中欧轻型汽车多工况行驶车外噪声测量方法差异分析
2021-09-26谢东明，刘昱，彭伟强，曹丽娟，胡熙
谢东明，刘昱，彭伟强，曹丽娟，胡熙
摘 要：概述了推荐性国家标准《轻型汽车多工况行驶车外噪声测量方法》（报批稿）与联合国欧洲经济委员会UN Regulation No. 51噪声法规附录7附加噪声排放规定（最新草案）的技术背景，分析了在适用范围、术语定义、测量仪器设施、环境条件、车辆准备、测量边界条件、测量挡位、车辆操作、测量结果处理等方面存在的主要差异及存在这些差异的技术原因。结合轻型汽车车外噪声相关新技术分析了以上标准法规的发展趋势。
关键词：多工况噪声;测量方法;ECE R51;差异分析
中图分类号：U467.4 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2021）04-0015-05
Discrepancy Analysis Between Chinese and European Measurements for Noise Emitted by Light-duty Vehicles in Multiple Driving Mode Conditions
XIE Dong-ming1，2， LIU Yu1， PENG Wei-qiang1， CAO Li-juan1， HU Xi1
（ 1. China Automotive Technology and Research Center Co.， Ltd.， Tianjin 300300， China; 2. State key laboratory of engines， Tianjin University， Tianjin 300072， China）
Abstract： This paper summarizes the technical background and analyzes the differences including scope， terms and definitions， test equipment and facilities， test conditions， vehicle preparing， control ranges， test gears， vehicle driving and test data processing between GB/T standard
1 前言
汽车车外噪声是汽车行驶过程中对外发出的强弱、频率无一定规律的声音，其作为一种环境污染，主要由空气中的物理变化产生，具有局部性、多发性，且消失后无物质残留的特征[1]，中外各国从70年代開始全面制定车外噪声测量方法及限值进行严格管控[2]，但对汽车实际道路行驶条件下噪声的精准复现一直也是世界范围内的技术难题[3]。20世纪末，国际标准化组织、欧洲经济委员会等开始基于道路行驶工况，开始了噪声测量方法的修订，轻型汽车成为了新的研究重点，其测量方法于2007年正式确定[4]，并在车速、加速度等方面都具有一定典型性，但也一直被指责存在目标车速、发动机转速及测量挡位单一，发动机工作负荷较低等问题[5]。
为了解决和完善以上问题，2005年开始，欧洲经济委员会世界车辆法规协调论坛（UNECE WP.29）噪声专家工作组（GRB）成立了专门的非正式工作组，制定UN Regulation No. 51噪声法规附录7的多工况噪声测评方法（下文简称UN ASEP），以反映轻型汽车在更多挡位、转速、车速条件下的车外噪声水平[6]，但其测量及评价方法均较为繁琐，2015年发布以来，一直难以得到全面实施和强制执行，ASEP的新一轮修订于2016年正式启动[7]，并于2021年初形成了最新的草案[8]。
中国2012年全面启动UN Regulation No. 51噪声法规ASEP测量方法研究工作，并于2016年参与到UN ASEP测量方法的新一轮修订工作中[9]。2017年中国立项了国家标准计划《轻型汽车多工况行驶车外噪声测量方法》（下文简称GB/T），旨在参考UN ASEP测量方法，依托“中国工况”和交通噪声相应的最新数据，制定一种全新的“多工况”“简化”测量方法，2020年相应的推荐性国标完成了技术审查及报批，即将发布实施[10]。
除以上技术背景，本文将对比2020年底的GB/T 《轻型汽车多工况行驶车外噪声测量方法》（报批稿）与UN ASEP测量方法最新草案在适用范围、术语定义、测量仪器、环境条件、车辆准备等基础技术条件方面的区别，并重点分析了在边界条件、测量挡位、车辆操作及测量次数及结果等测量工况方面的主要差异，结合轻型汽车车外噪声相关技术的新发展，分析了以上测量方法的适用性及发展趋势。
2 基础技术条件的区别
GB/T 多工况噪声测量方法与UN ASEP在适用范围、术语定义、测量仪器、环境条件、车辆准备等技术条件上分别采用了GB 1495《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》（报批稿）与UN Regulation No. 51噪声法规03系列较多技术内容[11]，涉及GB/T与UN ASEP的主要区别如下。
2.1 适用范围的区别
测量方法的范围方面，GB/T与UN ASEP适用范围均是全面复现轻型汽车实际行驶工况下的车外噪声。但其侧重点仍存差异，GB/T重点参考了“中国工况”和轻型汽车工况标准，测量方法覆盖了城市、城郊和高速工况[12];UN ASEP作为UN Regulation No. 51噪声法规型式认证基础测量的“附加”“补充”，重点是覆盖城市、城郊工况中方法B无法有效监管的高加速、高发动机负荷的工况，并未覆盖高速工况[13]。
适用的具体车型方面，GB/T与GB 1495报批稿的轻型汽车完全对应，具体为：M1类、最大设计总质量不超过3500 kg的M2类和N1类汽车[14]，如图1所示，对功率质量比PMR≥90kw/t的车型，鉴于GB 1495无法完全覆盖期望测量的工况点，存在工况盲区[15]，GB/T将其作为重点车型进行关注，在后续的测量工况中增加了加速噪声测量的加速度相关工况点位。
UN ASEP的适用范围为M1 类和N1类汽车中装有“可变排气系统”内燃机或“外部声音增强系统”的部分车型，有相应的限值评价方法，其目的是将对城市声环境污染较大且UN Regulation No. 51噪声法规难以有效监管的高污染车型检出，并针对性管理，详见表1：
2.2 术语和定义的区别
如表2所示，GB/T与UN ASEP的“术语和定义”条目并未完全对应。GB/T在制定过程中，对轻型汽车产品车外噪声相关的动力系统电控及主动车外发声系统仍持谨慎态度，对于替换消声器也未形成闭环管理，所以暂无“外部声音增强系统”“电控系统及软件”“替换消声器”等定义，也无“减速”“性能”等针对能量回收系统噪声，高性能跑车噪声评价方法相关的专门定义;对标准中出现的符号未统一汇总。UN ASEP寻求对所有挡位均进行噪声测量，所以无利用“试验车辆挡位数”进行测量挡位确定的技术需求，对“试验加速度”也未进行定义。
GB/T与UN ASEP在部分术语定义上虽然条目对应，但存在不同的内涵，如表3所示。对于“总功率”的定义，GB/T的出发点为“汽车”，并将电机的功率准确定义为“峰值功率”[16];而UN ASEP法规仍将概念停留在“发动机”阶段，对于电机等其它动力源未明确指出。由于可变排气系统的不同工作模式，可能产生的消声效果差异极大，GB/T与UN ASEP对于“可变排气系统”均进行了定义以严格控制，其中GB/T强调了整个排气系统的降噪效果差异;UN ASEP的侧重点则在于排气消声系统本身是否具有“几何可变”部件。
2.3 仪器设施、环境及车辆准备的区别
测量仪器方面：GB/T与UN ASEP在声学、气象、发动机转速测量仪器等三方面的要求均相同。车速测量仪器的精度要求略有差异，GB/T要求准确度必须优于±0.5%，UN ASEP要求为优于±0.5 km/h。GB/T与UN ASEP交叉的测量车速范围20km/h～100km/h内，GB/T要求的准确度对应要求约为±0.1 km/h～±0.5 km/h，高于UN ASEP对于车速测量仪器的精度要求，但其技术合理性需要进一步商榷。
室内测量设施方面：随着车外噪声室内测量技术的发展，GB/T与UN ASEP均允许使用室内测量设施作为传统室外测量的可替换选项。GB/T与UN ASEP在室内测量设施的使用上存在差异，GB/T要求仅在汽车性能及室外测量受限时，可考虑使用室内测量设施，以尽量规避轮胎/路面噪声难以在室内测量设施上准确复现的技术问题，设施、仪器等的具体要求直接参考正在报批的《汽车加速行驶车外噪声室内测量方法》推荐性国家标准;UN ASEP规定可以直接选择室内测量设施，其具体要求参考UN Regulation No. 51附录8规定和相应的ISO标准，并强调测量时不需要对轮胎/路面噪声追加室外测量。
测量的环境条件方面：GB/T与UN ASEP在测量场地、风速、環境噪声（背景噪声）及修正的要求也基本一致。在测量时的环境温度上，GB/T与UN ASEP法规均要求在5℃～40℃的范围内进行，但考虑国内北方的试验场噪声场地年可用天数，GB/T和GB 1495一样，规定0℃～5℃的温度范围内也具有开展测量的可能性。
测量的车辆准备方面：GB/T与UN ASEP在测试质量、轮胎花纹深度要求、车辆主要总成状态检查等方面的要求一致。但与其术语定义的差异相对应，GB/T的聚焦点在汽车可变排气系统，要求确认汽车的不同行驶模式和不同排气系统模式（如果具备）;UN ASEP的关注要点仍然是车外噪声相关的动力系统电控及主动车外发声系统，要求对车辆的“电控系统及软件”进行确认和检查。
3 测量工况的差异
GB/T与UN ASEP在测量边界条件工况类型、挡位、边界条件和测量结果处理方面都存在较大差异，对测量结果及车辆的评价产生重要影响，主要差异如下。
3.1 测量的边界条件差异
GB/T与UN ASEP均规定了测量的车速、发动机转速、加速度等边界条件，详见表4：
测量车速方面，GB/T依据3000余台轻型汽车在41城市3000余万公里行驶里程中提取“中国工况”中的“车速-里程分布”[17]及GB/T 38146.1-2019《中国汽车行驶工况 第1部分轻型汽车》中的乘用车工况曲线及轻型商用车工况曲线确定，如图2、3所示，乘用车（M1类）最高车速约为110km/h，轻型商用车（GVW≤3500kg的M2类、N1类）最高车速约为90km/h，在对测量车速范围进行验证的过程中发现，0 km/h～20 km/h的车速范围内，其噪声测量结果与驾驶员驾驶行为高度关联且重复性极差，不利于对产品本身的考核，对20 km/h以下的车速范围不予测量，GB/T的具体策略是在20～110 km/h的车速边界内为乘用车设定了30 km/h±1 km/h、50 km/h±1 km/h、70 km/h±2 km/h、80 km/h±2 km/h、110 km/h±2 km/h（轻型商用车为30 km/h±1 km/h、50 km/h±1 km/h、70 km/h±2 km/h、80 km/h±2 km/h、90 km/h±2 km/h）的测量车速基点，以覆盖城市、城郊和高速工况的典型噪声水平[18];UN ASEP则在原20 km/h～80 km/h的速度范围基础上进一步向上、向下扩大测量车速范围，达到0 km/h～100 km/h。
测量发动机转速方面，GB/T依据 “中国工况”数据库中的典型车型99百分位发动机转速均低于65% S，考虑“中国加速行驶车外噪声数据库”中全油门加速条件下的发动机转速数据，确定了80%S的转速边界上限[19];UN ASEP的发动机转速边界上限原为90%S，在考虑中国建议后于2019年改为80%S，2020年又增加了1.56×PMR-0.227 ×S的限制条件，最终形成了不超过1.56×PMR-0.227×S和80%S的双选条件，实际上进一步压低了发动机转速边界至70%S以下，对于部分高PMR值的大功率车型，发动机转速边界上限甚至低于50%S。
测量加速度方面，GB/T依据 “中国工况”数据库中的典型车型加速过程99百分位加速度值，确定了0～3.5m/s2的加速度边界，如图4所示为某型可锁定传动比的自动挡（6速）乘用车的车速-加速度联立概率分布，研究发现加速度边界条件与车速条件存在对应关系，由于发动机外特性限制，随着车速提高，汽车行驶过程能达到的加速度相应减小，如表5所示，GB/T进一步针对不同车速条件设定相应的加速度边界，具体为：30 km/h±1 km/h、50 km/h±1 km/h、70 km/h±2 km/h对应的加速度边界分别为0～3.5m/s2，0～3.0m/s2，0～2.5m/s2;80 km/h±2 km/h、110 km/h±2 km/h（轻型商用车为90 km/h±2 km/h）GB/T要求进行匀速噪声测量，加速度边界为±0.15 m/s2;UN ASEP的原加速度边界为0～5.0m/s2，2018年依据中国建议及“中国工况”数据统计降为4.0 m/s2，即可实现对城市、城郊正常行驶工况下加速度的完整覆盖。
性能方面，GB/T并未直接规定性能边界条件，从GB/T规定的测量车速及对应加速度边界条件测算，其性能边界条件位于车速70km/h附近处，约为48.6 m2/s3;UN ASEP设定性能边界条件的技术来源为UN RDE（Real Driving Emissions）排放法规，UN ASEP期望采用35.0 m2/s3的性能边界，在此性能边界条件下，以50km/h和70km/h车速条件为例，其测量时的加速度边界条件也可先别限定为≤2.5 m/s2和≤1.8m/s2，在中速区间对发动机或动力系统的负荷要求均可能低于GB/T。
3.2 测量挡位的差异
对于不能锁定传动比的汽车GB/T及UN ASEP 均规定采用D位置进行噪声测量，并均允许使用电子或机械装置，以防止在测量过程中，试验车辆换挡至D位置下道路行驶不常用的挡位。
对于能锁定传动比的汽车，GB/T与UN ASEP则存在较大差异。GB/T依据“中国工况”挡位概率分布及典型样车挡位-车速对应关系研究，提出了基于挡位数的测量挡位经验公式，30 km/h ±1 km/h、50 km/h±1 km/h、70 km/h±2 km/h、80 km/h±2 km/h、110 km/h±2 km/h車速条件下对应的测量挡位公式分别为：（1+X/2）/2+1 （向下圆整），1+X/2（向下圆整），（X/2+X） /2+1（向下圆整），X，X;旨在通过经验公式快速推荐使用各车速条件下对应概率分布最高的挡位进行噪声测量，其经验公式也符合变速箱挡位设计及使用的一般规律，即尽可能用现有挡位覆盖常用车速范围，并确保发动机或动力系统处于合理的转速及负荷条件下，如表6所示，为某型可锁定传动比的自动挡（6速）乘用车的经验公式推荐挡位与“中国工况”最大概率分布挡位吻合情况。UN ASEP 则进一步将能锁定传动比的汽车分为自动挡和手动挡两个亚分类，其中对自动挡汽车，要求采用锁定传动比的固定挡位和D位置均进行测量，两者之间的测量次数分配目前正在研究和最终的确认中，对于手动挡汽车则可采用所有挡位进行测量，对于所有能锁定传动比的汽车采用固定挡位测量时，也未明确指定所用挡位，只说明所有前进挡位均可采用，在实际的测量过程中，重点关注的是在各测量挡位上，均应满足3.1章节所述的边界条件。
3.3 车辆操作的差异
依据GB/T和UN ASEP进行噪声测量时，车辆均需要按照3.2章节确定的挡位，在图5所示的测量区域上，尽可能接近纵向中心线（CC′线）行驶通过，并满足3.1章节的边界条件。但在车辆模式选择，加速或匀速行驶方式，行驶次数等车辆操作上还存在较大差异。
车辆模式的选择方面：GB/T要求不同行驶模式（如运动模式和经济模式等）均可任选择，装有可手动选择的可变排气系统的各种模式均需选择，可锁定传动比的汽车尽量锁定传动机;UN ASEP要求较为模糊，要求不同模式均可选择，从文本的解读来看此“模式”应为行驶模式，未涉及可变排气系统本身的模式选择要求。
加速或匀速行驶方式：GB/T采用30、50、70km/h车速的加速噪声测量复现城市、城郊工况的动力系统和行驶系统噪声，采用80、110km/h的匀速噪声测量反映城郊和高速工况行驶系统噪声;UN ASEP则没有区分车速与加速、匀速对应关系，强调在边界条件下及所有挡位下均可进行加速或匀速行驶噪声测量。
加速踏板的操作要求方面：GB/T与UN ASEP 均可使用全油门或部分油门进行加速。GB/T要求汽车进入图5所示AA′线或之前，迅速将加速踏板踩到合适位置并保持稳定，直到试验车辆最后端通过BB′线时松开踏板，确保加速行驶噪声测量时汽车通过PP′线时，车速（vPP'）分别处于30 km/h±1 km/h、50 km/h±1 km/h、70 km/h±2 km/h范围内，确保匀速行驶噪声测量时汽车进入AA′线至最后端通过BB′线车速分别处于80 km/h±2 km/h、110 km/h±2 km/h范围内;UN ASEP要求汽车进入图5所示AA′线或之前，将加速踏板稳定到合适位置，直到试验车辆最后端通过BB′线至BB′线+5m的区间内松开加速踏板，并保持加速踏板松开位置至BB′线+20m处，UN ASEP松开加速踏板的详细规定目的在于对消声器可能出现的回火（Backfire）噪声等采取统一的测量方法进行检出。
3.4 测量次数及结果处理的差异
在测量次数的总数及分布上，GB/T与UN ASEP 均存差异。GB/T要求总计开展10次有效测量[20]，其中在30km/h、50km/h、70km/h速度条件下各开展两次有效加速噪声测量（功率质量比PMR≥90kw/t的车型，再增加一组两次有效加速噪声测量，增加的一组测量的试验加速度均值需和第一组测量的试验加速度均值差超过0.5m/s2），在80 km/h和110 km/h速度条件下各开展两次有效匀速噪声测量;UN ASEP的测量次数要求是在完成UN Regulation No.51基础测量后再增加15次测量，由认证授权机构在边界条件内随机指定测量条件和对应的次数分布，并酌情考虑测量挡位、行驶模式、测量车速、试验加速度分布等，尽可能确保15次测量具有一定的分布特征和代表性。
在测量结果的初步判定和处理上，GB/T与 UN ASEP均需要记录各次测量的车速、发动机转速、加速度、最大A计权声压级（dB（A））等参数，并确保测量的有效性。GB/T判定有效测量的主要依据是：两次测量的车速符合3.3章节所述要求，试验加速度差值应不大于0.3 m/s2，且两次测量的同侧噪声值不超过2dB（A），两次测量结果求均值，并作为最终结果进行记录;UN ASEP除了以上参数外，还要求记录油门开度准确位置，其判定有效测量的主要依据是：测量车速与认证授权机构要求车速的差值不超过3km/h，油门开度（%）与认证授权机构要求的开度（%）差值不超过10%，各次测量的结果均计入最终结果。
4 发展趋势分析
近五年电动汽车主动发声技术和传统内燃机汽车可变排气系统在国外已开始普及[21]，近三年以来，国内高校、研究机构和自主汽车企业也开始推动以上技术的落地和应用[22]。其主要共同特征是，“主动发声”“声浪技术”[23]往往和汽车的车速、发动机转速、油门开度等高度关联，以上技術使用或相应系统的工作将使得轻型汽车的车外噪声越来越多呈现“非线性”特征，GB 1495及UN Regulation No.51原有的单一典型工况测量方法已经无法适应新技术的发展，形成对轻型汽车车外噪声的有效监督和管控。
GB/T及UN ASEP的测量方法则可以适应新技术的发展，弥补现有监管体系的技术弱点。相应的发展趋势为：GB/T的测量方法应逐步被GB 1495等强制性国家标准引用，或作为GB 1495的测量方法技术参考，并制定各测量工况下的相应限值要求加以应用;UN ASEP除了测量方法之外，已经开始着手制定相应的噪声限值期望声学模型[24]，有望于2022年左右推出第一版本，形成从测量方法到限值的完整监控体系，其发展的重点是在目前的随机性基础上完善测量方法的目标指向性，并尽可能完善其噪声限值期望声学模型的普适性，尤其是需要对降挡、不同排气系统模式等对车外噪声有重大影响的工况行为形成有效的限值评价。
5 结论
通过对GB/T与UN ASEP的测量方法差异对比后发现：
（1）GB/T与UN ASEP都是在原有标准、法规技术上的全面升级，但其在适用范围、术语和定义等基础技术内容，以及测量挡位及车辆操作等测量工况上都存在较大差异;
（2）GB/T与UN ASEP都聚焦了新技术条件下车外噪声“非线性”的测量与管控，但关注点不同，GB/T关注装备可变排气系统的大功率汽车，而UN ASEP则更注重动力系统电控及主动发声系统的影响，这与各自面临的产业技术发展阶段相吻合;
（3）GB/T与UN ASEP在总体边界条件，仪器、设施及环境，基本测量参数等重要指标基本相近，未来具有相互借鉴、融合、协调发展的可能性。
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