（机械电子工程专业论文）轮胎与道路噪声的模型建立及仿真分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着城市的发展，交通噪声已经成为现代城市环境噪声的主要噪声源。由 于交通噪声的影响范围广，干扰时间长，随着机动车辆数量的日益增多，其影 响程度将日趋严重，成为城市环境公害之一。而汽车的噪声是交通噪声的主要 来源，当汽车车速超过7 0 k m h 时，轮胎噪声便成为汽车噪声的主要噪声源。因 此，轮胎噪声的研究不但有深远的理论意义，而且具有很大的经济效益与社会 效益。 轮胎降噪主要有两种途径：低噪声轮胎设计和低噪声路面设计。目前的研 究一般只单方面考虑路面纹理或轮胎花纹对轮胎噪声的影响。然而，这些单方 面的降噪理论难以解释一些最新的研究结果。本文从系统学的角度出发，假设 轮胎与路面之间存在着某种耦合关系，从而影响到噪声大小的改变。因而提出 了轮胎花纹与路面纹理“耦合”会对噪声产生影响这一假设，并编写了轮胎噪 声仿真分析软件对最简单的“纹理耦合”进行验证，为后续的研究做铺垫。论 文在理论和实践中的主要成果与特色如下： ( 1 ) 分析了轮胎道路噪声的发声机理以及降噪方法，提出了轮胎道路“纹理 耦合”对噪声会产生影响的假设； ( 2 ) 论述了轮胎噪声的常用分析手段以及评价方法。它们是我们在计算机 仿真中判断轮胎花纹噪声大小的依据： ( 3 ) 详细研究和讨论了几个主要轮胎噪声源的数学模型花纹块噪声的 数学模型、泵浦噪声的数学模型和气柱共鸣噪声的数学模型： ( 4 ) 编写了轮胎花纹噪声的仿真软件，并以此验证了最简单的纹理耦合的 存在： ( 5 ) 建立了道路噪声的数学模型，并综合考虑了轮胎与道路对噪声的影响， 引入复耦合因子矩阵初步建立了轮胎花纹与路面纹理耦合的噪声模型。 关键词：噪声，轮胎花纹，纹理耦合，仿真 武汉理下大学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec i t i e s ，t h et r a f f i cn o i s eh a sb e c o m et h em a i nn o i s e s o u r c eo ft h em o d e mu r b a ne n v i r o n m e n tn o i s e a l o n gw i t ht h en u m b e ro fv e h i t i e s i n c r e a s e dd a y b yd a y , t h ei n f l u e n c eo f t r a f f i cn o i s ew i l 】b es e r i o u sa n db e c o m e so n eo f s o c i a le f f e c t so fu r b a ne n v i r o n m e n tp o l l u t i o nb e c a u s eo fi t sw i d ei n f l u e n c ea n dl o n g d i s t u r b a n c et i m e b u tt h ea u t o m o b i l en o i s ei st h em a i ns o u r c eo ft h et r a f f i cn o i s e ，t h e t i r en o i s et h e nb e c o m e st h em a i nn o i s es o u r c eo ft h ev e h i c l en o i s ew h e nt h ev e h i c l e s p e e de x c e c e d7 0k i l o m e t e r sp e rh o u r t h er e s e a r c ho ft i r en o i s en o to n l yh a st h e p r o f o u n dt h e o r ys i g n i f i c a n c e ，b u ta l s o h a st h ev e r y b i g e c o n o m i ca n ds o c i a l e f f i c i e n c y t h er e d u c t i o no ft i r en o i s em a i n l yh a st w ow a y s ：l o wn o i s et i r ed e s i g na n dl o w n o i s ep a v e m e n td e s i g n t h ep r e s e n tr e s e a r c hg e n e r a l l yc o n s i d e r e dt h er o a dm l l f a c e t e x t u r eo rt h et i r en e a dt ot h ei n f l u e n c eo ft i r en o i s eu n i l a t e r a l l y h o w e v e r , t h e s e u n i l a t e r a ln o i s er e d u c t i o nt h e o r i e sc a nn o te x p l a i ns o m en e w e s tr e s u l t s t h i sa r t i c l e e m b a r k sf r o mt h ep o i n to f v i e wo f s y s t e m ，s u p p o s i n gt h e r eh a ss o m ek i n do f c o u p l i n g r c l a t i o nb e t w e e n1 1 1 et i r ea n dt h er o a ds u r f a c et h a ta f f e c t st h en o i s ev a l u e t h u st h e s u p p o s i t i o nt h a t ”t h ec o u p l i n g ”b e t w e e nt h et i r et r e a da n dt h er o a ds u r f a c et e x t u r ec a l l a f f e c tt ot h en o i s ep r o d u c t i o ni sp r o p o s e d ，a n dt h et i r en o i s es i m u l a t i o na n a l y s i s s o f t w a r ei sc o m p i l e dt oc a r r yo nt h ec o n f i r m a t i o nt o ”t h et e x t u r ec o u p l i n g ”s i m p l y , f o r e s h a d o w i n gf o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h t h em a i no u t c o m e sa n di n n o v a t i o n so f t h i s p a p e ri nt h e o r ya n dp r a c t i c ea r ea sf o l l o w s ： 扪a n a l y z e dt h ep r i n c i p l e so ft i r ea n dr o a dn o i s ep r o d u c t i o na n dt h en o i s e r e d u c t i o nm e t h o d s ，m e a n w h i l ep r o p o s e dt h es u p p o s i t i o no ft h e t e x t u r ec o u p l i n g b e t w e e nt h et i r ea n dt h er o a ds u r f a c et h a tc a na f f e c tt h en o i s e ； b ) d e s c r i b e dt h ec o m m o nm e t h o d su s e dt oa n a l y s i sa n da p p r a i s et h et i r en o i s e ， w h i c ha r et h ec r i t e r i ao f t i r et r e a dn o i s ei nt h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n ； c ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h em a i nt i r en o i s es o u r c e ，t h et i r ep a t t e r nn o i s e ， p u m p i n gn o i s ea n da i rc o l u m nr e s o n a n o en o i s e ，a es t u d i e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l d ) c o m p i l e dt h et i r et r e a dn o i s es i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dc o n f i r m e dt h e 武汉理_ 大学硕士学位论文 e x i s t e n c eo ft h es i m p l e s t t e x t u r ec o u p l i n g b e t w e e nt h et i r et r e a da n dt h er o a d s u r f a c et e x t u r ew i t ht h es o f t w a r e 曲t h er o a dn o i s em a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dc o n s i d e r i n gt h e i n f l u e n c eo f t i r ea n dr o a dt ot h en o i s e ，am u l t i c o u p l i n gf a c t o ri si n t r o d u c e d ，b a s e do n w h i c ht h en o i s em o d e lo ft h et e x t u r ec o u p l i n gb e t w e e nt i r et r e a da n dm a ds u r f a c e e s t a b l i s h e dp r e l i m i n a r y k e yw o r d s ：n o i s e ，t i r et r e a d ，t e x t u r ec o u p l i n g ，s i m u l a t i o n l i i 武汉理t 大学硕士学位论文 1 1 交通噪声的危害 第1 章绪论 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，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 ) ，当声音强度达到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，其影晌范围 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。良好和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 的入惊醒。 ( 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 ) 的话，谈话就难以听见：如是6 0d 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，既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晌两死亡。 ( 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 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 6 ，平均降低0 9 左右【i l 。 1 2 国内外研究现状 由于健康和经济的双重损失，各国纷纷“立法立项”减少交通噪声。立法 主要是制定各项严格法律法规，例如对轮胎出厂噪声性能、车辆行驶噪声大小 等制定更为严格的标准。声屏障是交通上比较广泛使用的降噪方法。但声屏障 非常昂贵，而且其效果( 例如对高密度车流形成的嗡鸣) 以及使用范围是相当 有限的。美国联邦公路局的研究报告显示，美国2 0 0 2 年用于建造声屏障的费用 就高达2 6 亿美元，在美国平均每英里的造价高达1 0 0 5 0 0 万美元b 】。除了费用 昂贵，声屏障还有很多局限，例如影响司机视觉，某些地方不能修建声屏障等。 由于声屏障的这些缺点，必须寻求其它降低交通噪声的途径和方法。这些方法 主要集中在3 个方面：降低汽车行驶噪声、低噪声轮胎花纹设计以及低噪声路 面的设计。 降低汽车噪声是一项涉及到整车方方面面的技术问题，包括发动机的结构、 材料、质量分布、工艺水平、装配精度以及密封性能等等。汽车的噪声源有多 种，例如发动机、变速器、驱动桥、传动轴、车厢、玻璃窗、轮胎、继电器、 喇叭、音响等等都会产生噪声。但是主要来源只有两个方面：一是发动机，二 是轮胎。这两个来源的噪声都是被动产生的，只要汽车行驶就会产生。 汽车经过近百年的发展，汽车结构振动产生的噪声已经被汽车制造工程界 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 1 3 1 。所以，如何减少轮胎噪声越来越 受到关注，想要控制交通噪声就要控制轮胎噪声。 轮胎噪声主要由花纹块撞击路面产生的撞击噪声、花纹间槽腔体中空气被 挤压或释放而产生的气泵噪声、轮胎的振动噪声、轮胎滚动时对空气扰动和切 割产生的切割噪声、车辆行驶时使路面振动而产生的低频噪声以及轮胎高速滚 动时产生的摩擦噪声等构成轮胎噪声的大小与轮胎花纹构造、路面特性( 材料 构造、路面纹理) 及车速有关。车速越快，声音越大；车辆越重，声音越大。 轮胎振动与轮胎的刚度和阻尼有关，刚度增大( 例如轮胎帘布层数目增加) ，阻尼 减小，轮胎的振动就会增大，噪声也就增大了。为了降低轮胎的噪声可以采用 2 武汉理l ：大学硕+ 学位论文 很多方法，例如胎面可以采用多种花纹日j 距，采用高阻尼橡胶材料，调整好轮 胎的动平衡以减少自激振动等。 轮胎花纹对轮胎噪声的大小有重要影响。研究结果显示【4 】：对花纹结构参数 进行合理优化可以大大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1 5 】，追求最优，只能根据轮胎的用途突出重点，优化选择。例如要追 求较大的抓地性能，很可能噪声程度也较大。因为摩擦越大振动越大，振动越 大噪声也越大，所以抓地力较大的轮胎，一般噪声也会大一些。总的来说，相 对于路面纹理或材质减噪方面有很多项目研究报告，关于轮胎花纹对轮胎噪声 的影响这种国外文献不多f 删，这主要是因为涉及轮胎的商业机密。国内这方面 研究比较多的有陈理君教授 1 0 , i i i 和朱兴元博士1 1 2 , 1 j 。目前我国对轮胎噪声的研究 与欧美、日本等国相比尚有较大的差距，对子午线轮胎和低噪声轮胎花纹的分 析与设计方法还有待深入研究；轮胎噪声机理和模型有待进一步完善，现场因 素和轮胎振动对噪声的影响没有很好的反映在模型中；优化轮胎的多方位的、 立体视图的绘制需要迸一步研究；轮胎的一些参数与路面参数没有很好的反映 到仿真模型中；没有一套完整的低噪声轮胎花纹分析与设计方法等。 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。低噪路面大致分为以下几类：多孔隙沥青混凝土路面、小粒径超薄沥青 混凝土路面、碎石沥青玛碲脂路面、低噪声水泥混凝土路面、橡胶混凝土路面、 橡胶沥青路面和橡胶沥青混凝土路面。据研究报道，开级配多孔隙沥青路面比 惯用密级配沥青路面降低噪声4 - - 6 d b ( a ) ，雨天可降低8 d b ( a ) ，同时多孔隙沥青 路面还具有排水性好、防水溅、抗漂滑和行车安全等优点。由于低噪声路面以 其降低公路交通噪声与建声屏障相比具有经济合理、保持环境原有风貌、降噪 效果好和行车安全等特性，目前国际上发达国家已经广泛开展低噪声路面的研 究。路面纹理对路面使用性能的影响见图1 1 其中决定行车安全的是路面抗滑 性能，其主要受路面微观纹理和宏观纹理的影响 1 4 1 ( 见图1 - 2 ) 。 3 武汉理丁大学硕+ 学位论文 波长( m ) 髂面弗赫盈 路面形晚对路 面使用影响 路面形貌要求 o 舯ln m l0 ll1 01 0l 堕曼 二画堕二 图1 1沥青路面形貌对路面使用性能的影响 微观纹理 右斟蔽 蔓 宏观纹理 路面纹理 图1 - 2 微观纹理和宏观纹理 研究表明，改变路面表面材质类型或者纹理类型。都可以显著减少轮胎噪 声，而且能保证路面的安全，耐用和经济等指标 i s 】，所以，低噪声路面目前是 国内外的研究热点，路面材料、空隙率、表面纹理，甚至厚度等都属于低噪声 路面的研究范畴。欧洲、同本、澳大利亚等比较早的重视低噪声路面的研究， 早已把建设低噪声路面来减少交通噪声作为一项国家战略i l6 】。虽然路面纹理对 轮胎噪声的大小有影响这种观念已经有2 0 多年了【1 7 】，但是，如何设计低噪声路 面基本还处于定性的水平【瞎】，路面纹理与轮胎噪声频谱的定量关系以及它们之 间的深层作用机理，这些还有待于进一步研究。 4 武汉理工大学硕+ 学位论文 1 3 课题目的、意义及来源 轮胎噪声，是运动车辆的轮胎与路面的相互作用而产生的噪声，目前一般 只单方面考虑路面纹理或轮胎纹理对轮胎噪声的影响，这种单方面的研究比较 多见，但是，同时考虑路面纹理和轮胎纹理综合对轮胎噪声的影响，即这种研 究纹理耦合关系对轮胎噪声的影响的研究，还比较少见1 1 9 1 。一定深度以下的路 面纹理，就不与轮胎直接接触了，因此与轮胎噪声的产生关系不大i z o 】；最新研 究结论还表明，轮胎噪声与路面纹理的高度基本无关，但是，与路面纹理的不 平整度相关1 2 ”。作为美国最权威也是唯一一家专门致力于高效路面的研究机构 美国普渡大学的“安全、安静、耐用”公路研究q a ( i n s t i t u t ef o rs a f e ，q u i e ta n d d u r a b l eh i g h w a y s ( s q d h ) ) 具有最新研究结论：轮胎花纹不能减少太多轮胎噪 声，比较而言，路面纹理则能减少更多的轮胎噪声 2 2 1 。最新研究结果还表明， 不同的路面纹理类型，轮胎噪声随速度的递增幅度( a d b a k m ) 不一样，例如水 泥路面横向刻槽的噪声大，但是，其噪声随速度的递增幅度小。这些研究结论 如果只从轮胎花纹或者路面纹理单方面来看，都难以有合理的解释。 从系统方面来考虑，可以假设轮胎与路面之间存在着某种耦合关系，因而 影响到噪声大小的改变。而诸如路面抗滑性能等都与路面纹理有关田】，如何得 到经济、舒适的低噪声轮胎和路面的耦合纹理，且不影响其它使用性能，包括 安全，舒适，经济以及车辆能耗等性能，这需要进一步深入研究1 2 4 。 本课题来源于国家9 7 3 项目“现代城市病的系统识别理论与生态调控 机理”子课题城市生命体承载系统的健康识别和调控理论与方法研究( 编 号：2 0 0 5 c b 7 2 4 2 0 5 ) 。 本课题的研究意义在于： 建立汽车行驶时轮胎道路噪声的数学仿真模型，并对特定条件下的轮胎噪 声进行仿真分析，初步验证轮胎噪声是否存在“纹理耦合”的影响，为后续的 研究工作做基础。 1 4 研究内容 ( 1 ) 分析了轮胎道路噪声的发声机理以及降噪方法，提出了轮胎道路“纹 理耦合”对噪声会产生影响的假设： ( 2 ) 详细研究和讨论了轮胎的几个主要噪声源的数学模型花纹块噪 5 武汉理1 ：人学硕十学位论文 声、泵浦噪声和气柱共鸣噪声； ( 3 ) 编写了轮胎花纹噪声的仿真软件，并以此验证了最简单的纹理祸合影 响的存在： ( 4 ) 建立了轮胎道路噪声的数学模型，并综合考虑了轮胎与道路对噪声的 影响，引入复耦合因子，初步建立了轮胎花纹与路面纹理耦合的噪声模型。 6 武汉理1 ：大学硕十学能论文 第2 章噪声衡量指标及轮胎噪声测试方法 2 1 噪声常用的衡量指标 根据噪声的定义，噪声的衡量标准可分为两类：一类是描述声波的客观特 性的物理量，即噪声的物理衡量指标；另一类是考虑噪声对入听觉的刺激，从 人耳的听觉特性出发，对噪声进行评价，即噪声的主观评价。对于噪声的物理 衡量主要从强弱的量度和频谱分析两个方面进行。其中噪声的强弱量度反映声 音的大小，即噪声的轻响程度，常用的物理参量包括声压、声强、声功率等， 其中声压和声强反映声场中声的强弱；声功率反映声源辐射噪声能力的大小。 噪声的频率特性通常采用频谱分析的方法来描述，用这种方法可以对不同频率 范围内噪声的分布情况进行分析，反映出噪声频率的大小，即噪声音调高低的 程度。 2 1 1 物理衡量指标 2 ，1 1 1 声压、声强、声功率 ( 1 ) 声压 声压是指声波传播时，在垂直于其传播方向的单位面积上引起的大气压的 变化，用符号p 表示，单位为p a 或n i l l 2 。声压可用瞬时声压和均方根声压( 亦 称有效声压) 表示。声场介质中某点在某瞬时相对于静压强的单位面积上的声 压变化即瞬时声压p ( 0 ( i n s t a n t a n e o u ss o u n dp r e s s u r e ) ；瞬时声压在某一时间周期 内的均方根值，即均方根声压，纛( r o o tm e a ns q u a r es o u n dp r e s s u r e ) 。按下式 计算： ：钟：啊p z ( t ) d t r ( 2 _ 1 ) 公式中符号上部横线表示对时间加权平均，而r 是测量的时间周期。 声压的大小反映了声波的强弱。对于1 0 0 0 h z 纯音，人耳刚能觉察到声音存 在时的声压叫做听阈压，听闽压为2 x 1 0 4 p a ( 基准声压1 o ) ，人耳感觉到疼痛时 的声压叫做痛阈压，其大小为2 0 p a 。 7 武汉理1 ：大学硕十学能论文 ( 2 ) 声强 在单位时间内。通过垂直声波传播方向单位面积的声能量称为声强，用符 号j 表示，单位为w m 2 。当声波在自由声场中以平面波或球面波传播时，声强 与声压的关系为： d 2 ，= 二一 ( 2 2 ) o c 其中，p 为介质密度；c 为介质声速。 正常人耳对1 0 0 0 h z 纯音的昕阂为1 0 “2 w m 2 ( 基准声强j 。) ，痛阈为1w m 2 。 ( 3 ) 声功率 声源在单位时间内向外辐射的总声能量叫做声功率，用符号矿表示，单位 为w 。在自由声场中，声波向四面八方均匀辐射，此时声强与声功率之间的关 系为： ，：堡：三( 2 3 ) s 4 n r 2 式中，为距离声源r 米处的声强；矿为声源辐射的声功率；s 为声波传播 的面积；r 为离开声源的距离。 正常人耳对纯音的听阈和痛阈分别为1 0 。1 2 w ( 基准声功率) 和l w 。 2 1 1 2 声压级、声强级与声功率级 由于声压的听阈与痛闽的绝对值之比为l ：1 0 6 ，声强或声功率的听阈与痛阙 之比为1 ：1 0 挖，使用声压或声强的绝对值表示声音的大小极不方便，而且人对声 音强弱的感觉不是与声压、声强的绝对值成正比，而是与其对数成正比。为此， 引入“级”的概念来表示声音的强弱，这样既避免计算中数位冗长的麻烦，表 达更加简洁，又符合人耳听觉分辨能力的灵敏度要求。 ( 1 ) 声压级 声压级定义为：该声音的声压尸与基准声压p 0 的比值取以1 0 为底的对数再 乘以2 0 ，记作。声压级的数学表达式为： ，= 2 0 1 9 - 刍- ( 2 - 4 ) ( 2 ) 声强级 声强级是声强f 与基准声强厶之比的以1 0 为底的对数乘以l o 记作工，。其 8 武汉理1 人学硕十学传论文 公式为： l ，= l o l g ( 2 - 5 ) o ( 3 ) 声功率级 声功率级是声功率缈与基准声功率之比的常用对数乘以1 0 ，记作l w 。 其公式为： l w = l o l g 去 ( 2 s ) 声压级、声强级、声功率级的单位都是分贝( d b ) ，它是一个相对单位，没有 量纲，其物理意义表示一量超过另一个量( 基准量) 的程度。两个分贝数相同 的声音叠加，则合成的声音增大3 分贝：丽一个弱的声音与一个强的声音放在 一起，弱的声音可以忽略。 2 1 1 3 噪声频谱分析 以频率为横坐标，以声音的强弱( 声压级、声强级、声功率级) 为纵坐标， 绘出声音强弱的频率分布图，叫做频谱图。以频谱图为依据，分析噪声的各个 频率成分和相应的强度，即为频谱分析。噪声的频率随来源不同，存在较大差 异，对噪声进行频谱分析，能为噪声控制提供依据，故频谱分析对噪声控制工 作意义重大。 把宽广的声频范围划分为若干较小的段落，叫做频带或频程。划分频段的 常用方法有两种：一种是保持频带宽度恒定，这种方法常用于频率的窄带分析。 另一种是用恒定相对带宽频带来分析，既保持频带的上下限之比为常数。 一般情况下，一个频程的频率有如下关系： 厶= 2 ”z( 2 - 7 ) 其中，；是上限截止频率，以是下限截止频率，甩为倍频程数。 刀= 1 ，是1 倍频程的上、下截止频率关系： 胛= 1 3 ，是l 3 倍频程的上、下截止频率关系。 中心频率五为上、下截止频率的几何平均值： f o = _ 以( 2 8 ) 1 8 倍频程的划分如表2 1 所示。 9 武汉理1 大学硕十学伉论文 表2 11 3 倍频程频率划分表 上限频率五 2 2 52 8 13 5 34 4 65 6 17 0 78 9 81 1 21 4 0 中心频率五 2 02 53 24 05 0 6 3 8 01 0 01 2 5 下限频率 1 7 82 2 32 8 13 5 64 4 95 6 17 1 38 9 11 1 2 上限频率五 1 7 12 2 42 8 03 5 34 4 95 6 17 0 78 9 81 1 2 2 中心频率而 1 6 02 0 02 5 03 1 54 0 05 0 06 3 08 0 01 0 0 0 下限频率石 1 4 21 7 62 2 32 8 l3 5 64 4 65 6 17 1 38 9 1 上限频率石 1 4 0 31 7 9 62 2 4 5 2 8 0 63 5 3 04 4 9 0 5 6 1 0 中心频率如 1 2 5 01 6 0 02 0 0 0 2 5 0 03 1 5 04 0 0 0 5 0 0 0 下限频率彳 1 1 1 41 4 2 61 7 8 22 2 2 72 8 0 63 5 6 44 4 5 5 2 1 2 噪声主观量度 2 1 2 1 晌度与等晌曲线 响度级的确定是同基准音比较得出的。国际标准化组织规定：以1 0 0 0 h z 纯 音为基准，当噪声听起来与该纯音一样响，其噪声的响度级( 方值) 就等于该 纯音的声压级( 分贝值) 。响度级用符号“表示，单位为“方”( p h o n ) 。 4 0 t 如 1 2 0 i j o i 帅 舯 萋7 0 昌 - 粥 柏 如 i o o - 1 0 图2 1 等响曲线 1 0 罩 曩 * 雷 t 武汉理i ：人学硕十学何论文 具体的方法是：采取对比试验的方法，通过调节1 0 0 0 h z 纯音的声压级，使 它和所测试的声音听起来有同样的响度，由此来确定这个声压的响度级。例如 3 1 5 h z 9 5 d b 的声音，听起来与1 0 0 0 h z 7 0 d b 的声音同响，则该声音的响度级为 7 0 方。由于响度级在确定时，考虑了人耳特性，并将声音的强度与频率用同一 单位响度级统一了起来，既反映了声音客观物理量上的强弱，又反映了声 音主观感觉上的强弱。把听起来同样响的各相应声压级按频率连成一条条曲线， 称为等响曲线，如图2 1 所示【l l 。 2 1 2 2 计权声级 在使用声级计测量噪声时，如果对接收信号不进行任何处理就予以输出， 得到的将是我们常说的线性声级。由于没有考虑人耳的生理特点，这种客观的 物理量度与人所听到的声音的感觉有一定差异。为此在声级计内加入一套滤波 网络，并参照等响曲线对某些人耳不敏感的频率成分进行适当的衰减，对那些 人耳敏感的频率成分予以加强，以求输出的信号与人耳听觉的主观感受尽可能 一致。这种修正的方法称为频率计权，实现频率计权的网络称为计权网络，经 过计权网络测得的声级称为计权声级。一般有a ，1 3 ，c ，d 四种计权声级。表2 - 2 列出了四种计权的频率特性修正值。 表2 2 计权网络频率特性修正值 声压值( d b ) 频率厂( h z ) a 计权b 计权c 计权d 计权 1 65 6 7- 2 8 58 5- 2 2 6 3 1 53 9 4一1 7 13 01 6 7 6 32 6 29 30 81 0 9 1 2 5- 1 6 i一4 2一o 25 5 2 5 08 6- i 30一1 6 5 0 03 。2一o 3o一0 。3 1 0 0 0 oo0o 2 0 0 01 2一o 10 27 9 4 0 0 01 oo 7一o 81 1 1 8 0 0 0- i 1 2 9 3 o5 5 1 6 0 0 0 6 68 48 50 7 武汉理1 ：人学硕十学侍论文 2 1 3 轮胎噪声的评价 在对轮胎花纹噪声进行评判之前，必须确定轮胎低噪声的标准，目前国内 外尚无正式的轮胎噪声容许标准。轮胎厂家般是将汽车配套厂家提出的噪声 要求作为达标值。已知的评判标准有：美国某测试中心m 标准线、德国某测试 中心标准、“三线一图”评判标准和轮胎噪声主观综合评价。 ( 1 ) m 标准线 美国某测试中心为汽车生产厂家在选用配套轮胎时提出了噪声性能指标m 标准线( 频率厂与声强，的关系线) 。其评判方法是把轮胎方案和人工所刻花纹 轮胎样品送往测试中心进行仿真测试，得到0 - - 5k h z 范围内的噪声频谱曲线。 如果测试结果在m 标准线以下，则轮胎的噪声性能视为合格；如果超出m 标 准线，则轮胎的噪声性能视为不合格。 ( 2 ) 德国某测试中心标准 德国某测试中心低噪声标准是相对的优劣排队比较。它是通过对一组花纹 方案进行仿真，得到1 - 5 0 0 0 h z 的花纹噪声频谱图，再分成低频段( 1 - 5 0 0 h z ) 、 中频段( 5 0 0 - - - 2 5 0 0 h z ) 和高频段( 2 。5 5 k h z ) 分别与一个典型低噪声轮胎频谱线比 较，并考虑噪声的主观评判，引入权重函数：n = hf 力上) ( 其中厂为频率，三 为声压级) ，并把做近似化线性处理，确定低、中、高频3 个函数值n l ，n m ， n h ，进行加权求得模糊评判指数，分出良好、中等、差3 个级别。该方法仅做 相对比较。 ( 3 )“三线一图”评判标准 “三线一图”评判标准是在国外的评判标准的基础上，通过对大量实际轮 胎花纹噪声的评判和分析，总结出轮胎花纹低噪声的几个参考准则。即花纹 噪声频谱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。 ( 4 ) 轮胎噪声主观综合评价试验 噪声主观综合评价试验是邀请有经验的轮胎设计人员，司机、噪声专家( 人 员选择应有代表性) 对轮胎噪声进行评判并打分，以判断样本低噪声性优劣的 试验。选取一组轮胎花纹噪声样本，每个噪声样本都对应一个花纹设计方案。 通过播放一组样本声音，请试听者从响度、尖锐度、起伏度、烦恼度4 个角度 评判并打分，分值为0 - - - 1 0 0 。设定一个主观综合评判值9 ，此值是4 个评判因 1 2 武汉理下大学硕+ 学侮论文 子的加权和： q = q a + a 2 q 2 + a 3 q 3 + a 4q 4( 2 9 ) 主观综合评判值可作为样本低噪声性优劣排序的依据。试验表明：响度的 影响比尖锐度和起伏度大得多，也就是说响度的权重占了绝对的比例；在响度 接近的情况下，尖锐度和起伏度仍然对人的主观感受有着不可忽略的影响，比 较而言，起伏度对入的影q 比尖锐度更大。 2 2 轮胎噪声的测量 为了评估降噪效果，进行可靠的声学测试是非常必要的。目前没有一种测 量方法能够单独地适用所有的情形，因此过去都是用几种方法来测量轮胎噪声。 下面是几种常见的轮胎噪声测试方法。 2 2 1 滑行法 2 ，2 1 1 铡量条件 测量场地如图2 2 所示： a 一佃一 a 1 0 m话筒 1 0 m g 吐 h o g 吐 h i， 话。 鼋 图2 - 2 车外噪声测量场地示意图 1 3 武汉理i ：人学硕十学侍论文 ( 1 ) 测量场地应平坦而空旷，在测试中心以5 0 m 为半径的范围内，不应有 大的建筑物、围墙等的反射物。 ( 2 ) 测试场地跑道应有2 0 m 以上的平直、干燥的沥青路面或混凝土路面， 路面坡度不超过0 5 。 ( 3 ) 本底噪声应比所测车辆噪声至少低1 0 d b ( 大概在5 0 d b 左右) ，并保 证测量不受偶然的其他声源干扰。 ( 4 ) 为避免风噪声的干扰，可采用防风罩，但要注意防风罩对声级计灵敏 度的影响。 ( 5 ) 声级计附近除测量者之外，不应有其他人员，如确系必不可少的人员， 则应站在测量者的背后。 ( 6 ) 被测车辆空载。 ( 7 ) 图中的测试话筒应位于2 0 m 跑道中心点o 点的两侧，各距中心线7 5 m ， 距地面高度1 2 m ，并用三角架固定，话筒平行于路面，其轴线垂直于车辆行驶 方向。 2 2 i 2 匀速滑行时的测量方法 ( 1 ) 车辆挂常用档位，油门保持稳定，匀速地到达始端线，然后立即关闭 发动机，并断开离合器，让车以预定的速度滑行经过传声器，记录下a 声级的 最大值。 ( 2 ) 同样的测量往返各进行一次，车辆同侧2 次测量结果之差不应大于 2 d b 。4 次测量的平均值即为该车轮胎匀速行驶时的噪声。 2 2 2 近场测量法( c l o s ep r o x i m i t ym e t h o d s ) 近场测量法( c p x ) 适用于测量轮胎，路面接触区域的噪声，是测量轮胎近场噪 声的方法。该方法的测试过程在i s 0 1 1 8 1 9 - 2 中有详细的说明。测试装置安装在 拖车里面，话筒固定在轮胎附近。拖车上有一层吸声材料，用来隔离风噪以及 其他车辆的噪声。因此这种方法能在交通流中进行。 c p x 能在一个道路网中对轮胎路面噪声进行测量，还可以对道路条件进行 监测。但是c p x 每次只能测试一个类型的轮胎，并且测试轮胎的类型有所限制， 不适合所有车辆。该方法测试的是近场的声压级，不适用于低频噪声的测量。 测试时应注意如下几点： ( 1 ) 被测轮胎( 单个) 安装在拖车上，拖车由另一车辆牵引。 1 4 武汉理r 大学硕十学位论文 ( 2 ) 对于轿车轮胎测试传声器按一定的角度置于距离路面1 0 c m ，距离轮胎 侧壁2 0 c m 处。两边可对称布置，如图2 3 所示。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 测试路面的要求与滑行法相同。 ( 5 ) 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a 声级或频谱。 前置话筒 置话筒 图2 - 3 话筒位置和置图 2 2 3 近场声强法( c l o s ep r o x i m i t ys o u n di n t e n s i t y ) 近场声强法( c p i ) 测试仪器安装与c p x 类似。探测头安装在轮胎附近，如图 2 - 4 所示，探测头不必安装防风罩防止风噪。这种测试方法可以在正常车速的交 通流中进行。但是，c p i 的仪器也只能安装在少数车辆上，和c p x 一样，不能 适应交通流车型的多样化。 近场测试法有如下优点： ( 1 ) 能够确定路面任意位置的噪声特性。 1 5 武汉理下大学硕十学位论文 ( 2 ) 能够检查路面噪声是否符合规范要求。 ( 3 ) 能够检查道路维护状况，例如，表面磨损或损伤，多孔路面的孔隙堵 塞及其影响。 图2 - 4 近场声强测试仪器 2 2 4 实验室测试方法( 转鼓法) 转鼓法测量的也是近场结果。在转鼓实验室( 消声室) 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 【2 卯。 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( 光滑路面和 粗糙路面) ，由转鼓法得到的a 声级和1 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【2 6 】。 1 6 武汉理l 人学硕十学何论文 第3 章轮胎道路噪声产生及降噪原理 3 1 轮胎道路噪声发声机构与发声原理 轮胎在路面上行驶时发出的噪声主要有以下几种；花纹块打击地面时所发 出的撞击噪声，沟槽腔体中空气被挤压和膨胀而产生的“泵浦效应”噪声，横 沟槽内气柱共鸣的噪声，光面胎面作用在地面中大小不等的隙腔时而产生的不 规则沙声( 随机噪声) ，由于道路的凹凸不平和轮胎均匀性不良而激起的轮胎振 动噪声( 一般频率较低，为8 0 1 5 0 h z ) ，轮胎滚动时切割空气产生的切割噪声， 轮胎与地面相摩擦而产生的摩擦噪声以及车辆行驶时对路面产生的低频路面噪 纠2 7 。图3 1 是车辆匀速滑行时噪声产生机理图。所有这些噪声中，花纹块的击 地噪声、花纹沟的泵浦噪声、沟槽的气柱共鸣噪声和光面胎面的随机沙声是四 大主要噪声源。 轮 i 轮胎花纹沟槽的气泵、气桂共鸣嗓音卜_ 产 胎 花 纹 噪 音 轮 习 i 路面凹凸引起的激振音l 胎 - i 花纹块击地噪音i 道 路 噪 倒 轮 匀 - i 接触地砸的摩擦振动音l 胎 速 花 纹 滑 i 路面空隙引起的空气泵噪音l 以 行 外 噪 的 i 胎面的随机沙声j噪 音 厂：= = 二_ 1 盔 i i苎垦 l 辆 j 噪 i 广= _ = 五1 音 i坐= ：! 图3 1 车辆匀速滑行时的噪声产生机理 1 7 武汉理i 人学硕十学何论文 3 1 1 花纹块击地噪声 轮胎在行驶过程中，当轮胎胎面与地面在a 点接触时，由于轮胎的变形( 胎 痕) ，会使轮胎花纹块的速度方向产生突变( 假设轮胎与路面之间没有滑动位 移) ，但速度大小不会发生变化。由于速度从羁突变到v - ；，由矢量合成法则，必 然存在一个速度，。以及因速度突然改变而生成的加速度，并且产生一个与玩同 方向的力户，如图3 2 所示。在此力的作用下，花纹块撞击地面产生噪声。同样， 当此花纹块在b 点离开地面时，也会类似a 点一样，产生噪声。 图3 2 花纹块撞击地面发声图3 - 3 块撞击地面信号处理试验 用图3 3 所示试验装置模拟花纹块击地产生噪声。其中，a 为一信号接收 器，噪声信号经过放大与处理之后，测得块撞击地面时产生的噪声波形为一个 正弦波形。并且，不同形状但同样面积的块在相同的条件下撞击产生的声压波 形大致相同。 3 1 2 花纹槽的泵浦发声 由于胎面橡胶是弹性体，因而在轮胎接地前沿区轮胎触