新能源汽車與內(nèi)燃機(jī)的汽車噪聲特性分析

朱云峰

摘要： 隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，給汽車行業(yè)帶來巨大的發(fā)展空間，尤其是內(nèi)燃機(jī)汽車和新能源汽車，但隨之帶來很多方面的問題，如低噪音引發(fā)的行人安全問題，為了有效解決這些問題，本文以新能源汽車在中國發(fā)展現(xiàn)狀和世界各國由新能源汽車帶來的低噪音引發(fā)行人安全問題為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究了四種汽車在行駛過程當(dāng)中出現(xiàn)的噪音，來解釋在產(chǎn)生噪音后，根據(jù)不同速度來判斷會(huì)引起汽車噪聲可能出現(xiàn)的變化，從而判斷會(huì)不同類型汽車所產(chǎn)生的噪聲差異。

Abstract： With the continuous development of China's social economy， it has brought great development space to the automobile industry， especially the internal combustion engines and new energy vehicles， but it has brought many problems， such as pedestrian safety caused by low noise. In order to effectively solve these problems， this paper is based on the development status of new energy vehicles in China and the pedestrian safety problems caused by low noise from new energy vehicles around the world. Furthermore， this paper studies the noises of four kinds of cars in the driving process to explain that after the noises are generated， it can be judged according to different speeds that will cause the possible changes of car noises， so as to judge the differences of noises generated by different types of cars.

關(guān)鍵詞： 新能源汽車;內(nèi)燃機(jī)汽車;噪音;分析

Key words： new energy vehicles;internal combustion engine;noise;analyse

中圖分類號：U469.7 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0051-03

0 ?引言

近年來，我國汽車數(shù)據(jù)正處于直線上升的狀態(tài)，根據(jù)汽車協(xié)會(huì)專業(yè)人員統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在2019年新能源汽車銷售量就已經(jīng)達(dá)到120萬的銷售量，其中純電動(dòng)汽車銷售量達(dá)到100萬輛左右;內(nèi)燃機(jī)汽車銷售量則為2000多輛;插電式混合動(dòng)力式則已完成22萬的銷售量。同時(shí)，在次年我國政府在工作報(bào)告當(dāng)中明確指出，要增強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作，提高新一代信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展力度，全面普及5G應(yīng)用，構(gòu)建數(shù)據(jù)處理中心，增加換電站、充電樁等設(shè)施數(shù)量，推廣新能源汽車的應(yīng)用范圍，刺激消費(fèi)者使用要求，有利于幫助產(chǎn)業(yè)進(jìn)行優(yōu)化，從上述信息不難發(fā)現(xiàn)，國家政府十分注重新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，給予其大力支持，給新能源汽車帶來巨大的發(fā)展空間。

1 ?新能源汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車市場現(xiàn)狀

目前我國政府正在大力推廣新能源汽車，與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，新能源汽車得到非常巨大的發(fā)展空間，受到各界人士重視，是應(yīng)對氣候變化，促進(jìn)汽車實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要措施?，F(xiàn)代我國新能源汽車已進(jìn)入到政策和市場雙輪驅(qū)動(dòng)的新階段。不管是國家還是各個(gè)區(qū)域，都是全力宣傳新能源汽車，消費(fèi)者對新能源汽車認(rèn)知程度越來越深，越來越多的人都具有新能源汽車的購買欲望。首先，新能源汽車在降低能源危害、控制環(huán)境污染方面效果較高;其次，內(nèi)燃機(jī)汽車從制造到消費(fèi)，由于受到產(chǎn)業(yè)升級的影響，給其增長率造成非常嚴(yán)重的影響;再者，近年來我國頒布了很多與新能源汽車有關(guān)的優(yōu)惠政策，提高了對新能源汽車相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度;最后，人們對于汽車要求越來越高，對新能源汽車接受率也越來越高，而對內(nèi)燃機(jī)汽車購買欲正在逐漸下降。

雖然目前我國已成為全球新能源汽車第一大市場，但目前由于受到很多方面因素的限制，導(dǎo)致其市場局面十分不穩(wěn)定。由于新能源汽車通常是由電動(dòng)機(jī)作為主要驅(qū)動(dòng)力，以逐漸普及到各大城市道路之中，盡管新能源汽車給我們?nèi)粘Ｉ顜順O大便利，但其在道路行駛過程當(dāng)中產(chǎn)生的噪音較低，很容易給行人帶來一定的危險(xiǎn)性。由于是electric vehicles和hybrid electric vehicles兩種新能源汽車在低速行駛過程當(dāng)中十分明顯。根據(jù)美國政府對8000多輛electric vehicles和hybrid electric vehicles新能源汽車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，這兩種新能源汽車很容易在白天、低速區(qū)與行人產(chǎn)生安全事故;和ICEVS新能源汽車相比，hybrid electric vehicles汽車的安全事故概率更高;而在倒車、停車等場景內(nèi)，hybrid electric vehicles汽車和行人發(fā)生安全事故的概率甚至是ICVEs的兩倍。根據(jù)以上這些數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)要對這兩種新能源汽車增加提示音功能，從而提高汽車行駛安全性。

2 ?各類汽車的概念

傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車用英文統(tǒng)稱internal combustion engine vehicles，主要是由內(nèi)燃機(jī)為主體，燃燒汽油和柴油來獲得動(dòng)力的車輛。按照SAEJ1715的內(nèi)容可將電動(dòng)汽車定義為不管用哪種方式獲得電能，推進(jìn)力完全由電動(dòng)機(jī)完成的汽車。而混合動(dòng)力汽車是指在車上存儲(chǔ)兩種不同方式的能量，再通過這兩種不同能量來幫助車輛進(jìn)行行駛。HEVS內(nèi)具有一個(gè)柴油或者汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，且設(shè)置了一個(gè)電動(dòng)機(jī)和大電池，HEVS可通過發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)來共同驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)一般是兩個(gè)推進(jìn)源內(nèi)比較大的一個(gè)，可在車輛高速行駛過程當(dāng)中，給車輛提供大規(guī)模的動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)一般是由兩個(gè)體型較小推進(jìn)源構(gòu)成，能讓汽車在行駛時(shí)捕獲較大能量體，從而應(yīng)用到低速狀態(tài)下的汽車運(yùn)行。插電式混合動(dòng)力汽車是目前使用最多的HEVS，它主要依靠電池作為電動(dòng)機(jī)所使用的動(dòng)力，并使用其他燃料作為內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力。FCEVs fuel cell electric vehicles是指利用氫氣作為主要驅(qū)動(dòng)能源，通過空氣和氫氣等方面來完成發(fā)電工作，從而產(chǎn)生大量的電能，有助于汽車進(jìn)行電能驅(qū)動(dòng)。燃料電池電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要是由氫氣、冷卻系統(tǒng)、燃料電池堆、鋰電池等系統(tǒng)構(gòu)成。燃料電池電動(dòng)汽車同樣使用這種系統(tǒng)來，但不同之處在于其是由氫氣作為主要驅(qū)動(dòng)作用力，以氫儲(chǔ)存作為載體，來將燃料電池轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋３酥?，它不?huì)排放大量尾氣，僅排放大量熱氣流和水蒸氣（如圖1所示）。

3 ?汽車噪聲概述

在信息化時(shí)代背景下，人們環(huán)保意識(shí)越來越強(qiáng)，給新能源汽車帶來巨大的發(fā)展空間。新能源汽車和傳統(tǒng)汽車有著較大的差別，不僅和動(dòng)力系統(tǒng)有關(guān)，和整體構(gòu)造也有一定關(guān)系。由于新能源汽車擁有特殊的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，給新能源汽車帶來較高的使用價(jià)值以及環(huán)保意義，現(xiàn)階段大部分新能源汽車都是采用混合動(dòng)力和電能，新能源汽車的排氣量較少，從而加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)。汽車噪音主要是由于汽車上某個(gè)系統(tǒng)或者部件出現(xiàn)摩擦，從而引起震動(dòng)所產(chǎn)生的聲音。汽車噪聲通常是由各種生源構(gòu)成，如傳動(dòng)系統(tǒng)、內(nèi)燃機(jī)輔助部件、排氣系統(tǒng)等方面，其中頻譜當(dāng)中具有不同非時(shí)變和時(shí)變音調(diào)組合而成。而汽車通常具備集中不同噪聲源：道路和輪胎之間的相互作用力、車身和車輪振動(dòng)、空氣動(dòng)力噪聲等。由此可看到汽車噪聲主要有路面與輪胎摩擦噪聲、動(dòng)力系統(tǒng)振動(dòng)噪聲等。

3.1 內(nèi)燃機(jī)汽車噪音

內(nèi)燃機(jī)汽車噪噪聲主要是來自于動(dòng)力系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲。發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)噪聲一般分為燃燒噪聲、氣流噪聲、機(jī)械噪聲等類型。氣流噪聲一般是通過低頻來控制，與排氣過程和進(jìn)氣過程具有非常密切的聯(lián)系，其中包含冷卻風(fēng)扇、渦輪增壓器單元。氣流噪聲則含有排氣噪聲、風(fēng)扇噪聲、進(jìn)氣噪聲等元素。機(jī)械噪聲是通過氣門爆震噪聲、活塞敲擊噪聲、噴油泵噪聲等。燃?xì)庠肼曋饕霈F(xiàn)的原理是由于氣缸內(nèi)的壓力不斷提高，導(dǎo)致氣缸內(nèi)壓力頻率的不連續(xù)性和高頻區(qū)域的電平增加，造成發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體出現(xiàn)大幅度振動(dòng)，從而產(chǎn)生燃燒噪音輻射。慣性力和燃燒力都是造成發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)，從而誕生噪音排放。由于柴油機(jī)內(nèi)的氣體要遠(yuǎn)超過慣性力，燃燒噪聲要比其他機(jī)械帶來的噪音排放量更大，其噪音輻射范圍甚至能夠輻射到幾百、幾千赫茲的頻率范圍。在汽油機(jī)運(yùn)行過程當(dāng)中，會(huì)遭遇機(jī)械噪聲、氣流噪聲、燃?xì)庠肼暤?，但由于汽油機(jī)的燃?xì)庠肼曇炔裼蜋C(jī)的燃?xì)庠肼曅『芏啵ㄈ鐖D2所示）。比較了電動(dòng)車、柴油、電機(jī)車低速行駛時(shí)所產(chǎn)生的噪聲水平，現(xiàn)實(shí)了當(dāng)電動(dòng)汽車、柴油、汽油等汽車低速行駛噪聲水平為dB，電動(dòng)汽車和汽油車的噪聲級差別為11.3DB，而柴油車的噪聲差為15.2dB。

3.2 電動(dòng)汽車噪聲

電動(dòng)汽車噪聲內(nèi)擁有非動(dòng)力和動(dòng)力兩個(gè)系統(tǒng)噪聲元素。而動(dòng)力系統(tǒng)噪聲來源于車輛行駛所產(chǎn)生的排氣噪聲、進(jìn)氣噪聲。非動(dòng)力系統(tǒng)噪音則是由剎車噪音和汽車?yán)仍胍粞苌?。在信息化時(shí)代背景下，永磁同步電動(dòng)機(jī)是目前最常用的電動(dòng)機(jī)，該電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是以電池為主要載體，給對系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件提供大量電壓，再經(jīng)過PWM pulse width modulation逆變器來控制交流電壓。由于PWM轉(zhuǎn)換頻率長時(shí)間在恒定狀態(tài)，且在很多電動(dòng)汽車當(dāng)中都位于5-20kHz范圍內(nèi)，最終會(huì)形成電磁噪聲，其噪聲特征一般是由于電磁諧波所產(chǎn)生的高頻音調(diào)分量對所構(gòu)成，其覆蓋較廣的范圍[1]。

3.3 混合動(dòng)力汽車噪聲

在正常情況下，會(huì)將混合動(dòng)力汽車噪聲分為兩種類型：非預(yù)期的聲學(xué)行為、無掩蔽效應(yīng)所產(chǎn)生的噪音、特定的聲學(xué)現(xiàn)象。在車輛內(nèi)部內(nèi)燃機(jī)關(guān)閉時(shí)，就不在具備任何遮掩物，所有噪聲源就會(huì)變得異常明顯。而混合動(dòng)力系統(tǒng)和傳統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)相比，不僅增添了高壓蓄電池、電動(dòng)機(jī)、電子控制單元等部件，同時(shí)讓這些部件之間出現(xiàn)不同相互作用力，從而產(chǎn)生新型噪音[2]。

4 ?噪音對比分析

4.1 輪胎噪聲簡介

輪胎噪聲是各種汽車在行駛過程中，經(jīng)過摩擦和運(yùn)動(dòng)所出現(xiàn)的外部噪聲，并且該種汽車排放噪聲占據(jù)總噪聲較大部分[4]。除此之外，隨著車速不斷提高或者減少，輪胎噪聲所占比例會(huì)出現(xiàn)對應(yīng)變化。而輪胎噪聲往往是代表輪胎在路面上滾動(dòng)是所造成的噪聲，如輪胎振動(dòng)，當(dāng)汽車行駛速度在30-100km范圍內(nèi)，其噪聲源可達(dá)到最大值。輪胎振動(dòng)是由輪胎和道路之間的相互作用力來產(chǎn)生。由于路面粗糙度和胎面花紋具有較大差異，導(dǎo)致道路和輪胎之間接觸面積不同。因此，接觸力會(huì)隨輪胎振動(dòng)和時(shí)間變化而產(chǎn)生一定變化，而輪胎的時(shí)變振動(dòng)會(huì)出現(xiàn)一定的聲輻射。根據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，輪胎振動(dòng)可在較廣范圍內(nèi)對輻射聲音起到一定作用，其頻率一般要超過1kHz[5]。

4.2 車速對汽車噪音特性的影響分析

隨著車速不斷提高，輪胎噪聲會(huì)呈現(xiàn)上升趨勢，甚至要遠(yuǎn)超推進(jìn)噪音。針對這一情況，專業(yè)人們可使用專業(yè)的Nord2000模型為切入點(diǎn)，來檢測出輪胎噪聲、推進(jìn)噪聲和汽車總噪聲三者之間的聯(lián)系（如圖3所示）。根據(jù)目前模型測試的情況來分析，，在低速時(shí)汽車噪聲以推進(jìn)噪聲為主，在高速行駛時(shí)改變成輪胎噪聲[6]。同時(shí)，混合動(dòng)力汽車和內(nèi)燃汽車之間的噪聲同樣存在較大差異性，當(dāng)速度不斷降低時(shí)，其噪聲會(huì)逐漸提高（如圖4所示）。以混合動(dòng)力汽車的噪聲降低水平為例，其中有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和輪胎噪聲的總噪聲排放。當(dāng)車輛行駛速度為20km/h時(shí)，汽車噪聲降低3dB，當(dāng)車速提升到50km/h時(shí)，噪聲排放會(huì)減少到1dB，當(dāng)車速超過50km/h時(shí)，噪聲降低數(shù)值將會(huì)降低到零點(diǎn)，這時(shí)輪胎噪聲逐漸占據(jù)優(yōu)勢，混合動(dòng)力和非混合動(dòng)力車輛之間的噪聲排放幾乎沒有任何差異[7]。通過將混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車噪聲排放量進(jìn)行相互對比可發(fā)現(xiàn)，內(nèi)燃機(jī)汽車噪聲排放力度明顯較低。當(dāng)車速低于50km/h時(shí)，電動(dòng)汽車比混合動(dòng)力汽車降噪質(zhì)量好，因?yàn)槠溆秒妱?dòng)機(jī)代替內(nèi)燃機(jī)，因此能解決了內(nèi)燃機(jī)所產(chǎn)生的噪音。但車速不斷提高，純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的輪胎和道路摩擦噪聲會(huì)逐漸提高，當(dāng)行駛速度超過50km/h時(shí)，混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)車、內(nèi)燃機(jī)汽車三者所造成的噪音程度相同，而輪胎噪聲會(huì)變成噪聲主體。另外，但車速低于30km/h時(shí)，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車噪聲會(huì)低于內(nèi)燃機(jī)汽車，由于在汽車低速行駛過程當(dāng)中，混合動(dòng)力汽車會(huì)自動(dòng)實(shí)施電動(dòng)模式，當(dāng)其速度達(dá)到30km/h以上時(shí)，混合動(dòng)力汽車的降噪音效果加高，這時(shí)車輛會(huì)從電動(dòng)模式直接切換到內(nèi)燃機(jī)模式[8]。

5 ?總結(jié)

綜上所述，本文通過將內(nèi)燃機(jī)和新能源汽車噪聲特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這幾種汽車在行駛過程當(dāng)中都會(huì)出現(xiàn)電磁噪聲，而內(nèi)燃機(jī)汽車在行駛中只有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，混合動(dòng)力汽車則具有發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲和電磁噪聲兩種形式。而車速是決定各種汽車噪聲的主要因素，不同速度下車輛噪聲特點(diǎn)不同。

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