前言

汽車行業(yè)在過去的幾十年中飛速發(fā)展。汽車改變了人們的生活，帶動(dòng)了社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展。在很多國家，汽車已經(jīng)是支柱產(chǎn)業(yè)。但是汽車的發(fā)展也給社會(huì)帶來了一些負(fù)面的影響，汽車排氣污染和噪聲污染就是其中的兩個(gè)典型例子。汽車的能源來自石油、天然氣等化工原料。這些化工原料在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后產(chǎn)生一氧化碳和氮氧化合物等對(duì)人和環(huán)境有害的物質(zhì)。這些廢氣就形成了大氣污染。發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候，要吸收空氣，然后與燃油混合爆炸，產(chǎn)生巨大的推力推動(dòng)曲軸運(yùn)動(dòng)，再通過動(dòng)力傳遞軸系帶動(dòng)車輪。這樣發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)發(fā)出強(qiáng)烈的噪聲。這些噪聲透過汽車殼體、進(jìn)排氣管道傳出來，就形成了噪聲污染。

在過去的幾十年時(shí)間內(nèi)，汽車的擁有量和街道上汽車的流量急劇增加。這樣人們對(duì)控制汽車產(chǎn)生的污染日益關(guān)注。隨著生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的要求更加高。汽車噪聲污染已經(jīng)提高到與其他污染一樣的高度。於是很多國家紛紛制定了汽車噪聲污染的標(biāo)準(zhǔn)。雖然汽車只有一百多年的歷史，但是早在古羅馬時(shí)代，就制定了交通噪聲污染的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)是控制馬車通過醫(yī)院時(shí)馬蹄發(fā)出的噪聲。不過現(xiàn)代社會(huì)真正對(duì)汽車噪聲立法是在二十世紀(jì)六十年代。

汽車噪聲污染是汽車通過住宅區(qū)、街道等地方對(duì)居民和行人聽覺產(chǎn)生的傷害，因此在測量和制定標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)候就要模仿這樣的環(huán)境。為了確定汽車通過街道上噪聲的大小，通常是在專門的試驗(yàn)場來測試。在試驗(yàn)道路兩邊安放麥克風(fēng)來測量汽車通過麥克風(fēng)時(shí)的噪聲，所以這類測量叫“通過噪聲測量”，相對(duì)應(yīng)的噪聲叫著“通過噪聲”(pass-by noise)。麥克風(fēng)測量到的最大dB(A)噪聲就是通過噪聲的量值。

ISO在1964年時(shí)就推出了ISO R362的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)。之后很多國家在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上根據(jù)本國國情制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。歐洲在這方面做的工作最多。歐共體在ISO R362之后推出了70/157/EEC標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)M1類型的汽車，通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為82dB(A)。在隨后的三十多年中，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不斷修改，噪聲指標(biāo)越來越嚴(yán)。到了上個(gè)世紀(jì)的九十年代，新的標(biāo)準(zhǔn)92/97/EEC中規(guī)定M1類型車的通過噪聲指標(biāo)為74dB(A)。在從70/157/EEC到92/97/EEC的過程中，還經(jīng)歷了73/350/EEC，77/212/EEC，81/334/EEC，84/372/EEC，84/424/EEC等標(biāo)準(zhǔn)。在77/212/EEC標(biāo)準(zhǔn)中通過噪聲為80dB(A)，在84/424/EEC標(biāo)準(zhǔn)中，通過噪聲為77dB(A)。在不遠(yuǎn)的將來汽車通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)可能為71dB(A)。

從70/157/EEC的82dB(A)到92/97/EEC的74dB(A)，其噪聲要求提高了8dB(A)。但是實(shí)際上對(duì)噪聲要求的提高量大於8dB(A)。在六十年代，汽車馬力不大，車速較慢，汽車的密度也不高。汽車的主要噪聲源是發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲和排氣噪聲?？墒堑搅司攀甏?，汽車的馬力大大增加，速度提高，汽車的密度急劇增加，因此汽車產(chǎn)生的噪聲比六十年代汽車的噪聲要大。車胎與地面的摩擦噪聲成了主要噪聲源之一。所以比較六十年代和九十年代，對(duì)汽車提高噪聲的要求實(shí)際上是提高了十多分貝。

通過噪聲的主要噪聲源也隨著通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)的提高而變化。在不同的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)時(shí)代，其主要聲源和重要程度的排列循序也不一樣。下面列舉了這種變化：

通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為80dB(A)的時(shí)候，主要噪聲源是排氣噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲；

通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為77dB(A)的時(shí)候，主要噪聲源是排氣噪聲、進(jìn)氣噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲；

通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為74dB(A)的時(shí)候，主要噪聲源是排氣噪聲(包括了輻射噪聲)、進(jìn)氣噪聲、車胎-路面摩擦噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲；

當(dāng)通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為71dB(A)的時(shí)候，主要噪聲源將是車胎-路面摩擦噪聲、排氣噪聲、發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲、進(jìn)氣噪聲。

將來車胎-路面摩擦噪聲將越來越重要，但是車胎的設(shè)計(jì)除了噪聲外，安全是更重要的參數(shù)。安全總是放在第一位來考慮的。

在現(xiàn)在世界各國的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)中，歐共體的92/97/EEC標(biāo)準(zhǔn)是最嚴(yán)格的。如果這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通過了，那么其他的標(biāo)準(zhǔn)就沒有什么問題了。美國的汽車公司一般遵循SAE(汽車工程師協(xié)會(huì))的標(biāo)準(zhǔn)，如SAE J1470、SAE J986等等。用得最為廣泛的是1998年6月的SAE1470標(biāo)準(zhǔn)(汽車在高速公路上加速時(shí)輻射噪聲的測量標(biāo)準(zhǔn))。本節(jié)將用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來講述通過噪聲的測量。由於美國地域遼闊，人口密度比歐洲、中國和日本等國低得多，因此通過噪聲的要求也低些。美國的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)為78dB(A)。

通過噪聲在汽車產(chǎn)品開發(fā)中非常重要。針對(duì)不同的市場，要達(dá)到不同的通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)。如果按照美國市場開發(fā)的汽車，在歐洲有可能賣不出去。在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段，可以用現(xiàn)有類似的汽車來做通過噪聲試驗(yàn)，來檢查開發(fā)這種車型的可能性。在產(chǎn)品開發(fā)階段，要不斷地監(jiān)視汽車能否達(dá)到通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)。通過噪聲的測試與分析還有助于不斷了解系統(tǒng)的噪聲源。

通過噪聲的噪聲源

汽車高速行駛時(shí)，其噪聲源有兩大類：一類是汽車本身的噪聲源，另一類是是汽車與之接觸的物體的摩擦噪聲。

汽車本身的噪聲源在前面的章節(jié)中已經(jīng)介紹過，包括：進(jìn)氣系統(tǒng)的噪聲、排氣系統(tǒng)的噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)的輻射噪聲。而汽車與之接觸的物體的摩擦噪聲包括：車胎-路面摩擦噪聲，車體-空氣摩擦產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲。圖1列出了通過噪聲源分解圖。


圖1 通過噪聲源分解圖

1. 進(jìn)氣噪聲

進(jìn)氣噪聲主要是進(jìn)氣口的噪聲。進(jìn)氣噪聲的特點(diǎn)在第十二章已經(jīng)作了詳細(xì)的介紹。進(jìn)氣噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)氣口噪聲越大。另外空氣過濾器也會(huì)輻射出噪聲。

2. 排氣噪聲

排氣噪聲包括尾管口的噪聲、排氣管和排氣系統(tǒng)部件的輻射噪聲、排氣脈沖噪聲。

尾管口的噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，特別是在低轉(zhuǎn)速的情況下。在高轉(zhuǎn)速情況下，空氣流與排氣管的摩擦噪聲非常大，這種噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)]有關(guān)系。一般來說轉(zhuǎn)速在3500rpm以下，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的噪聲占主要成分。而在3500rpm以上，摩擦噪聲占主要成分，中心頻率一般在500Hz以上。低轉(zhuǎn)速下的噪聲頻率比較低，而摩擦噪聲的頻率較高，頻帶也比較寬。增加管道的直徑和增加排氣容積可以減少尾管噪聲。

排氣系統(tǒng)中有很多管道元件和板殼結(jié)構(gòu)，如消音器、共振器、催化器、管道等等。排氣管道和消音元件的結(jié)構(gòu)往往決定了這種噪聲的大小。比如單層管或者單層板的結(jié)構(gòu)，其輻射噪聲就大于雙層管或者板。輻射噪聲與排氣系統(tǒng)的位置有關(guān)，路兩邊的噪聲大小可能不一樣。這種噪聲的頻帶比較寬，其中心頻率大概在1000Hz。

排氣系統(tǒng)中還一個(gè)聲源是脈沖噪聲。當(dāng)排氣管結(jié)構(gòu)有突然過渡時(shí)，氣流會(huì)對(duì)管壁產(chǎn)生沖擊。這種噪聲是與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)的。一般是窄帶，頻率低于300Hz。

3. 發(fā)動(dòng)機(jī)輻射噪聲

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲會(huì)透過殼體進(jìn)入大氣。這種噪聲直接與轉(zhuǎn)速有關(guān)，一般頻率比較低。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)上的很多設(shè)備，如風(fēng)扇、起動(dòng)機(jī)等等也會(huì)產(chǎn)生輻射噪聲。

4. 車胎-路面摩擦噪聲

這些年汽車本身的噪聲不斷降低，汽車速度不斷提高，這樣車胎-路面的摩擦噪聲對(duì)通過噪聲的貢獻(xiàn)比例也就越來越大了。車胎橫向和縱向輪齒在與路面接觸的時(shí)候會(huì)形成空腔?？諝庠谶@些空腔中會(huì)發(fā)生共振，從而產(chǎn)生噪聲。這個(gè)噪聲是寬帶的，中心頻率為1000Hz左右。車胎-路面摩擦噪聲的頻率和大小取決于：車胎的輪齒寬度、深度、形狀、輪齒間的距離、路面狀況和車的速度等等。比如輪胎的輪齒不平衡，噪聲會(huì)增加；路面濕潤會(huì)增加1000Hz以上的噪聲；在0到40度范圍內(nèi)，溫度增加，其噪聲降低；在40到140公里/小時(shí)的速度范圍內(nèi)，速度增加一倍，輻射噪聲增加約10dB。

5. 風(fēng)激噪聲

當(dāng)車速低于60公里/小時(shí)時(shí)，這種噪聲幾乎可以不考慮。當(dāng)汽車以高速行使的時(shí)候，汽車車身和附件，如反光鏡、天線等，與空氣產(chǎn)生摩擦，就產(chǎn)生了噪聲。這種噪聲的頻帶很寬，可以達(dá)到幾千赫茲。

通過噪聲測試

“通過噪聲標(biāo)準(zhǔn)”是一個(gè)政府法規(guī)。開發(fā)一部汽車，就必須讓這部車通過相應(yīng)的“通過噪聲”標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在汽車公司基本上是用測試的方法。近年來，也有人通過建立一些數(shù)學(xué)模型的方式來模擬通過噪聲。對(duì)于系統(tǒng)和部件，可以用有限元、邊界元等方法來計(jì)算，方法相對(duì)成熟。但對(duì)于整車的通過噪聲分析，現(xiàn)在的技術(shù)還不成熟。


圖2 通過噪聲測試場

通過噪聲大多數(shù)是在露天試驗(yàn)場測試，本節(jié)將介紹SAE1470中的測試系統(tǒng)。圖2為SAE1470中的測試通過噪聲的試驗(yàn)場。試驗(yàn)場包括一個(gè)長20米寬20米的主體部分，10米長的進(jìn)入道路和10米長的出去道路。這兩個(gè)道路的寬度至少為3米。在進(jìn)入和出去的道路兩邊還要有與之連接的道路，以便汽車開進(jìn)和離開試驗(yàn)場地。通過噪聲的試驗(yàn)場必須滿足下面的條件：

聲場條件：在50米半徑范圍內(nèi)，不能有明顯的障礙物，如建造物、墻壁、橋梁、巖石等等。在麥克風(fēng)附近，不能有任何影響聲場的物體。人也不能站在聲源和麥克風(fēng)之間。

背景噪聲：一般要求背景噪聲比汽車通過時(shí)的噪聲低15分貝，絕對(duì)不能低于10分貝。

路面條件：試驗(yàn)場的路面應(yīng)該是用水泥鋪成，或者是沒有縫隙的瀝青或者是其他尖硬材料鋪成。路面的材料不能吸聲。路面要非常平，其誤差不能超過±0.05m。

天氣條件：大氣的溫度在00到400之間。在麥克風(fēng)高度處的風(fēng)速不能超過5m/s。下雨的時(shí)候不能進(jìn)行測試。

麥克風(fēng)的位子：如圖2所示，兩個(gè)麥克風(fēng)放在試驗(yàn)場的南北中軸線上，離水平中軸線的距離為7.5m±0.05m。麥克風(fēng)離地面的高度為1.2m±0.02m。

測量次數(shù)：在每邊最少測量四次。四次測量中，每兩次測量的最大噪聲的差值不能超過2分貝，否則要增加測量測試。

汽車的速度：不同的汽車(如轎車、卡車等)和不同的變速器(如自動(dòng)變速器和手動(dòng)變速器)，到達(dá)A-A線時(shí)的速度和離開B-B線的速度是不一樣的。在SAE1470和其他標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)不同車型和變速器的汽車速度和使用的變速檔都有詳細(xì)規(guī)定。讀者可以參閱有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下，到達(dá)AA線時(shí)的時(shí)速應(yīng)該為50公里/小時(shí)。汽車應(yīng)該沿著水平中心線行駛，當(dāng)接近AA線的時(shí)候，盡快地將油門踩到底，進(jìn)氣控制閥全開，發(fā)動(dòng)機(jī)全負(fù)荷工作。一直保持這種狀態(tài)，直到汽車的尾部離開了BB線，這時(shí)迅速放開油門，進(jìn)氣控制閥關(guān)閉。

露天測試通過噪聲，對(duì)試驗(yàn)場的要求不高。測試起來非常方便，成本低?？墒菂s受到自然因素的限制，在風(fēng)大、下雨的天氣下就不能測試。對(duì)於位于北方的試驗(yàn)場，整個(gè)冬天都不能進(jìn)行試驗(yàn)。於是，有的公司就建立了室內(nèi)通過噪聲試驗(yàn)室，如圖3所示。這樣實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)巨大的半消音室，汽車放在試驗(yàn)臺(tái)架(Dyno)上。汽車帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架上的四個(gè)輪子運(yùn)動(dòng)，但是汽車本身是原地不動(dòng)的。在汽車兩邊各放一排麥克風(fēng)，如圖4所示。這樣就可以測量到與汽車不同位子的噪聲，模擬汽車運(yùn)動(dòng)狀況。


圖3 室內(nèi)通過噪聲試驗(yàn)場


圖4 室內(nèi)通過噪聲測試與麥克風(fēng)

實(shí)驗(yàn)室測試的好處：不受天氣條件限制，汽車運(yùn)行的時(shí)候，人可以在汽車四周走到，觀察噪聲源；可以不安裝進(jìn)氣或者排氣或者其他系統(tǒng)，這樣就很容易識(shí)別噪聲源；可以得到汽車聲源與不同測量點(diǎn)的關(guān)系。

但是實(shí)驗(yàn)室測試也有壞處：由于汽車帶動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架的輪子運(yùn)動(dòng)，這樣很難模擬真正的輪胎-路面摩擦噪聲；實(shí)驗(yàn)室維護(hù)成本高。