車外通過噪聲法規的勻速噪聲控制方法

梁銳 顧彥

（上海汽車集團股份有限公司技術中心）

隨著城市汽車數量的增多，汽車產生的噪聲問題正變得日益嚴重。汽車加速行駛車外噪聲法規ECE R51 02是汽車產品上市時的強制性法規要求，目前道路上行駛的車輛都已經滿足該項法規，但城市中汽車噪聲問題依然沒有改善。為此，2007年聯合國歐洲經濟委員會（ECE）和國際標準化組織（ISO）在ECE R51 02基礎上增加附錄10，形成了車輛通過噪聲試驗新方法（ECE R51 03）。新方法（ECE R51 03）與老方法（ECE R51 02）在試驗條件、試驗方法及結果處理等方面存在很大的差別，這將直接對汽車廠商新產品的研發產生顯著的影響[1]。文章結合新測試方法，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

通過強制執行車輛通過噪聲法規，車外噪聲有了很大降低，ECE限值在20年內從82 dB下降到74 dB。這意味著現在約6輛汽車行駛中發出的噪聲與20年前1輛汽車發出的噪聲能量相當。但是從調查結果來看，環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對城市中同一路段、同一時間、同樣交通流量下的噪聲進行了監控，從得到的結果發現，環境噪聲并沒有隨著限值的下降出現明顯的改善。

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

還有一個原因是隨著發動機和變速箱技術的發展，發動機轉速及動力總成噪聲降低，輪胎噪聲在汽車噪聲中占了主導比例。ECE研究發現[3]，同一輪胎在不同車速下噪聲變化可達25 dB，不同路面情況下噪聲又有10 dB的變化。汽車對于環境噪聲影響而言，輪胎路面噪聲的影響更應該引起關注，這與人們的感受相一致。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。所以，需要引入勻速測試工況以期體現輪胎路面噪聲對環境的影響。

基于以上原因，根據老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，為此，新方法引入了勻速測試工況，以期更能體現現代車輛對環境噪聲的影響。

圖1示出歐洲數據庫[4]中新方法的勻速噪聲結果和最終結果的比較。

圖1 不同車型勻速噪聲結果和最終結果對比

從圖1中可以看出，勻速噪聲結果比最終噪聲結果平均低2～3 dB。按照聲學原理，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%。所以勻速噪聲結果占最終噪聲結果能量的50%左右。因此，新方法勻速噪聲在最終噪聲結果中占比大，需要引起整車廠商的關注。

2 輪胎噪聲控制

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

1）泵氣效應。泵氣效應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。當輪胎在路面上滾動時，接地區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，當胎面橡膠塊離開接地區時花紋溝中的空氣被突然釋放，從而產生噪聲。

2）共鳴效應。輪胎接地面內的花紋溝類似一個風琴管。當輪胎和路面之間的接觸噪聲和風琴管的頻率相近時，花紋溝內的空氣會產生共鳴，并被放大，如圖2所示。

圖2 輪胎噪聲共鳴效應

兩端開口管的1階固有頻率如下：

式中：L——輪胎接地長度+2個喇叭形區域的長度，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，對應的f=944 Hz，因此在1 000 Hz頻率附近的噪聲會被放大。

根據以上分析，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鼓法。道路法需要高要求的測試場地，同時受天氣、環境噪聲影響較大，車速控制會有誤差，因此，測試結果影響因素多，不確定性大，可重復性差；轉鼓法利用轉鼓和半消聲室，采用輪胎拖車在轉鼓模擬路面上進行輪胎單體噪聲對比，具有無需試驗道路、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性強等優點。圖3示出轉鼓法輪胎單體噪聲測試現場，按照聲功率測試法布置了6個傳聲器。

圖3 輪胎單體噪聲試驗

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

圖4 不同花紋輪胎噪聲頻譜對比

對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果具有很好的相關性，且都在1 000 Hz頻帶出現峰值。進一步驗證了新方法勻速測試工況主要體現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現，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。在離開接地區域后，溝槽中的空氣突然被釋放而產生噪聲，經風琴管效應放大后，噪聲被明顯放大。圖6示出輪胎花紋改進前后對比。

圖6 輪胎花紋改進前后對比

輪胎花紋調整后，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量，橫向溝槽兩端開放，接地區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前后對比

圖8示出改進前后車外通過噪聲的勻速噪聲頻譜對比。從圖8可以看出，改進后車外勻速噪聲在1000Hz頻帶處峰值明顯下降，降低了車外通過噪聲的風險。

通過輪胎單體噪聲測試可以在項目前期對輪胎噪聲性能進行篩選，選出低噪聲輪胎，降低車外通過噪聲的風險，從而縮短開發周期并節約開發成本。

3 結論

老方法主要考察的是汽車動力總成負荷最大時發出的噪聲，而新方法則全面關注城市駕駛工況下的汽車各噪聲源，包括發動機、輪胎和路面噪聲。為了提高車輛噪聲法規與車輛環境噪聲的匹配程度，新法規中引入了勻速測試工況。隨著法規中勻速工況的引入，輪胎路面噪聲應該引起各大廠商的關注。

通過轉鼓和半消聲室的應用，可以在車型開發前期應用輪胎單體噪聲測試手段對勻速噪聲加以控制并能取得良好的效果。輪胎花紋對輪胎噪聲具有很明顯的影響，通過輪胎花紋的調整，可以有效改善輪胎噪聲，降低車輛噪聲對環境的污染。