环境条件对摩托车加速噪声的影响

武政杰 张智轩 曹 洋 任 园 李帅旗 王 谦

（天津内燃机研究所 天津 300072）

引言

近年来，摩托车行业由代步工具逐渐向娱乐、文化等方向发展，大排量摩托车受到消费者的青睐，产销量均不断增加。与此同时，国家的法规日益严格，目前制动标准已经与欧洲标准同步，新的噪声标准也在不断推进中，因而排除干扰因素，准确测量发动机的噪声对摩托车的检测具有重要意义。国内部分学者对不同测试环境下车辆噪声的影响因素进行了研究，其中冷传刚等人[1]对温湿度等气象条件对摩托车噪声在传播中的衰减进行了分析，发现湿度对声音的传播影响很大。王雷等人[2]研究了温度对车外加速噪声的影响，并提出了修正系数。刘军等人[3]发现发动机进气噪声是车辆加速噪声的来源之一。本文根据GB 16169-2005试验方法[4]，在实验条件下对真实的大排量摩托车进行加速噪声实验，研究了空气密度、温度和大气压力等环境因素对摩托车加速噪声测试结果的影响，结合实验结果对摩托车测试方法提出了改进意见。

1 试验方法

试验选在天津的11月至次年6月，经历冬天、春天、夏天，共测量7次，以分析季节气象条件对实验结果造成的影响。根据GB 16169-2005标准，对某型大排量摩托车进行加速噪声实验，测量其在工作状态下的噪声变化特点，实验选用的车辆参数见表1。实验路面符合ISO 10844标准，孔隙率≤8%，吸声系数≤0.1，路表构造深度≥0.4 mm[5]。

表1 车辆参数

测量场地表面由混凝土、沥青或类似的坚实材料构成，场地应基本水平、平整、表面干燥、无雪、高草、尘土或类似的吸声物覆盖。实验场地布置如图1所示，以O点为基点、半径50 m范围内没有大的声反射物。O点为测量区域的中心，AA′线为加速起始端，BB′线为加速终端线，CC′线为行驶中心线。

测试仪器选用声级计，采用A频率计权特性，快F档，放置在O点两侧，传声器头部端面中心离地高 1.2±0.1 m，各距 CC′线 7.5±0.2 m（沿 CC′线的垂直线测量），传声器参考轴与地面平行，并垂直指向CC′线。受试车排量大于175 mL，挡位为5挡，最大功率对应转速S为5 050 r/min，2挡3/4S对应车速大于50 km/h。依据标准，受试车沿着CC′线以50 km/h的入线速度进入AA′线，全开油门，通过BB′线后迅速回收油门。2挡往返测量一次，3挡往返测量一次。读取并记录声级计的最大值。

为了能获取准确的数据，需要对测试后的数据进行有效性判断，如果实验前后声级计的偏差超过0.5 dB（A），或者测试车辆往返两次同侧声压级相差2 dB（A）以上时，实验结果无效。同时为了消除干扰，每次测量结果减去1 dB（A）作为选用结果，将车辆往返2次测得的4个测量值的平均值作为测试车辆的最大加速形式噪声级，将2挡和3挡的平均值作为最终结果。

图1 加速噪声试验场地

2 数据分析

2.1 空气密度对结果的影响

实验测取的不同工况下摩托车加速噪声实验结果如表2所示，同时测量声压级时其结果受到温度与大气压力的影响，根据气体状态方程PV=nRT可知，大气压力增高，温度降低造成气体密度增大。假设100 kPa、0℃的空气密度为1，对表2中的数据进行计算，得到不同温度压力下气体相对密度值如表3所示。

对空气密度和实验测得的噪声值进行数据拟合，如图2所示。由分析可知，由气象条件差异造成的空气密度差异，直接影响摩托车加速噪声最终试验结果，随着空气密度的增大，加速噪声结果不断增大，基本符合线性关系。

2.2 环境条件对测试结果的影响

2.2.1 空气密度对摩托车加速性能的影响

测试车辆在实验条件下的加速度可由公式（1）求得

式中：v1为出线速度；v2为入线速度；S为加速区间，本研究中选取S=22 m。测得不同工况下的2挡及3挡加速度如表4所示，对表4数据进行拟合，所得曲线如图3所示。

结合图表可知，空气密度与加速度基本符合线性关系，且2挡加速度受到空气密度的影响比3挡更大。这是由于2挡的发动机转速变化区间为2 700～3 700 r/min之间，3挡的发动机转速在2 000～2 600 r/min之间，发动机在2挡处于发动机更佳的工作转速，因此受到空气密度的影响更大。此外，由于测试地点是在天津，冬天温度低，气压高，也就是说空气密度较大时，低温有利于发动机散热，更有利于发挥发动机性能。而且，丁平等人发现转速变化100 r/min 时，声压级变化 0.7 dB（A）[6]。本文中通过实验数据计算出线转速与声压级的关系如表5所示，通过拟合曲线可以看出，2挡转速变化100 r/min，声压级变化1.03 dB（A）。与丁平等人的结论在趋势上保持一致，但声压级变化量较大，这是由于摩托车相比较于汽车，发动机裸露在外部，消声效果不如汽车，相同的转速变化量必然造成更大的声压级变化量。

表2 加速噪声实验原始实验数据

表3 每种工况对应的空气相对密度表

图2 空气相对密度与声压级之间关系

表4 不同工况下2挡及3挡加速度

图3 空气密度对加速性能影响

2.2.2 温度与大气压力对声音传播的影响

大气压力与空气密度和声强的关系如公式（2）所示：

式中：P为声压；I为声强；ρ为空气密度；T为温度。

表5 不同转速下声压级特性

图4 转速对声压级影响

声压级计算可由公式（3）求得

假设同一声源，即测量点处声强（I）保持不变，0℃，94 kPa时测量点的噪声值为80 dB(A)，那么该测量点随着温度与压强的变化曲线如图5、6所示

图5 温度与声压级之间关系

由图可知，随着大气压力的提高，声压级变大，0℃时，104 kPa比 94 kPa要高 0.44 dB（A）；随着温度的升高，声压级不断降低，94 kPa时，38℃比0℃时低0.28 dB（A）。也就是说高温低压与低温高压相比，相同声源，相同声级计测量点，声压级可以相差0.72 dB（A）。

图6 大气压力与声压级之间关系

2.2.3 三分之一倍频程分析

人耳听音的频率范围为20 Hz到20 kHz，其频率分辨能力不是单一频率，而是频带，1/3倍频程目前被认为是比较符合人耳特性的频带划分方法。本文针对加速噪声，采用傅立叶变换对其进行处理，进行1/3倍频程分析，探究发动机在各个频带的噪声声压级特性，如图7、8所示。

图7 3挡左右两侧三分之一倍频程对比分布图

图8 2挡与3挡右侧三分之一倍频程对比分布图

分析图7可知，随着中心频率的增大，声压级不断增大，到了高频区域，声压级不断降低。其中1 250～3 150 Hz声压级最高，且左右侧相差不大，可以认为这个频段的声源为发动机的主体声源，这也正好是人耳最敏感的频率范围。3挡右侧的声压级普遍高于左侧声压级，尤其是4 000 Hz以上频率区域，这主要是因为该车型排气管在右侧且密闭性良好，排气管中的纤维吸声材料能够有效降低高频噪声[7]，但不能完全消除，所以在高频区域右侧声压级大于左侧声压级。

分析图8可知，2挡声压级普遍高于3挡声压级，在低频区域尤其明显，而高频区域却相差不多。由于2挡发动机转速高于3挡发动机转速，所以2挡声压级普遍高于3挡声压级。而排气管中的纤维吸声材料对高频噪声的降低效果尤其明显，这就是造成了二者在高频区域差别不大的原因。因而如何降低该型车的低频噪声是下一步需要改进的重点。

3 结论

1）环境温度与大气压力共同影响发动机进气空气密度，同时环境温度能够影响发动机散热条件，进而影响发动机加速过程。温度降低、大气压力增高，造成车辆加速性能变好，转速增高，进而噪声加大。同时，同一声源，传播至同一位置，环境温度越高，大气压力越低，该位置声压级越低。

2）由于大气压力和温度对声压级测试结果有着重要影响，为了提高噪声测试准确度，建议在下一阶段噪声标准中加入温度与大气压力修正系数。

3）三分之一倍频程谱图表明，排气管中的纤维吸声材料能够有效减小高频噪声，而中低频噪声的降低需要对发动机结构及排气管进行进一步的优化，以满足日益严格的环境法规要求。