测试和仿真技术在摩托车噪声控制中的应用

1 前言

机动车噪声是城市噪声公害的重要来源，也是环保工作的主要控制对象之一。为了减少机动车噪声污染，各发达国都制定了严格的法规对包括摩托车在内的车辆噪声加以限制。虽然我国目前对机动车噪声的控制力度尚未达到欧美、日本的水平，但从长远来看，政府不断强化对机动车环保性的要求并最终与发达国家接轨是一个必然趋势。随着新的摩托车噪声限制法规－GB4569-2000 的正式实施，外资摩托车企业的技术优势将更加明显，而部分国内企业将由于主导车型的噪声水平不能达标而陷入非常尴尬的处境。有资料表明，截至2005 年初国内在产车型约有一半不能达到GB4560-2000 的要求，其中125 排量以上骑式车情况最为严重，这无疑将造成国内摩托车行业生产、研发能力的巨大浪费和闲置。因此可以说，噪声控制技术是关系到国内摩托车行业生死存亡的关键技术之一。

正是在这样的背景下，国内的摩托车制造商都加大了对噪声控制的研究力度。然而，机动车的噪声问题非常复杂，不仅难度高、投入大，而且需要综合多个领域的理论知识和工程经验。近年来，由于计算机技术、数值模拟以及数字信号处理的理论与实验技术的飞速发展，声学测试与分析研究的软硬件取得了长足进步，使噪声的测试、分析与控制技术在各个行业得到了飞速的发展，所有这些都为摩托车噪声控制技术的研究与开发提供了机遇。

本项目是嘉陵与 LMS 合作开展的一个摩托车降噪项目。经过近两年时间的努力，成功地使某125 车型的通过噪声由原来的78.5dB(A)下降到76.5dB(A)，对应了国家法规的要求。

2 噪声源识别

如同病人就诊，摩托车噪声控制的首要环节就是诊断，即通过测试找出摩托车的主要噪声源，以便有的放矢地进行改进。本项目应用了两种技术来进行噪声源的识别和排序， 即屏蔽测试（Wrapping/Disconnection Test）和ASQ（Airborne Source Quantification，声源量化分析），所有测试工作都在 LMS 公司总部的消声室内完成。

2.1 屏蔽测试

噪声源屏蔽测试的基本思路就是针对若干个主要噪声源分别进行屏蔽，对表面辐射噪声采取覆盖的方式，对气动噪声则采取连接绝对消声器的方式。

进行测试之前，根据主观判断先假定下列各项为主要噪声源：

a 进排气噪声；
b 发动机；
c 壳体零件（油箱、整流罩、侧盖等）；
d 消声器表面辐射噪声；
e 轮胎。

以下为部分测试状态图片：

根据屏蔽测试的结果可进行噪声源排序并判断各噪声源的最大修改潜力，即完全屏蔽该噪声源时总体通过噪声的下降量。需要指出的是，屏蔽测试不能精确描述不同频率下各噪声源对总体通过噪声的相对影响，这需要靠下面提到的ASQ 测试来完成。

ASQ 技术是LMS 公司在上世纪九十年代开发的一套用于精确测量各独立噪声源对总体噪声贡献量大小的测试技术。对于空气传播噪声，其传播机理如下：

可见，只要知道噪声源参数和传递路径，就可以计算出响应，也就是噪声源的贡献量。这就是ASQ的基本思路。

ASQ测试中最关键、最复杂的就是测量噪声源的体积加速度（m3/s2）或体积速度（m3/s），这两个参数是反映声源发声强度的基本参数，其作用可类比于力激励中的力。但是，声源的体积加速度往往很难直接测量，只能通过间接测量计算得到。有了噪声源的体积加速度，再测出噪声源与远场点（7.5m远处）之间的传递函数，就可以计算PBN（通过噪声）测试时该噪声源对总体噪声的贡献量。 [page]

以下为部分测试状态图片：

和屏蔽测试不同，ASQ 可以反映不同频率下各噪声源对总体通过噪声的相对贡献量（比重），从而为下一步的声学优化提供一些细节信息。下图为载体车型ASQ 测试的结果：

可见，载体车型的进气噪声主要集中在250Hz 以下并在此频段居于支配地位；在300-600Hz，排气噪声的影响最为显著；而1000Hz 以上的噪声则主要来自于发动机。

3 声学性能优化

诊断测试的结果明确了进、排气系统是最主要的噪声源，分别有1.4dB(A)和1.0dB(A)的改进潜力。如果能对这两个部件进行有效的声学性能优化，就可以达到项目的设定目标。

本项目采用边界元分析软件 SYSNOISE 来进行部件级声学计算。SYSNOISE 是LMS 开发的用于振动及声学计算的专业软件，广泛应用于汽车、航空航天、船舶、家用电器等行业。该软件可以进行直接/间接非耦合边界元、耦合边界元、非耦合有限元、声辐射等分析。其中，间接非耦合边界元法因具有网格数量少、计算时间快、内外都可以有介质等优点而得到广泛应用。

3.1 排气系统优化

在评价消声器的声学性能时，采用了传递损失 TL（Transmission Loss）这一定义。和传递函数不同，传递损失是指声音通过某一系统，如消声器，其进、出口间的声功率级之差。传递损失与声源无关，并且要求其出口为消声边界。

传递损失是评价消声器声学性能最重要的参数，测试条件要求相当高，现阶段国内还无法用试验的办法来测量，只能用模拟的方式来计算消声器的传递损失。

传递损失的公式表达如下：

其中各参数含义如下： Sn ：上端端口截面积； Pn：上端端口压力； ρ ：流动介质密度；c ：流动介质中的声速；vn ：质点振动速度；Pi ：下端端口处压力；Si ：下端端口截面积。

ASQ 测试分析结果显示，原消声器在200~500Hz 范围内的声学性能欠佳，因此计算和优化主要围绕该频段进行。针对原消声器存在的容积小、插入管尺寸不合理等问题，应用SYSNOISE 建立了四十多种消声器模型进行对比分析，并综合考虑各方案的声学效果、动力匹配、工艺性等因素，最终确定了三种方案，即：E11、E20 和E28。

下图为新方案和原消声器的传递损失对比：

从以上曲线对比图中可以看出，这三种模型在200~500Hz 频域范围内的声学性能都较原消声器有所提高，但最终的效果只能靠测试来验证。

3.2 进气系统优化

载体车型原空滤器的主要问题是容积偏小和容腔形状欠佳，因此重新设计了十余种方案进行计算和评价。计算模型按照LMS 工程师的建议，在入口处施加一个标准单位的体积加速度激励，然后考察距离出口1m 远的测点处的声压级曲线。

下图为三种改进方案（K2、K3、K8）和原空滤器的1m 声压级对比：

可见，在调整了容腔大小和形状以后，空滤器的声学性能有了极大改善。其中又以K3、K8 的效果最为突出。 [page]

声学性能和动力性能是一对矛盾，常常互相制约和影响，这也是机动车噪声控制的难点之一。本项目在降低通过噪声的同时，也对动力性能进行了考核，以便在噪声和动力性之间找到一个较好的平衡点。

4.1 动力性能

改进的空滤器、消声器方案对动力性能的影响是通过发动机外特性测试来评价的。以下是分别在两台发动机上进行测试的结果：

不难看出，消声器改进方案E11 对提升动力性有利，而新的空滤器方案则对动力性造成了一定影响，其中以K3 最为明显。如果采用K2+E11 组合，动力性能的损失还是在可接受的范围内。

4.2 通过噪声

通过噪声的测试结果如下图：

结果表明，在采用新的进排气方案（K2+E11）后，载体车型的通过噪声由原78.5dB(A)下降到76.5dB(A)，达到项目的预期目标。

在后续测试中，采用 K3+E11 组合的通过噪声声压级降低到了76dB(A)，但由于动力性能牺牲较大而未作为定型方案。

5 总结

通过本项目与 LMS 公司的合作，我们对噪声控制技术的认识和理解有了质的飞跃，以下是几点体会：

（1）由于国内噪声控制研究起步较晚，目前还处于学习阶段，而国外一些工程服务公司在这方面有非常强大的实力，无论从测试手段、工程经验还是人员的专业技能上看，目前国内与之相比还有较大的差距。因此，有目标地开展联合项目并认真消化吸收不失为一条捷径。

（2）掌握噪声控制技术不能急于求成。噪声控制技术综合了声学、振动、流动、数字信号处理等多领域的知识，不能奢望通过一个合作项目就做到融会贯通。只有通过大量的积累和沉淀，才能形成自主开发能力。

（3）完备的测试手段是进行噪声控制研究的基本条件。诊断测试是进行噪声控制的前提，诊断结论直接影响到改进的方向和策略。因此，在有条件的情况下应该保证一些基本的测试手段如消声室、低噪声底盘测功机、高性能数采系统以及尽可能多的精密传声器等。

（4）进行噪声控制时应该综合考虑改进措施对动力性能的影响。如前所述，声学性能和动力性能是一对矛盾，这往往是噪声控制的主要难点。本项目由于时间关系，未对进排气作进一步的匹配，但根据经验估计，在保证目前降噪效果的前提下，动力性能还有提高的可能性。

（5）噪声控制必须依靠测试和仿真的综合应用，单纯的计算注定是盲目的。实际上，就在本项目仿真建模过程中，也进行了一系列的测试来验证模型的正确性，只有这样一步一步走下去，仿真才能具有真正意义上的指导作用。(end)