新能源汽車與內燃機的汽車噪聲特性分析

朱云峰

摘要： 隨著我國社會經濟不斷發展，給汽車行業帶來巨大的發展空間，尤其是內燃機汽車和新能源汽車，但隨之帶來很多方面的問題，如低噪音引發的行人安全問題，為了有效解決這些問題，本文以新能源汽車在中國發展現狀和世界各國由新能源汽車帶來的低噪音引發行人安全問題為基礎，進一步研究了四種汽車在行駛過程當中出現的噪音，來解釋在產生噪音后，根據不同速度來判斷會引起汽車噪聲可能出現的變化，從而判斷會不同類型汽車所產生的噪聲差異。

Abstract： With the continuous development of China's social economy， it has brought great development space to the automobile industry， especially the internal combustion engines and new energy vehicles， but it has brought many problems， such as pedestrian safety caused by low noise. In order to effectively solve these problems， this paper is based on the development status of new energy vehicles in China and the pedestrian safety problems caused by low noise from new energy vehicles around the world. Furthermore， this paper studies the noises of four kinds of cars in the driving process to explain that after the noises are generated， it can be judged according to different speeds that will cause the possible changes of car noises， so as to judge the differences of noises generated by different types of cars.

關鍵詞： 新能源汽車;內燃機汽車;噪音;分析

Key words： new energy vehicles;internal combustion engine;noise;analyse

中圖分類號：U469.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0051-03

0 ?引言

近年來，我國汽車數據正處于直線上升的狀態，根據汽車協會專業人員統計發現，在2019年新能源汽車銷售量就已經達到120萬的銷售量，其中純電動汽車銷售量達到100萬輛左右;內燃機汽車銷售量則為2000多輛;插電式混合動力式則已完成22萬的銷售量。同時，在次年我國政府在工作報告當中明確指出，要增強新型基礎設施的建設工作，提高新一代信息網絡的發展力度，全面普及5G應用，構建數據處理中心，增加換電站、充電樁等設施數量，推廣新能源汽車的應用范圍，刺激消費者使用要求，有利于幫助產業進行優化，從上述信息不難發現，國家政府十分注重新能源汽車產業的發展，給予其大力支持，給新能源汽車帶來巨大的發展空間。

1 ?新能源汽車與內燃機汽車市場現狀

目前我國政府正在大力推廣新能源汽車，與內燃機汽車相比，新能源汽車得到非常巨大的發展空間，受到各界人士重視，是應對氣候變化，促進汽車實現可持續發展的重要措施。現代我國新能源汽車已進入到政策和市場雙輪驅動的新階段。不管是國家還是各個區域，都是全力宣傳新能源汽車，消費者對新能源汽車認知程度越來越深，越來越多的人都具有新能源汽車的購買欲望。首先，新能源汽車在降低能源危害、控制環境污染方面效果較高;其次，內燃機汽車從制造到消費，由于受到產業升級的影響，給其增長率造成非常嚴重的影響;再者，近年來我國頒布了很多與新能源汽車有關的優惠政策，提高了對新能源汽車相關基礎設施建設的投資力度;最后，人們對于汽車要求越來越高，對新能源汽車接受率也越來越高，而對內燃機汽車購買欲正在逐漸下降。

雖然目前我國已成為全球新能源汽車第一大市場，但目前由于受到很多方面因素的限制，導致其市場局面十分不穩定。由于新能源汽車通常是由電動機作為主要驅動力，以逐漸普及到各大城市道路之中，盡管新能源汽車給我們日常生活帶來極大便利，但其在道路行駛過程當中產生的噪音較低，很容易給行人帶來一定的危險性。由于是electric vehicles和hybrid electric vehicles兩種新能源汽車在低速行駛過程當中十分明顯。根據美國政府對8000多輛electric vehicles和hybrid electric vehicles新能源汽車進行統計發現，這兩種新能源汽車很容易在白天、低速區與行人產生安全事故;和ICEVS新能源汽車相比，hybrid electric vehicles汽車的安全事故概率更高;而在倒車、停車等場景內，hybrid electric vehicles汽車和行人發生安全事故的概率甚至是ICVEs的兩倍。根據以上這些數據，不難發現要對這兩種新能源汽車增加提示音功能，從而提高汽車行駛安全性。

2 ?各類汽車的概念

傳統內燃汽車用英文統稱internal combustion engine vehicles，主要是由內燃機為主體，燃燒汽油和柴油來獲得動力的車輛。按照SAEJ1715的內容可將電動汽車定義為不管用哪種方式獲得電能，推進力完全由電動機完成的汽車。而混合動力汽車是指在車上存儲兩種不同方式的能量，再通過這兩種不同能量來幫助車輛進行行駛。HEVS內具有一個柴油或者汽油發動機，且設置了一個電動機和大電池，HEVS可通過發動機和電動機來共同驅動，發動機一般是兩個推進源內比較大的一個，可在車輛高速行駛過程當中，給車輛提供大規模的動力。電動機一般是由兩個體型較小推進源構成，能讓汽車在行駛時捕獲較大能量體，從而應用到低速狀態下的汽車運行。插電式混合動力汽車是目前使用最多的HEVS，它主要依靠電池作為電動機所使用的動力，并使用其他燃料作為內燃機的動力。FCEVs fuel cell electric vehicles是指利用氫氣作為主要驅動能源，通過空氣和氫氣等方面來完成發電工作，從而產生大量的電能，有助于汽車進行電能驅動。燃料電池電動汽車的動力系統主要是由氫氣、冷卻系統、燃料電池堆、鋰電池等系統構成。燃料電池電動汽車同樣使用這種系統來，但不同之處在于其是由氫氣作為主要驅動作用力，以氫儲存作為載體，來將燃料電池轉變為電能。除此之外，它不會排放大量尾氣，僅排放大量熱氣流和水蒸氣（如圖1所示）。

3 ?汽車噪聲概述

在信息化時代背景下，人們環保意識越來越強，給新能源汽車帶來巨大的發展空間。新能源汽車和傳統汽車有著較大的差別，不僅和動力系統有關，和整體構造也有一定關系。由于新能源汽車擁有特殊的動力驅動系統，給新能源汽車帶來較高的使用價值以及環保意義，現階段大部分新能源汽車都是采用混合動力和電能，新能源汽車的排氣量較少，從而加強環境保護。汽車噪音主要是由于汽車上某個系統或者部件出現摩擦，從而引起震動所產生的聲音。汽車噪聲通常是由各種生源構成，如傳動系統、內燃機輔助部件、排氣系統等方面，其中頻譜當中具有不同非時變和時變音調組合而成。而汽車通常具備集中不同噪聲源：道路和輪胎之間的相互作用力、車身和車輪振動、空氣動力噪聲等。由此可看到汽車噪聲主要有路面與輪胎摩擦噪聲、動力系統振動噪聲等。

3.1 內燃機汽車噪音

內燃機汽車噪噪聲主要是來自于動力系統和發動機噪聲。發動機和動力系統噪聲一般分為燃燒噪聲、氣流噪聲、機械噪聲等類型。氣流噪聲一般是通過低頻來控制，與排氣過程和進氣過程具有非常密切的聯系，其中包含冷卻風扇、渦輪增壓器單元。氣流噪聲則含有排氣噪聲、風扇噪聲、進氣噪聲等元素。機械噪聲是通過氣門爆震噪聲、活塞敲擊噪聲、噴油泵噪聲等。燃氣噪聲主要出現的原理是由于氣缸內的壓力不斷提高，導致氣缸內壓力頻率的不連續性和高頻區域的電平增加，造成發動機機體出現大幅度振動，從而產生燃燒噪音輻射。慣性力和燃燒力都是造成發動機結構振動，從而誕生噪音排放。由于柴油機內的氣體要遠超過慣性力，燃燒噪聲要比其他機械帶來的噪音排放量更大，其噪音輻射范圍甚至能夠輻射到幾百、幾千赫茲的頻率范圍。在汽油機運行過程當中，會遭遇機械噪聲、氣流噪聲、燃氣噪聲等，但由于汽油機的燃氣噪聲要比柴油機的燃氣噪聲小很多（如圖2所示）。比較了電動車、柴油、電機車低速行駛時所產生的噪聲水平，現實了當電動汽車、柴油、汽油等汽車低速行駛噪聲水平為dB，電動汽車和汽油車的噪聲級差別為11.3DB，而柴油車的噪聲差為15.2dB。

3.2 電動汽車噪聲

電動汽車噪聲內擁有非動力和動力兩個系統噪聲元素。而動力系統噪聲來源于車輛行駛所產生的排氣噪聲、進氣噪聲。非動力系統噪音則是由剎車噪音和汽車喇叭噪音衍生成。在信息化時代背景下，永磁同步電動機是目前最常用的電動機，該電動機系統是以電池為主要載體，給對系統內各個部件提供大量電壓，再經過PWM pulse width modulation逆變器來控制交流電壓。由于PWM轉換頻率長時間在恒定狀態，且在很多電動汽車當中都位于5-20kHz范圍內，最終會形成電磁噪聲，其噪聲特征一般是由于電磁諧波所產生的高頻音調分量對所構成，其覆蓋較廣的范圍[1]。

3.3 混合動力汽車噪聲

在正常情況下，會將混合動力汽車噪聲分為兩種類型：非預期的聲學行為、無掩蔽效應所產生的噪音、特定的聲學現象。在車輛內部內燃機關閉時，就不在具備任何遮掩物，所有噪聲源就會變得異常明顯。而混合動力系統和傳統動力系統相比，不僅增添了高壓蓄電池、電動機、電子控制單元等部件，同時讓這些部件之間出現不同相互作用力，從而產生新型噪音[2]。

4 ?噪音對比分析

4.1 輪胎噪聲簡介

輪胎噪聲是各種汽車在行駛過程中，經過摩擦和運動所出現的外部噪聲，并且該種汽車排放噪聲占據總噪聲較大部分[4]。除此之外，隨著車速不斷提高或者減少，輪胎噪聲所占比例會出現對應變化。而輪胎噪聲往往是代表輪胎在路面上滾動是所造成的噪聲，如輪胎振動，當汽車行駛速度在30-100km范圍內，其噪聲源可達到最大值。輪胎振動是由輪胎和道路之間的相互作用力來產生。由于路面粗糙度和胎面花紋具有較大差異，導致道路和輪胎之間接觸面積不同。因此，接觸力會隨輪胎振動和時間變化而產生一定變化，而輪胎的時變振動會出現一定的聲輻射。根據有關研究統計發現，輪胎振動可在較廣范圍內對輻射聲音起到一定作用，其頻率一般要超過1kHz[5]。

4.2 車速對汽車噪音特性的影響分析

隨著車速不斷提高，輪胎噪聲會呈現上升趨勢，甚至要遠超推進噪音。針對這一情況，專業人們可使用專業的Nord2000模型為切入點，來檢測出輪胎噪聲、推進噪聲和汽車總噪聲三者之間的聯系（如圖3所示）。根據目前模型測試的情況來分析，，在低速時汽車噪聲以推進噪聲為主，在高速行駛時改變成輪胎噪聲[6]。同時，混合動力汽車和內燃汽車之間的噪聲同樣存在較大差異性，當速度不斷降低時，其噪聲會逐漸提高（如圖4所示）。以混合動力汽車的噪聲降低水平為例，其中有發動機噪聲和輪胎噪聲的總噪聲排放。當車輛行駛速度為20km/h時，汽車噪聲降低3dB，當車速提升到50km/h時，噪聲排放會減少到1dB，當車速超過50km/h時，噪聲降低數值將會降低到零點，這時輪胎噪聲逐漸占據優勢，混合動力和非混合動力車輛之間的噪聲排放幾乎沒有任何差異[7]。通過將混合動力汽車和電動汽車噪聲排放量進行相互對比可發現，內燃機汽車噪聲排放力度明顯較低。當車速低于50km/h時，電動汽車比混合動力汽車降噪質量好，因為其用電動機代替內燃機，因此能解決了內燃機所產生的噪音。但車速不斷提高，純電動汽車和混合動力汽車的輪胎和道路摩擦噪聲會逐漸提高，當行駛速度超過50km/h時，混合動力汽車和純電動車、內燃機汽車三者所造成的噪音程度相同，而輪胎噪聲會變成噪聲主體。另外，但車速低于30km/h時，電動汽車和混合動力汽車噪聲會低于內燃機汽車，由于在汽車低速行駛過程當中，混合動力汽車會自動實施電動模式，當其速度達到30km/h以上時，混合動力汽車的降噪音效果加高，這時車輛會從電動模式直接切換到內燃機模式[8]。

5 ?總結

綜上所述，本文通過將內燃機和新能源汽車噪聲特征進行分析，發現這幾種汽車在行駛過程當中都會出現電磁噪聲，而內燃機汽車在行駛中只有發動機噪聲，混合動力汽車則具有發動機噪聲和電磁噪聲兩種形式。而車速是決定各種汽車噪聲的主要因素，不同速度下車輛噪聲特點不同。

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