在汽車噪聲中占了主導(dǎo)比例。ECE研究發(fā)現(xiàn)[3]，同一輪胎在不同車速下噪聲變化可達(dá)25 dB，不同路面情況下噪聲又有10 dB的變化。汽車對(duì)于環(huán)境噪聲影響而言，輪胎路面噪聲的影響更應(yīng)該引起關(guān)注，這與人們的感受相一致。汽車的主要噪聲源發(fā)生了變化，導(dǎo)致當(dāng)初制定試驗(yàn)方法的一些假設(shè)條件也發(fā)生了變化。所以，需要引入勻速測試工況以期體現(xiàn)輪胎路面噪聲對(duì)環(huán)境的影響。

基于以上原因，根據(jù)老方法所得到的結(jié)果不能反映目前實(shí)際城市工況中的汽車噪聲，為此，新方法引入了勻速測試工況，以期更能體現(xiàn)現(xiàn)代車輛對(duì)環(huán)境噪聲的影響。

圖1示出歐洲數(shù)據(jù)庫[4]中新方法的勻速噪聲結(jié)果和最終結(jié)果的比較。

圖1 不同車型勻速噪聲結(jié)果和最終結(jié)果對(duì)比

從圖1中可以看出，勻速噪聲結(jié)果比最終噪聲結(jié)果平均低2～3 dB。按照聲學(xué)原理，從能量的角度來講，聲源1比聲源2低3 dB，則聲源1占聲源2能量的50%。所以勻速噪聲結(jié)果占最終噪聲結(jié)果能量的50%左右。因此，新方法勻速噪聲在最終噪聲結(jié)果中占比大，需要引起整車廠商的關(guān)注。

2 輪胎噪聲控制

新方法勻速測試工況體現(xiàn)了汽車輪胎路面噪聲，控制輪胎噪聲，也即控制了勻速噪聲。輪胎噪聲產(chǎn)生的機(jī)理可以分為兩方面[5]。

1）泵氣效應(yīng)。泵氣效應(yīng)是由于輪胎與路面接觸過程中，空氣被迅速吸入、壓縮并排出花紋溝造成。當(dāng)輪胎在路面上滾動(dòng)時(shí)，接地區(qū)前沿的花紋塊撞擊路面將空氣壓縮到花紋溝中。胎面橡膠塊受到壓縮致使花紋溝的體積減小，花紋溝中的空氣也受到壓縮而使體積減小，當(dāng)胎面橡膠塊離開接地區(qū)時(shí)花紋溝中的空氣被突然釋放，從而產(chǎn)生噪聲。

2）共鳴效應(yīng)。輪胎接地面內(nèi)的花紋溝類似一個(gè)風(fēng)琴管。當(dāng)輪胎和路面之間的接觸噪聲和風(fēng)琴管的頻率相近時(shí)，花紋溝內(nèi)的空氣會(huì)產(chǎn)生共鳴，并被放大，如圖2所示。

圖2 輪胎噪聲共鳴效應(yīng)

兩端開口管的1階固有頻率如下：

式中：L——輪胎接地長度+2個(gè)喇叭形區(qū)域的長度，m；

λ——波長，m；

c——空氣中聲音的傳播速度，m/s；

f——兩端開口管的1階固有頻率，Hz。

對(duì)于乘用車輪胎來說，由于輪胎尺寸相差不大，所以L相差不大，L約為0.18 m，對(duì)應(yīng)的f=944 Hz，因此在1 000 Hz頻率附近的噪聲會(huì)被放大。

根據(jù)以上分析，可以推斷出輪胎噪聲的影響因素為：

1）輪胎花紋。胎面上的不連通花紋溝越多，產(chǎn)生的泵氣噪聲越大。因此縱向溝槽越多、越寬越好。

2）橫向溝槽。橫向溝槽兩端開放，溝槽噪聲較低。

3）空氣體積流量?？諝怏w積流量越大（溝槽深度、寬度越大），噪聲越大。

輪胎噪聲測試方法包括道路法和轉(zhuǎn)鼓法。道路法需要高要求的測試場地，同時(shí)受天氣、環(huán)境噪聲影響較大，車速控制會(huì)有誤差，因此，測試結(jié)果影響因素多，不確定性大，可重復(fù)性差；轉(zhuǎn)鼓法利用轉(zhuǎn)鼓和半消聲室，采用輪胎拖車在轉(zhuǎn)鼓模擬路面上進(jìn)行輪胎單體噪聲對(duì)比，具有無需試驗(yàn)道路、不受天氣影響、車速控制精確、排除其他整車聲源的干擾、測試精度高及可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。圖3示出轉(zhuǎn)鼓法輪胎單體噪聲測試現(xiàn)場，按照聲功率測試法布置了6個(gè)傳聲器。

圖3 輪胎單體噪聲試驗(yàn)

圖4示出不同輪胎單體噪聲頻譜的對(duì)比。從圖4可以看到，不同花紋輪胎單體噪聲的主要差異體現(xiàn)在1 000 Hz頻帶。

圖4 不同花紋輪胎噪聲頻譜對(duì)比

對(duì)比輪胎單體噪聲和車外勻速噪聲最大處的測試頻譜，如圖5所示。從圖5可以看出，輪胎單體噪聲和車外勻速噪聲最大處的頻譜結(jié)果具有很好的相關(guān)性，且都在1 000 Hz頻帶出現(xiàn)峰值。進(jìn)一步驗(yàn)證了新方法勻速測試工況主要體現(xiàn)了汽車輪胎的路面噪聲。

某車型車外通過噪聲的勻速噪聲較大。通過輪胎單體噪聲測試發(fā)現(xiàn)，1 000 Hz頻帶噪聲峰值明顯。

通過觀察輪胎花紋，其輪胎花紋具有3條縱溝，橫向具有半封閉斜紋。由于花紋縱溝較少，接地區(qū)域的空氣被壓縮后封閉在半封閉溝槽中，不易被釋放。在離開接地區(qū)域后，溝槽中的空氣突然被釋放而產(chǎn)生噪聲，經(jīng)風(fēng)琴管效應(yīng)放大后，噪聲被明顯放大。圖6示出輪胎花紋改進(jìn)前后對(duì)比。

圖6 輪胎花紋改進(jìn)前后對(duì)比

輪胎花紋調(diào)整后，花紋改為4條寬縱溝和1條窄縱溝的形式，橫向溝槽改為兩端開放的斜紋，如圖6b所示。由于增加了縱溝的數(shù)量，橫向溝槽兩端開放，接地區(qū)域的空氣被壓縮后較原方案更容易被釋放，1 000 Hz頻帶處噪聲不明顯。從輪胎單體測試頻譜可以看到，改進(jìn)后1 000 Hz頻帶處噪聲峰值明顯下降，如圖7所示。

圖7 輪胎單體噪聲頻譜改進(jìn)前后對(duì)比

圖8示出改進(jìn)前后車外通過噪聲的勻速噪聲頻譜對(duì)比。從圖8可以看出，改進(jìn)后車外勻速噪聲在1000Hz頻帶處峰值明顯下降，降低了車外通過噪聲的風(fēng)險(xiǎn)。

通過輪胎單體噪聲測試可以在項(xiàng)目前期對(duì)輪胎噪聲性能進(jìn)行篩選，選出低噪聲輪胎，降低車外通過噪聲的風(fēng)險(xiǎn)，從而縮短開發(fā)周期并節(jié)約開發(fā)成本。

3 結(jié)論

老方法主要考察的是汽車動(dòng)力總成負(fù)荷最大時(shí)發(fā)出的噪聲，而新方法則全面關(guān)注城市駕駛工況下的汽車各噪聲源，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎和路面噪聲。為了提高車輛噪聲法規(guī)與車輛環(huán)境噪聲的匹配程度，新法規(guī)中引入了勻速測試工況。隨著法規(guī)中勻速工況的引入，輪胎路面噪聲應(yīng)該引起各大廠商的關(guān)注。

通過轉(zhuǎn)鼓和半消聲室的應(yīng)用，可以在車型開發(fā)前期應(yīng)用輪胎單體噪聲測試手段對(duì)勻速噪聲加以控制并能取得良好的效果。輪胎花紋對(duì)輪胎噪聲具有很明顯的影響，通過輪胎花紋的調(diào)整，可以有效改善輪胎噪聲，降低車輛噪聲對(duì)環(huán)境的污染。