汽車噪聲限值預(yù)測模型與分析

譚剛平，楊春暉，陳清爽，楊文鵬

（1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南昌330031；2.西悉尼大學(xué) 工程學(xué)院，澳大利亞 新南威爾士金斯伍德區(qū)2747；3.江西省汽車噪聲與振動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330052）

交通噪聲包括機(jī)動車噪聲、飛機(jī)噪聲、火車噪聲和船舶噪聲等，是指交通工具運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的妨害人們正常生活和工作的聲音。機(jī)動車噪聲主要指機(jī)動車輛在城市內(nèi)交通干線上行駛時(shí)產(chǎn)生的噪聲，這種噪聲是一種不穩(wěn)定的噪聲，聲壓級隨時(shí)間等因素變化。該噪聲主要由車輛在城市道路交通行駛時(shí)產(chǎn)生，其污染受眾人數(shù)多，程度與機(jī)動車輛的種類、數(shù)量、運(yùn)行狀態(tài)等多方面因素有關(guān)。機(jī)動車噪聲危害面大，主要表現(xiàn)在：降低聽力；影響人的休息和情緒甚至健康；干擾語言交談和通信聯(lián)絡(luò)等[1-2]。根據(jù)《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)法》和《中華人民共和國環(huán)境噪聲污染防治法》要求，國家不斷加大環(huán)境噪聲污染防治力度，生態(tài)環(huán)境部每年向社會公布《環(huán)境噪聲污染防治報(bào)告》，內(nèi)容包含有全國地級及以上城市道路交通聲環(huán)境質(zhì)量（晝間/夜間）監(jiān)測數(shù)據(jù)[3]，如表1所示，道路交通噪聲環(huán)境質(zhì)量評價(jià)一級表示好，與此類推，五級表示差。從近幾年監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，晝間道路交通噪聲環(huán)境評價(jià)為一級的城市占比超過60%，其它評價(jià)等級總占比小于40%，表明未因機(jī)動車保有量持續(xù)增加而導(dǎo)致評價(jià)為一級的城市占比縮小，在報(bào)告中提到這歸功于道路狀況、車輛運(yùn)行技術(shù)條件的持續(xù)改善以及良好駕駛行為的引導(dǎo)。降低汽車加速行駛時(shí)車外噪聲的限值，有利于提高評價(jià)等級為一級城市的占比，持續(xù)減小評價(jià)等級為三/四/五級城市的個數(shù)與占比。

因此，制定和頒布適應(yīng)當(dāng)前技術(shù)的汽車運(yùn)行工況噪聲限值非常重要，本文以某法規(guī)規(guī)定的汽車噪聲限值為例進(jìn)行噪聲限值分析，采用最小二乘法建立汽車噪聲限值預(yù)測模型，開展汽車運(yùn)行噪聲限值預(yù)測研究。并將該噪聲預(yù)測模型用于GB 1495《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》中噪聲限值的預(yù)測，為我國汽車噪聲限值法規(guī)修訂提供參考。

1 汽車噪聲法規(guī)

汽車噪聲法規(guī)通常有國際（International Organization for Standardization，ISO）標(biāo)準(zhǔn)，美國汽車工程學(xué)會（Society of Automotive Engineers，SAE）標(biāo)準(zhǔn)，日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（Japanese Industrial Standards,JIS）法規(guī)，聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（United Nations Economic Commission for Europe，ECE）法規(guī)等。本文主要以ECE 法規(guī)為例進(jìn)行噪聲分析與研究。ECE 法規(guī)是基于UN/ECE/WP29的《1958年協(xié)定書》框架制定的，通過ECE 法規(guī)形式批準(zhǔn)的汽車產(chǎn)品在《1958年協(xié)定書》的締約方之間被相互承認(rèn)。ECE 法規(guī)是現(xiàn)今國際范圍內(nèi)最具影響力的汽車技術(shù)法規(guī)體系和認(rèn)證制度之一[4]。其涉及汽車噪聲的法規(guī)是ECE R51/03《關(guān)于在噪聲方面汽車型式認(rèn)證的統(tǒng)一規(guī)定》[5]，于1995年10月16日生效，最新修訂版本于2016年2月5日生效實(shí)施?，F(xiàn)行的版本規(guī)定了汽車加速行駛時(shí)車外噪聲和定置噪聲的測量方法，并且規(guī)定了汽車加速行駛時(shí)車外噪聲限值，如表2所示。Minck等研究了多家汽車制造商如何采取措施降低汽車的通過噪聲水平，如降低發(fā)動機(jī)的噪聲，從而適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)條例(ECE R51/03)對汽車噪聲的新要求[6]。楊安杰[7]研究了中歐汽車噪聲標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，詳述了中歐汽車加速行駛時(shí)車外噪聲測量方法的差異與注意事項(xiàng)。謝東明等[8]對汽車加速行駛時(shí)車外噪聲法規(guī)ECE R51/03系列的限值進(jìn)行了詳細(xì)分析,針對中國與歐洲輕型車輛存在的差異，基于國內(nèi)車輛大量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)，提出了適合中國國情的限值劃分方案。連玉蓉[9]從加速行駛時(shí)車外噪聲、定置噪聲、排氣噪聲3個方面對GB 1495－2002 和ECE R51/03 系列標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)規(guī)定的測量方法進(jìn)行了對比研究，相關(guān)研究數(shù)據(jù)有利于我國客車噪聲標(biāo)準(zhǔn)制定。文獻(xiàn)[10]中研究了ECE R51/03法規(guī)中更新的通過噪聲測量方法，采用計(jì)算所得到的最終的“通過噪聲水平”，作為車輛在滿載條件下加速和勻速行駛工況下運(yùn)行噪聲的加權(quán)平均值，從而衡量城市駕駛習(xí)慣下汽車技術(shù)條件與噪聲水平。

表1 道路交通聲環(huán)境質(zhì)量評價(jià)

表2 ECE法規(guī)中汽車加速行駛時(shí)車外噪聲限值

2 汽車加速行駛時(shí)車外噪聲限值預(yù)測

2.1 預(yù)測模型

每次修訂ECE 法規(guī)時(shí)將對關(guān)于汽車噪聲限值進(jìn)行廣泛討論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終通過文本方式頒布所確定的多種工況的汽車噪聲限值與測量要求。目前關(guān)于汽車噪聲限值的預(yù)測模型文獻(xiàn)較少，本文將對汽車加速行駛時(shí)車外噪聲限值進(jìn)行建模研究，分析汽車噪聲限值的下一步發(fā)展趨勢。

本文假定新修訂的限值規(guī)定與即將或已失效的限值規(guī)定存在某一關(guān)系，定義ECE法規(guī)限值實(shí)施年份1969年、1982年、1988年、1995年、2016年、2020年、2024年分別為第1次、第2次、第3次、第4次、第5次、第6次、第7次汽車噪聲限值的修訂，采用最小二乘法分別建立汽車噪聲限值線性回歸、二次回歸預(yù)測模型。根據(jù)預(yù)測模型進(jìn)行下一次修訂噪聲限值的預(yù)測，得出預(yù)測值，同時(shí)對比不同預(yù)測模型的優(yōu)劣。

2.2 計(jì)算分析

以M1車型為例，噪聲限值前6次數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)點(diǎn)集合，建立其線性回歸、二次回歸模型，如圖1所示。

圖1(a)表示根據(jù)ECE 法規(guī)規(guī)定的M1（PMR≤120）類汽車噪聲限值前6次變化數(shù)據(jù)擬合的線性回歸和二次回歸模型。其中線性回歸模型是y=-2.485 7x+84.533，R2=0.9935，采用該模型預(yù)測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7，得到y(tǒng)=67.1331。二次線性回歸模型是y=0.0714x2-2.985 7x+85.2,R2=0.995 3，采用該模型預(yù)測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7,y=67.798 7。

圖1(b)表示根據(jù)ECE法規(guī)規(guī)定的M1（120＜PMR≤160）類汽車噪聲限值前6次變化數(shù)據(jù)擬合的線性回歸和二次回歸模型。其中線性回歸模型是y=-2.257 1x+84.067,R2=0.9815，采用該模型預(yù)測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7，得到y(tǒng)=68.267 3。二次線性回歸模型是y=0.142 9x2-3.257 1x+85.4,R2=0.989 9，采用該模型預(yù)測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7,y=69.592 6。

圖1(c)表示根據(jù)ECE 法規(guī)規(guī)定的M1（PMR＞160）類汽車噪聲限值前6次變化數(shù)據(jù)擬合的線性回歸和二次回歸模型。其中線性回歸模型是y=-1.800 0x+83.133，R2=0.902 4，采用該模型預(yù)測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7，得到y(tǒng)=70.5330。二次線性回歸模型是y=0.285 7x2-3.8x+85.8,R2=0.950 9，采用該模型預(yù)測下一次汽車噪聲限值，即代入x=7,y=73.199 3。

圖1 ECE法規(guī)關(guān)于汽車加速行駛時(shí)車外噪聲限值模型

M1類汽車噪聲限值模型及其預(yù)測值如表3所示。從預(yù)測模型與結(jié)果來看：以汽車噪聲限值誤差率為指標(biāo)，線性回歸模型對于M1 前兩類車型噪聲限值預(yù)測精度明顯低于二次線性回歸模型，而對于M1第三類車型預(yù)測精度則相反?？傮w來說，在汽車噪聲限值預(yù)測中二次回歸模型預(yù)測結(jié)果優(yōu)于線性回歸模型的結(jié)果。

同理，根據(jù)上述方法，M類其它車型、N類車型的線性回歸和二次回歸模型及其預(yù)測值也在表3中列出。根據(jù)預(yù)測模型和預(yù)測值數(shù)據(jù)可以看出：線性回歸模型的下降斜率集中在區(qū)域(2，3)之間，二次回歸模型的斜率與自變量有關(guān)；二次回歸預(yù)測模型預(yù)測值的誤差率小于線性模型的，其只能預(yù)測汽車噪聲限值下一次修改值，不能連續(xù)用于汽車噪聲限值預(yù)測，因?yàn)檎`差率出現(xiàn)了負(fù)偏差。

2.3 GB1495汽車加速行駛時(shí)車外噪聲預(yù)測

2002年發(fā)布實(shí)施的GB 1495－2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》詳細(xì)介紹了汽車噪聲測量方法與要求，技術(shù)內(nèi)容是參考?xì)W洲的ECE R51 法規(guī)并結(jié)合我國的實(shí)際情況制定的，是汽車噪聲法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB 1495－1979的新修訂版本。在GB 1495－1979 中轎車的兩個階段限值分別是84 dB(A)、82 dB(A)，而標(biāo)準(zhǔn)GB 1495－2002 中對于M1類汽車分別是77 dB(A)、74 dB(A)。N1類汽車在加速行駛時(shí)車外噪聲限值也有明顯變化，其具體數(shù)值如表4所示。根據(jù)GB1495法規(guī)規(guī)定汽車噪聲限值，建立基于最小二乘法的二次回歸汽車噪聲限值預(yù)測模型，如表5所示。從中可以看出，針對M1類車型汽車噪聲限值進(jìn)一步明顯下降，可預(yù)測汽車工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)將明顯進(jìn)步，汽車減振降噪技術(shù)措施將進(jìn)一步完善和富有實(shí)效。N1類車型噪聲限值也有下降。M1類車型噪聲限值下降幅度明顯大于N1類，說明M1類車型技術(shù)進(jìn)步明顯優(yōu)于N1類車型。

表3 ECE法規(guī)汽車噪聲限值預(yù)測模型

表4 GB1495 汽車加速行駛時(shí)車外噪聲限值

表5 GB1495汽車噪聲限值預(yù)測

3 結(jié)論

本文研究了ECE R51法規(guī)對汽車噪聲限值的具體要求，采用最小二乘法建立了汽車噪聲限值的預(yù)測模型。模型預(yù)測值與法規(guī)當(dāng)前限定值相比，二次回歸預(yù)測模型誤差率較小，能較好地預(yù)測汽車限值發(fā)展規(guī)律，為噪聲限值修訂和實(shí)施提供參考。采用同樣方法，直接建立了GB1495 法規(guī)汽車加速行駛時(shí)車外噪聲限值模型，并對下一次噪聲限值進(jìn)行了預(yù)測。預(yù)測模型得到的汽車噪聲限值預(yù)測值進(jìn)一步降低，一方面表明汽車噪聲控制技術(shù)提升，反映汽車生產(chǎn)技術(shù)的提高與汽車減振降噪措施的成效；另一方面減少了道路交通噪聲源頭車輛的聲壓級，有利于提高道路交通聲環(huán)境質(zhì)量。

盡管該汽車噪聲限值預(yù)測模型為標(biāo)準(zhǔn)制定中噪聲測試方法和限值的修改提供了參考，但是具體實(shí)施時(shí)還需要依賴于城市車輛運(yùn)行工況的統(tǒng)計(jì)研究、各工況下車輛噪聲源（包括發(fā)動機(jī)、輪胎路面噪聲等）的構(gòu)成分析、道路交通聲環(huán)境測試點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)分析等。修訂GB1495 汽車噪聲限值時(shí)應(yīng)該重視加強(qiáng)新試驗(yàn)方法的研究、國內(nèi)車輛道路試驗(yàn)驗(yàn)證，充分收集各類車輛的噪聲數(shù)據(jù)，及時(shí)有效更新汽車噪聲測量方法、技術(shù)要求及其限值，實(shí)現(xiàn)在汽車技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂上發(fā)出自己的聲音，避免盲目緊跟國外標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，使新的國家標(biāo)準(zhǔn)對國內(nèi)汽車生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)生積極影響，使我國標(biāo)準(zhǔn)起到推動汽車降噪的技術(shù)創(chuàng)新與運(yùn)用的作用，服務(wù)汽車工業(yè)與產(chǎn)業(yè)。