電動(dòng)車低速提示音室內(nèi)試驗(yàn)方法研究 

沈林邦，譚 龍，王子龍，張 鑫，葉方標(biāo)

（重慶車輛檢測研究院有限公司 國家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 ，重慶 401122）

        摘  要：分析了 GB/T 37153-2018《電動(dòng)汽車低速提示音》標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)測量方法的技術(shù)要求和測量要求，在消聲室內(nèi)對某電動(dòng)汽車進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：室內(nèi)測量背景噪聲穩(wěn)定、速度控制準(zhǔn)確，不同測量次數(shù)及左右兩側(cè)麥克風(fēng)的頻譜信息頻譜穩(wěn)定，頻譜峰值一致性較好。

        關(guān)鍵詞：低速提示音；室內(nèi)測量方法；頻譜分析 

        中圖分類號(hào)：U467. 1+2

        電動(dòng)汽車具有排放污染小、能量轉(zhuǎn)化效率高、噪聲低等特點(diǎn)， 已成為未來的發(fā)展的一種趨勢[1] 。噪聲小既是電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)卻也因?yàn)檫^低的車輛聲音，在低速行駛時(shí)不易引起其他道路使用者的注意，從而帶來了新的安全隱患。電動(dòng)汽車低速行駛提示音系統(tǒng)，可以主動(dòng)發(fā)出一定的聲音，主動(dòng)提示行人及其他道路使用者、有效避免安全事故的發(fā)生。美國、歐盟、日本等[2-5] ，均紛紛研究并推出針對電動(dòng)汽車低速行駛提示音系統(tǒng)的法規(guī)，2018年，我國針對該領(lǐng)域也推出了相應(yīng)的推薦標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37153-2018《電動(dòng)汽車低速提示音》[6]。

        目前國內(nèi)對于電動(dòng)車低速提示音測量方法的介紹文獻(xiàn)較少，2013年，高岳[7]介紹了美國、 日本、歐盟、中國等國對于安靜行駛車輛低速提示音的研究情況及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的發(fā)展歷程，分析了提示音的發(fā)出時(shí)機(jī)、聲音特性、試驗(yàn)方法等內(nèi)容； 陸春等[8]于2018年，分析了中國典型環(huán)境背景噪聲，確定了國內(nèi)外環(huán)境噪聲條件差異，在室外進(jìn)行了電動(dòng)車低速提示音的驗(yàn)證試驗(yàn)。 目前尚未有文獻(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37153-2018《電動(dòng)汽車低速提示音》 的室內(nèi)測量方法進(jìn)行介紹。

        本文簡單介紹了GB/T 37153-2018標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)測量方法的技術(shù)要求和測量要求，在消聲室內(nèi)，對整車進(jìn)行低速提示音測量，通過麥克風(fēng)采集到的聲源信號(hào)，進(jìn)行頻譜分析，并與標(biāo)準(zhǔn)限值要求進(jìn)行對比，此外，分析了對比不同測量次數(shù)，左右兩側(cè)麥克風(fēng)的頻譜信息，本文的研究內(nèi)容對電動(dòng)車低速提示音室內(nèi)測量方法具有一定的 指導(dǎo)意義。

1 低速提示音室內(nèi)測量方法介紹

        GB/T 37153-2018《電動(dòng)汽車低速提示音》適用于M1和N1類的純電動(dòng)汽車、具有純電動(dòng)行駛模式的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車以及燃料電池電動(dòng)汽車，規(guī)定了低速行駛提示音工作的車速范圍、聲級(jí)限值、頻率要求、聲音類型以及暫停開關(guān)等要求和試驗(yàn)方法。該標(biāo)準(zhǔn)分室外道路試驗(yàn)和室內(nèi)消聲室試驗(yàn)兩種方法，本文對其室內(nèi)消聲室試驗(yàn)方法有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行介紹。

1.1 技術(shù)要求

        標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了提示音系統(tǒng)的工作車速范圍應(yīng)至少包含大于0km/h且小于或等于20km/h ?？紤]到聲音要能被各種年齡段的人很好的識(shí)別，因此標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定提示音系統(tǒng)的車輛所發(fā)出的聲音，應(yīng)至少包含兩個(gè)表1中所規(guī)定的1/3倍頻程，且至少有一個(gè)1/3倍頻程在1600 Hz(含)以下。 這兩個(gè)1/3倍頻程的最低聲級(jí)，應(yīng)不低于表1中規(guī)定的對應(yīng)的聲級(jí)限值，同時(shí)還限制提示音系統(tǒng)的車輛在行駛時(shí)發(fā)出的噪聲最大不應(yīng)超過75dB(A)。

                表 1 最低聲級(jí)限值

        每一種試驗(yàn)條件下，車輛兩邊都應(yīng)進(jìn)行至少4次測量， 且需保證每次測量結(jié)果偏差在2dB(A)以內(nèi)。

        為了便于行人及其他道路使用者，能夠明確地識(shí)別車輛車速的運(yùn)行狀態(tài)，提示音系統(tǒng)應(yīng)具有模擬多普勒效應(yīng)功能， 因此標(biāo)準(zhǔn)對聲音頻率偏移有所要求，在5~20 km/h的速度范圍內(nèi)，頻移速度滿足≥0.8%/(km/h) 。頻移公式如下式所示：

f（i,車速）為給定車速值處的頻率，f（i,參考）為5km/h或記錄的最低車速處的頻率，v（試驗(yàn)）為實(shí)際車速或模擬車速,對應(yīng)于頻率f（i,車速），v（參考）為實(shí)際車速或模擬車速,對應(yīng)于頻率f（i,參考）。

1.2 測試要求

        車輛的運(yùn)行狀態(tài)分為10km/h和20km/h的勻速前進(jìn)試驗(yàn)以及6km/h倒車試驗(yàn)。前進(jìn)狀態(tài)和倒車狀態(tài)的麥克風(fēng)布置分別如圖1(a)和圖1(b)所示。

(a)前進(jìn)狀態(tài)              (b)倒車狀態(tài) 

圖 1 麥克風(fēng)布置圖

        同時(shí)當(dāng)車輛以5km/h~20 km/h范圍內(nèi)的某一速度前進(jìn)時(shí)，提示音系統(tǒng)所發(fā)出的聲音中，至少有一個(gè)表1中所規(guī)定的1/3倍頻程的頻率會(huì)隨車速的增加而變大，或隨著車速減小而變小，故需進(jìn)行頻移測試。

        測試時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)要求，麥克風(fēng)應(yīng)當(dāng)放置在如圖1所示 的PP’位置，其到CC’線的距離為2.0 m±0.05 m ，在地表面向上1.2 m±0.02m，基準(zhǔn)方向應(yīng)保持水平，并垂直指向車輛運(yùn)行的CC’線。車輛試驗(yàn)質(zhì)量為整備質(zhì)量+75 kg，試驗(yàn)時(shí)，車門及車窗應(yīng)關(guān)閉，且車門鎖死

2 試驗(yàn)測試結(jié)果與分析

2.1 儀器設(shè)備介紹

        測試時(shí)利用兩個(gè)Brüel & Kj?r 4966型自由場型麥克風(fēng)，通過Brüel & Kj?r 3660型數(shù)據(jù)采集器采集聲音信號(hào)，麥克風(fēng)及數(shù)據(jù)采集器示意圖如圖2所示。

(a)麥克風(fēng)

(b)數(shù)據(jù)采集器

圖 2 麥克風(fēng)及數(shù)據(jù)采集器

2.2 背景噪聲測量

        為了驗(yàn)證某車輛低速提示音功能是否滿足法規(guī)要求， 對該車輛進(jìn)行室內(nèi)低速提示測試，試驗(yàn)前需進(jìn)行背景噪聲測量，測試時(shí)麥克風(fēng)的位置應(yīng)與其在車輛試驗(yàn)中的位 置保持一致。測量未放置車輛時(shí)滾筒、底盤測功機(jī)以及其他試驗(yàn)設(shè)備發(fā)出的噪聲，測量時(shí)間為10秒。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求應(yīng)分別測試不同轉(zhuǎn)轂速度下的背景噪聲，本次試驗(yàn)僅測量底盤測功機(jī)20 km/h時(shí)的半消聲室內(nèi)背景噪聲作為參考。因?yàn)槔碚撋限D(zhuǎn)轂速度越高，其發(fā)出的噪聲越大。若小于20km/h測試車速的提示音系統(tǒng)發(fā)出的噪聲總聲壓級(jí)高于此背景噪聲10dB(A)以上和1/3倍頻程噪聲的均方根值結(jié)果高于此背景噪聲相應(yīng)倍頻程6dB(A)以上，則可以將此測試車速的測試結(jié)果可作為最終結(jié)果；否則需要再分別測試各相應(yīng)轉(zhuǎn)轂車速的背景噪聲，作為相應(yīng)車速測試結(jié)果的判定或修正依據(jù)。然后將麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行FFT分析。選取左右兩個(gè)麥克風(fēng)的背景噪聲最高A計(jì)權(quán)聲級(jí)作為背景噪聲的最終結(jié)果，并記錄1/3倍頻程頻譜的結(jié)果。本次試驗(yàn)中僅測量轉(zhuǎn)轂20km/h時(shí)的室內(nèi)背景噪聲，測量結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)中背景噪聲的最大值到最小值的波動(dòng)在2dB(A) 以內(nèi)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，選擇A計(jì)權(quán)聲級(jí)最大的一側(cè)即左側(cè)，作為背景噪聲的最終結(jié)果。

表 2 轉(zhuǎn)轂 20km/h 室內(nèi)兩側(cè)測試位置背景噪聲

2.3 前進(jìn)狀態(tài)低速提示音測量

        前進(jìn)狀態(tài)下試驗(yàn)車輛及麥克風(fēng)布置如圖 3 所示。

圖 3 前進(jìn)狀態(tài)車輛與麥克風(fēng)布置圖

        試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)車速狀態(tài)測量4次，每次測量時(shí)間為5s， 單次測量的時(shí)域聲音信號(hào)如圖4所示。

圖 4 前進(jìn)狀態(tài) 10 km/h 左側(cè)麥克風(fēng)時(shí)域信號(hào)圖

        對采集到的聲音信號(hào)進(jìn)行1/3倍頻程處理，處理結(jié)果如圖5所示?？梢娮笥覂蓚€(gè)麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)頻譜基本一致。統(tǒng)計(jì)各中心頻率的幅值結(jié)果，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，兩邊測量結(jié)果中的最低值及最低值的1/3倍頻程頻譜作為最終的結(jié)果，并且總聲壓級(jí)需進(jìn)行按照四舍五入原則就近取整，如表3所示。

圖 5 前進(jìn)狀態(tài) 10 km/h 左右側(cè)麥克風(fēng) 1/3 倍頻程結(jié)果

                  表 3 試驗(yàn)車輛 10km/h 室內(nèi)左右兩側(cè)測試結(jié)果

        由表3可知，右側(cè)麥克風(fēng)采集到的結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，由表中右側(cè)與背景噪聲差值一列結(jié)果可見，10km/h測量速度下每個(gè)重點(diǎn)1/3倍頻程車輛發(fā)聲系統(tǒng)噪聲值均高于背景噪聲相應(yīng)倍頻程6dB(A)，且車輛發(fā)聲系統(tǒng)噪聲值高于背景噪聲總值27.8 dB(A)，即無需進(jìn)行背景噪聲修正。右側(cè)麥克風(fēng)采集到的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)總聲壓級(jí)和各1/3倍頻程頻譜結(jié)果對比可見，右側(cè)麥克風(fēng)采集到聲音信號(hào)的總聲壓級(jí)為59.0 dB(A) ，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高于52.0 dB(A) ，低于75 dB(A)的要求。同時(shí)1600 Hz以下高于標(biāo)準(zhǔn)限值的有6個(gè)倍頻程，1600 Hz以上高于標(biāo)準(zhǔn)限值的有1個(gè)倍頻程，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“至少有一個(gè)1/3倍頻程在1600 Hz(含)以 下。這兩個(gè)1/3倍頻程的最低聲級(jí)，應(yīng)不低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的對應(yīng)的聲級(jí)限值。”[6]

        表4為20km/h車輛試驗(yàn)速度時(shí)的測量結(jié)果，右側(cè)總聲壓級(jí)低于左側(cè)，選擇右側(cè)麥克風(fēng)采集到的結(jié)果為試驗(yàn)結(jié)果。由于10km/h車輛試驗(yàn)速度車輛發(fā)聲系統(tǒng)的噪聲值已經(jīng)高于背景噪聲10dB(A)以上，故20km/h車輛試驗(yàn)速度車輛發(fā)聲系統(tǒng)未與背景噪聲進(jìn)行對比。 由表中結(jié)果可見，右側(cè)總聲壓級(jí)為65.0 dB(A) ，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高于58.0 dB(A) ，低于75dB(A)的要求。同時(shí)1600 Hz以下高于標(biāo)準(zhǔn)限值的有6個(gè)倍頻程，1600Hz以上高于標(biāo)準(zhǔn)限值的有5個(gè)倍頻程，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

表 4 試驗(yàn)車輛 20km/h 室內(nèi)左右兩側(cè)測試結(jié)果

2.4 倒車狀態(tài)低速提示音測量

        該狀態(tài)下，麥克風(fēng)距離CC’線、地表面的距離與前進(jìn)狀態(tài)下相同，此時(shí)麥克風(fēng)位于汽車尾部位置。試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)轂反向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為6km/h 。試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖如圖6所示。

圖 6 倒車狀態(tài)車輛與麥克風(fēng)布置圖

        表5為試驗(yàn)車輛倒車6km/h左右兩側(cè)總聲級(jí)，選擇右側(cè)較小值為試驗(yàn)結(jié)果，即倒車時(shí)總聲壓級(jí)為53.0 dB(A)， 與20km/h時(shí)的背景噪聲對比，相差21.8 dB(A) ，無需進(jìn)行修正， 同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)高于49.0 dB(A) ，低于75 dB(A)  的要求。

表 5 試驗(yàn)車輛倒車 6km/h 室內(nèi)左右兩側(cè)測試結(jié)果

2.5 頻移結(jié)果分析

        試驗(yàn)時(shí)選擇的測試速度為5 km/h 、10 km/h 、15 km/h  及20km/h，兩側(cè)麥克風(fēng)采集各速度前進(jìn)狀態(tài)下的聲音信號(hào)，然后進(jìn)行FFT處理，平均自功率譜應(yīng)使用漢寧窗， 重疊率為66.7% ，為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)目標(biāo)條件下頻移的分離， 頻率分辨率設(shè)為1 Hz 。將處理得到的頻譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab中進(jìn)行處理，左側(cè)麥克風(fēng)各狀態(tài)下的測量結(jié)果如圖7所示。黑色點(diǎn)劃線、藍(lán)色虛線、紅色實(shí)線、綠色實(shí)線分別為5 km/h 、10 km/h 、15 km/h及20 km/h速度下測量結(jié)果。圖7(a)、(b)分別為左右側(cè)125~6300 Hz的頻譜結(jié)果，可見左右側(cè)頻率信息類似，頻譜峰值集中于125~ 1000 Hz 之間，對左側(cè)進(jìn)行細(xì)化，如圖7(c)所示，選擇紅色橢圓中的一組峰值進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖7(d)所示。由圖7(d)可知，5 km/h 、10 km/h 、15 km/h及20 km/h所對應(yīng)的峰 值形狀類似，峰值出線的先后順序與速度從小至大的順 序一致，其峰值頻率分別為839 Hz 、886 Hz 、933 Hz 、 981 Hz。

圖 7 麥克風(fēng)頻移結(jié)果

        進(jìn)一步，為比較不同測量次數(shù)各速度下頻譜的差異， 圖8分別給出了不同速度下四次測量結(jié)果對比，黑色點(diǎn)劃線、藍(lán)色虛線、紅色實(shí)線、綠色實(shí)線分別為5km/h、10 km/h、15 km/h及20km/h速度下四次測量結(jié)果，結(jié)果可見，相同速度不同測量次數(shù)下各頻譜峰值穩(wěn)定。各次測量結(jié)果，主瓣頻率和幅值一致，僅旁瓣略有波動(dòng)，不同速度下其峰值頻率分別為839 Hz 、886 Hz、933 Hz、981 Hz ，與圖 7(d)中結(jié)果一致。

        此外，進(jìn)行了左右兩側(cè)各速度平均頻譜對比，如圖9所示。各圖中黑色實(shí)線、紅色點(diǎn)劃線分別代表左側(cè)和右側(cè)麥克風(fēng)采集到聲音信號(hào)的頻譜信息，對比可見，相同速度下，左右兩側(cè)頻譜中峰值一致，僅幅值存在偏差，且右側(cè)峰值小于左側(cè)峰值，與右側(cè)總值小于左側(cè)總值規(guī)律一致。各速度下主瓣峰值分別為：839 Hz、886 Hz、 933 Hz、981 Hz。

圖 9 左右兩側(cè)麥克風(fēng)各速度頻譜對比

        由圖8和圖9對比結(jié)果可見，左右兩側(cè)麥克風(fēng)各速度 在不同測量次數(shù)下采集的聲音信號(hào)峰值穩(wěn)定，故選擇圖 7(d)中確定的頻率峰值，根據(jù)公式(1)進(jìn)行頻移計(jì)算，選擇5km/h為參考速度，5km/h所對應(yīng)的頻率為參考頻率， 表6給出了所選擇頻率的頻移del?f計(jì)算結(jié)果，結(jié)果可見，10km/h與5km/h 、15km/h與5km/h 、20km/h 、5km/h的頻移皆為1. 1% ，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大于0.8%要求。

表 6 頻移計(jì)算結(jié)果

3 總結(jié)

        本文介紹了電動(dòng)車低速提示音室內(nèi)測量方法的技術(shù)要求和測試要求，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：1） 室內(nèi)測量可以獲得較低的背景噪聲，且背景噪聲穩(wěn)定，相比于室外測量，較容易滿足測試車輛設(shè)備發(fā)出的噪聲值高于背景噪聲10dB(A)要求；2）室內(nèi)測量相比于室外測量而言，背景噪聲穩(wěn)定、速度控制準(zhǔn)確，各次測試頻譜信息一致性較好；3）提示音頻率為固有特性，不隨測量位置的不同而變化，在該次試驗(yàn)中，左右兩側(cè)麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)頻譜峰值一致。

參考文獻(xiàn)

[1]    Nanda G, Kar N C. A survey and comparison of haracteristics of motor drives used in electric vehicles[C]. IEEE, 2006.

[2]    Boussard  P, Dendievel  C, Hourcade  S, et al. EV exterior Sound Alarm for pedestrian (AVAS): process for Sound Design and 3D sound Simulation[C]. Institute ofNoise Control Engineering, 2017.

[3]    Fortino  A,  Eckstein  L,  Vieh?fer  J,  et  al.  Acoustic  vehicle  alerting  systems  (AVAS)-regulations,  realization  and  sound  design challenges[J]. SAE International journal ofpassenger cars-mechanical systems. 2016, 9(2016-01-1784): 995-1003.

[4]    Kamata M. Guideline on measures against the quietness of hybrid vehicles, etc[J]. Informal document No. GRB-52-03, 52nd GRB.

2010: 6-8.

[5]    Tabata  T,  Konet  H, Kanuma T. Development of Nissan Approaching Vehicle  Sound  for Pedestrians: How to  solve the trade off between Quietness and Pedestrian safty ofthe Electric vehicles?[R]. SAE Technical Paper, 2011.

[6]    GB/T 37153-2008《電動(dòng)汽車低速提示音》[S]. 2018: 12-28.

[7]    高岳.  安靜行駛車輛低速提示音標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)國際狀況及發(fā)展趨勢分析[J].  科技創(chuàng)新與應(yīng)用. 2013( 19): 44-45.

[8]     陸春，謝東明，徐金國，等.  電動(dòng)汽車低速提示音標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)研究[J].  中國汽車. 2018( 12): 49-53.