張子文，周 蘇，宋 瑞1，

（1.長安大學(xué)，西安 710064；2.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司，廣州 511300）

2020年汽車工業(yè)藍(lán)皮書的發(fā)展報(bào)告指出，從2015年起，我國乘用車年銷量超過2 000萬輛。然而，隨著上路車輛增多而產(chǎn)生的汽車噪聲問題卻日益嚴(yán)重，在城區(qū)行駛而造成的車輛噪音對于行人以及旁邊的店鋪、居民樓、小區(qū)、學(xué)校等區(qū)域的影響尤為明顯。據(jù)調(diào)查，2020年生態(tài)環(huán)境部門接到公眾舉報(bào)44.1萬件，其中噪聲擾民問題占41.2%，而在聲源影響比例中，交通噪聲占了21.7%，通過檢測晝間道路交通噪聲數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)城市晝間交通噪聲等效聲級(jí)平均值高達(dá)66.6 dB（A）。

目前，我國實(shí)施的針對汽車加速行駛噪聲的測試標(biāo)準(zhǔn)GB 1495—2002《汽車加速行駛車外噪聲限制及測量方法》已發(fā)布了近20年，其中的限值和方法已經(jīng)無法很好地滿足解決目前道路噪聲問題的需求。20世紀(jì)末，在歐洲各個(gè)國家的共同努力下，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)行了新的測試標(biāo)準(zhǔn)ISO 362：1998，并于2001年在歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)的會(huì)議上納入了歐洲ECE標(biāo)準(zhǔn)體系。隨后幾年持續(xù)修改完善，最終形成了目前國外采用實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)ISO362-1：2007以及ECE的R51。我國在2009年時(shí)也起草了參考上述國外標(biāo)準(zhǔn)的GB 1495—20XX國內(nèi)強(qiáng)制性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，然而受各方面原因的限制，直至目前，此標(biāo)準(zhǔn)仍未正式頒布實(shí)施。盡管國內(nèi)目前對于測試新方法的需求不高，但基于道路交通噪聲污染的日益嚴(yán)重以及老舊的噪聲測試標(biāo)準(zhǔn)，新方法的推行是必然趨勢。另一方面，海外市場也在我國汽車經(jīng)濟(jì)中占據(jù)越來越重要的地位，據(jù)調(diào)查，2020年，汽車企業(yè)的全年出口達(dá)到了99.49萬輛，其中乘用車占76.34%，同比增長4.79%。國內(nèi)車輛需要出口海外市場時(shí)，ISO以及ECE系列標(biāo)準(zhǔn)仍是認(rèn)證程序的主要測試依據(jù)。因此，掌握新的測試流程、優(yōu)化試驗(yàn)方法對于標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和認(rèn)證企業(yè)的工作順利開展將有與時(shí)俱進(jìn)的現(xiàn)實(shí)意義。

在ISO 362-1：2007和ECE R51發(fā)布后，國內(nèi)諸多學(xué)者發(fā)表了一些針對新標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)研究成果。邱彬等針對ISO 362-1：2007相對于ISO 362-1：1998的差異進(jìn)行了分析和測試結(jié)果對比；謝東明等則根據(jù)ISO 362-1：2007和ECE R51的差異進(jìn)行了發(fā)展動(dòng)向分析，隨后通過測試試驗(yàn)，討論了關(guān)于新標(biāo)準(zhǔn)中幾個(gè)不明確的地方，指出了擋位選擇、混合動(dòng)力車輛的額定功率選定方法等關(guān)鍵點(diǎn)；彭偉強(qiáng)等更是進(jìn)一步基于ECE R51進(jìn)行了多工況的噪聲評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)研究，探究了ASEP評(píng)價(jià)方法對國內(nèi)汽車產(chǎn)品的影響。然而，新標(biāo)準(zhǔn)對于試驗(yàn)方法中，試驗(yàn)入線時(shí)預(yù)加速的起始速度和預(yù)加速距離的確定方法還未明確，這使得試驗(yàn)難度和復(fù)雜程度明顯提高，雖然在文獻(xiàn)［11］中提出了根據(jù)樣車加速曲線進(jìn)行預(yù)加速參數(shù)人工提取的方法，成功提取了加速參數(shù)，但此方法需要檢驗(yàn)員針對曲線進(jìn)行大量的人工操作、估算以及計(jì)算，比較復(fù)雜、不確定性高，可復(fù)現(xiàn)效率低，不利于測試的快速開展，時(shí)間和人工成本較高，對于方法的準(zhǔn)確度也并未有進(jìn)一步定量。并且基于加速測試曲線推導(dǎo)預(yù)加速參數(shù)時(shí)，由于曲線的初速度和計(jì)算得到的初速度不一致會(huì)導(dǎo)致預(yù)加速距離同時(shí)產(chǎn)生誤差，而目前并未有文獻(xiàn)考慮了預(yù)加速時(shí)初速度和距離之間的耦合關(guān)系。本文將針對M1類車輛，提出一種基于Simulink的預(yù)加速參數(shù)確定方法，通過對于車輛加速曲線的特征提取分析，建立計(jì)算模型，完成對于預(yù)加速參數(shù)的模擬計(jì)算，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了此方法的準(zhǔn)確度，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。此方法大大降低了確定預(yù)加速參數(shù)時(shí)的人工和時(shí)間成本，簡化了試驗(yàn)的復(fù)雜程度，降低了企業(yè)和第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)針對噪聲測試新方法的測試難度，有利于新噪聲測試實(shí)驗(yàn)方法的新標(biāo)準(zhǔn)推廣，具有一定的指引價(jià)值。

1 測試的關(guān)鍵加速參數(shù)

ISO 362-1：2007中，測試分為加速通過試驗(yàn)和勻速通過試驗(yàn)，測試場地如圖1所示。在加速試驗(yàn)中，要求車輛以一定的速度進(jìn)入’線，然后將油門達(dá)到最大開度，即加速踏板踩到盡頭，直至通過’線，且在整個(gè)行駛過程中車輛中心保持對準(zhǔn)’線，另外在通過’線時(shí)根據(jù)車型對于車速也有相應(yīng)要求。而對于M1類車輛，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)車輛參考點(diǎn)到達(dá)’線時(shí)，速度需為V=50±1 km/h，因此，在’線處的入線速度需要根據(jù)車輛的加速性能和加速距離進(jìn)行反推確定。而進(jìn)線速度的大小直接決定了車輛的參考點(diǎn)到達(dá)’線時(shí)的速度，從而對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生直接的影響，所以對于加速參數(shù)的確定是獲取準(zhǔn)確的測量結(jié)果的關(guān)鍵。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)測試場地規(guī)定

針對M1類車輛，由于車輛加速踏板踩下到汽車建立穩(wěn)定的加速度之間有一定延遲，此延遲造成了入線速度并不能單純依靠測定的加速度來進(jìn)行簡單計(jì)算得到，不考慮延遲的影響而直接選取加速度值將會(huì)無法在車輛到達(dá)’線處得到滿意的車速。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對于入線的方法有兩種：一是可以在’線之前選取一定的預(yù)加速距離，通過這段距離來提供給車輛充足的加速延遲時(shí)間，但當(dāng)測試車輛為自動(dòng)擋，且無法避免使用城市工況中明顯不用的擋位時(shí)，不可以使用這種方法；二是可以直接提高車輛到達(dá)參考點(diǎn)進(jìn)入’線時(shí)的速度，使即使存在加速延遲也能夠在到達(dá)’線時(shí)車速滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

以上兩種方法都需要對車輛的加速延遲特性進(jìn)行分析、總結(jié)、計(jì)算，將基于多次試驗(yàn)下樣車的加速速度曲線，通過Simulink建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型，進(jìn)而考慮預(yù)加速速度和距離參數(shù)耦合的影響，得到兩種方法的入線參數(shù)，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確度，降低了參數(shù)確定的人工計(jì)算成本和時(shí)間成本。

2 Simulink模型

在踩下汽車加速踏板，加速延遲后到加速至當(dāng)前擋位速度峰值前，存在一段穩(wěn)定加速度的加速過程，在此過程中，假設(shè)汽車做勻加速運(yùn)動(dòng)，可以得到：

式中：V為通過’線時(shí)的車速，為50 km/h；V為加速度剛開始穩(wěn)定時(shí)的車速；a為車輛到達(dá)勻加速后的車輛加速度；是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的從’線到’線的距離，取值為10 m。

接下來，將分別對兩種方法進(jìn)行討論。

方法1：即在’線前預(yù)留一定加速距離進(jìn)行預(yù)加速，到達(dá)’線時(shí)獲得穩(wěn)定加速度。這種情況可以用下列計(jì)算公式表達(dá)：

式中：V為車輛參考點(diǎn)到達(dá)’線時(shí)的車速；為駕駛員踩下加速踏板時(shí)的車速；Δ為車輛在加速到達(dá)穩(wěn)定前車速的變化量；為駕駛員踩下加速踏板時(shí)車輛距離’線的距離；()為當(dāng)車速=時(shí)，駕駛員踩下加速踏板時(shí)到車輛加速度穩(wěn)定前的行駛距離。結(jié)合單位換算和上面的公式可得：

方法2：固定踩下踏板的位置為’線，即在’線到’線的10 m距離內(nèi)，包含了汽車駕駛員踩下加速踏板時(shí)到車輛加速度穩(wěn)定前的車輛行駛距離，可得：

通過速度、加速度以及行駛距離的關(guān)系，可以進(jìn)一步得知：

式中：為駕駛員踩下加速踏板時(shí)刻；t為到達(dá)穩(wěn)定的加速踏板時(shí)刻。

基于上述的推導(dǎo)，建立Simulink模型如圖2所示。

圖2 Simulink詳細(xì)計(jì)算模型

圖2中，黃框?yàn)閕nport端口，此模塊輸入車輛的加速曲線，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和一般汽車加速的表現(xiàn)，若使汽車在’線到達(dá)50 km/h，試驗(yàn)的加速曲線取起始速度為45～47 km/h之間，為計(jì)算得到在加速至50 km/h期間更準(zhǔn)確的車輛加速度峰值，加速曲線不宜太短或太長，終點(diǎn)視情況選取。圖3為典型的某手動(dòng)擋M1型汽車加速曲線。紅框1表示由峰值加速度通過加權(quán)系數(shù)相乘得到名義穩(wěn)定加速度值，這是由于實(shí)際情況下加速度是一個(gè)浮動(dòng)值，加速度峰值需要一定比例的縮小才能得到名義穩(wěn)定加速度值。本文通過穩(wěn)定段加速度求平均值的方法，對不同車型進(jìn)行了大量的實(shí)車試驗(yàn)、結(jié)果比對、數(shù)據(jù)驗(yàn)證，最終得出在此模型中的加權(quán)系數(shù)取值0.76，試驗(yàn)使用VBOX道路測試系統(tǒng)進(jìn)行，速度精度為±0.1 km/h。圖4為設(shè)備及試驗(yàn)照片。

圖3 某車型典型加速速度-時(shí)間曲線

圖4 設(shè)備安裝及加速試驗(yàn)

同樣地，在紅框2中，通過條件模塊對速度曲線的加速延遲段和穩(wěn)定加速段進(jìn)行了分離，取最低穩(wěn)定加速度閾值為0.5 m/s；藍(lán)框1和藍(lán)框2則是考慮了計(jì)算得到的預(yù)加速距離和預(yù)加速速度之間的耦合關(guān)系，對前者在方法1和方法2中都進(jìn)行了修正，修正公式如下：

式中：為加速試驗(yàn)曲線的初始速度。綠框1中，包含了兩個(gè)輸出結(jié)果，分別是方法1中的預(yù)加速所采用的起始速度和預(yù)加速時(shí)車輛距離’線的距離()，而綠框2由于是固定參考點(diǎn)到達(dá)’線的加速方法，所以只輸出一個(gè)起始速度結(jié)果。將計(jì)算過程封裝成子系統(tǒng)后整個(gè)模型如圖5所示。

圖5 預(yù)加速方法整體封裝模型

3 模型驗(yàn)證和分析

本文模型針對M1類型汽車，為驗(yàn)證并分析模型精度，使用10臺(tái)不完全生產(chǎn)自同一生產(chǎn)商且型號(hào)不同的樣車，進(jìn)行模擬ISO 362-1：2007中的車輛入線及通過’點(diǎn)的加速行駛車外噪聲試驗(yàn)。由于需要得到樣車在固定位置的速度，本文使用針對新方法的imc噪聲測試系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過將光觸發(fā)器放置在位于車輛底部的車輛參考點(diǎn)處，光觸發(fā)器輸出觸發(fā)信號(hào)至數(shù)采主機(jī)，同時(shí)在’線和’線地面處固定光反射器，從而能夠?qū)④囕v通過特定位置的時(shí)刻記錄下來并與數(shù)采主機(jī)的采集時(shí)間同步，結(jié)合采集到的車速，即可得到入線速度V以及通過速度V。加速驗(yàn)證試驗(yàn)方法如圖6所示。

圖6 加速驗(yàn)證試驗(yàn)方法

具體的模型驗(yàn)證和結(jié)果分析流程如圖7所示。第1步，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求選擇合適的試驗(yàn)擋位，對于手動(dòng)擋樣車一般為3擋或4擋；第2步則通過加速試驗(yàn)得到樣車的加速曲線，從而得到導(dǎo)入至Simulink模型中的速度時(shí)間矩陣；第3步為判斷此樣車是否可以進(jìn)行方法1的試驗(yàn)，取決于樣車是否為自動(dòng)擋汽車，且在試驗(yàn)時(shí)無法避免使用城市工況中明顯不用的擋位；第4步為模型根據(jù)輸入的數(shù)組進(jìn)行計(jì)算得到兩種方法下的加速參數(shù)與()；第5步為根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定場地中進(jìn)行試驗(yàn)，采集車輛的入線速度V以及通過速度V；最后則對所有樣車的結(jié)果結(jié)合模型計(jì)算的加速參數(shù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

圖7 模型驗(yàn)證流程

通過對比模型的模擬結(jié)果和10臺(tái)樣車的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，得到表1。由表可知，10次試驗(yàn)里，共有8次試驗(yàn)的V值符合標(biāo)準(zhǔn)±1km/h的要求，2次不符合，其中一次為方法1的情況下偏低，一次為方法2的情況下偏高，整體符合率為80%。誤差最低為0.2%，最高為2.6%，誤差在1%以下的試驗(yàn)數(shù)量占比為50%。通過進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)誤差值，結(jié)合平均值和均方差公式進(jìn)行計(jì)算，可得誤差值的平均值，即模型的平均準(zhǔn)確度，為0.612 km/h，不大于1 km/h，均方差為0.418。

表1 噪聲加速驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過對2次不符合試驗(yàn)的分析，發(fā)現(xiàn)模型不適用的原因?yàn)榧铀俣燃訖?quán)參數(shù)的取值偏高或偏低了，由于該參數(shù)在模型中為基于加速曲線的特征參數(shù)，因此在本文中通過大量試驗(yàn)修正取為定值只能概括性描述大部分車輛，不一定適用所有車型，相信后期通過進(jìn)一步的研究，可以針對此參數(shù)進(jìn)行模型優(yōu)化或不同車輛針對該參數(shù)值單獨(dú)取值，從而得到更加可靠的模型，但此方法依舊具有高便利性、高效率以及對大部分車輛的高準(zhǔn)確度。值得注意的是，在實(shí)際試驗(yàn)中，初始速度的精確度直接影響結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，駕駛員是否擁有穩(wěn)定的駕駛技術(shù)對于試驗(yàn)的重復(fù)性和可信度是十分重要的。

4 結(jié)論

本文以ISO 362-1：2007中對汽車的加速行駛車外噪聲測試要求為出發(fā)點(diǎn)，針對M1類型汽車提出了一種加速參數(shù)確定的方法。該方法基于Simulink建立數(shù)學(xué)計(jì)算模型，可以依靠試驗(yàn)車輛的加速曲線進(jìn)行預(yù)加速距離和預(yù)加速速度的模擬，模型的準(zhǔn)確度經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證，符合率為80%，平均準(zhǔn)確度為0.612 km/h，最低誤差可達(dá)到0.2%。

通過實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證可以得出，該模型能較高準(zhǔn)確度地預(yù)測大部分M1類汽車的預(yù)加速距離和加速起始速度，從而使試驗(yàn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)降低了測試的難度和復(fù)雜程度，較大程度地節(jié)省了人力和時(shí)間成本，對于執(zhí)行測試方具有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。