武政杰 張智軒 曹 洋 任 園 李帥旗 王 謙

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

近年來(lái)，摩托車(chē)行業(yè)由代步工具逐漸向娛樂(lè)、文化等方向發(fā)展，大排量摩托車(chē)受到消費(fèi)者的青睞，產(chǎn)銷(xiāo)量均不斷增加。與此同時(shí)，國(guó)家的法規(guī)日益嚴(yán)格，目前制動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)同步，新的噪聲標(biāo)準(zhǔn)也在不斷推進(jìn)中，因而排除干擾因素，準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲對(duì)摩托車(chē)的檢測(cè)具有重要意義。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者對(duì)不同測(cè)試環(huán)境下車(chē)輛噪聲的影響因素進(jìn)行了研究，其中冷傳剛等人[1]對(duì)溫濕度等氣象條件對(duì)摩托車(chē)噪聲在傳播中的衰減進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)濕度對(duì)聲音的傳播影響很大。王雷等人[2]研究了溫度對(duì)車(chē)外加速噪聲的影響，并提出了修正系數(shù)。劉軍等人[3]發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣噪聲是車(chē)輛加速噪聲的來(lái)源之一。本文根據(jù)GB 16169-2005試驗(yàn)方法[4]，在實(shí)驗(yàn)條件下對(duì)真實(shí)的大排量摩托車(chē)進(jìn)行加速噪聲實(shí)驗(yàn)，研究了空氣密度、溫度和大氣壓力等環(huán)境因素對(duì)摩托車(chē)加速噪聲測(cè)試結(jié)果的影響，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)摩托車(chē)測(cè)試方法提出了改進(jìn)意見(jiàn)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選在天津的11月至次年6月，經(jīng)歷冬天、春天、夏天，共測(cè)量7次，以分析季節(jié)氣象條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。根據(jù)GB 16169-2005標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)某型大排量摩托車(chē)進(jìn)行加速噪聲實(shí)驗(yàn)，測(cè)量其在工作狀態(tài)下的噪聲變化特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)選用的車(chē)輛參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)路面符合ISO 10844標(biāo)準(zhǔn)，孔隙率≤8%，吸聲系數(shù)≤0.1，路表構(gòu)造深度≥0.4 mm[5]。

表1 車(chē)輛參數(shù)

測(cè)量場(chǎng)地表面由混凝土、瀝青或類(lèi)似的堅(jiān)實(shí)材料構(gòu)成，場(chǎng)地應(yīng)基本水平、平整、表面干燥、無(wú)雪、高草、塵土或類(lèi)似的吸聲物覆蓋。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地布置如圖1所示，以O(shè)點(diǎn)為基點(diǎn)、半徑50 m范圍內(nèi)沒(méi)有大的聲反射物。O點(diǎn)為測(cè)量區(qū)域的中心，AA′線(xiàn)為加速起始端，BB′線(xiàn)為加速終端線(xiàn)，CC′線(xiàn)為行駛中心線(xiàn)。

測(cè)試儀器選用聲級(jí)計(jì)，采用A頻率計(jì)權(quán)特性，快F檔，放置在O點(diǎn)兩側(cè)，傳聲器頭部端面中心離地高 1.2±0.1 m，各距 CC′線(xiàn) 7.5±0.2 m（沿 CC′線(xiàn)的垂直線(xiàn)測(cè)量），傳聲器參考軸與地面平行，并垂直指向CC′線(xiàn)。受試車(chē)排量大于175 mL，擋位為5擋，最大功率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速S為5 050 r/min，2擋3/4S對(duì)應(yīng)車(chē)速大于50 km/h。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，受試車(chē)沿著CC′線(xiàn)以50 km/h的入線(xiàn)速度進(jìn)入AA′線(xiàn)，全開(kāi)油門(mén)，通過(guò)BB′線(xiàn)后迅速回收油門(mén)。2擋往返測(cè)量一次，3擋往返測(cè)量一次。讀取并記錄聲級(jí)計(jì)的最大值。

為了能獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要對(duì)測(cè)試后的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷，如果實(shí)驗(yàn)前后聲級(jí)計(jì)的偏差超過(guò)0.5 dB（A），或者測(cè)試車(chē)輛往返兩次同側(cè)聲壓級(jí)相差2 dB（A）以上時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果無(wú)效。同時(shí)為了消除干擾，每次測(cè)量結(jié)果減去1 dB（A）作為選用結(jié)果，將車(chē)輛往返2次測(cè)得的4個(gè)測(cè)量值的平均值作為測(cè)試車(chē)輛的最大加速形式噪聲級(jí)，將2擋和3擋的平均值作為最終結(jié)果。

圖1 加速噪聲試驗(yàn)場(chǎng)地

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 空氣密度對(duì)結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)測(cè)取的不同工況下摩托車(chē)加速噪聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，同時(shí)測(cè)量聲壓級(jí)時(shí)其結(jié)果受到溫度與大氣壓力的影響，根據(jù)氣體狀態(tài)方程PV=nRT可知，大氣壓力增高，溫度降低造成氣體密度增大。假設(shè)100 kPa、0℃的空氣密度為1，對(duì)表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到不同溫度壓力下氣體相對(duì)密度值如表3所示。

對(duì)空氣密度和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的噪聲值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，如圖2所示。由分析可知，由氣象條件差異造成的空氣密度差異，直接影響摩托車(chē)加速噪聲最終試驗(yàn)結(jié)果，隨著空氣密度的增大，加速噪聲結(jié)果不斷增大，基本符合線(xiàn)性關(guān)系。

2.2 環(huán)境條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

2.2.1 空氣密度對(duì)摩托車(chē)加速性能的影響

測(cè)試車(chē)輛在實(shí)驗(yàn)條件下的加速度可由公式（1）求得

式中：v1為出線(xiàn)速度；v2為入線(xiàn)速度；S為加速區(qū)間，本研究中選取S=22 m。測(cè)得不同工況下的2擋及3擋加速度如表4所示，對(duì)表4數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，所得曲線(xiàn)如圖3所示。

結(jié)合圖表可知，空氣密度與加速度基本符合線(xiàn)性關(guān)系，且2擋加速度受到空氣密度的影響比3擋更大。這是由于2擋的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化區(qū)間為2 700～3 700 r/min之間，3擋的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000～2 600 r/min之間，發(fā)動(dòng)機(jī)在2擋處于發(fā)動(dòng)機(jī)更佳的工作轉(zhuǎn)速，因此受到空氣密度的影響更大。此外，由于測(cè)試地點(diǎn)是在天津，冬天溫度低，氣壓高，也就是說(shuō)空氣密度較大時(shí)，低溫有利于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，更有利于發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)性能。而且，丁平等人發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速變化100 r/min 時(shí)，聲壓級(jí)變化 0.7 dB（A）[6]。本文中通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出線(xiàn)轉(zhuǎn)速與聲壓級(jí)的關(guān)系如表5所示，通過(guò)擬合曲線(xiàn)可以看出，2擋轉(zhuǎn)速變化100 r/min，聲壓級(jí)變化1.03 dB（A）。與丁平等人的結(jié)論在趨勢(shì)上保持一致，但聲壓級(jí)變化量較大，這是由于摩托車(chē)相比較于汽車(chē)，發(fā)動(dòng)機(jī)裸露在外部，消聲效果不如汽車(chē)，相同的轉(zhuǎn)速變化量必然造成更大的聲壓級(jí)變化量。

表2 加速噪聲實(shí)驗(yàn)原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 每種工況對(duì)應(yīng)的空氣相對(duì)密度表

圖2 空氣相對(duì)密度與聲壓級(jí)之間關(guān)系

表4 不同工況下2擋及3擋加速度

圖3 空氣密度對(duì)加速性能影響

2.2.2 溫度與大氣壓力對(duì)聲音傳播的影響

大氣壓力與空氣密度和聲強(qiáng)的關(guān)系如公式（2）所示：

式中：P為聲壓；I為聲強(qiáng)；ρ為空氣密度；T為溫度。

表5 不同轉(zhuǎn)速下聲壓級(jí)特性

圖4 轉(zhuǎn)速對(duì)聲壓級(jí)影響

聲壓級(jí)計(jì)算可由公式（3）求得

假設(shè)同一聲源，即測(cè)量點(diǎn)處聲強(qiáng)（I）保持不變，0℃，94 kPa時(shí)測(cè)量點(diǎn)的噪聲值為80 dB(A)，那么該測(cè)量點(diǎn)隨著溫度與壓強(qiáng)的變化曲線(xiàn)如圖5、6所示

圖5 溫度與聲壓級(jí)之間關(guān)系

由圖可知，隨著大氣壓力的提高，聲壓級(jí)變大，0℃時(shí)，104 kPa比 94 kPa要高 0.44 dB（A）；隨著溫度的升高，聲壓級(jí)不斷降低，94 kPa時(shí)，38℃比0℃時(shí)低0.28 dB（A）。也就是說(shuō)高溫低壓與低溫高壓相比，相同聲源，相同聲級(jí)計(jì)測(cè)量點(diǎn)，聲壓級(jí)可以相差0.72 dB（A）。

圖6 大氣壓力與聲壓級(jí)之間關(guān)系

2.2.3 三分之一倍頻程分析

人耳聽(tīng)音的頻率范圍為20 Hz到20 kHz，其頻率分辨能力不是單一頻率，而是頻帶，1/3倍頻程目前被認(rèn)為是比較符合人耳特性的頻帶劃分方法。本文針對(duì)加速噪聲，采用傅立葉變換對(duì)其進(jìn)行處理，進(jìn)行1/3倍頻程分析，探究發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)頻帶的噪聲聲壓級(jí)特性，如圖7、8所示。

圖7 3擋左右兩側(cè)三分之一倍頻程對(duì)比分布圖

圖8 2擋與3擋右側(cè)三分之一倍頻程對(duì)比分布圖

分析圖7可知，隨著中心頻率的增大，聲壓級(jí)不斷增大，到了高頻區(qū)域，聲壓級(jí)不斷降低。其中1 250～3 150 Hz聲壓級(jí)最高，且左右側(cè)相差不大，可以認(rèn)為這個(gè)頻段的聲源為發(fā)動(dòng)機(jī)的主體聲源，這也正好是人耳最敏感的頻率范圍。3擋右側(cè)的聲壓級(jí)普遍高于左側(cè)聲壓級(jí)，尤其是4 000 Hz以上頻率區(qū)域，這主要是因?yàn)樵撥?chē)型排氣管在右側(cè)且密閉性良好，排氣管中的纖維吸聲材料能夠有效降低高頻噪聲[7]，但不能完全消除，所以在高頻區(qū)域右側(cè)聲壓級(jí)大于左側(cè)聲壓級(jí)。

分析圖8可知，2擋聲壓級(jí)普遍高于3擋聲壓級(jí)，在低頻區(qū)域尤其明顯，而高頻區(qū)域卻相差不多。由于2擋發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于3擋發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，所以2擋聲壓級(jí)普遍高于3擋聲壓級(jí)。而排氣管中的纖維吸聲材料對(duì)高頻噪聲的降低效果尤其明顯，這就是造成了二者在高頻區(qū)域差別不大的原因。因而如何降低該型車(chē)的低頻噪聲是下一步需要改進(jìn)的重點(diǎn)。

3 結(jié)論

1）環(huán)境溫度與大氣壓力共同影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣密度，同時(shí)環(huán)境溫度能夠影響發(fā)動(dòng)機(jī)散熱條件，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)加速過(guò)程。溫度降低、大氣壓力增高，造成車(chē)輛加速性能變好，轉(zhuǎn)速增高，進(jìn)而噪聲加大。同時(shí)，同一聲源，傳播至同一位置，環(huán)境溫度越高，大氣壓力越低，該位置聲壓級(jí)越低。

2）由于大氣壓力和溫度對(duì)聲壓級(jí)測(cè)試結(jié)果有著重要影響，為了提高噪聲測(cè)試準(zhǔn)確度，建議在下一階段噪聲標(biāo)準(zhǔn)中加入溫度與大氣壓力修正系數(shù)。

3）三分之一倍頻程譜圖表明，排氣管中的纖維吸聲材料能夠有效減小高頻噪聲，而中低頻噪聲的降低需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)及排氣管進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)要求。