什么是汽车通过噪声，我们该如何评价？

前言

汽车行业在过去的几十年中飞速发展。汽车改变了人们的生活，带动了社会生产力的发展。在很多国家，汽车已经是支柱产业。但是汽车的发展也给社会带来了一些负面的影响，汽车排气污染和噪声污染就是其中的两个典型例子。汽车的能源来自石油、天然气等化工原料。这些化工原料在汽车发动机内燃烧后产生一氧化碳和氮氧化合物等对人和环境有害的物质。这些废气就形成了大气污染。发动机工作的时候，要吸收空气，然后与燃油混合爆炸，产生巨大的推力推动曲轴运动，再通过动力传递轴系带动车轮。这样发动机会发出强烈的噪声。这些噪声透过汽车壳体、进排气管道传出来，就形成了噪声污染。

在过去的几十年时间内，汽车的拥有量和街道上汽车的流量急剧增加。这样人们对控制汽车产生的污染日益关注。随著生活水平的提高，人们对环境的要求更加高。汽车噪声污染已经提高到与其他污染一样的高度。於是很多国家纷纷制定了汽车噪声污染的标准。虽然汽车只有一百多年的历史，但是早在古罗马时代，就制定了交通噪声污染的标准。当时是控制马车通过医院时马蹄发出的噪声。不过现代社会真正对汽车噪声立法是在二十世纪六十年代。

汽车噪声污染是汽车通过住宅区、街道等地方对居民和行人听觉产生的伤害，因此在测量和制定标准的时候就要模仿这样的环境。为了确定汽车通过街道上噪声的大小，通常是在专门的试验场来测试。在试验道路两边安放麦克风来测量汽车通过麦克风时的噪声，所以这类测量叫“通过噪声测量”，相对应的噪声叫著“通过噪声”(pass-by noise)。麦克风测量到的最大dB(A)噪声就是通过噪声的量值。

ISO在1964年时就推出了ISO R362的通过噪声标准。之后很多国家在这个标准基础上根据本国国情制定了相应的标准。欧洲在这方面做的工作最多。欧共体在ISO R362之后推出了70/157/EEC标准。这个标准是针对M1类型的汽车，通过噪声标准为82dB(A)。在随后的三十多年中，这个标准不断修改，噪声指标越来越严。到了上个世纪的九十年代，新的标准92/97/EEC中规定M1类型车的通过噪声指标为74dB(A)。在从70/157/EEC到92/97/EEC的过程中，还经历了73/350/EEC，77/212/EEC，81/334/EEC，84/372/EEC，84/424/EEC等标准。在77/212/EEC标准中通过噪声为80dB(A)，在84/424/EEC标准中，通过噪声为77dB(A)。在不远的将来汽车通过噪声标准可能为71dB(A)。

从70/157/EEC的82dB(A)到92/97/EEC的74dB(A)，其噪声要求提高了8dB(A)。但是实际上对噪声要求的提高量大於8dB(A)。在六十年代，汽车马力不大，车速较慢，汽车的密度也不高。汽车的主要噪声源是发动机辐射噪声和排气噪声。可是到了九十年代，汽车的马力大大增加，速度提高，汽车的密度急剧增加，因此汽车产生的噪声比六十年代汽车的噪声要大。车胎与地面的摩擦噪声成了主要噪声源之一。所以比较六十年代和九十年代，对汽车提高噪声的要求实际上是提高了十多分贝。

通过噪声的主要噪声源也随著通过噪声标准的提高而变化。在不同的通过噪声标准时代，其主要声源和重要程度的排列循序也不一样。下面列举了这种变化：

通过噪声标准为80dB(A)的时候，主要噪声源是排气噪声、发动机辐射噪声；

通过噪声标准为77dB(A)的时候，主要噪声源是排气噪声、进气噪声和发动机辐射噪声；

通过噪声标准为74dB(A)的时候，主要噪声源是排气噪声(包括了辐射噪声)、进气噪声、车胎-路面摩擦噪声、发动机辐射噪声；

当通过噪声标准为71dB(A)的时候，主要噪声源将是车胎-路面摩擦噪声、排气噪声、发动机辐射噪声、进气噪声。

将来车胎-路面摩擦噪声将越来越重要，但是车胎的设计除了噪声外，安全是更重要的参数。安全总是放在第一位来考虑的。

在现在世界各国的通过噪声标准中，欧共体的92/97/EEC标准是最严格的。如果这个标准通过了，那么其他的标准就没有什么问题了。美国的汽车公司一般遵循SAE(汽车工程师协会)的标准，如SAE J1470、SAE J986等等。用得最为广泛的是1998年6月的SAE1470标准(汽车在高速公路上加速时辐射噪声的测量标准)。本节将用这个标准来讲述通过噪声的测量。由於美国地域辽阔，人口密度比欧洲、中国和日本等国低得多，因此通过噪声的要求也低些。美国的通过噪声标准为78dB(A)。

通过噪声在汽车产品开发中非常重要。针对不同的市场，要达到不同的通过噪声标准。如果按照美国市场开发的汽车，在欧洲有可能卖不出去。在产品概念设计阶段，可以用现有类似的汽车来做通过噪声试验，来检查开发这种车型的可能性。在产品开发阶段，要不断地监视汽车能否达到通过噪声标准。通过噪声的测试与分析还有助于不断了解系统的噪声源。

通过噪声的噪声源

汽车高速行驶时，其噪声源有两大类：一类是汽车本身的噪声源，另一类是是汽车与之接触的物体的摩擦噪声。

汽车本身的噪声源在前面的章节中已经介绍过，包括：进气系统的噪声、排气系统的噪声和发动机的辐射噪声。而汽车与之接触的物体的摩擦噪声包括：车胎-路面摩擦噪声，车体-空气摩擦产生的空气动力噪声。图1列出了通过噪声源分解图。


图1 通过噪声源分解图

1. 进气噪声

进气噪声主要是进气口的噪声。进气噪声的特点在第十二章已经作了详细的介绍。进气噪声与发动机转速相关，转速越高，进气口噪声越大。另外空气过滤器也会辐射出噪声。

2. 排气噪声

排气噪声包括尾管口的噪声、排气管和排气系统部件的辐射噪声、排气脉冲噪声。

尾管口的噪声与发动机转速有关，特别是在低转速的情况下。在高转速情况下，空气流与排气管的摩擦噪声非常大，这种噪声与发动机的转速没有关系。一般来说转速在3500rpm以下，发动机燃烧产生的噪声占主要成分。而在3500rpm以上，摩擦噪声占主要成分，中心频率一般在500Hz以上。低转速下的噪声频率比较低，而摩擦噪声的频率较高，频带也比较宽。增加管道的直径和增加排气容积可以减少尾管噪声。

排气系统中有很多管道元件和板壳结构，如消音器、共振器、催化器、管道等等。排气管道和消音元件的结构往往决定了这种噪声的大小。比如单层管或者单层板的结构，其辐射噪声就大于双层管或者板。辐射噪声与排气系统的位置有关，路两边的噪声大小可能不一样。这种噪声的频带比较宽，其中心频率大概在1000Hz。

排气系统中还一个声源是脉冲噪声。当排气管结构有突然过渡时，气流会对管壁产生冲击。这种噪声是与发动机的转速有关的。一般是窄带，频率低于300Hz。

3. 发动机辐射噪声

发动机产生的噪声会透过壳体进入大气。这种噪声直接与转速有关，一般频率比较低。另外，发动机上的很多设备，如风扇、起动机等等也会产生辐射噪声。

4. 车胎-路面摩擦噪声

这些年汽车本身的噪声不断降低，汽车速度不断提高，这样车胎-路面的摩擦噪声对通过噪声的贡献比例也就越来越大了。车胎横向和纵向轮齿在与路面接触的时候会形成空腔。空气在这些空腔中会发生共振，从而产生噪声。这个噪声是宽带的，中心频率为1000Hz左右。车胎-路面摩擦噪声的频率和大小取决于：车胎的轮齿宽度、深度、形状、轮齿间的距离、路面状况和车的速度等等。比如轮胎的轮齿不平衡，噪声会增加；路面湿润会增加1000Hz以上的噪声；在0到40度范围内，温度增加，其噪声降低；在40到140公里/小时的速度范围内，速度增加一倍，辐射噪声增加约10dB。

5. 风激噪声

当车速低于60公里/小时时，这种噪声几乎可以不考虑。当汽车以高速行使的时候，汽车车身和附件，如反光镜、天线等，与空气产生摩擦，就产生了噪声。这种噪声的频带很宽，可以达到几千赫兹。

通过噪声测试

“通过噪声标准”是一个政府法规。开发一部汽车，就必须让这部车通过相应的“通过噪声”标准，现在汽车公司基本上是用测试的方法。近年来，也有人通过建立一些数学模型的方式来模拟通过噪声。对于系统和部件，可以用有限元、边界元等方法来计算，方法相对成熟。但对于整车的通过噪声分析，现在的技术还不成熟。


图2 通过噪声测试场

通过噪声大多数是在露天试验场测试，本节将介绍SAE1470中的测试系统。图2为SAE1470中的测试通过噪声的试验场。试验场包括一个长20米宽20米的主体部分，10米长的进入道路和10米长的出去道路。这两个道路的宽度至少为3米。在进入和出去的道路两边还要有与之连接的道路，以便汽车开进和离开试验场地。通过噪声的试验场必须满足下面的条件：

声场条件：在50米半径范围内，不能有明显的障碍物，如建造物、墙壁、桥梁、岩石等等。在麦克风附近，不能有任何影响声场的物体。人也不能站在声源和麦克风之间。

背景噪声：一般要求背景噪声比汽车通过时的噪声低15分贝，绝对不能低于10分贝。

路面条件：试验场的路面应该是用水泥铺成，或者是没有缝隙的沥青或者是其他尖硬材料铺成。路面的材料不能吸声。路面要非常平，其误差不能超过±0.05m。

天气条件：大气的温度在00到400之间。在麦克风高度处的风速不能超过5m/s。下雨的时候不能进行测试。

麦克风的位子：如图2所示，两个麦克风放在试验场的南北中轴线上，离水平中轴线的距离为7.5m±0.05m。麦克风离地面的高度为1.2m±0.02m。

测量次数：在每边最少测量四次。四次测量中，每两次测量的最大噪声的差值不能超过2分贝，否则要增加测量测试。

汽车的速度：不同的汽车(如轿车、卡车等)和不同的变速器(如自动变速器和手动变速器)，到达A-A线时的速度和离开B-B线的速度是不一样的。在SAE1470和其他标准中，对不同车型和变速器的汽车速度和使用的变速档都有详细规定。读者可以参阅有关标准。一般情况下，到达AA线时的时速应该为50公里/小时。汽车应该沿著水平中心线行驶，当接近AA线的时候，尽快地将油门踩到底，进气控制阀全开，发动机全负荷工作。一直保持这种状态，直到汽车的尾部离开了BB线，这时迅速放开油门，进气控制阀关闭。

露天测试通过噪声，对试验场的要求不高。测试起来非常方便，成本低。可是却受到自然因素的限制，在风大、下雨的天气下就不能测试。对於位于北方的试验场，整个冬天都不能进行试验。於是，有的公司就建立了室内通过噪声试验室，如图3所示。这样实验室是一个巨大的半消音室，汽车放在试验台架(Dyno)上。汽车带动试验台架上的四个轮子运动，但是汽车本身是原地不动的。在汽车两边各放一排麦克风，如图4所示。这样就可以测量到与汽车不同位子的噪声，模拟汽车运动状况。


图3 室内通过噪声试验场


图4 室内通过噪声测试与麦克风

实验室测试的好处：不受天气条件限制，汽车运行的时候，人可以在汽车四周走到，观察噪声源；可以不安装进气或者排气或者其他系统，这样就很容易识别噪声源；可以得到汽车声源与不同测量点的关系。

但是实验室测试也有坏处：由于汽车带动试验台架的轮子运动，这样很难模拟真正的轮胎-路面摩擦噪声；实验室维护成本高。