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摘要 轮胎路面噪声产生机理研究 摘要 近年来，由于公路通车里程、车流量和行驶速度的与日俱增，公路交通噪声 已经逐渐变成沿线居民最为关注的环境污染问题。而随着汽车工业的不断发展， 发动机产生的噪声将逐渐减小，因此随着汽车速度的提高及汽车载重量的提高， 轮胎和道路的接触噪声成为道路交通噪声的主要噪声源，所以降低道路交通噪声 关键是控制轮胎路面噪声。为此本文将对轮胎路面噪声进行研究，分析它的变 化规律，为路面设计提供参考。 本文首先介绍轮胎路面噪声种类及各自的产生机理，在此基础上，运用声 学和动力学原理分析轮胎路面的噪声，并对不同路面降噪机理进行研究。 根据噪声产生机理，可以把噪声的影响因素分为轮胎参数、路面参数、交通 参数和环境参数。本文考虑的路面参数：孔隙率、孔结构、构造深度、面层厚度 和弹性模量；轮胎参数：轮胎花纹角度、胎压；交通参数：速度；环境参数：声 屏障、隧道及雨天路面积水的情况。其中轮胎参数、路面参数及交通参数是通过 影响噪声源从而改变噪声，环境参数则主要是通过声音传播途径改变噪声。在对 噪声产生机理认识的基础上，建立a b a q u s 有限元模型，通过有限元建模，分析 轮胎路面噪声与这些影响参数的关系，得到轮胎路面噪声的变化规律。 由于轮胎路面噪声受到众多因素的影响，而各个因素之间又会相互影响， 因此各个参数具有相关性，为了较准确的分析这些参数对噪声影响的综合结果， 需要对噪声的各个影响参数进行相关性分析，为此设计正交试验，对轮胎路面 噪声进行正交试验，采用统计学方法分析各个影响参数对噪声的显著性，同时采 用多元回归软件s p s s 进行多元回归，建立预估轮胎路面噪声的多参数模型。 最后，通过现场测试轮胎路面噪声，分析现场轮胎路面噪声受各参数的影 响，主要分析了轮胎路面噪声随速度、孔隙率及构造深度的变化，并回归出轮 胎路面噪声随这些参数变化的曲线，同时与前面有限元计算结果进行比较分析。 关键字：噪声有限元模型；构造深度；孔隙率；孔结构；多元回归；显著性分析 东南大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ng e n e r a t i n gm e c h a n i s mo ft i r e - p a v e m e n tn o i s e a b s t r a c t r e c e n t l ya st r a f f i cm i l e a g e ，f l o wo ft r a f f i ca n ds p e e dg r o wd a yb yd a y ，t r a f f i cn o i s e h a sc a l l e dm o r ea n dm o r ep e o p l e sa t t e n t i o n t m f i l en o i s ei n c l u d e se n g i n en o i s e t i e p a v e m e n tn o i s ea n ds o m eo t h e rs u b o r d i n a t en o i s e a st h er a p i dd e v e l o p m e n to f a u t o m o t i v ei n d u s t r y ，e n g i n en o i s et r a i l e do f f , s ot i r e p a v e m e n tn o i s eb e c o m e st h e m a i nn o i s eo ft r a f j f i cn o i s e e s p e c i a l l yw h e nt h es p e e de x c e e d s5 0 k r n h t i r e - p a v e m e n t n o i s eb e c o m e st h em a i np a r t a sar e s u l tt i r e - p a v e m e n tn o i s eb e c o m e st h ek e yp o i n t o fr e d u c i n gt r a f f i cn o i s e s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nt h et i r e - p a v e m e n tn o i s e a n d s t u d yt i r e - p a v e m e n tn o i s e sc h a n g i n gl a w ，i no r d e rt oo f f e rr e f e r e n c ef o rp a v e m e n t d e s i g n e r s f i r s to fa l l ，t h ec l a s sa n dt h em e c h a n i s mo ft i r e - p a v e m e n tn o i s ew e r ei n t r o d u c e d t h e n t i r e - p a v e m e n tn o i s ew a si n t e r p r e t e du s i n gt h et h e o r yo fa c o u s t i c sa n dd y n a m i c sb a s e d t h em e c h a n i s m a tt h es a m et i m et h em e c h a n i s mo fp a v e m e n tn o i s e sw a ss t u d i e d b a s e dt h et i r e p a v e m e n tn o i s e sm e c h a n i s m , f m i t ee l e m e n tm o d e lw a sb u i l tb y a b a o u ss o f e w a r e i nt h ea n a l y s i so fn o i s e sm e c h a n i s m ，t h em a i ni n f l u e n c i n g f a c t o r sc o u l db ef o u n d a saw h o l e ，i tc o u l db ec l a s s i f i e df o u rs o r t s ：t i r ef a c t o r s ， p a v e m e n tf a c t o r s t r a 伍cf a c t o r sa n de n v i r o n m e n tf a c t o r s t h ef i r s tt h r e ef a c t o r s i n f l u e n c et h en o i s e sf o u n t a i n h e a d t h ee n v i r o n m e n tf a c t o r sa f f e c tt h ep a t h w a yo f n o i s e ss p r e a d t i r ef a c t o r si n c l u d et h ea n g l eo f t i r et r e a d sg r o o v ea n dp r e s s u r eo f t i r e p a v e m e n tf a c t o r si n c l u d ea i rv o i dr a t i o ，p o r es t r u c t u r e ，t h ed e p t ho fs t r u c t u r e ，t h e d e p t ho fs u r f a c ec o u r s ea n dt h em o d u l eo fs u r f a c ec o u r s e e n v i r o n m e n tf a c t o r s c o n t a i nn o i s eb a r r i e r t u n n e la n dr a i r m i n gd a y s t r a m cf a c t o r so n l yc o n s i d e rs p e e di n t l l i s p a p e r i nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ef a c t o r sw e r ei n p u ta n da n a l y s e dt h e r e l a t i o n s h i po fn o i s ea n dt h e s ef a c t o r s a st h ef a c t o r sa r ei n t e r a c t i o n a l ，t h e ya r er e l a t i v e ，o r t h o g o n a lt e s tw a sb u i l t s t a t i s t i c a l m e t h o dw a su s e dt oa n a l y s et h er e s u l t i no r d e rt ob u i l dam o d e lw h i c hi n c l u d ea l l t h e s ef a c t o r s ，r e g r e s s i v es o f t w a r ew a su s e dt ob u i l dt h em o d e l i nt h ee n ds p o tt e s tw a sc a r r i e do u t r e l a t i o n s h i po ft i r e p a v e m e n t sn o i s ea n dt h e f a c t o r sw a sr e g r e s s e d a n dt h er e s u l tw a sc o m p a r e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s r e s u l t k e y w o r d s ：n o i s e sf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，d e p t ho fs t r u c t u r e ，a i rv o i dr a t i o ，p o r e s t r u c t u r e ，m u l t i p l er e g r e s s i o n ，s i g n i f i c a n c ea n a l y s i s i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 致函这e t 期： 型l ：呈：丝 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 么 研究生虢弛l 导师签名磬期：幽 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 噪声被定义为使人感到烦躁不安，影响人们的正常工作和健康的声音。2 0 世纪7 0 年代， 噪声污染己被称为世界第三大环境公害川。其危害是多方面的，噪声对人们正常生活和工作 造成极大干扰，它可以使人听力衰退；引起多种疾病；降低劳动生产率；噪声对仪器设备的 使用也会有严重影响，强噪声会使机械结构因声疲劳而断裂酿成事故。在各种噪声中，交通 噪声是主要的噪声，约占整个环境噪声的7 0 ，而且在交通噪声中，道路噪声是对人们影响 最大且占的比例最大( 约8 0 ) 。研究表明，在高速( 5 0 k m h ) 行驶中，轮胎噪声是道路噪 声的主体。可见对轮胎噪声的研究具有重要的意义。 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 l i m p s e so f b a l l o o n t i r ep r o g r e s s ”中首次介绍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，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1 2 j 。 八十年代初这一时期，是轮胎噪声研究的初期阶段。其特点是：以实验研究为主，理论 研究为辅。局限于识别噪声源，探索噪声机理，给出一些粗略的经验的或半经验的噪声预报 模型、降噪措施，和实验方法。随着物理学和振动理论的发展，人们根据流体与结构相互作 用的经典理论，如果已知轮胎的振动方式，结合辐射边界条件，用克希霍夫亥姆霍兹积 分方程即可计算出轮胎的振动辐射噪声。这一时期的代表人物有h a y d e n 、o s w a l d 、e b e r h a r d t 、 r i c h a r d s 、h e c k l 、n i l s s o n 、r e i t e r 、k e n n e t hj p l o t k i n 等，他们的工作为后来轮胎噪声量化预 报奠定了重要的基础【2 j 。 到了八十年代中后期，计算机技术及测试技术的飞速发展使花纹沟的噪声预报，已开始 用于轮胎噪声的评估和指导设计，噪声预报模型仍限于实验反演或经验公式，但对噪声机理 有了新的认识。 进入九十年代后，噪声的研究分析方法已趋多样化，与更先进的实验方法相结合，有限 元法和边界元法及二者相结合的方法开始用于轮胎结构声学分析。 近年来，国外越来越多的研究者使用建立声学有限元模型进行轮胎噪声的研究，这种方 法通常为带有约束条件的边界元分析，采取全息照相技术对轮胎结构进行模拟分析。该方法 精确度较高，但模型复杂，计算较为困难。 我国科技工作者是在进入九十年代后开始对其进行初步的研究，但投入的人力、物力很 少，无论是试验研究还是理论研究都无法与日本、西方各国相比。目前国内还没有相应的比 较完善的理论与计算方法来揭示这种规律。 1 2 研究意义 在现代城市环境噪声源中，交通运输产生的噪声最大，约占城市噪声的7 0 。而其中道 路交通运输车辆产生的噪声占总交通运输噪声的8 0 左右【3 】因此，可以认为道路交通噪声 是城市环境噪声的主要噪声源。而且由于交通运输噪声的影响范围广，干扰时间长，随着机 动车辆数的日益增多，其影响程度将日趋严重，成为城市环境公害之一。 交通噪声一般是6 0 8 0 d b ( a ) 的中等强度噪声，而入耳刚好能分辨的声音强度为0 d b ( a ) ， 东南大学硕士学位论文 当声音强度达至i j 5 0 d b ( a ) 以上时，开始影响脑力劳动，8 0 9 0 d b ( a ) 时将明显影响工作，谈话 较吃力，而且随着城市交通的快速发展，其影响范围和影响程度更大。噪声的危害主要体现 在以下几个方面： ( 1 ) 损伤听力 噪声会造成耳聋，如长期在9 0 d b ( a ) 噪声级条件下，耳聋发病率为2 1 ，在8 0 d b ( a ) 的条 件下，耳聋发病率为1 0 。 ( 2 ) 影响睡眠和休息 良好的睡眠是保证人体健康的重要因素，但噪声会影响人的睡眠，一般情况下，4 0 d b ( a ) 的连续噪声可使1 0 的人受到影响，而其突然性的噪声可使1 0 的人惊醒；7 0 d b ( a ) 的连续 噪声可使5 0 的人受到影响：6 0 d b ( a ) 的突然噪声可使7 0 的人惊醒。 ( 3 ) 干扰交谈、思考和通讯 如噪声声级和谈话声相近，正常谈话就会受到干扰：若再增大1 0 d b ( a ) ，谈话就难以听 见；如是6 0 d b ( a ) 以上的噪声，俩人谈话的距离必需小于7 0 c m ，此时打电话则会感到困难。 另外噪声使人精神难以集中、反应迟钝、无法思考问题。 ( 4 ) 引起人的生理、心理失调 实验证明，噪声会引起人体紧张的反应，使肾上腺素增加，进而可能会引起心率改变和 血压升高。噪声能引起失眠、疲劳、头晕、头痛、记忆力衰退等，另外噪声还会使人烦恼、 易怒，甚至失去理智。交通噪声危害之大，完全超过原来我们一般的想象和估计，可以说它 是一个不折不扣的隐形杀手，据国外统计，一个不到百万人口的城市，每年有数百人直接或 间接的因受噪声的影响而死亡。 ( 5 ) 影响土地价格 道路噪声每升高1 分贝，土地价格就会下降0 0 8 - 1 2 6 ，平均降低0 9 左右。 噪声对健康及经济造成了巨大的危害，而轮胎路面噪声又是噪声的一个重要组成部分， 因此对轮胎路面噪声的研究具有重大有意义的。 1 3 研究现状 自2 0 世纪7 0 年代以来，以美国、欧洲、日本为代表的各发达国家对轮胎噪声进行了大量 研究，从对胎面的磨耗及牵引力等逐步转移到用高新技术来控制轮胎花纹噪声的设计与生 产，从而达到提高轮胎噪声性能，改善环保质量的目的。在路面设计方面各国也都采取众多 措施，减少噪声，其中以欧洲和日本对低噪声路面研究最为深入1 4 j 。2 1 世纪，谁在环保领域 领先，谁就能在世界上站住脚，因而降低噪声将是研究的主要内容。 汽车经过近百年的发展，汽车结构振动产生的噪声已经在汽车制造工程界得到极大的控 制，随着车辆发动机性能的改进，轮胎噪声占车辆行驶噪声的比重越来越大，车辆加速行驶 时，轮胎噪声大约占车辆行驶噪声的2 3 ，匀速行驶时，轮胎噪声大约占车辆行驶噪声的 8 0 p 】。轮胎噪声是轮胎与路面接触时产生的，目前轮胎制造商在低噪声轮胎的设计已经取 得较好的成果，大量研究表明，再通过对轮胎的设计只能达到1 - 2 d b 的降噪效果，而所需的 代价很大，因此国内外研究者纷纷进行低噪声路面的研究。 2 0 世纪8 0 年代以来，英国、法国、荷兰、比利时等国开展了低噪声路面的研究。研究应 用了孔隙率达2 0 2 5 的磨耗层，即多孔性磨耗层，该路面也称为排水性沥青路面。1 9 7 9 年，比利时开始铺筑排水式低噪声沥青路面。之后，英国、奥地利、德国、西班牙、瑞典、 新加坡、马来西亚等国家都进行低噪声路面的研究及应用。美国研究开发了开级配抗磨耗层 ( o g f c ) 。 国内对噪声研究起步较晚，直到上海轮胎研究所设计出第一个低噪声轮胎花纹方案后， 2 第一章绪论 人们才开始重视轮胎噪声的研究。对路面的研究在9 0 年代才开始，1 9 9 7 年，在杭州金华 k 3 1 3 2 处铺筑长度1 0 0 0 m ，宽度1 2 m 的多孔性沥青路面。 目前，国内对轮胎路面噪声研究主要有陈理君、王佐民、朱兴云等人，他们对噪声的 产生机理都有很深入的研究，而且也提出一些设计方面的参考数据。但是国内对轮胎路面 噪声的研究还处在起步阶段，对低噪声路面的研究很少。 1 3 1 噪声源种类 一般而言，引发噪声的两种基本机理可以归结为以下两点： 固体的振动导致声能的产生和辐射，称之为结构( 振动) 噪声； 由湍流和非定常流诱导的压力波动引起的称之为气动声1 6 j 。 为了研究方便，一般对各种不同噪声源进行分类，对于轮胎路面噪声根据产生的机理 不同可以具体的分为以下种类，如图1 1 ： 除了以上的各种噪声外，轮胎路面作用还产生以下几种噪声： 轮胎转动和直线运动产生的空气湍流振动； 雨天轮胎下水膜的滑动和飞溅： 体现在光面胎或肋条花纹上由于胎面或道路的不光滑性而引起无规则的随机沙声； 轮胎与道路之间的磨擦噪声； 轮胎激振车体产生的道路激振噪声； 车行驶时路面产生的低频路面噪声【2 】。 轮胎路面噪声 气动噪声 空气泵噪声 竺：豸茗噪声 f 管共振 其他噪声 空气动力学效应 f 喇叭1 2 1 放大效应 轮胎振动噪声 轮胎撞击地面噪声 誓釜菱羹麦萎豸向振动 f 轮胎撞击地面 胎体振动噪声 路面撞击胎面 l 胎面弯曲恢复( 变形激振) 白激振噪声 薹莩善# 制动、加速 图1 1 轮胎路面噪声种类 在这些噪声源中大部分产生的噪声很小，且被其他噪声所覆盖，因此可以忽略不计，一 般文献主要分析对噪声贡献最大的两种噪声：气压噪声、振动噪声。 1 3 2 噪声产生机理 ( 1 ) 气压噪声 从图1 1 可以看出空气泵气噪声主要包括花纹槽内空气泵吸产生的噪声、路面孔隙产生 的泵吸噪声。 轮胎花纹槽的泵气噪声 东南大学硕士学位论文 当轮胎在路面上滚动时，与路面接触的轮胎部位被压缩变形，轮胎花纹内空气也随之被 挤压，被迫排出形成局部不稳定空气流。同时当轮胎通过路面上的不连通小孔时，孔隙内会 形成压强较大的气团。然后，当轮胎离开接触面时，受压缩的轮胎花纹舒展并使空腔容积突 然增大而形成一定的真空度，大气中的空气被吸入。这种“空气泵吸”的作用，导致了汽车 行驶过程中产生出一种喷射噪声，即由于气流从管口以高速( 介于声速与亚声速之间) 喷射， 造成周围气体的剧烈振动产生的噪声称之为轮胎与路面间的气压噪声。越来越多的实验都证 实了气压噪声是汽车行驶，特别是高速行驶时噪声的主要来源m 。 行驶方向 复 图1 2 气压噪声 s a m u e l s 基于对斜交轮胎的研究提出空气泵吸噪声理论，该理论认为泵吸噪声是由于轮 胎接触区前沿及后沿的一系列点声源形成的，并通过高速摄影技术测定空腔体积的变化，结 果显示采用转鼓法测试的结果与理论计算结果一致( 8 】o p l o t k i n 等人也通过转鼓法对斜交的卡车轮胎进行测试( 9 】，得到远场的声压可以简化为： p ：p o q v 2 ( 1 一1 ) 刀 式中：风静态空气的密度， q 。空腔体积变化的二阶导数，v - 一汽车行驶速度， r 离噪声源的距离。 从公式中可以看出声能与速度成4 次方的关系，所以声压级与速度对数的4 0 倍成正比 ( s p l o c 4 0 1 0 9 v ) ，可见速度对噪声的影响很大。 h e c k l 指出花纹槽体积变化的峰值在低频可能很大，同时他指出接地前沿与后沿之间的 中间部分不是主要的噪声源，只有当前沿和后沿产生的噪声是1 8 0 。反相位且声波波长小于 接触区长度时才可能成为主要噪声源ij 0 1 1 。 对于横向花纹的卡车轮胎空气泵气噪声是最主要噪声源，它是由于胎面花纹形成的空腔 高速喷射气体形成的，它比斜向花纹的轮胎产生的噪声高l o d b 1 2 】。 o s w a l d ；9 1 u 量横向花纹的轮胎在接地区域的噪声，得出噪声在接地瞬间噪声最大，到轮胎 离开时噪声最小，即噪声从轮胎前沿向轮胎后沿逐渐减小。 华南理工大学的朱兴元博士对花纹槽的泵气噪声进行研究，他假设：花纹槽腔体的气体 完全被挤出或吸入：每个花纹槽腔体是一个单极源；花纹槽腔体间没有干涉作用。根据假设 运用力学公式提出了花纹的气泵噪声的预报模型及其计算公式【l3 1 4 】。 武汉理工大学的陈理君教授对花纹槽的噪声的计算模型提出从能量的角度分析，同时提 出花纹花纹块的参数、花纹槽参数、节距、节距排列顺序等都对噪声有影响。其中花纹块参 数为花纹块的长度、宽度，花纹槽参数包括槽的长度、宽度和走向【l5 1 6 1 1 8 】。 4 第一章绪论 哈尔滨工业大学的于增信博士对轮胎噪声机理及仿真进行研究，给出了横向花纹沟发声 与倾斜花纹沟发声之间的当量关系，得到整个胎面花纹沟空气泵噪声时域波的合成方法，同 时研究得出充气压力、下沉量( 荷载) 、轮胎接地长度等对噪声的影响【2 】。 路面孔隙的泵气噪声 当轮胎通过路面上的不连通小孔时，孔隙内会形成压强较大的气团。然后，当轮胎离开 接触面时，路面上不连通孔隙内空气与外界大气相连通，相当于孔隙内空气的体积迅速增大， 形成真空，大气中的空气被吸入，从而使孔隙内空气高速喷出，产生泵气噪声。 由于这种噪声相对于前面轮胎花纹槽产生的泵气噪声小，所以目前国内外对这种泵气噪 声研究较少，大部分学者对轮胎路面的泵气噪声的研究都只是研究轮胎花纹槽变形产生的 噪声。d o n a v a n 和o s w a l d 对这种噪声进行研究，指出轮胎与路面接触时，轮胎发生变形， 而且轮胎中的橡胶会被压入路面的孔隙内，在接触区前沿，轮胎压缩空气，路面孔隙内空气 沿着轮胎边缘发射出来，形成较大的噪声，而且他指出这种噪声频率在1 0 0 0 h z 左右【l9 1 ，光 面轮胎产生的噪声主要就是由于路面孔隙泵气产生的噪声。 ( 2 ) 振动噪声 振动噪声来自以下几个方面i 2 u j ： 滚动时，不连续的胎面花纹块撞击路面产生撞击噪声。由两个过程组成：其一是在接 地区前、后端胎面元素垂直分速度的突然减小和增大，引起的加速度噪声；二是撞击引起的 胎体振动噪声。这对卡车、农用及工程用的牵引类轮胎尤为突出； 不规则的路面撞击胎面引起的振动造成的声辐射，其类似于胎面花纹的激励。它包括 胎面的径向振动和胎侧区的振动； 摩擦机理：在胎面离开地面时，胎面与地面之间的粘滑力使胎面花纹块产生切向振动， 发出高频噪声； 滚动时轮胎自身的不均匀性产生自激振而辐射噪声； 尖叫声：即转弯、制动、加速时胎面元素的振动所致。 总之，振动噪声的强弱主要取决于轮胎的材料、结构和路面特性。近几年来随着道路表 面性能的改善，汽车制造的进步，这类噪音已经逐渐降低。 行驶方向 图1 3 振动噪声 国外部分学者把振动噪声根据噪声源的部位进行分类分析，因此振动噪声可以分为：花 纹块前沿着地产生的噪声、径向变形产生的噪声、花纹块离开接触区产生的噪声、粘滑产生 的噪声、接触面积变化产生的噪声等。 花纹块前沿着地产生噪声 轮胎花纹块前沿着地产生的噪声一般是花纹块拍打地面的作用，轮胎原先是圆形，当轮 胎接地时，由于荷载作用，轮胎与路面发生挤压变形，产生较大的力，从而产生较大的振动 5 东南大学硕士学位论文 作用，从而产生振动噪声。这部分噪声是轮胎噪声的一个主要部分，单个花纹块接地激发轮 胎在很大频率范围内振动，振动噪声与接地的花纹块的形状有关，l a r s s o n 等人解释了切向 振动引起的噪声，他们认为这种噪声是由于振动产生力矩激励和切向激励，力矩激励使波发 生弯曲，切向激励产生纵向波1 2 。 n i l s s o n 等人认为接触前沿产生的高频噪声是由于胎面撞击地面产生的瞬间波及胎面内 空气泵吸产生的，并以此来解释水泥混凝土路面比沥青路面在轮胎接地前沿产生较大噪声的 原因【2 2 】。 径向变形产生的噪声 径向变形包括轮胎引起的和路面引起的，带花纹轮胎在力的作用下在接触区域产生径向 和法相的振动，从而引起轮胎径向变形，进而产生噪声。这种噪声在光面轮胎不会产生。路 面引起的径向变形产生的噪声随路面的粗糙度而变化，当路面越粗糙时，产生的噪声也越大， 由图1 3 可见看出当轮胎由于荷载作用产生变形，从而使轮胎中心下沉，进而整个车体下沉， 从而产生振动噪声。对于路面的凹凸不平整，轮胎中心随着路面的凹凸而产生上下移动，因 此也产生振动噪声。 s a n d b e r g 和d e s c o m e t 提出这种由于路面不平整产生的噪声的波长比轮胎接地长度小，但 其波长大于l c m t 乃2 4 。 花纹块离开接触区产生噪声 圆形轮胎的胎面与路面接触时产生剪应力，在接触区后沿轮胎离开地面，储存的能量被 释放出来，使轮胎切向振动，n i l s s o n 钡j 量发现通过激光振动仪测量后沿的切向振动噪声与在 附近放置麦克风测量的结果具有高度的一致性。他认为这类噪声是轮胎后沿离开地面形成的 【2 5 1 。 武汉理工大学的陈理君教授认为花纹块拍打地面时，块与地面之间空气被压缩，空气密 度增大形成正声压，而随着花纹块离开地面，空气密度变小，形成负声压，从而形成上大下 小的n 形波形。同时他提出花纹块噪声只与它的面积有关，与花纹块的形状无关。 粘滑产生噪声 轮胎在荷载作用下在切向和路面之间产生一个小的角度，同时接触压力会随着接触块的 不同而改变，p l o t k i n 狈j j 试了高压力作用接触块中心及侧边，及低压力下这两处的压力，得出 这种噪声主要在轮胎的前沿及后沿，而且仅在接触时的前面和后面一小段时间内，同时这种 运动的接触区的边缘也可能发生，因此这种噪声在加速、制动及转弯时产生。n e l s o n 提出纵 向和横向粘滑，尤其在后沿的粘滑说产生振动噪声的主要来源1 2 6 1 。 d o n a v a n 和o s w a l d 提出这种噪声是光面轮胎在光滑路面上的主要噪声，带花纹轮胎由于 花纹变形使部分剪应力消散，从而产生较小这种高于2 5 k h z 的高频噪声，d o n a v a n $ ! l j 试在弯 曲路面及笔直路面上的这种噪声，得出噪声频率在2 k h z 8 k h z 【z 川。 中国科学技术大学张涛认为胎面花纹在接地处的摩擦力和粘滞作用下产生切向变形，当 花纹块离开地面时产生的切向振动，发出高频噪声1 6 j 。 接触面积的变化产生噪声 轮胎的接触面积会随着很多因素变化，这些因素包括轮胎和路面的不规则性，轮胎特性 的非线性及轮胎与车辆之间的动力特性，h e e k l 认为由于这些因素导致轮胎侧壁振动从而产 生噪声 1 0 】。 同济大学声学研究所的王佐民等人得出轮胎振动，尤其是外胎面的振动是轮胎路面噪 声的最重要原因，同时对路面噪声进行试验研究，得出多孔性路面降噪效果最好【2 7 1 。 1 3 3 噪声分析模型 哈尔滨工业大学于增信博士对轮胎振动噪声进行理论研究，他把轮胎作为一个具有质 6 第一章绪论 量、弹性、阻尼的粘弹性体系。并把轮胎振动相应模型归纳为以下三种： 圆环弹簧模型 所谓的圆环弹簧模型 2 8 2 9 ，即以具有预张力的圆环代表充气状态下的胎面，轮辋由 具有质量的刚性圆盘表示，而连接胎面和轮辋的胎侧和气腔由弹簧和阻尼器来模拟【3 n 引l 。该 模型简单且不失一定的精确性，其模型参数的物理意义明确，便于理解和解释所发现的轮胎 行为。但它使轮胎极端模型化，要准确确定作为评价轮胎结构特性或材料特性的模型参数如 弹簧刚度、弯曲刚度、弹性模量等有一定难度，需做大量的实物试验。 薄壳模型 该模型将轮胎简化为一个等厚度的、均质的、各向同性薄壳【3 z 那】。可分为平面矩形薄壳、 圆柱形薄壳和双曲面旋转薄壳模型。虽然该模型一定程度地考虑了轮胎的断面形状，并可以 计算用于强迫响应分析的三维模态，但过程却复杂了许多，且由于一些简化，计算精度不高。 该模型较环模型复杂，且同样会遇到与环模型一样的问题一轮胎结构特性或材料特性的评 价，即模型参数的确定。 有限元模型 该模型可直接使轮胎断面形状模型化，能充分考虑轮胎与地面及轴、轮辋间的相互作用， 提供三维模态信息，能得到更详细的结果。但它是一种数值方法，过程非常复杂，计算量大， 加之复合材料特性测定、网格单元选择精度及必要的简化等因素，其实际的计算结果也许是 一种趋向性，而非理论上的任意精度驯。 s a l e m 等利用有限元分析研究了轮胎气腔( 室) 共振特性 3 6 】，发现引起2 3 0 3 0 0 h z 的车辆内 部噪声，仅有第一共振模态影响该噪声，且不受轮胎横截面形状的影响。后来，t h o m p s o n 从理论上描述了轮胎气腔共振现象，得到了以轮胎几何尺寸表达的共振频率的预测公式，发 现变形轮胎的气腔共振施加给轮胎垂直力和纵向力是内部噪声的主要根源【3 。 边界元模型 边界元法是在经典积分方程和有限元基础上发展起来的解微分方程的数值方法，边界元 法与有限元法相比具有：降低了问题的维数；能够方便地处理无界区域问题。 n a k a j i r n a 基于h e l m h o t z 方程，将边界元法和有限元模态分析联合用于轮胎振动噪声的预 测。借助于边界元法，将物体表面的三维问题简化为二维问题。该系统把轮胎几何尺寸、胎 面花纹顺序、材料阻尼、结构及模态特性等因素一起考虑计算整周轮胎的表面速度，依据表 面速度预测声压和声科蚶j 。 1 3 4 降噪措施的研究 轮胎路面的噪声是轮胎和路面之间相互作用产生的，因此降噪应主要考虑从轮胎和路 面两个方面，通过对轮胎和路面的合理设计达到降噪功能。 胎花纹对轮胎噪声的大小有重要影响。研究结果显示【3 9 1 ，：对花纹结构参数进行合理优 化可以降低轮胎花纹结构噪声。花纹块和花纹槽的面积，花纹块有效质量，花纹槽的腔体， 相邻花纹块( 槽) 之间的节距比例等都与轮胎噪声的大小有着密切的关系。胎面花纹对轮胎 噪声的影响是多方面的，有时甚至是互相影响、彼此矛盾的。因此从设计的角度来说，对于 一些设计参数不可能做到面面俱到，追求最优，只能根据轮胎的用途突出重点，优化选择。 目前对轮胎的研究已经较深入，现有研究表明，通过对轮胎的设计达到降噪功能的代价 较大，而且效果不是很明显，所以目前许多国家都纷纷进行低噪声路面的研究。 2 0 世纪8 0 年代以来，英国、法国、荷兰和比利时等国开展了开级配多空隙沥青混凝土路 面研究。据研究报道【3 9 】，开级配多空隙沥青混凝土路面比密级配沥青混凝土路面降低噪声 4 6 d b ( a ) ，雨天可降l k 氏8 d b ( a ) ，同时多空隙沥青混凝土路面还具有排水性好、防水溅、抗漂 滑和行车安全等优点。低噪声沥青混凝土路面在国内外都引起了广泛的重视，并且在应用中 7 东南大学硕士学位论文 取得了良好的效果。低噪声路面分为2 大类：一是多空隙沥青混凝土路面；二是小粒径超薄 沥青混凝土路面( 铺装厚度为2 2 5 e m ) ，由于厚度薄，混合料级配中的最大粒径都比较小， 国外一般采用0 1 0 和0 6 这2 种级配，相当于我国的细粒式沥青混凝土或沥青砂【加】。 目前，国内已有少数研究单位、高等院校开展了多空隙沥青混凝土和超薄沥青混凝土的 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1 0 0 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空隙降噪试验路段( 4 4 0 0 1 1 1 2 ) ， 北京市政和广州市政分别在北京和广州铺设了超薄沥青混凝土试验路段( 埃索改性沥青) ， 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近8 0 0 0 m 2 。 交通部公路科学研究的王旭东在河北省京沪高速公路上铺筑减噪试验路段，选用6 种不 同结构的低噪声路面，面层总厚度1 5 c m ，结构1 、2 、3 为超薄沥青混凝土，摊铺厚度只有2 5 c m ， 结构1 为开级配磨耗层( 又称多孔隙沥青混凝土) ，设计孔隙率1 8 2 0 ，结构2 、3 为密实 型沥青混凝土，最大粒径分别为9 5 m m 和4 7 5 m m 。结构4 、5 为一般的3 层路面结构，结构6 为两层路面结构。得出对于密级配混合料，显然u t a c 6 的构造深度最小，只有0 5 3 0 5 5 m m ， 但却是降噪效果最好的一种路面型式。这是一个明显的例外。对于s a c l 6 、s a c l 3 、u t a c l o 则基本上是构造深度越大，减噪效果越好。对于开级配，两次的检测结果都表明，构造深度 越大，减噪效果反而降低。这说明，对于开级配沥青混合料，构造深度与降噪效果没有直接 关系【4 1 1 。 孔隙率 西安公路交通大学建筑工程系的张玉芬教授对低噪声路面材料吸声性能进行研究，通过 制作不同孔隙率的试件，测定垂直吸声系数。得出孔隙率在1 6 2 4 之间，对频率在 2 5 0 1 0 0 0 h z 的中频声具有最大的吸声系数。同时经过回归分析得出孔隙率与5 0 0 h z 的吸声系 数的关系4 2 】： 口= 1 6 5 5 7 6 0 5 8 ( 1 - 2 ) 式中：a 声波垂直入射时对5 0 0 h z 的平均吸声系数( ) ，y 孔隙率( ) 长安大学的尹永胜对不同孔隙率的试件进行驻波管法测量，得到试件垂直入射吸声系数 与孔隙率大致成线性关系，经拟合可以得到以下关系4 3 】： a = 1 0 0 4 2 7 一0 0 5 3 ( 1 3 ) 华南建设学院叶国铮教授用马歇尔试件运用驻波管进行测试得出随着孔隙率的增大，平 均吸声系数和吸声系数峰值都增大，且在不同频率的吸声系数不同，成波状 删。 速度 长安大学的马春燕对高速公路上不同车型的噪声与速度进行统计分析，得出声压级与速 度成对数关系 4 5 】，其中： 大型车：l ，= 1 8 + 3 8 1 l g v ； 中型车：l 。= 4 8 + 4 3 7 1 9 v ； 小型车：l 。= 1 8 + 3 8 1 l g v 式中：厶、。、t 分别为大型车、中型车、小型车的噪声强度。v 为速度。 8 第一章绪论 同济大学的陈城通过现场测试噪声 4 6 】，得出： 三。= 口木l g v + c ( 1 4 ) 式中：三一车辆匀速行驶最大噪声级，v 一度，a 、c - - - - 系数。 华南建设学院叶国铮教授用金龙1 2 座小面包车在四种不同路面上按不同车速行驶测量 车外( 距离路面边缘l m ，高度1 2 m ) 的路面噪声，经过数理统计，得出等效连续噪声厶( d b ) 与车速v ( k m h ) 的关系表达式【伽： 沥青混凝土：l 。= 1 0 8 3 1 9 v + 6 8 1 4 相关系数：r = o 8 4 9 水泥混凝土：l 。= 1 2 6 9