靳 暢， 周 鋐

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院 中心實驗室,上海 201804)

汽車通過噪聲教學(xué)試驗方法改革的探索

靳 暢， 周 鋐

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院 中心實驗室,上海 201804)

汽車車外通過噪聲試驗是我國關(guān)于汽車噪聲的法規(guī)試驗，是控制汽車噪聲的重要依據(jù)。因此，也是車輛工程專業(yè)本科生的一項重要教學(xué)試驗內(nèi)容。該教學(xué)試驗以往是在室外進行，因受到環(huán)境及天氣等條件限制,其教學(xué)試驗效果并不理想。隨著整車半消聲室、底盤測功機等設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集技術(shù)的日趨成熟，將室外的汽車通過噪聲試驗搬入室內(nèi)進行已成為可能，這也為該教學(xué)試驗方法的改革提供了條件。闡述了室內(nèi)汽車通過噪聲的試驗原理、軟硬件功能以及在教學(xué)試驗中的應(yīng)用，旨在激發(fā)學(xué)生對試驗的興趣和積極性，從而提高試驗教學(xué)的質(zhì)量。

通過噪聲； 測試系統(tǒng)； 教學(xué)試驗； 消聲室

0 引 言

隨著機動車的普及，環(huán)境噪聲會越來越惡劣。我國于2002年頒布了GB1495—2002“汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法[1]”，這是我國針對汽車噪聲的強制性法規(guī)，對控制汽車車外噪聲有著重要意義。因此，這一項目也納入了我校汽車學(xué)院本科生課程，成為一項重要的教學(xué)試驗內(nèi)容。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，汽車車外通過噪聲在室外測量，以往的教學(xué)試驗也都在室外進行。但室外試驗受制于天氣，如下雨、大風(fēng)，和環(huán)境，如背景噪聲的限制，時常無法開展。此外，室外試驗只能測量出噪聲的最大值，無法提供如“最大噪聲出現(xiàn)在車輛行駛的哪個位置”或“噪聲主要包含了哪些頻率成分”等這類分析性的信息來向?qū)W生解釋使他們產(chǎn)生探究的興趣，這些限制也導(dǎo)致了以往教學(xué)中學(xué)生大多是被動接受而不能主動參與，使教學(xué)效果不理想。

隨著汽車振動噪聲試驗技術(shù)的發(fā)展，底盤測功機、整車半消聲室以及數(shù)據(jù)采集技術(shù)的日趨完善，整車行駛過程中的噪聲問題已經(jīng)可以在室內(nèi)實驗室進行研究。同濟大學(xué)汽車學(xué)院的整車半消聲實驗室在這方面的科研中起到了重要的作用。汽車通過噪聲試驗在這樣的實驗室內(nèi)進行可完全排除天氣環(huán)境的影響，并且可以提供豐富的數(shù)據(jù)信息供學(xué)生思考分析，這也是實驗室將先進科研設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)試驗方法改革的有益嘗試。

進行室內(nèi)通過噪聲試驗數(shù)據(jù)采集的是一套配備了高精度傳聲器的具有測試快速性、結(jié)果可視性、數(shù)據(jù)完備性等特點[2]的現(xiàn)代數(shù)字式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其在我院實驗室的科研中起到了重要作用。將此測試系統(tǒng)的應(yīng)用從科研擴展到試驗教學(xué)中，可充分利用其優(yōu)勢提高試驗教學(xué)的效率和質(zhì)量。

1 室內(nèi)通過噪聲試驗原理

根據(jù)GB1495—2002標(biāo)準(zhǔn)，室外汽車通過噪聲試驗的過程如圖1所示。AA線與BB線距離20 m，車輛以所規(guī)定檔位下勻速(如50 km/h)行駛至AA線后駕駛員快速將油門踏板滿踩到底，車輛加速通過BB線后松開油門， 在參考線位置距離中心線左右兩側(cè)各7.5 m的兩個聲級計分別記錄加速過程中車輛左右兩側(cè)的最大噪聲級。

圖1 室外汽車通過噪聲試驗示意(m)

要在室內(nèi)進行這樣的試驗就必須將室外試驗的過程模擬出來，如圖2所示。車輛置于半消聲室內(nèi)的底盤測功機轉(zhuǎn)鼓上，中心線左右兩側(cè)7.5 m放置傳聲器陣列，其長度大于AA-BB線的20 m。試驗原理采用了相對于室外試驗互易的方法[3]，試驗時車輛定置行駛，由轉(zhuǎn)鼓模擬路面，并根據(jù)車速及計算出的行駛距離選取傳聲器陣列中相應(yīng)時刻某個傳聲器采集到的噪聲信號進行計算，相鄰傳聲器之間的噪聲通過插值計算來補充[4]。各時刻傳聲器信號的選取可以用圖3示意。其中，mx為陣列中第x個傳聲器;tx為所選取的時刻。車輛的行駛位置由下式確定:

(1)

其中:Cte為初始位置；v為車速。

圖2 室內(nèi)汽車通過噪聲試驗示意

圖3 各時刻傳聲器型號的選取

由于傳聲器陣列覆蓋了整個加速過程，最終，汽車室內(nèi)通過噪聲試驗?zāi)軌虻玫郊铀龠^程中車輛在20 m內(nèi)各個位置的噪聲，其中也包含了最大噪聲的位置。相比于室外試驗只能得到噪聲的最大值，室內(nèi)試驗所提供的數(shù)據(jù)信息更加豐富，為后續(xù)讓學(xué)生思考分析提供基礎(chǔ)。

2 室內(nèi)通過噪聲試驗構(gòu)成

進行室內(nèi)通過噪聲試驗所需的設(shè)備儀器主要有半消聲室、四驅(qū)底盤測功機轉(zhuǎn)鼓以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.1半消聲室

在GB1495—2002標(biāo)準(zhǔn)中，理想的噪聲測量環(huán)境場地的要求基本上是除了地面是反射面外，沒有其他反射物的半自由聲場，如具有堅硬、平坦的地面，滿足環(huán)境要求的室外開闊場地。為了達到與室外相同的環(huán)境條件，室內(nèi)試驗就需要在半消聲室內(nèi)進行。只有地面對噪聲反射，而其他五面均吸收入射聲而無反射聲的房間稱為半消聲室[5]。房間內(nèi)除地面以外其他五個面上都做聲學(xué)處理對聲波全部吸收，這樣就模擬了室外的空曠環(huán)境。

2.2四驅(qū)底盤測功機轉(zhuǎn)鼓

半消聲室為室內(nèi)通過噪聲試驗提供了良好的聲學(xué)環(huán)境，而車輛在道路上的行駛就需要在底盤測功機轉(zhuǎn)鼓上模擬實現(xiàn)。在道路上行駛時是汽車相對于靜止的路面作縱向運動，在底盤測功機上是以轉(zhuǎn)鼓的表面來取代路面，這時是轉(zhuǎn)鼓的表面相對于靜止的汽車作旋轉(zhuǎn)運動。試驗時，底盤測功機模擬汽車行駛過程中受到的滾動阻力，加速阻力，空氣阻力等[6]。

底盤測功機的轉(zhuǎn)鼓還分為單軸和雙軸兩種類型[7]。單軸轉(zhuǎn)鼓只承載車輛的驅(qū)動輪，非驅(qū)動輪固定不動。雙軸轉(zhuǎn)鼓則同時承載驅(qū)動與非驅(qū)動輪，也稱四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓。由于輪胎的滾動噪聲會對車外加速噪聲產(chǎn)生明顯影響[8]，故室內(nèi)通過噪聲試驗需要采用四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓使車輛四輪同時滾動。

2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，試驗中還需要有傳聲器和校準(zhǔn)器等硬件。

(1) 硬件。

①數(shù)據(jù)采集前端。采用LMS公司的采集前端，最多64通道的數(shù)據(jù)同時采集，每通道最高采樣頻率204.8 kHz，具有AC、DC和ICP 3種不同的輸入模式。

②預(yù)極化傳聲器。連接前置放大器，與數(shù)采前端直接相連。

③聲校準(zhǔn)器。GRAS公司傳聲器校準(zhǔn)器，提供1 kHz，114 dB的標(biāo)準(zhǔn)正弦純音輸出。

(2) 軟件。軟件采用LMS公司的Test.Lab試驗平臺中的“In-room Pass-by Noise Testing”模塊。其包含了試驗前的設(shè)置，試驗中的測量以及試驗后的驗證及分析功能，界面如圖4所示。軟件將試驗劃分成基于步驟的工作表見圖5，自左至右的多個工作表組成了整個室內(nèi)通過噪聲試驗的過程，清晰明了。學(xué)生按照順序點擊各個工作表進行具體的試驗步驟。

圖4 室內(nèi)通過噪聲試驗軟件界面

圖5 試驗過程工作表

3 室內(nèi)通過噪聲教學(xué)試驗的重點內(nèi)容

室內(nèi)通過噪聲試驗雖然是模擬室外通過噪聲的試驗過程，但其本身試驗過程的復(fù)雜程度要高于相對簡單的室外試驗。包含了聲學(xué)、工程信號分析等內(nèi)容，能夠與“汽車試驗技術(shù)”、“噪聲的預(yù)測與控制”和“工程信號分析”等相關(guān)課程的知識點相融合，學(xué)生在教學(xué)實驗中進一步掌握相應(yīng)知識重點。這些重點內(nèi)容主要有：①汽車通過噪聲試驗的意義及方法;②汽車噪聲的影響因素;③室內(nèi)通過噪聲試驗的方法;④噪聲的計算與測量;⑤噪聲信號的頻譜分析。

3.1試驗前的介紹與準(zhǔn)備

室內(nèi)通過噪聲教學(xué)試驗在實驗室的半消聲室內(nèi)進行。在開始試驗之前先要向?qū)W生介紹此次教學(xué)試驗，包括試驗意義及目的，與室外試驗的區(qū)別，試驗方法與所涉及的設(shè)備儀器原理及構(gòu)造等，讓學(xué)生有一個總體概念。例如，解釋在室內(nèi)模擬室外試驗的原理，介紹影響汽車噪聲的主要因素有發(fā)動機、進排氣系統(tǒng)以及輪胎，測量噪聲用的傳聲器原理及構(gòu)造等。并通過在教學(xué)現(xiàn)場的展示激發(fā)起學(xué)生的興趣。在之后的試驗設(shè)置中讓學(xué)生親自動手進行儀器設(shè)備的連接，通道設(shè)置及傳聲器的校準(zhǔn)。在軟件的Channel Setup工作表中選取所需要的測量通道設(shè)置為聲壓的物理量以及量綱。接下來在Calibration工作表中校準(zhǔn)傳聲器，學(xué)生可以直觀的觀察到傳聲器在校準(zhǔn)時的時域響應(yīng)和頻域響應(yīng)(見圖6)，理解什么是單頻線性校準(zhǔn)。同時，通過切換聲壓與聲壓級單位觀察兩者之間的關(guān)系，聲壓與聲壓級之間的換算[9]也是學(xué)生要掌握的知識點。

圖6 傳聲器校準(zhǔn)時頻圖

根據(jù)試驗車輛的不同類型，學(xué)生還要在如圖7的Parameter工作表中輸入車輛參數(shù)，如尺寸、質(zhì)量、額定功率、變速箱類型幾個檔位速比等。這些參數(shù)都要體現(xiàn)在最終的試驗報告中。

圖7 車輛參數(shù)

3.2試驗中的設(shè)置與測量

汽車通過噪聲的測量首先是將聲壓通過傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號,其次再通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)一定的時間間隔轉(zhuǎn)換為離散信號進行后續(xù)的計算,這個連續(xù)模擬量轉(zhuǎn)換為離散量的過程稱為信號采樣。學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)過的采樣定理[10]來選擇通過噪聲試驗的采樣頻率以及頻率分辨率。這項設(shè)置在如圖8所示的軟件的Acquisition Setup中完成。

圖8 采樣頻率及頻率分辨率設(shè)置

在信號測量過程中，信號實際大小與測量通道量程之間的匹配是獲得高信噪比[11]可靠信號數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。量程過低會造成信號的過載而丟失數(shù)據(jù)，量程過高會降低信噪比，引起較大的量化誤差[12]。當(dāng)量程設(shè)定越接近信號的最大值時其準(zhǔn)確越高。通過噪聲試驗工況是一種非穩(wěn)態(tài)的加速過程，其噪聲信號變化較大，在正式測量前必須選取合適的通道量程。雖然目前軟件都提供“自動量程”功能，在車輛整個加速過程中數(shù)采系統(tǒng)會自動確定最合適的量程，但這一量程及量化誤差的概念是需要學(xué)生理解掌握的。

與進行任何噪聲測量一樣，在正式試驗測量前需要掌握環(huán)境的噪聲水平，也就是背景噪聲的測量。根據(jù)國標(biāo)的規(guī)定，背景噪聲的A計權(quán)聲壓級至少比被測汽車噪聲低10 dB。這其中的 “A計權(quán)聲壓級”[13]是學(xué)生要掌握的一個概念。A計權(quán)衰減了低于1 kHz的聲壓級，對于高于1 kHz的聲壓級給予部分放大或衰減，其接近人耳的聽覺特性。

正式測量是按照國標(biāo)規(guī)定的加速工況，轉(zhuǎn)鼓模擬道路行駛。由于室內(nèi)試驗使用傳聲器陣列并通過計算得到虛擬的車輛行駛位置，故所得到的噪聲數(shù)據(jù)也是隨著車輛位置變化的連續(xù)曲線。這其中包含的信息比室外試驗得到的只是簡單的噪聲最大值讀數(shù)要豐富得多。在試驗過程中，除了車輛駕駛，整個試驗可讓學(xué)生自己動手操作。在每次測量之后，學(xué)生需要通過選取如圖9的車輛車速與轉(zhuǎn)速觸發(fā)的相應(yīng)時間來完成一次完整的通過噪聲計算。試驗結(jié)果如圖10所示，其中包含了整個加速過程的車速及轉(zhuǎn)速信息，車輛左右兩側(cè)噪聲隨位置變化的曲線。從中可以得知車輛達到最大噪聲時相應(yīng)的車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，以及所行駛到的位置，為后續(xù)的頻譜分析提供了基礎(chǔ)，這樣的結(jié)果數(shù)據(jù)是室外試驗無法得到的。

圖9 車輛加速觸發(fā)時間的選取

圖10 通過噪聲試驗結(jié)果

3.3試驗后的數(shù)據(jù)分析

掌握了車輛最大噪聲所在的車速和發(fā)動機轉(zhuǎn)速可以為優(yōu)化變速箱傳動比提供依據(jù)。但更進一步我們還想了解最大噪聲發(fā)生時其有怎樣的頻率分布，也就是頻譜分析。室內(nèi)通過噪聲測量的數(shù)據(jù)可以根據(jù)車速或轉(zhuǎn)速變化采用快速傅里葉變換計算出在整個加速過程中噪聲的變化及在各模擬行駛位置下的頻率分布，形成如圖11所示的3維圖譜。

圖11 通過噪聲3維倍頻程圖譜

對最大噪聲處做切片得到如圖12所示的噪聲頻譜，頻譜的形式可以是窄帶譜或各種倍頻程譜。學(xué)生可以改變計算參數(shù)觀察不同形式頻譜顯示的差異，如1/3倍頻與1/1倍頻之間在中心頻率與帶寬上的不同，這樣能夠更好地掌握倍頻程的定義及其計算方法。

圖12 最大噪聲位置頻譜

通過分析最大噪聲的頻譜學(xué)生能夠進一步了解車輛通過噪聲在哪些頻率下有較大貢獻。比如，發(fā)動機最主要的噪聲集中在其階次頻率上[14]，主要階次為：

(2)

式中:m為正整數(shù);z為缸數(shù);τ與沖程數(shù)有關(guān)，四沖程時τ=2。

主階次頻率為：

(3)

對于一臺四缸發(fā)動機，其主要階次為2、4、6階[15]，當(dāng)最大噪聲出現(xiàn)在1 500 r/min時，對應(yīng)的階次頻率為50、100和150 Hz，若這些頻率下的噪聲幅值在頻譜中很高，說明發(fā)動機或相關(guān)的子系統(tǒng)(進排氣)對通過噪聲的貢獻很大。若頻譜中高于500 Hz的噪聲幅值較高，則很可能輪胎噪聲有較大的貢獻[16]。頻譜分析的過程是學(xué)生是對聲學(xué)知識、信號處理知識等進行綜合運用的過程，有助于學(xué)生對知識點的融會貫通。

4 結(jié) 語

教學(xué)實驗的目的是讓學(xué)生將所學(xué)理論通過實驗進行實踐及綜合運用，激發(fā)學(xué)生興趣和積極性十分重要。通過教學(xué)實驗的改革，將教學(xué)試驗與先進的科研設(shè)備相結(jié)合，豐富了教學(xué)內(nèi)容，將知識點融入到實驗過程各階段中，能使學(xué)生以更加自然的方式運用所學(xué)知識。

同時，以學(xué)生參與為主的實驗?zāi)軌虬l(fā)揮他們實踐探索的積極性。實驗室對本科生開放儀器設(shè)備，也是科研設(shè)備對教學(xué)開放的一種有益嘗試。此項教學(xué)試驗采用分批形式，每批學(xué)生5～8人，每批2或3個學(xué)時。實驗教師講解1個學(xué)時后，學(xué)生協(xié)作完成整個試驗，實驗過程中教師在旁進行指導(dǎo)，結(jié)果以試驗報告形式提交。學(xué)生對此項教學(xué)實驗有很好的反響,實驗以此為契機進一步推動科研設(shè)備在實驗教學(xué)中的應(yīng)用與共享,以改善實驗教學(xué)的條件和方法,更有效地提高實驗教學(xué)的水平和質(zhì)量。

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TheReformofExperimentalTeachingMethodologyforVehiclePass-byNoiseTest

JINChang,ZHOUHong

(Central Laboratory, School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Vehicle pass-by noise test is a test related to vehicle regulation of noise in China and is an important reference for the control of vehicle noise. It is therefore an important experimental course for students majoring in automotive engineering. Conventional vehicle pass-by noise test is conducted outdoors, and depends on the weather and environment conditions, which may lower the teaching effects. With the rapid development of anechoic room, chassis dynamometer and data acquisition technologies, it is possible to have vehicle pass-by noise test conducted indoors, the indoor test has advantage over conventional one and also provides facilities for the reform of experimental teaching methodology. This paper mainly describes the principle, features and advantages of in-room vehicle pass-by noise experiment, which helps to stimulate students’ motivation and furthermore improve the experimental teaching efficiency.

pass-by noise; testing system; experimental teaching; anechoic room

TH 825

A

1006-7167(2017)09-0032-05

2016-12-01

靳 暢(1979-)，男，上海人，博士，工程師，主要從事汽車振動噪聲技術(shù)教學(xué)與研究。Tel.: 13331811190; E-mail:bryan_jin_1@hotmail.com