汽车通过噪声教学试验方法改革的探索

靳 畅， 周 鋐

(同济大学 汽车学院 中心实验室,上海 201804)

汽车通过噪声教学试验方法改革的探索

靳 畅， 周 鋐

(同济大学 汽车学院 中心实验室,上海 201804)

汽车车外通过噪声试验是我国关于汽车噪声的法规试验，是控制汽车噪声的重要依据。因此，也是车辆工程专业本科生的一项重要教学试验内容。该教学试验以往是在室外进行，因受到环境及天气等条件限制,其教学试验效果并不理想。随着整车半消声室、底盘测功机等设备以及数据采集技术的日趋成熟，将室外的汽车通过噪声试验搬入室内进行已成为可能，这也为该教学试验方法的改革提供了条件。阐述了室内汽车通过噪声的试验原理、软硬件功能以及在教学试验中的应用，旨在激发学生对试验的兴趣和积极性，从而提高试验教学的质量。

通过噪声； 测试系统； 教学试验； 消声室

0 引 言

随着机动车的普及，环境噪声会越来越恶劣。我国于2002年颁布了GB1495—2002“汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法[1]”，这是我国针对汽车噪声的强制性法规，对控制汽车车外噪声有着重要意义。因此，这一项目也纳入了我校汽车学院本科生课程，成为一项重要的教学试验内容。

根据国家标准，汽车车外通过噪声在室外测量，以往的教学试验也都在室外进行。但室外试验受制于天气，如下雨、大风，和环境，如背景噪声的限制，时常无法开展。此外，室外试验只能测量出噪声的最大值，无法提供如“最大噪声出现在车辆行驶的哪个位置”或“噪声主要包含了哪些频率成分”等这类分析性的信息来向学生解释使他们产生探究的兴趣，这些限制也导致了以往教学中学生大多是被动接受而不能主动参与，使教学效果不理想。

随着汽车振动噪声试验技术的发展，底盘测功机、整车半消声室以及数据采集技术的日趋完善，整车行驶过程中的噪声问题已经可以在室内实验室进行研究。同济大学汽车学院的整车半消声实验室在这方面的科研中起到了重要的作用。汽车通过噪声试验在这样的实验室内进行可完全排除天气环境的影响，并且可以提供丰富的数据信息供学生思考分析，这也是实验室将先进科研设备应用于教学试验方法改革的有益尝试。

进行室内通过噪声试验数据采集的是一套配备了高精度传声器的具有测试快速性、结果可视性、数据完备性等特点[2]的现代数字式数据采集系统，其在我院实验室的科研中起到了重要作用。将此测试系统的应用从科研扩展到试验教学中，可充分利用其优势提高试验教学的效率和质量。

1 室内通过噪声试验原理

根据GB1495—2002标准，室外汽车通过噪声试验的过程如图1所示。AA线与BB线距离20 m，车辆以所规定档位下匀速(如50 km/h)行驶至AA线后驾驶员快速将油门踏板满踩到底，车辆加速通过BB线后松开油门， 在参考线位置距离中心线左右两侧各7.5 m的两个声级计分别记录加速过程中车辆左右两侧的最大噪声级。

图1 室外汽车通过噪声试验示意(m)

要在室内进行这样的试验就必须将室外试验的过程模拟出来，如图2所示。车辆置于半消声室内的底盘测功机转鼓上，中心线左右两侧7.5 m放置传声器阵列，其长度大于AA-BB线的20 m。试验原理采用了相对于室外试验互易的方法[3]，试验时车辆定置行驶，由转鼓模拟路面，并根据车速及计算出的行驶距离选取传声器阵列中相应时刻某个传声器采集到的噪声信号进行计算，相邻传声器之间的噪声通过插值计算来补充[4]。各时刻传声器信号的选取可以用图3示意。其中，mx为阵列中第x个传声器;tx为所选取的时刻。车辆的行驶位置由下式确定:

(1)

其中:Cte为初始位置；v为车速。

图2 室内汽车通过噪声试验示意

图3 各时刻传声器型号的选取

由于传声器阵列覆盖了整个加速过程，最终，汽车室内通过噪声试验能够得到加速过程中车辆在20 m内各个位置的噪声，其中也包含了最大噪声的位置。相比于室外试验只能得到噪声的最大值，室内试验所提供的数据信息更加丰富，为后续让学生思考分析提供基础。

2 室内通过噪声试验构成

进行室内通过噪声试验所需的设备仪器主要有半消声室、四驱底盘测功机转鼓以及数据采集系统。

2.1半消声室

在GB1495—2002标准中，理想的噪声测量环境场地的要求基本上是除了地面是反射面外，没有其他反射物的半自由声场，如具有坚硬、平坦的地面，满足环境要求的室外开阔场地。为了达到与室外相同的环境条件，室内试验就需要在半消声室内进行。只有地面对噪声反射，而其他五面均吸收入射声而无反射声的房间称为半消声室[5]。房间内除地面以外其他五个面上都做声学处理对声波全部吸收，这样就模拟了室外的空旷环境。

2.2四驱底盘测功机转鼓

半消声室为室内通过噪声试验提供了良好的声学环境，而车辆在道路上的行驶就需要在底盘测功机转鼓上模拟实现。在道路上行驶时是汽车相对于静止的路面作纵向运动，在底盘测功机上是以转鼓的表面来取代路面，这时是转鼓的表面相对于静止的汽车作旋转运动。试验时，底盘测功机模拟汽车行驶过程中受到的滚动阻力，加速阻力，空气阻力等[6]。

底盘测功机的转鼓还分为单轴和双轴两种类型[7]。单轴转鼓只承载车辆的驱动轮，非驱动轮固定不动。双轴转鼓则同时承载驱动与非驱动轮，也称四驱转鼓。由于轮胎的滚动噪声会对车外加速噪声产生明显影响[8]，故室内通过噪声试验需要采用四驱转鼓使车辆四轮同时滚动。

2.3数据采集系统

数据采集系统包括硬件和软件两大部分，试验中还需要有传声器和校准器等硬件。

(1) 硬件。

①数据采集前端。采用LMS公司的采集前端，最多64通道的数据同时采集，每通道最高采样频率204.8 kHz，具有AC、DC和ICP 3种不同的输入模式。

②预极化传声器。连接前置放大器，与数采前端直接相连。

③声校准器。GRAS公司传声器校准器，提供1 kHz，114 dB的标准正弦纯音输出。

(2) 软件。软件采用LMS公司的Test.Lab试验平台中的“In-room Pass-by Noise Testing”模块。其包含了试验前的设置，试验中的测量以及试验后的验证及分析功能，界面如图4所示。软件将试验划分成基于步骤的工作表见图5，自左至右的多个工作表组成了整个室内通过噪声试验的过程，清晰明了。学生按照顺序点击各个工作表进行具体的试验步骤。

图4 室内通过噪声试验软件界面

图5 试验过程工作表

3 室内通过噪声教学试验的重点内容

室内通过噪声试验虽然是模拟室外通过噪声的试验过程，但其本身试验过程的复杂程度要高于相对简单的室外试验。包含了声学、工程信号分析等内容，能够与“汽车试验技术”、“噪声的预测与控制”和“工程信号分析”等相关课程的知识点相融合，学生在教学实验中进一步掌握相应知识重点。这些重点内容主要有：①汽车通过噪声试验的意义及方法;②汽车噪声的影响因素;③室内通过噪声试验的方法;④噪声的计算与测量;⑤噪声信号的频谱分析。

3.1试验前的介绍与准备

室内通过噪声教学试验在实验室的半消声室内进行。在开始试验之前先要向学生介绍此次教学试验，包括试验意义及目的，与室外试验的区别，试验方法与所涉及的设备仪器原理及构造等，让学生有一个总体概念。例如，解释在室内模拟室外试验的原理，介绍影响汽车噪声的主要因素有发动机、进排气系统以及轮胎，测量噪声用的传声器原理及构造等。并通过在教学现场的展示激发起学生的兴趣。在之后的试验设置中让学生亲自动手进行仪器设备的连接，通道设置及传声器的校准。在软件的Channel Setup工作表中选取所需要的测量通道设置为声压的物理量以及量纲。接下来在Calibration工作表中校准传声器，学生可以直观的观察到传声器在校准时的时域响应和频域响应(见图6)，理解什么是单频线性校准。同时，通过切换声压与声压级单位观察两者之间的关系，声压与声压级之间的换算[9]也是学生要掌握的知识点。

图6 传声器校准时频图

根据试验车辆的不同类型，学生还要在如图7的Parameter工作表中输入车辆参数，如尺寸、质量、额定功率、变速箱类型几个档位速比等。这些参数都要体现在最终的试验报告中。

图7 车辆参数

3.2试验中的设置与测量

汽车通过噪声的测量首先是将声压通过传感器转变为模拟电压信号,其次再通过数据采集系统根据一定的时间间隔转换为离散信号进行后续的计算,这个连续模拟量转换为离散量的过程称为信号采样。学生需要根据所学过的采样定理[10]来选择通过噪声试验的采样频率以及频率分辨率。这项设置在如图8所示的软件的Acquisition Setup中完成。

图8 采样频率及频率分辨率设置

在信号测量过程中，信号实际大小与测量通道量程之间的匹配是获得高信噪比[11]可靠信号数据的关键。量程过低会造成信号的过载而丢失数据，量程过高会降低信噪比，引起较大的量化误差[12]。当量程设定越接近信号的最大值时其准确越高。通过噪声试验工况是一种非稳态的加速过程，其噪声信号变化较大，在正式测量前必须选取合适的通道量程。虽然目前软件都提供“自动量程”功能，在车辆整个加速过程中数采系统会自动确定最合适的量程，但这一量程及量化误差的概念是需要学生理解掌握的。

与进行任何噪声测量一样，在正式试验测量前需要掌握环境的噪声水平，也就是背景噪声的测量。根据国标的规定，背景噪声的A计权声压级至少比被测汽车噪声低10 dB。这其中的 “A计权声压级”[13]是学生要掌握的一个概念。A计权衰减了低于1 kHz的声压级，对于高于1 kHz的声压级给予部分放大或衰减，其接近人耳的听觉特性。

正式测量是按照国标规定的加速工况，转鼓模拟道路行驶。由于室内试验使用传声器阵列并通过计算得到虚拟的车辆行驶位置，故所得到的噪声数据也是随着车辆位置变化的连续曲线。这其中包含的信息比室外试验得到的只是简单的噪声最大值读数要丰富得多。在试验过程中，除了车辆驾驶，整个试验可让学生自己动手操作。在每次测量之后，学生需要通过选取如图9的车辆车速与转速触发的相应时间来完成一次完整的通过噪声计算。试验结果如图10所示，其中包含了整个加速过程的车速及转速信息，车辆左右两侧噪声随位置变化的曲线。从中可以得知车辆达到最大噪声时相应的车速和发动机转速，以及所行驶到的位置，为后续的频谱分析提供了基础，这样的结果数据是室外试验无法得到的。

图9 车辆加速触发时间的选取

图10 通过噪声试验结果

3.3试验后的数据分析

掌握了车辆最大噪声所在的车速和发动机转速可以为优化变速箱传动比提供依据。但更进一步我们还想了解最大噪声发生时其有怎样的频率分布，也就是频谱分析。室内通过噪声测量的数据可以根据车速或转速变化采用快速傅里叶变换计算出在整个加速过程中噪声的变化及在各模拟行驶位置下的频率分布，形成如图11所示的3维图谱。

图11 通过噪声3维倍频程图谱

对最大噪声处做切片得到如图12所示的噪声频谱，频谱的形式可以是窄带谱或各种倍频程谱。学生可以改变计算参数观察不同形式频谱显示的差异，如1/3倍频与1/1倍频之间在中心频率与带宽上的不同，这样能够更好地掌握倍频程的定义及其计算方法。

图12 最大噪声位置频谱

通过分析最大噪声的频谱学生能够进一步了解车辆通过噪声在哪些频率下有较大贡献。比如，发动机最主要的噪声集中在其阶次频率上[14]，主要阶次为：

(2)

式中:m为正整数;z为缸数;τ与冲程数有关，四冲程时τ=2。

主阶次频率为：

(3)

对于一台四缸发动机，其主要阶次为2、4、6阶[15]，当最大噪声出现在1 500 r/min时，对应的阶次频率为50、100和150 Hz，若这些频率下的噪声幅值在频谱中很高，说明发动机或相关的子系统(进排气)对通过噪声的贡献很大。若频谱中高于500 Hz的噪声幅值较高，则很可能轮胎噪声有较大的贡献[16]。频谱分析的过程是学生是对声学知识、信号处理知识等进行综合运用的过程，有助于学生对知识点的融会贯通。

4 结 语

教学实验的目的是让学生将所学理论通过实验进行实践及综合运用，激发学生兴趣和积极性十分重要。通过教学实验的改革，将教学试验与先进的科研设备相结合，丰富了教学内容，将知识点融入到实验过程各阶段中，能使学生以更加自然的方式运用所学知识。

同时，以学生参与为主的实验能够发挥他们实践探索的积极性。实验室对本科生开放仪器设备，也是科研设备对教学开放的一种有益尝试。此项教学试验采用分批形式，每批学生5～8人，每批2或3个学时。实验教师讲解1个学时后，学生协作完成整个试验，实验过程中教师在旁进行指导，结果以试验报告形式提交。学生对此项教学实验有很好的反响,实验以此为契机进一步推动科研设备在实验教学中的应用与共享,以改善实验教学的条件和方法,更有效地提高实验教学的水平和质量。

[1] 汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法[S]. 中华人民共和国国家标准(GB)，2002.

[2] LMS公司. LMS软件实验指导书[Z]. 比利时：LMS公司，2009.

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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 畅(1979-)，男，上海人，博士，工程师，主要从事汽车振动噪声技术教学与研究。Tel.: 13331811190; E-mail:bryan_jin_1@hotmail.com