（声学专业论文）轮胎路面噪声测试用拖车的声学设计.pdf

摘要 摘要 一般说来，车辆在高速行驶时轮胎路面噪声是摄主要的声源之一，因此要 降低整车噪声必须先要降低轮胎噪声。为了弄清轮胎路面噪声的产生机理以及影 响因素，一般采用理论计算和实验测试的方法进行研究。但是由于轮胎以及路面 结构的复杂性，理论计算的精度不高，因此当前采用的主要是试验测试的方法。 本文结合上海市科委重大科技攻关项目“低噪声沥青混凝土路面及混凝土材 料研究与示范”，从轮胎噪声的发声机理、测试方法和评价方法等几个方面综述 轮胎噪声的研究进展，分析了轮胎噪声的产生机理；比较了轮胎噪声的各种测试 方法( 通过法、转鼓法、拖车法等) 的优缺点，说明研究拖车测试法是完全必要和 有现实意义的，并且详细介绍了拖车测试法的测试过程、数据处理方法以及各种 注意事项；为了设计出符合i s o11 8 1 9 2 标准的测试拖车，设计制作了拖车隔声 罩的模型，在混响室和消声室中进行了一系列实验；在实验结果的基础上，结合 一定的理论计算，给出了合理设计拖车的一些参数，协助完成了拖车的设计和制 造。 关键词：轮胎、沥青路面、噪声、拖车 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n c r e a s ei nr o a dt r a 贩ch a sc r e a t e dan u m b e ro fe n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s a m o n gt h e s e ，n o i s ee m i s s i o ni sr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n g e n e r a l l y ，t h e r ea r e t h r e ew a y so fr e d u c i n gt r a 笳cn o i s ep r o p a g a t i o nt oh u m a ne a r s t h ef i r s to n ei sb a s e d o ne l i m i n a t i o no ft h es o m c e t h es e c o n do n ei sc o n n e c t e dw i t ha c o u s t i ci n s u l a t i o no f m a i ns o u r c e si nt h ev e h i c l e a n dt h el a s to n ei sa c h i e v eb yb u i l d i n gb a r r i e r sa n d s c r e e n sa l o n gt h er o a d b e c a u s eo ft h ef a c tt h a tn o i s es c r e e n i n gi sv e r ye x p e n s i v ea n d i n s u l a t i o nc a n ta l w a y sb ea d a p t e d i ti su r g e n tt or e d u c et r a f f i cn o i s ea ti t ss o u r c e f o rm o s tv e h i c l e sr u n n i n gi nh i g hs p e e d ，t h et y r e r o a dn o i s ei n t e r a c t i o nn o i s e a p p e a r st ob eam a j o rf a c t o rt ot h ev e h i c l en o i s e s oa ne 伍c i e n tr e d u c t i o no ft o t a l n o i s e c o u l do n l yb eo b t a i n e db yd e c r e a s i n go ft y r e r o a dn o i s e t od os o i t sn e c e s s a r y t ou n d e r s t a n dt h ep h y s i c a lp h e n o m e n aw h i c hp r o d u c et y r e r o a dn o i s e u n f o r t u n a t e l y , t h et h e o r e t i c a lc o n s i d e r a t i o n sa r ev e r yc o m p l i c a t e da n dr e l i a b l e ， b e c a u s eo ft h ec o m p l e xs t r u c t u r eo fm o d e mt y r e sa n dr o a ds u r f a c e c o n s e q u e n t l y , t h e i m p o r t a n c eo ft e s tm e t h o d so ft y r e r o a dn o i s ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es i g n i f i c a n t g e n e r a l l y , t h e r ea r et h r e ew a y so fl y r e r o a dn o i s em e a s u r e m e n t ：p a s s b y , l a b o r a t o r y d r u mm e t h o da n dt r a i l e rm e t h o d t h i sp a p e rf o c u s e so nt r a i l e rm e t h o da n da c o u s t i cd e s i g no ft h et r a i l e r t h et e s t v e h i c l ec o n s i s t so ft w op a r t s ：o n et o w i n gv e h i c l ea n do n et r a i l e r i s o1 l8l9 2g i v e s s o m er e q u i r e m e n t so ft h et e s tv e h i c l ea n dm e a s u r e m e n ts y s t e m i no r d e rt og u i d et h e d e s i g no ft h et r a i l e r , as e r i e so fm o d e le x p e r i m e n t sa n dc a l c u l a t i o n sa r ep e r f o r m e d a c c o r d i n gt ot h e i rr e s u l t s ，s o m ep a r a m e t e r sa n da d v i s e sa b o u tt h ed e s i g no ft r a i l e ra r e g i v e n k e yw o r d s ：t y r e ，a s p h a lt u mr o a ds u r f a c e ，n o i s e ，t r a i l e rm e t h o d l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：萝岔j 。反 州年7 月7 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：獭衩学位论文作者签名：狼小孤 加年3 月钞日 如6 年弓月f 7 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第1 章引言 1 1 研究背景 1 1 1 交通噪声的危害 第1 章引言 汽车的高速化发展及其拥有量和交通密度的日益增加，社会环境、生态环境、 声环境及大气环境都受到了严重影响，其中最直接、最主要的就是交通噪声和尾 气排放。特别是在城市，交通噪声已成为最大的环境污染源，危害面积极大，危 害程度也日益增大，具体来说表现在以下几个方面： ( 1 ) 交通噪声会对公路沿线居民的身体健康和生活工作质量产生不利影响。 目前生活在公路两侧的人越来越多，很多人受到公路交通噪声的影响。同时，它 还影响车内司机和乘客的舒适性。枯燥而强烈的噪声会使驾驶员心情烦躁、注意 力分散而导致交通事故。 ( 2 ) 交通噪声对公路沿线的经济发展有负面影响。例如，在噪声超标区的商 业机构和公路周围的土地价值都会受到影响。有资料表明交通噪声每升高 l d b ( a ) ，那么土地的价格就会下降o 0 8 一1 2 6 ，平均0 9 左右。 ( 3 ) 沿线的土地要开发利用，居民的生活质量要提高，经济要发展，因此道 路两侧的交通噪声必须进行有效的防治，这不仅仅是一个社会问题，同时也是一 个很重要的经济问题。 1 1 2 交通噪声法规的发展 发达国家自6 0 年代起就对交通辆噪声给予了足够的重视，制定了许多法规 和标准来控制。如联合国欧洲经济委员会( e c e ) 、欧洲经济共同体( 欧盟) ( e e c ) 、 美日等发达国家和地区，从7 0 年代起每3 5 年就修订一次相关的法规或标准， 各种车辆噪声的限制有了大幅度的降低。这促进了汽车降噪技术和测量分析技术 不断的深入研究和应用，减轻了其影响和危害d 1 。 1 9 8 0 年由2 4 个主要工业国家组成的欧洲经济合作发展组织( o e c e ) 曾召开了 一次降低交通噪声的大会，形成了一个决议：要求在1 9 8 5 1 9 9 0 年间降低车辆 噪声5 一l o d b ( a ) 。结果，e c e 和e e c 后来进一步降低了噪声限值( 附录1 表1 ) 。 8 2 年以后，对于m 1 类的小客车，其限值由8 0 d b ( a ) 降到现在的7 0 d b ( a ) ，m 2 3 类客车同期下降了5 - 6 d b ( a ) ，而n 载货车则下降了5 - 8 d b ( a ) 妇1 。 日本对噪声控制较早，1 9 5 1 年就制定了道路车辆法，对车辆等速行驶和 第1 章引言 排气噪声规定在8 5 d b ( a ) 以下。后来随着交通流量迅速增加，噪声问题更加突出， 为了进一步限制城市交通噪声，日本自1 9 7 0 年开始限制车辆的加速行驶噪声， 在机动车辆安全标准中按车辆类型规定了限值( 附录l 表2 ) 。日本的汽车 加速噪声限制也经历了四个阶段，重型车已由原来的9 2 d b ( a ) 降低了9d b ( a ) ， 中型和轻型车降低了8 d b ( a ) ，小客车也降低了6 d b ( a ) 。 美国的噪声法规包括联邦的和各州、市立的。6 0 年代中后期，美国一些州 制定了地方性噪声控制法规。1 9 6 7 年首次批准制定了s a ej 9 8 6 小客车和轻型 载货车噪声级，包括加速噪声的测量方法和限制。1 9 6 9 年又批准制定了s a ej 3 6 6 重型载货汽车和客车的车外噪声级，包括中、重型货车和大客车的加速噪声 测量方法和限制。1 9 7 0 年批准的s a ej 9 8 6 修订版中对小客车和轻型货车的限制 是8 6 d b ( a ) ，在s a ej 3 6 6 中对中、重型货车和大客车的限制是8 8 d b ( a ) 。1 9 7 2 年美国政府制定了噪声法( n o i s ea c to f1 9 7 2 ) ，以后又制定了有关机动车 辆的联邦法规。对于新型中、重型载货车( g v m 4 4 5 4 t ) 的噪声限制分两个阶段实 施：第一阶段是8 3 d b ( a ) ，1 9 7 8 年1 月1 日生效；第二阶段是8 0 d b ( a ) ，原先规 定1 9 8 2 年1 月1 日生效，后来推迟到1 9 8 8 年1 月1 目才生效。后来这些法规中 也包括了大客车噪声限值( 附录1 表3 ) 瞄1 。 我国汽车噪声控制工作从1 9 7 9 年开始，当时发布国家标准g b l 4 9 5 - - 7 9 机 动车辆允许噪声。目前我国的标准是g b l 4 5 9 - - 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限 值及测量方法，将分为两个阶段实施，第一阶段的实施日期为2 0 0 2 年1 0 月1 日至2 0 0 4 年1 2 月3 0 日，第二阶段的实旋日期为2 0 0 5 年1 月1 日以后，见表 1 2 川。 我国由于法规要求不高，执行不严格，并且在这方面的市场竞争要求也不高， 因此汽车生产厂家对噪声控制工作不够重视，产品的实际控制水平也较差。据初 步统计，我国目前小客车噪声级是7 7 7 9 d b ( a ) ：中、大型客车的是8 1 川9 d b ( a ) ： 小型载货车的是7 8 8 4 d b ( a ) ；中、重型载货车的是8 4 8 9 d b ( a ) ，不少车型只 能勉强达到甚至达不到g b l 4 9 5 - - 7 9 的限值要求，与国外产品水平差距很大( 附录 1 表4 ) 。 汽车测量方法最早源于1 9 6 4 年制定的i s or 3 6 2 声学一道路车辆噪声测量 方法，后来几经修订。1 9 8 1 年修订后由i s o3 6 2 1 9 8 1 声学一道路车辆噪声 加速噪声测量方法一工程法和i s o5 1 3 0 1 9 8 2 声学一道路车辆噪声定置噪 声测量方法一概测法代替，后来又制定了i s o7 1 8 8 1 9 8 4 市区行驶条件下 小客车噪声测量方法。1 9 8 5 年对i s o3 6 2 作过修正，1 9 9 4 年修订后为第二版， 1 9 9 8 年又作了修订，现已经各国表决通过正式出版。 国外法规或标准规定的汽车加速噪声限值大多是基于i s o3 6 2 的方法， e c e e e c 的不同在于测量次数( 至少2 次) 和结果取值( 每次读数减去1 d b ) ，s a e 的 2 第1 章引言 方法的不同在于传声器距离为7 5 m 而不是15 m ，日本t r i a s2 0 1 9 8 8 机动车噪 声试验方法中则规定被测车辆是满载而不是i s o 规定的空载。 我国关于测量方法的标准主要有以下几个：g b t1 8 6 9 7 - 2 0 0 2 声学汽车车 内噪声测量方法、g b t 声学市区行驶条件下轿车噪声的测量、g b1 4 9 6 7 9 机动车辆噪声测量方法和g b l 4 5 9 2 0 0 2 汽车加速行驶车外噪声限值及测量 方法。 1 1 3 交通噪声的治理 交通噪声的治理和控制是一个复杂的问题、涉及到土地利用、路网建设、交 通需求控制、道路设计等多层次、多方面的问题，因此，必须采取综合防治的对 白兰 5 】 夕r o ( 1 ) 噪声源控制 汽车是一种由动力机驱动行驶于多种路面的交通工具，受动力机影响和路面 激励，使构成汽车的三大部分( 发动机、底盘和电器系统) 的所有部件都会产生振 动和噪声。 发动机是多声源的复杂动力机械，按照噪声辐射的方式可把发动机噪声分为 直接向大气辐射和通过发动机表面向外辐射两大类。直接向大气辐射的噪声源有 进排气噪声和风扇噪声；发动机的表面噪声是发动机工作时内部结构的机械振动 产生的噪声，包括燃烧噪声和机械噪声。底盘噪声主要包括：由于轮胎滚动而形 成的轮胎噪声，齿轮系啮合和振动而产生的变速器、驱动桥噪声，旋转和振动传 递而产生的传动轴噪声，汽车行驶引起的空气脉动而产生的空气动力噪声等几个 方面。 从整车的角度来看，汽车种类、型号以及行驶状态不同，各个声源对整车噪 声的贡献也不尽相同。对大多数汽车来说，加速行驶时发动机噪声最大，其次为 排气噪声。中、小型汽车加速行驶噪声中，底盘噪声所占比例一般较低，但对大 型汽车而言，其比例可能达到1 5 3 0 。在汽车高速行驶时，轮胎噪声是车外 噪声的主要声源之一，对于汽车高速行驶噪声有决定性的影响，特别是对于小客 车更为明显旺丌。 交通噪声的治理最根本的方法还应当是控制声源的辐射。道路交通较大的噪 声主要来自载重汽车及公共汽车等重型车辆，它们的噪声比一般小型车高出4 - 7 分贝，因此控制重型车按低噪声车辆设计是一个减低噪声强度较好途径。设计低 噪声车包括采用高效率排气消声器和发动机隔声器，对齿轮箱、传动轴、冷却风 扇和轮胎噪声都要进行控制。对于高速公路，车辆行驶速度较高，此时的主要噪 声源是轮胎噪声，研制低噪声轮胎以及建造低噪声路面是减小高速交通噪声的有 效方法之一。 第1 章引言 ( 2 ) 传播途径控制 当前，传播途径控制采用的主要方法是在道路两边种植绿化隔离带、建造声 屏障。许多国家和地区都建造了大量的声屏障。国外如美、日、法、德等国早在 6 0 年代就已开展了声屏障的理论研究，并实施了许多具体工程。美国联邦公路 局早在1 9 7 9 年列入计划的声屏障为1 4 0 0 公里，到1 9 8 1 年就已建造了3 0 0 公里。 目前香港已修建了6 3 1 3 公里长的道路声屏障1 2 引。日本至1 9 9 0 年全部道路的声 屏障总长度已达1 6 0 6 公里，其中高速公路上的声屏障设置率已达到8 0 1 2 9 1 。在 国内，声屏障也己大量运用到公路及轨道交通的设计和建造中。以上海为例，目 前在上海的内环线、南北高架、延安路高架的不同路段上，均已设置了声屏障。 但大量建造声屏障花费巨大，2 0 0 2 年美国联邦公路局( f h w a ) 花费了2 6 亿美 元建造声屏障，平均每平方英尺花费2 0 美元，也就是说l 公里长1 0 英尺高的声 屏障的造价是2 1 0 万美元。由于声屏障的造价昂贵，很多国家都在积极开展低噪 声路面和低噪声轮胎的研究埔。 ( 3 ) 加强交通管理 在医院、学校等交通敏感地带，进行适当的交通管制，控制车流速度和密度， 也能够在一定程度上减小交通噪声的危害。 ( 4 ) 合理的城市功能布局与路网结构 城市的功能布局应从防止噪声的观点进行城市总体布局，对各类交通干道和 噪声源进行合理布局。要求安静的建筑应尽量原来交通干道。对路网结构进行优 化调整，应避免过境车辆穿过市中心，用环行线或绕行线来有效减少噪声。对大 城市主要干道的交叉路口宜采用立体交叉和信号控制，以保持车辆匀速行驶，减 少不必要的停车，减少起动、制动的噪声。 1 2 研究意义 随着高速公路建设的迅速发展，高速运输的时代正向我们走来。这不仅给汽 车产业带来了深刻的影响，也给轮胎工业带来了机遇和挑战。 以上海市为例，上海已经建成和在建的高架道路有外环线、中环线、内环线 和南北高架。外环线的设计时速为8 0 k m h ( 此时轮胎噪声已经是车辆噪声的主要 成分) ，为围绕上海市的外围交通干道：内环线的设计时速为4 0 - 6 0 k m h ，是上 海市中心城区的主要干道，环绕人口高度密集的城市中心。由于交通需求的增加， 2 0 0 4 年初又在兴建中环线，其设计时速为8 0 k m h ；南北高架设计时速为8 0 k m h 。 高架道路的发展一方面提高了城市的交通运量；另一方面三圈环状的高架道路像 日夜不息的高音喇叭不停地向城区辐射噪声，严重影响城镇居民的生活环境，居 民对于交通噪声的不满意程度日益增加。城市内部的噪声治理面临日益严重的压 4 第】章引言 力，为治理交通噪声的费用逐年增加。 现代轿车和客车在追求高速化、安全性、经济性和节能的同时，对乘坐舒适 性的要求也越来越高，低噪声性能是其中很重要的一个方面。作为汽车与路面接 触的唯一部件，轮胎的性能对汽车的运动性能，例如加速、制动、操作稳定性、 行驶平顺性有重要影响，也对轮胎和路面摩擦产生的轮胎路面噪声的大小有影 响。现代的轮胎设计的过程中，不再仅仅关心轮胎的安全性、耐久性、牵引性、 制动性、低滚动阻力及操作稳定性、行驶平顺性，噪声特性也成为衡量轮胎品质 的重要方面。当前，对发动机噪声的研究已经达到了较高水平，通过降低发达机 噪声来达到降噪效果的发展空间已经变得很小，因此低噪声轮胎和路面的研究成 为热点。 经济一体化的发展，各组织的噪声限制法规不断地发展协调一致，轮胎噪声 将作为一项重要考核指标。国内轮胎厂家为了与低噪声轮胎的国际标准更好地接 轨，通常要将轮胎花纹样本送往国外进行噪声评价，这样贻误了轮胎的开发周期， 使我国在低噪声轮胎生产竞争中处于被动状态。轮胎噪声指标高低也严重影响了 我国轮胎的出口贸易。目前，越来越多的汽车生产厂家在选用配套轮胎时，都对 轮胎噪声提出了要求，研究轮胎噪声成为越来越迫切的问题。对轮胎噪声进行分 析和降噪优化具有巨大的现实意义。 为适应“2 0 1 0 年上海世界博览会”的需要，上海市市科委及相关部门成立 了重大科研项目“低噪声沥青混凝土路面及混凝土材料研究与示范”、“轻卡低噪 声轮胎的试验研究”和“降噪吸音沥青路面应用研究”。在这种形势下，作为我 国轮胎行业龙头企业的上海轮胎橡胶集团( 上轮) 与同济大学声学研究所强强联 手，成立了“上轮一同济轮胎噪声与振动技术中心 ，开展了轮胎噪声与振动方 面的研究，以期在低噪声轮胎的研究中取得突破性进展。 由于轮胎结构和路面结构的复杂行，当前的理论模拟的研究尚处于初级阶 段，且与实际结果存在较大误差。因此，实验测试还是当前研究轮胎噪声的主要 手段。 在已经进行的研究中，同济大学声学所采用过转鼓法和通过法来进行轮胎噪 声的测试。但由于转鼓无法模拟实际路面，因此测量结果只能用于相对比较，无 法进行深刻的发声机理研究；通过法的测试则受到背景噪声的影响，测试结果存 在一定程度的误差。因此，本文将探索另外一种测试方法一拖车法。i s o1 18 1 9 2 中对拖车的一些声学性能给出了明确的要求，为了设计出符合这些要求的拖 车，本文在模型实验和理论计算的基础上给出了一些关于拖车设计的指导意见。 第1 章引言 1 3 本章小结 本章的主要内容是介绍从轮胎路面噪声的研究背景和研究意义。随着高速 公路建设的发展，车辆速度的不断提高，轮胎路面噪声已经成为道路交通噪声 中的主要噪声源之一。为了减轻道路交通噪声的污染，对轮胎噪声开展研究有着 迫切性和必要性，研究的最终目的就是要设计出低噪声轮胎。 6 第2 章轮胎路面噪声的研究进展及其研究方法 第2 章轮胎，路面噪声的研究进展及其研究方法 2 1 轮胎，路面噪声的研究进展 本节主要从轮胎噪声的发声机理、测试方法和评价方法等几个方面综述轮 胎噪声的研究进展，最后总结轮胎噪声的产生机理的几个主要方面。 2 1 1 轮胎噪声理论的研究进展 最早报道轮胎噪声的文献出现在s a e 中。1 9 2 5 年，l e m o n ，b j 在其论文 “g 1 i m p s e so fb a l l o o n t i r ep r o g r e s s 中首次介绍了几种不同轮胎的道路噪 声测量结果及其对比分析。但那时的轮胎噪声并未引起人们的重视，就像其在 文中陈述的“轮胎声音并不令人厌烦，也几乎不被车主所反对 。轮胎噪声真正 引起人们的重视并进行了大量的试验研究和理论研究是从七十年代初开始的， 至八十年代初这一时期是轮胎噪声研究的初期阶段。 对轮胎噪声从理论上进行量化模拟预测计算是从7 0 年代开始的，在此之 前，轮胎噪声的研究多采用试验手段，缺乏对噪声机理的细致理论分析。 1 9 7 1 年，r e h a y d e n 首先认识到空气泵吸( a i rp u m p i n g ) 机理是轮胎主要 噪声机理。他将简单轮胎花纹沟槽视作一个单极子源，利用一些基本几何计算 得出花纹沟槽声压级的半经验公式，用该公式对一些花纹轮胎进行计算，结果 与试验结果符合较好。但是r e h a y d e n 公式真正解决轮胎花纹噪声预测仍有困 难：一是变形引起的沟槽体积变化无法准确给出，因为这跟轮胎的充气压强、 载荷及车速有关；二是该公式并没有考虑到沟槽角度( 即沟槽相对于轮胎侧壁 的角度) 的影响；而实际表明，角度是影响花纹噪声的一个关键参数，特别是 对横向沟槽。 横向花纹噪声机理的另一个显著特点是沟槽内的气柱共鸣声。当轮胎在路 面上滚动时，在接地时沟槽受到挤压空气被排出；在离开地面时空气被吸入， 这样可以把沟槽看成是管子之类的气柱。当空气柱的固有频率和花纹间距频率 一致时，那么就发生空气柱共鸣现象，轮胎噪声恶化 1 。 1 9 8 5 年通用汽车研究实验室的l a w r e n c e 等在研究横向花纹沟槽的基础上 得出：气柱共鸣噪声与气泵噪声是横向花纹沟槽噪声的两大机制协1 。 空气扰动噪声主要是由于轮胎高速滚动时引起其周边空气压力变动而产成 的噪声，这种噪声不是轮胎噪声的主要声源，只有在速度达到一定( 2 0 0 k i n h ) 时才对轮胎噪声有所贡献。 第2 章轮胎路面噪声的研究进展及其研究方法 8 0 年代，人们对轮胎噪声的研究进入实际测试和定性研究阶段。随着物理 学和振动理论的发展，根据流体结构相互作用的经典理论，若已知轮胎的振动 方式，结合辐射边界条件，就可用克希霍夫一亥姆霍兹积分公式计算出轮胎振动 辐射的噪声。因此，8 0 年代末以来，许多学者相继建立了轮胎动态特性模型， 开始了轮胎动态特性的理论研究。 1 9 8 8 年，v i n e s s ee 和n i c l l e th 利用二维薄壳模型研究了滚动轮胎的 弯曲振动波在轮胎内部的传播旧1 。1 9 8 9 年，k r o p pw 利用b o e h e m 提出的圆环 模型建立了光面无负荷轮胎的模型n 们。 随着计算机的迅速发展，人们开始借助计算机模拟技术对轮胎噪声进行预 测和分析。在胎面花纹噪声研究中，把胎面花纹的几何形状详细地描述给计算 机，即将胎面设计数字化，用一个点的矩阵来表示，将每一个胎面元素发出的 噪声沿圆周进行时间合成得到胎面花纹的总噪声的时域曲线( 或序列) ，再利用 快速傅利叶变换得到其频域曲线，并可转化成可听的声音进行主观判吲】。 1 9 9 2 年，n a k a j i m a 等用有限元、边界元和模态分析相结合的方法对轮胎的 振动和噪声进行了预测n 幻，即用有限元对轮胎结构的动态特性进行计算，同时 结合模态试验分析得出轮胎的固有振动模态，并根据胎面花纹和一些简化条件 计算出轮胎表面的振动速度，利用声场辐射的亥姆霍兹积分方程和边界元，可 以得出轮胎辐射噪声的声压、声强分布和噪声的贡献率。有限元和边界元法在 中低频可以比较准确的预测轮胎噪声；但在高频段，由于计算量大大增加，使 结果误差变大，于是人们开始用统计能量法对高频段的轮胎噪声进行分析计算。 1 9 9 6 年，在研究轮胎路面噪声机制时发现，由于牵引力矩及路面粗糙度 引起的激振力是导致轮胎接地区“目状振动点”振动的主要原因，而当“目状 振动点”处于轮胎与地面接触形成的“咽喉”位置时，振动声源由于“喇叭效 应 而放大n 3 1 。 h i r o s h iy a m a u c h i ，y a s u j i k i y o s h i 等研究了轮胎内部空腔的共鸣声， 认为汽车内部噪声在2 5 0 h z 左右的峰值主要是轮胎内部空腔的共振噪声引起 的，并提出了改变轮胎结构从而改变轮胎的固有频率来控制轮胎内部空腔共振 噪声的方案引。 1 9 9 9 年，日本学者t a k a y u k ik o i z u m i 研究了路面不平度导致的轮胎振动 对轮胎噪声的影响，认为路面不平导致的胎面振动是轮胎噪声产生的机制之一 引，并提出了一个“轮胎路面接触模型( t i r e r o a dc o n t a c tm o d e l ) ”来计 算路面不平对轮胎振动的激励，用这个模型来估算胎面振动与实际测量的振动 结果有较好的一致性。 目前国内外对轮胎噪声的研究主要集中在轮胎模态的有限元计算及试验分 析、轮胎噪声与振动关系的实验研究、轮胎花纹排列顺序及节距对噪声的影响 第2 章轮胎路面噪声的研究进展及其研究方法 等方面。 2 1 2 轮胎噪声测试方法的研究进展 由于轮胎噪声发生机理较为复杂，且大多由于外界不确定因素的存在只能 定性研究而很难对其进行定量预测，并且在汽车高速行驶时，车辆噪声主要来 自于轮胎噪声；因此依靠试验的方法，得到轮胎噪声的声压级和声强，就显得 十分重要。目前国内外对轮胎噪声的测试方法主要有n 6 1n 钉n 町n 们： 1 通过噪声法( p a s s b yn o i s em e t h o d ) ； 2 拖车法( t r a il e rm e t h o d ) ； 3 拖车惯性滑行法( t r a il e rc o a s t b ym e t h o d ) ； 4 实验室转鼓法( l a b o r a t o r yd r u mm e t h o d ) 。 u lfs a n d b e r g 和j e r z ya e j s m o n t 比较了拖车法、通过噪声法和实验室 转鼓法等三种测试方法，认为三种测试方法有较好的一致性，并对这三种测试 方法进行了扩展，以期使这三种测试方法变得更简单易用、更容易理解及对仪 器和设备要求不太高；并对路面、测试卡车和作为参考路面的转鼓表面的选择 给以了特别的关注。同时提出，为了提高三种测试方法测试结果的一致性，在 实验室转鼓测试时最好在转鼓表面贴上一层“仿制路面”( r e p l i c a t e dr o a d s u r f a c e ) d t 。 综合考虑欧洲和日本关于汽车噪声的规定及对轮胎路面噪声的测试现状， 1 9 9 3 年美国汽车工程协会( s a e ) 对卡车轮胎路面噪声的测试( s a ej 5 7 ) 做 了新的扩展，以期新的标准能普遍适应欧洲、日本和美国对汽车噪声规定的要 求，并提高测试的准确性和可重复性啪1 。 2 1 3 轮胎噪声评价方法及发展方向 怎样评价轮胎的噪声性能，什么样的轮胎才是低噪声轮胎，但什么样的轮 胎听起来感觉舒服却是复杂的问题，也是公众所真正关心的。轮胎噪声的评价必 须将人的主观感觉考虑在内。 轮胎噪声的评价目前没有统一的标准和十分权威与科学的评价指标，通用 的是用a 计权声压级、z w i c k e r 响度。轮胎噪声是一种非稳态复杂无规信号，在 要求评价精度不高时可以利用a 声级等常规指标进行粗略简单的比较，但是有 时会产生误导；z w i c k e r 响度计算则充分考虑了人的听觉系统的非线性灵敏度 以及时域掩盖和频域掩盖效应的影响，与主观评价有较高的一致性，宜作为轮胎 噪声客观评价指标惶l 】【捌。 但是z w i c k e r 响度并不能完全反映人的主观感觉，如何把声音的客观评价 第2 章轮胎路面噪声的研究进展及其研究方法 量和主观评价量结合起来对声音做出全面的评价是声学工作者的个主要任 务。国内有学者在研究国外的评判标准的基础上，提出了“三线一图 评价尺 度，即：花纹噪声频谱曲线接近白噪声频谱线；频域声能量均衡线低而平 直；时域声中心能量分布均衡线低而平直；声强度波形分布均匀而平直 捌2 刚。随着心理声学的发展，近年来声品质的研究有了一定的进展，用主观评 价的方法对轮胎噪声进行评价也已取得初步成效。 轮胎噪声研究的发展方向表现在两个方面：一是花纹的计算机辅助设计， 即通过研究花纹参数与轮胎花纹辐射噪声的关系，找到花纹参数与辐射噪声的 经验公式，把研究结果用于仿真软件，使轮胎花纹噪声的预测达到精确化；二 是对轮胎噪声的评价，找到既能反映轮胎噪声本身特点又能反映人对噪声的主 观感受的评价标准和评价方法。 2 1 4 低噪声路面研究 轮胎路面噪声的产生是轮胎与路面相互作用的结果，因此路面的性质也 对轮胎路面噪声的大小有着重要的影响。近年来，低噪声路面的研究引起了 十分广泛的兴趣和重视，并且在应用中取得了良好效果。目前，新型的低噪声 路面主要可以分为两大类：( 1 ) 多孔性沥青路面；( 2 ) 密实型低噪声路面。密 实型低噪声路面中又可分为s m a 、s d g p 等多种类型。现阶段，多孔性沥青路面 的研究已经发展的比较成熟，而后者则是在最近才提出的研究概念。 研究表明，一般沥青混凝土路面构造是一种随机构造，但研究者将沿车道 方向的表面构造断面形状看作一种波谱，进而可简化为正弦或余弦波。德国研 究者认为随着构造波长的减小和波幅的增加，声学效果会改善。因为这种构造 可减小轮胎的振动并形成有吸声效果的多孔表面。根据这个原理，低噪声路面 结构应该是粒径小、构造深度大、空隙多的沥青混凝土表面。具体来说，车辆 在高速行驶过程中，驱使轮胎与路面极快地接触和分离，在轮胎花纹与路面表 面形成了局部不稳定的空气体积流，空气体积流的快速脉冲运动产生了单极子 噪声。路表面波幅的增加，使这种空气体积流运动的空间增加，特别是空隙率 较大时，有利于噪声的吸收。路表面波长的减小，使每个波长内产生的空气体 积流减少，噪声降低。 t r l 的研究员pmn e l s o i q 一直致力于研究多孔性沥青路面。该路面是由最 大尺寸为2 0 m m 的复合材料组成的多孔层，厚度为5 0 m m 。理论的模型是将孔隙 看作弯曲的毛细管，当声波传入的时候，其能量会有损失，从而达到降噪的效 果。这种路面与普通路面相比，总体上可以使噪声级降低5 - 6 d b ( a ) 。但是这种 路面结构仅对于非常接近地面的噪声和轮胎花纹块的泵吸噪声比较有效，对汽 车发动机噪声的降噪效果并不明显 。 1 0 第2 章轮胎路面噪声的研究进展及其研究方法 t r l 的另一位研究员dmc o l w i l l 也认为多孔性沥青路面比常规沥青路面 的吸声效果更好，实验得到的降噪效果可以达到5 d b ( a ) 左右，但是他也指出由 于多孔性沥青路面的沥青黏合剂会较多的暴露在空气中，所以这种路面的性能 比常规路面更多的受到天气条件的影响，因此，必须要增加黏合剂层的厚度。 他认为还可以利用废品的循环再生品作成路面材料里的混合材料和黏合剂。他 罗列出了煤矿废渣，燃料废渣等1 0 种废弃物b 。 英国的pga b b o t t 和smp h i l l i p s 则认为，普通的混凝土路面之所以噪声 级比较高，是因为路面在铺盖的过程中不能控制其结构，而近年来，欧洲其他国 家广泛使用的一种新型混凝土路面“e x p o s e da g g r e g a t e 则有效的克服了这个 缺点。pga b b o t t 和smp h i i i i p s 用“通过法 ( s p b ) ，测试了车辆行驶时 的轮胎路面噪声，并与其他四种不同类型的路面( b r u s h e d ，t i n e d ，p o r o u s a s p h a l t ，h r a ) 作了比较。根据实验结果，他们肯定了这种新型混凝土路面的 声学性能，特别在i k h z 一2 k h z 的频率范围内，与普通混凝土路面相比，当测试 车是轻型车辆时，噪声可以降低3 d b 左右，对重型车辆则可降低2 d b 左右。同 时，他们还测试了路面的安全性能，结果也符合道路标准。但是，相对于多孔 性沥青路面而言，它们之间还是存在着一定的差距，pga b b o t t 和smp h i l l i p s 希望今后通过不断改善“e x p o s e da g g r e g a t e 的结构，使其达到更好的降噪效 果3 引。 另外，根据国外研究资料表明：在日本，多孔性沥青混凝土路面比普通沥 青混凝土路面，对于小汽车可降低5 - - 一8 d b ( a ) ，对于载重汽车降低3 d b ( a ) ，而 且即使载重车在停车空转时也有2 d b ( a ) 的降噪效果。在法国，对于小汽车可降 低4 d b ( a ) ，对于重型汽车则可降低7d b ( a ) 。在英国，在粗糙度相同的情况下 噪声可降低4 - - - 5 5d b ( a ) 。在比利时，多孔性沥青混凝土路面与刻槽水泥路面 相比，可降低6 8d b ( a ) 。 可是，尽管多孔性沥青路面的噪声较低，但由于有耐久性差，降噪效果衰 减快等缺点，因而对s b i a 等一些新的密实型低噪声路面的研究也就变的非常的 重要，这部分工作现在还处于研究阶段。 目前，国内也已有部分研究单位、高等院校开展了低噪声路面的研究。如 1 9 8 8 年交通部公路科学研究所与河北省交通厅合作在正定试验路上铺筑了 l o o m 的o g f c l 6 试验路，同济大学于1 9 9 6 年在浙江萧山等地铺设了多孔性降噪 试验路段4 4 0 0 m ，交通部公路科学研究所与济青高速公路管理局和山东省交 通科学研究所合作，于1 9 9 9 至2 0 0 0 年在济青高速公路上铺设了超薄沥青混凝 土路面近8 0 0 0 m 。1 9 9 7 年开始的多孔性沥青低噪声路面研究如今己在沪杭高 速公路得到应用，有明显的降噪作用。 第2 章轮胎路面噪声的研究进展及其研究方法 2 2 轮胎，路面噪声的研究方法 尽管有一些文献报道利用各种模型和计算方法进行轮胎路面噪声的预测， 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。当前，测量轮胎路面噪声土要采用三种方 法：通过法、拖车法以及实验室转鼓法，另外p a u ld o n a v o n 还采用了声强法进 行研究。 2 2 1 试验车惯性滑行法 将待测轮胎安装在合适的测试车t 。一般柬说，测试车的车型和结构对a 声级的影响根小。传声器对称垂直地放置在距离路段中心线7 5 m 士00 5 m 处， 距离路面高度l2 r n 。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a 声级的晟大值。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7 0 k m h 。推荐在最大声级记录频 谱，尽管这不是强制性的。至少测量5 遍并取平均。为减小外部环境对测试的 影响，要求距离测试路段中心5 0 m 范围内无大的反射物，并远离交通区。见图 21 。 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；路面 为密实、无孔隙沥青混凝士路面：沙砾颗粒大小不超过8 r a m ； 路面吸声系 数小于o1 ；磨损层大于3 0 m , n ：粘结剂为末变性的可渗透沥青； 结构深 度小于04 胁。 当考虑对外部环境的辐射时，此方法被认为是与实际情况最相关的，同时 也是最费删最依桢天气的。此方法可以用于轮胎和路面的类型测试以及需要高 精度和代表性操作的测试。它的缺点主要有：需要带有台适表面的特定的测 试车道或道路； 需要装有4 6 条测试轮胎的测试汽车；测试汽车必须沿测试 区域滑行；某些汽车滑行时可能存在实际和安全问题( 如转向) ；来自汽车 型号、刹车、变速器和悬架的影响；必须尽量使得以下因素的影响最小化： 气候的影响( 雨、风等) 、对其他交通或其他背景噪声的干扰的灵敏度。 圈2 i 通过往蒯试圈 第2 章轮胎路面噪声的研究进展及其研究方法 22 2 实验室转鼓法 转鼓设备( 转鼓直径一般为15 30 神带动试验轮胎转动，传声器放在 距试验轮胎1 m 范围内。该转鼓设备要求放置在半消声室或全消声室中，转鼓 表面应模拟实际路面。图22 是同济大学声学研究所的转鼓测试设备。 与其它3 种室外现场法相比，室内转鼓试验法存在两个主要缺点：需较 昂贵的转鼓设备及( 半) 消声室：由于轮胎噪声存在较强的指向性，此方法所 测的是近场值，不能代表牟外的远场噪声对行人的实际影响，并且转鼓表面有 一定曲率轮胎、转鼓之问跟它与实际路面所形成的喇叭口形状小同，则此时 喇叭口声音“放大”效应与实际路面行驶时有所不同。 虽然有这些缺点，但此方法同时存在较多明显的优点：受气候及天气条 件的影响最小，测试结果的重复性最好室内测试可进行长时f i 】平均，可减 少随机误差提高信噪比； 如果整个转鼓表面的模拟路面结构一致，则测试 结果的可比性较好：试验轮胎数目最少( 仅需l 条) ： 由于无多普勒敬应， 故此方法特别适于通过窄带频谱分析进行轮胎噪声机理的研究；测试方法简 单、易行、快捷。 正因为这些优点，且所测a 计权声压级及2 5 0 5 0 0 0 h z 范围的1 3 倍频 程与其它3 种室外现场法所测结果具有较好的相关性”“，故目前国外许多轮 胎、汽车生产厂家及研究机构大都采用该方法，如r 本汽车标准组织1 9 8 1 年 将室内转鼓试验法定为单胎噪声试验标准，其中规定转鼓直径为3 m ，转鼓转 动的本底噪声至少比相同速度下轮胎噪声低1 3 d b ( ) 。 鹣霹 圈2 2 转鼓测系统目2 3 声往d d ，j 尊目 2 23 拖车测试沽 拖车测试法一般可以分为远场测试法和近场测试法两种。 对于近场测试法，将一条测试轮胎安装在由辆小汽车或忙车牵引的拖车 上。拖车可以只有一个轮子也可以有另外支撑轮，一般坝i 试轮胎周围带有隔声 罩以屏蔽风声以及四周其他噪声的影响。传声嚣被安置在轮胎道路的交接面酣 第2 章轮胎路面噪声的研究进展及其研究方法 近，汽车沿测试铺有合适表面的车道或道路行驶。i s o 规定的轿车轮胎测试的 传声器位置在未偏转的轮胎侧壁外0 2 m ，路面以上o 1 m ，垂直的轴面后0 2 m ( 对 卡车轮胎，o 2 m 改为0 4 m ) ，同时还有另外两个传声器位置：9 0