汽車噪聲限值預測模型與分析

譚剛平，楊春暉，陳清爽，楊文鵬

（1.南昌大學 機電工程學院，南昌330031；2.西悉尼大學 工程學院，澳大利亞 新南威爾士金斯伍德區2747；3.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室，南昌330052）

交通噪聲包括機動車噪聲、飛機噪聲、火車噪聲和船舶噪聲等，是指交通工具運行時所產生的妨害人們正常生活和工作的聲音。機動車噪聲主要指機動車輛在城市內交通干線上行駛時產生的噪聲，這種噪聲是一種不穩定的噪聲，聲壓級隨時間等因素變化。該噪聲主要由車輛在城市道路交通行駛時產生，其污染受眾人數多，程度與機動車輛的種類、數量、運行狀態等多方面因素有關。機動車噪聲危害面大，主要表現在：降低聽力；影響人的休息和情緒甚至健康；干擾語言交談和通信聯絡等[1-2]。根據《中華人民共和國環境保護法》和《中華人民共和國環境噪聲污染防治法》要求，國家不斷加大環境噪聲污染防治力度，生態環境部每年向社會公布《環境噪聲污染防治報告》，內容包含有全國地級及以上城市道路交通聲環境質量（晝間/夜間）監測數據[3]，如表1所示，道路交通噪聲環境質量評價一級表示好，與此類推，五級表示差。從近幾年監測數據可以看出，晝間道路交通噪聲環境評價為一級的城市占比超過60%，其它評價等級總占比小于40%，表明未因機動車保有量持續增加而導致評價為一級的城市占比縮小，在報告中提到這歸功于道路狀況、車輛運行技術條件的持續改善以及良好駕駛行為的引導。降低汽車加速行駛時車外噪聲的限值，有利于提高評價等級為一級城市的占比，持續減小評價等級為三/四/五級城市的個數與占比。

因此，制定和頒布適應當前技術的汽車運行工況噪聲限值非常重要，本文以某法規規定的汽車噪聲限值為例進行噪聲限值分析，采用最小二乘法建立汽車噪聲限值預測模型，開展汽車運行噪聲限值預測研究。并將該噪聲預測模型用于GB 1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》中噪聲限值的預測，為我國汽車噪聲限值法規修訂提供參考。

1 汽車噪聲法規

汽車噪聲法規通常有國際（International Organization for Standardization，ISO）標準，美國汽車工程學會（Society of Automotive Engineers，SAE）標準，日本工業標準（Japanese Industrial Standards,JIS）法規，聯合國歐洲經濟委員會（United Nations Economic Commission for Europe，ECE）法規等。本文主要以ECE 法規為例進行噪聲分析與研究。ECE 法規是基于UN/ECE/WP29的《1958年協定書》框架制定的，通過ECE 法規形式批準的汽車產品在《1958年協定書》的締約方之間被相互承認。ECE 法規是現今國際范圍內最具影響力的汽車技術法規體系和認證制度之一[4]。其涉及汽車噪聲的法規是ECE R51/03《關于在噪聲方面汽車型式認證的統一規定》[5]，于1995年10月16日生效，最新修訂版本于2016年2月5日生效實施。現行的版本規定了汽車加速行駛時車外噪聲和定置噪聲的測量方法，并且規定了汽車加速行駛時車外噪聲限值，如表2所示。Minck等研究了多家汽車制造商如何采取措施降低汽車的通過噪聲水平，如降低發動機的噪聲，從而適應標準條例(ECE R51/03)對汽車噪聲的新要求[6]。楊安杰[7]研究了中歐汽車噪聲標準的發展，詳述了中歐汽車加速行駛時車外噪聲測量方法的差異與注意事項。謝東明等[8]對汽車加速行駛時車外噪聲法規ECE R51/03系列的限值進行了詳細分析,針對中國與歐洲輕型車輛存在的差異，基于國內車輛大量的數據驗證試驗，提出了適合中國國情的限值劃分方案。連玉蓉[9]從加速行駛時車外噪聲、定置噪聲、排氣噪聲3個方面對GB 1495－2002 和ECE R51/03 系列標準法規規定的測量方法進行了對比研究，相關研究數據有利于我國客車噪聲標準制定。文獻[10]中研究了ECE R51/03法規中更新的通過噪聲測量方法，采用計算所得到的最終的“通過噪聲水平”，作為車輛在滿載條件下加速和勻速行駛工況下運行噪聲的加權平均值，從而衡量城市駕駛習慣下汽車技術條件與噪聲水平。

表1 道路交通聲環境質量評價

表2 ECE法規中汽車加速行駛時車外噪聲限值

2 汽車加速行駛時車外噪聲限值預測

2.1 預測模型

每次修訂ECE 法規時將對關于汽車噪聲限值進行廣泛討論與實驗驗證，最終通過文本方式頒布所確定的多種工況的汽車噪聲限值與測量要求。目前關于汽車噪聲限值的預測模型文獻較少，本文將對汽車加速行駛時車外噪聲限值進行建模研究，分析汽車噪聲限值的下一步發展趨勢。

本文假定新修訂的限值規定與即將或已失效的限值規定存在某一關系，定義ECE法規限值實施年份1969年、1982年、1988年、1995年、2016年、2020年、2024年分別為第1次、第2次、第3次、第4次、第5次、第6次、第7次汽車噪聲限值的修訂，采用最小二乘法分別建立汽車噪聲限值線性回歸、二次回歸預測模型。根據預測模型進行下一次修訂噪聲限值的預測，得出預測值，同時對比不同預測模型的優劣。

2.2 計算分析

以M1車型為例，噪聲限值前6次數據作為數據點集合，建立其線性回歸、二次回歸模型，如圖1所示。

圖1(a)表示根據ECE 法規規定的M1（PMR≤120）類汽車噪聲限值前6次變化數據擬合的線性回歸和二次回歸模型。其中線性回歸模型是y=-2.485 7x+84.533，R2=0.9935，采用該模型預測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7，得到y=67.1331。二次線性回歸模型是y=0.0714x2-2.985 7x+85.2,R2=0.995 3，采用該模型預測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7,y=67.798 7。

圖1(b)表示根據ECE法規規定的M1（120＜PMR≤160）類汽車噪聲限值前6次變化數據擬合的線性回歸和二次回歸模型。其中線性回歸模型是y=-2.257 1x+84.067,R2=0.9815，采用該模型預測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7，得到y=68.267 3。二次線性回歸模型是y=0.142 9x2-3.257 1x+85.4,R2=0.989 9，采用該模型預測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7,y=69.592 6。

圖1(c)表示根據ECE 法規規定的M1（PMR＞160）類汽車噪聲限值前6次變化數據擬合的線性回歸和二次回歸模型。其中線性回歸模型是y=-1.800 0x+83.133，R2=0.902 4，采用該模型預測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7，得到y=70.5330。二次線性回歸模型是y=0.285 7x2-3.8x+85.8,R2=0.950 9，采用該模型預測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7,y=73.199 3。

圖1 ECE法規關于汽車加速行駛時車外噪聲限值模型

M1類汽車噪聲限值模型及其預測值如表3所示。從預測模型與結果來看：以汽車噪聲限值誤差率為指標，線性回歸模型對于M1 前兩類車型噪聲限值預測精度明顯低于二次線性回歸模型，而對于M1第三類車型預測精度則相反。總體來說，在汽車噪聲限值預測中二次回歸模型預測結果優于線性回歸模型的結果。

同理，根據上述方法，M類其它車型、N類車型的線性回歸和二次回歸模型及其預測值也在表3中列出。根據預測模型和預測值數據可以看出：線性回歸模型的下降斜率集中在區域(2，3)之間，二次回歸模型的斜率與自變量有關；二次回歸預測模型預測值的誤差率小于線性模型的，其只能預測汽車噪聲限值下一次修改值，不能連續用于汽車噪聲限值預測，因為誤差率出現了負偏差。

2.3 GB1495汽車加速行駛時車外噪聲預測

2002年發布實施的GB 1495－2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》詳細介紹了汽車噪聲測量方法與要求，技術內容是參考歐洲的ECE R51 法規并結合我國的實際情況制定的，是汽車噪聲法規標準GB 1495－1979的新修訂版本。在GB 1495－1979 中轎車的兩個階段限值分別是84 dB(A)、82 dB(A)，而標準GB 1495－2002 中對于M1類汽車分別是77 dB(A)、74 dB(A)。N1類汽車在加速行駛時車外噪聲限值也有明顯變化，其具體數值如表4所示。根據GB1495法規規定汽車噪聲限值，建立基于最小二乘法的二次回歸汽車噪聲限值預測模型，如表5所示。從中可以看出，針對M1類車型汽車噪聲限值進一步明顯下降，可預測汽車工業生產技術將明顯進步，汽車減振降噪技術措施將進一步完善和富有實效。N1類車型噪聲限值也有下降。M1類車型噪聲限值下降幅度明顯大于N1類，說明M1類車型技術進步明顯優于N1類車型。

表3 ECE法規汽車噪聲限值預測模型

表4 GB1495 汽車加速行駛時車外噪聲限值

表5 GB1495汽車噪聲限值預測

3 結論

本文研究了ECE R51法規對汽車噪聲限值的具體要求，采用最小二乘法建立了汽車噪聲限值的預測模型。模型預測值與法規當前限定值相比，二次回歸預測模型誤差率較小，能較好地預測汽車限值發展規律，為噪聲限值修訂和實施提供參考。采用同樣方法，直接建立了GB1495 法規汽車加速行駛時車外噪聲限值模型，并對下一次噪聲限值進行了預測。預測模型得到的汽車噪聲限值預測值進一步降低，一方面表明汽車噪聲控制技術提升，反映汽車生產技術的提高與汽車減振降噪措施的成效；另一方面減少了道路交通噪聲源頭車輛的聲壓級，有利于提高道路交通聲環境質量。

盡管該汽車噪聲限值預測模型為標準制定中噪聲測試方法和限值的修改提供了參考，但是具體實施時還需要依賴于城市車輛運行工況的統計研究、各工況下車輛噪聲源（包括發動機、輪胎路面噪聲等）的構成分析、道路交通聲環境測試點的統計分析等。修訂GB1495 汽車噪聲限值時應該重視加強新試驗方法的研究、國內車輛道路試驗驗證，充分收集各類車輛的噪聲數據，及時有效更新汽車噪聲測量方法、技術要求及其限值，實現在汽車技術標準修訂上發出自己的聲音，避免盲目緊跟國外標準法規，使新的國家標準對國內汽車生產企業產生積極影響，使我國標準起到推動汽車降噪的技術創新與運用的作用，服務汽車工業與產業。