轮胎路面噪声及其测量

收稿日期!"###$#%$#"&修订日期!"###$#’$#"作者简介!俞悟周()*+"$,-女-博士-讲师.文章编号!)###$%/%#("###,#"$*#$#0轮胎1路面噪声及其测量俞悟周-毛东兴-王佐民(同济大学声学研究所-上海"###*",摘要!轮胎1路面噪声是道路交通噪声的重要噪声源-其产生的机理相当复杂-影响的因素也很多.本文介绍了产生轮胎1路面噪声的主要机理及影响因素-同时介绍了目前轮胎1路面噪声几种主要的测量方法-及各自的特点.关键词!轮胎1路面噪声&声学测量中图分类号!230%%4"文献标识码!5678918:;<=:7>9;=<7?>@9;>A 89@9=?B C DE $F G H E -I5J K H L M $N O L M -D5P Q R E H $S O L(T L U V O V E V W H X 5Y H E U V O Y U -2H L M Z O C L O [W \U O V ]-^G _L M G _O "###*"-‘G O L _,a b >?8;c ?!Q W L W \_V O H LS W Y G _L O U S H X V O \W 1\H _dL H O U W -e G O Y GO U H L WH X V G WS H U V O S f H \V _L V Y H L V \O g E V H \H X V \_X X O Y L H O U W -O U [W \]Y H S f h W N i 2G W \W W N O U V h H V U H X X _Y V H \U O L X h E W L Y O L MV O \W 1\H _dL H O U W i T LV G O U f _f W \-S _O LU H E \Y W U _L d _X X W Y V O L MX _Y V H \U H X V O \W 1\H _dL H O U W _\W f \W U W L V W d i IW _L e G O h W -V G W _E V G H \_h U HW N f h _O L U V G W S _O LS W _U E \W S W L VS W V G H d U H X V O \W 1\H _dL H O U W i 5d [_L V _M W U _L dd O U _d [_L V _M W U H X V G W S W V G H d U _\W Y H S f _\W d i j 9kl :8<>!V O \W 1\H _dL H O U W &_Y H E U V O Y _h S W _U E \W S W L V)引言许多民意调查表明-城市中的道路交通噪声是困扰人们生活的主要环境污染源之一-在各种交通噪声中-汽车噪声问题最为显著.轮胎1路面噪声是汽车噪声的三大噪声源之一-尤其是对中速行驶的轿车(/0m S 1G $)##m S 1G ,-轮胎1路面噪声的贡献最大.随着各国环境保护立法机构对车辆辐射噪声的规定日趋严格-轮胎1路面噪声的降低在近"#年里越来越受到汽车制造商及轮胎生产厂家的重视-投入大量人力物力-采用了各种先进的测试手段进行探索研究-如激光n 多普勒振动测量仪及多种相关分析等-以寻求降低轮胎噪声的途径.尽管有一些文献报道利用各种模型和计算方法进行轮胎1路面噪声的预测-但由于其机理的复杂性-目前还难以对轮胎1路面噪声进行准确的定量估计-实测是研究轮胎噪声特性的重要手段."轮胎1路面噪声的形成机理o i p 产生机理一般认为-轮胎1路面噪声的产生主要有以下几个途径!(),轮胎振动当运动的轮胎与路面接触时-一方面外胎结构的不均匀性及路面的粗糙性引起轮胎振动&另一方面-轮胎和路面的接触区产生切向力-部分切向力导致轮胎在路面上的滑移.引起轮胎外胎形变的摩擦粘滞力以及外胎的滑移导致轮胎表面的振动-从而产生可听声.轮胎振动主要包括外胎面和轮胎侧壁的振动-这两部分区域振动的幅度q 频率及产生原因并不一样-由此辐射的噪声也不同.图)(_,为某轮胎在"##m r _的轮胎气压下的振动实验结果s )t-激振源位于外胎中心.在0##u F $v ##u F 频率范围内-轮胎侧壁的振动比外胎面稍强-而在v ##u F 以上的频率范围内-外胎面的振动远强于侧壁的振动.而且在n#*n )*卷"期("###,轮胎和路面接触区的前!后缘外胎面中心部位产生"目状#振动区$如图%&’(所示)轮胎外胎面和轮胎侧壁见图*)研究表明+%!*,$轮胎振动$尤其是外胎面的振动是产生轮胎-路面噪声最重要的原因)&.(轮胎外胎和侧壁的振动&’("目状#振动区图%轮胎振动&*(空气泵噪声轮胎在路面行驶时$在轮胎-路面接触区的前缘空气突然被压出外胎花纹沟槽$在后缘突然被吸入沟槽$形成单极子声源)空气泵噪声与接触区前!后缘瞬态空气体积流紧密相关$因此不同深度的沟槽!不同外胎面材料的劲度以及不同的外胎花纹图案对空气泵噪声有一定的影响)&/(空气动力性噪声当轮胎滚动向前时$轮胎周围的气流受扰$在轮胎后部和路面之间产生涡流$引起空气压力的变化$从而产生空气动力噪声$如图*所示)与第&%(!第&*(种机理相比较$空气动力性噪声对轮胎-路面噪声的贡献微弱+/,)轮胎噪声通过耦合作用是指空气泵噪声$即空气在接触区的挤压和吸入受轮胎振动的调制$使轮胎噪声的辐射效率将大大提高)不过$从目前文献资料来看$耦合作用还未从实验中得到明确验证)另外$在很湿的路面上$产生轮胎-路面噪图*轮胎周围的气流声的原因还有水珠被甩出时或水珠撞击地面及车身时产生的大量高频成分&0%12234()565声传播机理&%(近场据圆柱环模型理论+7,$除了纵向波$轮胎表面振动模式的波长比空气中声波波长小得多$轮胎周围介质在相邻区域内的运动反相$而且介质的压缩!扩张量很小$因此轮胎振动本身的辐射效率很低)在轮胎-路面接触区及其附近区域$以下几种"放大效应#将提高辐射效率8号筒效应!腔体共振!亥姆赫兹共振)号筒效应8如图/&.(所示$外胎表面和路面构成号筒状的半封闭空间$接触区前!后缘的"目状#振动区位于号筒的喉部$因此在某一截止频率以上$外胎的振动有效地被转化成声能向外辐射)图/&’(为号筒效应的实验验证结果+*,)实验中扬声器置于后缘处$测量有轮胎及无轮胎时扬声器辐射的噪声)结果表明$在截止频率以上的频率范围内&0/2234($由于号筒效应轮胎噪声辐射可提高%29:以上)&.(号筒效应&’(号筒效应对轮胎噪声的影响图/号筒效应;%<;声学技术腔体共振!在接触区内"外胎花纹间的沟槽与路面形成充气的管道腔体#该腔体的共振会产生选择性放大作用#腔体共振没有号筒效应显著"但在光滑路面上"在$%&’()* +’()的频率范围内"放大作用约能达到,$-./01#亥姆赫兹共振!当外胎沟槽离开接触区的瞬间"沟槽内腔与喷口形成亥姆赫兹共振腔"在较窄的频率范围内产生共振#亥姆赫兹共振的放大作用也具有较强的频率选择性# 234远场轮胎与路面相互作用后产生的噪声向远场2路边4传播后"频谱特性并不保持一致#向远场的传播与噪声源的方向性5路面的吸声特性等有密切关系#如果轮胎噪声的频谱特性正好与路面的吸声特性相适应"则在远场的噪声级将会明显降低#+轮胎6路面噪声的主要影响因素表,为与轮胎5路面5汽车5环境等有关的5影响轮胎6路面噪声的重要参量#表7轮胎6路面噪声的重要参量轮胎路面汽车环境轮胎结构路面结构车速周围环境温度轮胎橡胶材料路面材料发动机功率路况外胎图案粘结剂驱动力矩风速外胎单元组成沙砾粗糙度传动装置风向沟槽深度空隙率荷载背景噪声轮胎尺寸路面湿度操作工况轮胎气压轮胎旋转方向其中最重要的影响参量是外胎花纹图案5外胎材料特性5车速5路面材料5孔隙率5垂直荷载5驱动力矩5轮胎气压等#花纹图案对轮胎噪声有比较明显的影响#不同外胎花纹的轮胎在路面上运动时"轮胎的振动情况和空气泵噪声都有所不同#轮胎噪声的纯音成分产生的原因是轮胎结构的周期性5规则性#对于交错横沟外胎花纹"应尽量使沟槽间距无规变化"若间距在平均值的3$8范围内随机变化"声能将分布在足够宽的频带范围内"降低或消除纯音成分/019对于块状花纹图案"应尽量在相邻的行中采用不相关的块序列#一般地"由于块状花纹图案有较多的空气逃逸路径"故空气泵噪声较低#轮胎的材料特性对轮胎噪声也有比较大的影响#图0为具有高5低弹性模量的外胎和侧壁的轮胎在车速为:$’;6<和,$$’;6<时的轮胎6路面噪声转鼓实验结果#图中横坐标表示传声器位置#结果表明"外胎面弹性模量的影响强于侧壁弹性模量"不同弹性模量的外胎"轮胎6路面噪声级差值可达到3-. 2=4>?-.2=4"而侧壁的影响则为,-.2=4> +-.2=4/:1#图0外胎和侧壁弹性模量对轮胎噪声的影响路面对轮胎6路面噪声有相当显著的影响#不同粗糙度和不同材料的路面通过两方面影响轮胎噪声#一方面"在不同路面上外胎在接触区的形变不同"从而外胎面的振动方式不同9另一方面"不同路面在噪声源处及远场对声能的吸收不同#图:为不同轮胎在不同路面下"车速为:$’;6<时轮胎6路面噪声声压级2滑行法结果4#图中结果表明"对目前所使用的各种路面"由于路面的不同而引起的轮胎6路面噪声的差值可达到@-.2=4/&1#非常光滑的路面并不安静"这可能是因为在A3@A,@卷3期23$$$4很光滑的路面上共振的放大作用较明显!而且轮胎的切向运动较为剧烈"图#路面对轮胎噪声的影响轮胎噪声通常随车速的增加而提高!车速每提高一倍!轮胎噪声大约增加$%&’()*+,%&’()!增加量与不同的轮胎路面组合有关"轮胎路面噪声随驱动力矩-垂直荷载的增大而增加!而轮胎气压对轮胎噪声的影响与驱动力矩的情况有关"相对而言!垂直荷载和轮胎的气压对轮胎噪声总声级贡献不大".轮胎/路面噪声的测量迄今为止!轮胎/路面噪声的测量方法主要有三种0滑行法’12345*67)-拖车法’893:;*<9)和转鼓法’=9>?)"这三种方法有各自的优-缺点"’+)滑行法滑行法的详细测试要求和步骤由@A B,C D 说明"待测轮胎’.只或.只以上)安装在与之相适应的车上"测试车的车型和结构一般对(声级影响很小E C F"测试路面须符合@A B +G H ..标准"传声器对称垂直地放置在距离路段中心线I J #KG J G #?处!距离路面高度+J D ?"测试车沿测试路段中心线行驶!按预定的速度滑行经过传声器!记录下(声级的最大值"滑行过程中发动机关闭!并断开离合器!以降低发动机组的噪声影响"滑行车速的建议值为I G L ?/M"由于路面对轮胎/路面噪声有明显影响!故对测试路面有以下要求0N 路面为密质无孔隙沥青混凝土路面N 沙砾颗粒大小不超过H ?N 路面吸声系数小于G J +N 磨损层大于,G ?N 粘结剂为未变性的可渗透沥青N 结构深度小于G J .?为减小外部环境对测试的影响!要求距离测试路段中心#G 范围内无大的反射物!并远离交通区"滑行法最大的优点是这种方法的结果能够很好地表征轮胎/路面噪声向外部远场辐射的实际情况!测量精度较高"但存在一些缺点0滑行法的花费昂贵!需要有符合一定标准的专门测试路段O 测试耗时O 测试受外部环境影响很大!尤其是气候条件’风-雨等)O 须远离交通区域O不能对单个轮胎进行测量"’D )拖车法拖车法是测量轮胎近场噪声的方法!目前已有@A B ++H +$*D ’=93P 5)对这种测量方法作标准说明"图C 拖车示意图被测轮胎’单个或多个)安装在拖车上!拖车由另一车辆牵引"对于轿车轮胎测试传声器按一定的角度置于距离路面+G Q ?!距离轮胎侧壁D G Q ?处E I F"为了提高信噪比!降低背景噪声尤其是牵引车噪声的影响!及轮胎周围气流的影响!采用围护结构将待测轮胎和传声器同外界隔离!围护内壁安装有吸声材料以减少反射声’见图C )"测试路面的要求与滑行法相同"测试时!待测轮胎由牵引车牵引按预定的车速在测试路面上匀速行驶!由一个或多个传声器测量(声级或频谱"R,$R 声学技术相对于滑行法!拖车法受环境"气候的影响较小!所需测试轮胎数目较少#因为拖车法是在实际路面上测量!所得结果与滑行法有良好的可比性#拖车法的缺陷在于$与滑行法一样!需要有专门的测试路段%另外还需要有专门设计的拖车!并能调节荷载%牵引车的噪声至少要比牵引车和拖车一起在路面上行驶时低&’(%由于近场轮胎噪声有一定的方向性!传声器的放置位置会对测量结果有一定的影响!有学者认为!传声器与轮胎中心的连线和轮胎前进方向成)*+或,&*+为最佳位置-./%此外!测量结果为近场噪声!与轮胎噪声向外部远场辐射的噪声情况不一定一致# 0&1转鼓法转鼓法测量的也是近场结果#在转鼓实验室0消声室1中!待测轮胎按预定的转速在已安装有模拟路面的转鼓上滚动!记录噪声级或频谱#传声器的放置与拖车法相同#转鼓测量法在室内进行!不受气候"场地"环境等条件的影响!测量时间也较短#而且!转鼓测量中可结合声强法等寻找噪声产生的区域!有利于轮胎的开发研究工作#转鼓法的不足之处是$需要转鼓装置和消声室%转鼓装置的噪声会影响测量结果%与拖车法一样!只能得到近场结果%模拟路面的选择对结果影响较大!因此影响了结果的可靠性及与其他两种方法的可比性#关于转鼓法和滑行法的可比较性!基于各自的比较实验结果!有两种截然不同的看法#部分研究结果认为!通过选择合适的两种模拟路面0光滑路面和粗糙路面1!由转鼓法得到的2声级和,3&倍频程声压级与滑行法结果吻合良好-./#另一观点认为转鼓法和滑行法毫不相关!没有可比较性!这表现在一是由这两种方法得到的轮胎3路面噪声级相差悬殊!二是这两种方法对不同轮胎的噪声排序不一致-4/#*总结轮胎3路面噪声的产生主要是行驶中的轮胎与路面相互作用!在接触区前"后缘的外胎面振动经过号筒效应向外辐射声能#另一主要原因是接触区前"后缘空气被突然挤出和吸入而形成的单极子噪声源#影响轮胎3路面噪声的主要因素有$车速"路面特性"轮胎材料"外胎花纹等#由于目前对轮胎噪声作准确预测还比较困难!对轮胎3路面噪声特性的了解大多仍通过测量手段获得!主要的测量方法有滑行法"拖车法和转鼓法#滑行法的结果与实际最为接近!拖车法和转鼓法得到的是近场轮胎噪声特性#这三种方法都有各自的局限性!应根据要求和相应的条件选择合适的方法#参考文献$-,/5678’9:;<<’6=<::>?@:98<@A9-B/6C D D= =E F<:E?<:>:9G<:?H.)6I J J K L&L*M,N H&!,H4,6-N/O9@P@:<I;E<E8’I Q R@:<S E T E U E V@62A?W’><8 R9T9Q R E8@A T<X?@:93:<E’8<@A9-B/6B J2YD9Z@9;!,H H[!,.$,&4M,))6-&/J>9’D62R T9’6\]<;M@8’W Q9’8<@A9X:<T ^:<W8’Z9R@Q]9A M G:<F]9T A E8’G:<A G9Q?A<X8W T9:@Q E]A@T W]E?@<8-_/6J<Q@9?><X98^@899:M@8^A Q@98Q9!&*?R288W E]?9Q R8@Q E]T99?@8^!‘E A R@8^?<8!,H H46-)/56a9Q V9]6C@:98<@A9^989:E?@<8-B/6‘9E:!,H4[!,,&$,*.M,.L6-*/565W?R W V:@A R8E86Y X X9Q?A<XT E?9:@E]G:<G M 9:?@9A@8?@:98<@A96J2YG E G9:H L L.[N6-[/B9:U>26Y P A T<8?E8’7]X J E8’F9:^6I8X]W98Q9 <8?@:93:<E’8<@A99T@A A@<8F>Z9R@Q]9A<X’@X MX9:98?Q<8A?:W Q?@<8-B/6b C I D E G G<:?6I J J KL&).6[L&L6-./7]X J E8’F9:^6c9Z9]<G T98?<X?R:99T9?R<’A X<:T9E A W:9T98?<X?@:93:<E’8<@A99T@A A@<8MQ<E A?M F>!?:E@]9:E8’]E F<:E?<:>’:W T-B/6K<@A9Q<8?:<]98^@899:@8^P<W:8E]!K<Z d c9Q!,H4[6-4/a6e6\@8^9:R W?6f8G:<F]9T A;@?R?@:93:<E’8<@A9<8?:W Q V A;@?R R@^R98^@899:@8^:E?9-_/6I59Q R Y_&4H3&).6g)Hg,H卷N期0N L L L1轮胎/路面噪声及其测量作者：俞悟周， 毛东兴， 王佐民， YU Wu-zhou， MAO Dong-xing， WANG Zuo-min 作者单位：同济大学声学研究所,上海200092刊名：声学技术英文刊名：TECHNICAL ACOUSTICS年，卷(期)：2000，19(2)被引用次数：15次1.M Underwood Lorry tire noise 19812.Keijiro Iwao.Ichiro Yamazaki A study on the mechanism of tire/road noise 19963.Syed R Ahmed Flow-induced noise from ground vehicles-problems 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