汽車加速通過噪聲室內(nèi)預(yù)測方法研究

陳 劍, 王開明, 劉 策, 殷金祥，鄧厚科，宋文鳳

（1.合肥工業(yè)大學(xué) 噪聲振動工程研究所，合肥230009；2.安徽省汽車NVH工程技術(shù)研究中心，合肥230009；3.安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，合肥230601）

國際標準化組織于2007 年頒布了汽車室外加速通過噪聲測試國際標準《ISO 362-1:2007》[1]，較我國現(xiàn)行的法規(guī)《GB 1495-2002》[2]，增加了試驗操作難度。例如對于M2 類車，國際標準嚴格要求車輛全油門加速通過測試區(qū)域中線時的車速為50±1 km/h，同時對車輛加速度和出線轉(zhuǎn)速做了相關(guān)規(guī)定，并且還增加了勻速測試工況，使得整個測試過程耗時較長且測量數(shù)據(jù)合格率較低。我國目前也正在開展相關(guān)新標準GB 1495-20××的起草工作，因此測試人員也即將面臨這一考驗。利用室內(nèi)通過噪聲測試[3]等效室外測試的方法可有效解決這一問題，不僅能夠減少環(huán)境因素的干擾、增加試驗的可重復(fù)性，也可縮短試驗時間，提高測試成功率。

本文主要以某款M2類A車為例，建立室內(nèi)外等效的基本流程，用聲陣列時間序列合成法[4]獲得室內(nèi)通過噪聲及非輪胎噪聲值，在室內(nèi)外實驗車輛功率輸出基本一致的條件下測試室外通過噪聲及室外輪胎噪聲值[5]，最后通過合成算法，替換室內(nèi)的輪胎噪聲，實現(xiàn)室內(nèi)外通過噪聲的等效替換。結(jié)果表明，室內(nèi)等效PBN 值與室外實測值的誤差在±1 dB(A)以內(nèi)。最后用M2類的B車和N2類的C車驗證了方法的通用性。

1 基本理論

1.1 聲陣列時間序列合成法

室內(nèi)通過噪聲測試在裝有四驅(qū)靜音轉(zhuǎn)轂的半消聲室內(nèi)進行，半消聲室長寬高尺寸為29.5 m×20 m×7.6 m（見圖1）。

圖1 室內(nèi)通過噪聲測試現(xiàn)場

室內(nèi)左右兩側(cè)各安裝21個傳聲器，具體布置如圖2所示。

圖2 消聲室內(nèi)傳聲器布置

在該合成方法中，由于車輛是固定的，要模擬室外的運動源信號，應(yīng)當(dāng)截取、拼接相應(yīng)的傳聲器信號片段來模擬車輛的虛擬位移。測試過程的每一個時間樣本點都對應(yīng)一個虛擬的位置信息，每個傳聲器都位于特定的位置，因此需依次截取每側(cè)21個傳聲器對應(yīng)的時間片段。如模擬車輛進線噪聲當(dāng)截取前方首個傳聲器（AA′線處）對應(yīng)的時間片段，出線時截取車輛后方最后一個傳聲器（BB′線處）對應(yīng)的時間片段。最后，為最小化采集和分析誤差，利用時間窗將截取的時間信號片段依次拼接起來，并借助多普勒修正分析運動源效應(yīng)，得到模擬室外運動源的時間信號。圖3有5個不同位置傳聲器的時域信號，截取每個位置對應(yīng)的時間片段信號（加粗矩形框內(nèi)即截取片段）如圖3所示。

圖3 對應(yīng)傳聲器時間信號片段截取

1.2 室內(nèi)外PBN等效替換模型

汽車行駛過程中車外通過噪聲LTVN主要由動力總成噪聲（包含進排氣噪聲）LPTN、輪胎噪聲LTRN和風(fēng)噪LW構(gòu)成，如下式所示

其中低速行駛時主要貢獻量為動力總成噪聲，中高速時輪胎噪聲的貢獻量增大，當(dāng)車速超過80 km/h，風(fēng)噪才開始顯露出來；由于通過噪聲測試過程中車速為50 km/h 左右，風(fēng)噪對測試結(jié)果影響較小，可以忽略，故認為汽車車外通過噪聲是由輪胎噪聲和動力總成噪聲組成，如下式

室內(nèi)通過噪聲測試流程如圖4所示。

2 汽車室外通過噪聲測量

新標準中室外通過噪聲測試分為全節(jié)氣門加速（WOT）和勻速（CRS）2 種工況，首先確定測試車輛的測試檔位，然后測量各工況噪聲值，多次平均后得到相應(yīng)工況的中間噪聲值Lwotrep和Lcrsrep，再由這2 個值加權(quán)得出室外通過噪聲Lurban，如式（5）所示。

圖4 室內(nèi)通過噪聲測試流程圖

圖5 室外通過噪聲測試圖

其中kp為部分功率系數(shù)比，當(dāng)車輛的質(zhì)量功率比小于25 時，則kp=0，此時無需進行勻速工況測試，測得加速過程的中間噪聲值即為最終通過噪聲值

2.1 加速工況噪聲測試

測試加速噪聲時，車輛通過測試區(qū)域中線的車速為50±1 km/h，每次測量的加速度awottest,j與均值awottest的誤差應(yīng)控制在awottest值的±10%范圍內(nèi)；且油門踏板踩到底并保持到車輛末端出線時再盡快地松開，測得加速過程的噪聲值，多次測量結(jié)果平均后即為加速過程的中間結(jié)果Lwotrep-out。

2.2 勻速工況噪聲測試

測量勻速噪聲時檔位與加速工況相同，在進線與出線之間區(qū)域穩(wěn)定油門踏板，以50±1 km/h的速度勻速駛過測試區(qū)域，記錄勻速過程的噪聲值，多次測量結(jié)果平均后即為勻速過程的中間結(jié)果Lcrsrep-out。

由式（5）可計算獲得室外PBN數(shù)值；A車的室外PBN測試值見表1。

3 汽車通過噪聲室內(nèi)測量

汽車通過噪聲室內(nèi)測量在消聲室四驅(qū)轉(zhuǎn)轂上完成，見圖1。

表1 A車室外通過噪聲測試值/dB(A)

3.1 加速工況噪聲測試

測試加速工況首先要確定軟件觸發(fā)的進、出線車速，然后采集該速度范圍內(nèi)全油門加速的噪聲值，多次測試結(jié)果平均后，取平均值較大一側(cè)作為加速工況的中間結(jié)果Lwotrep-in。

3.2 勻速工況噪聲測試

測試勻速工況下室內(nèi)通過噪聲時，要求測試車速為50±1 km/h；待車速穩(wěn)定后，采集勻速工況下的噪聲值；多次測試結(jié)果平均后，取平均值較大一側(cè)作為勻速工況的中間結(jié)果Lcrsrep-in。

在獲取加速和勻速工況的中間結(jié)果后，由式（5）計算室內(nèi)通過噪聲值Lurban-in見表2。

表2 A車室內(nèi)通過噪聲測試值/dB(A)

經(jīng)時間序列合成的室內(nèi)PBN曲線如圖6所示。

圖6 室內(nèi)通過噪聲合成曲線

4 輪胎噪聲測試與動力總成噪聲獲取

4.1 輪胎噪聲模型建立

在輪胎噪聲模型中，輪胎噪聲可分為自由滾動噪聲和轉(zhuǎn)矩驅(qū)動噪聲。其中自由滾動噪聲是速度的函數(shù)，轉(zhuǎn)矩驅(qū)動噪聲是加速度的函數(shù)。因此均可通過試驗擬合出相關(guān)的系數(shù)，獲得輪胎噪聲。

4.1.1 自由滾動噪聲計算

自由滾動噪聲是速度的函數(shù)，可以利用對數(shù)回歸模型進行描述

式中：α、β 是自由滾動噪聲回歸模型系數(shù)，dB(A)；v：車輛行駛速度，km/h；x：車輛位置，m。

4.1.2 扭矩影響噪聲計算

扭矩影響噪聲值是加速度的函數(shù)，具體函數(shù)如下

式中：ζ 與測試路面情況有關(guān)，取值范圍為0.075～0.15，粗糙路面取0.075，平滑路面取0.15。

4.1.3 溫度校正

溫度會影響輪胎噪聲測試結(jié)果，為了適應(yīng)室內(nèi)外滾動噪聲測試條件的變化，故用溫度修正來減小誤差

式中：θ為測試路面表面溫度，系數(shù)C定義為

綜合上述情況，路面行駛輪胎噪聲計算公式如下

4.2 室外輪胎噪聲獲取

輪胎噪聲可分為自由滾動噪聲和扭矩影響噪聲。測量輪胎自由滾動噪聲時，被測車輛空檔熄火滑行通過測試區(qū)域并記錄該過程噪聲值。滑行試驗的車速范圍為40 km/h～70 km/h，且以10 km/h作為增量。被測車輛至少各進行4組低于和高于參考速度的試驗，車輛滑行通過測試區(qū)域時減速度不得超過0.3 m/s2。

測試扭矩影響噪聲時，使用與A 車同款輪胎的電車進行加速工況試驗；加速范圍為0～3 m/s2，車速范圍與測試通過噪聲加速工況相同。

根據(jù)4.1小節(jié)建立的模型，輪胎噪聲擬合曲面如圖7所示。

4.3 室內(nèi)動力總成噪聲獲取

由式（2）知，通過噪聲由動力總成噪聲與輪胎噪聲組成，為了獲取室內(nèi)動力總成噪聲，采用將輪胎噪聲從通過噪聲中剔除的方法，如式（3）所示。

室內(nèi)輪胎噪聲測試在室內(nèi)轉(zhuǎn)轂上進行，扭矩影響噪聲實驗方法與室外一致；自由滾動噪聲采用轂帶車勻速滑行的方法。滑行時關(guān)閉汽車發(fā)動機并將變速桿置于空擋，速度增量為2 km/h，將轉(zhuǎn)轂速度均勻地從35 km/h 升至75 km/h，采集每個滑行車速的信號，然后根據(jù)輪胎噪聲模型擬合出輪胎噪聲，最后利用式（3）即可得出室內(nèi)動力總成噪聲。

圖7 輪胎噪聲擬合曲面

5 室內(nèi)外PBN等效替換結(jié)果分析

5.1 A車等效替換結(jié)果

以乘用車A 為例，在進行室內(nèi)、外等效替換之前，對所替換數(shù)據(jù)進行一致性驗證，即驗證室內(nèi)外CAN 數(shù)據(jù)中的加速度和扭矩（有效值）的誤差ηa和ηT是否滿足5%、10%的誤差范圍要求。由表3知，加速度和扭矩均滿足精度要求，表明室內(nèi)外車輛輸出狀態(tài)是一致的，故A 車的室內(nèi)外數(shù)據(jù)符合等效替換條件。

表3 室內(nèi)外CAN數(shù)據(jù)對比

A車PBN室內(nèi)等效值與室外實測值見表4。

表4 A車替換結(jié)果/dB(A)

由表4 可知，通過噪聲室內(nèi)等效值為68.8 dB(A)，與室外實測值68.3 dB(A)相差0.5 dB(A)，在±1 dB(A)誤差范圍內(nèi)，故通過噪聲的室內(nèi)等效值有效。

5.2 替換方法通用性驗證

選擇M2 類的B 車和N2 類的C 車進行等效替換，驗證替換方法的通用性（篇幅所限，僅給出等效替換結(jié)果）。根據(jù)新標準中的選檔原則，B 車選擇3檔和4 檔進行測試，C 車選擇3 檔進行測試；根據(jù)新標準分別測試室內(nèi)外通過噪聲值，并通過上述替換方法得到室內(nèi)等效值；經(jīng)計算，兩車的室外通過噪聲實測值和等效值的誤差均小于±1 dB(A)，滿足替換要求，因此該方法對M2 和N2 類車都適用。具體數(shù)據(jù)見表5。

表5 B、C車型替換結(jié)果/dB（A）

6 結(jié)語

采用噪聲室內(nèi)測量方法避免了室外測試環(huán)境因素對試驗結(jié)果的影響，降低了駕駛員的操作難度，大幅度提高了試驗的成功率，縮短了試驗周期。

對A、B、C 3 款車型分別開展了室內(nèi)外等效替換試驗，結(jié)果均滿足±1 dB(A)的誤差要求，驗證了等效替換方法的通用性和高效性。同時給室內(nèi)代替室外通過噪聲的研究提供了新的思路，具有很高的工程應(yīng)用價值。