（检测技术与自动化装置专业论文）斜纽节距轮胎花纹噪声仿真及优化系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车行驶速度大于7 0 k m h 时，轮胎与路面作用形成的花纹噪声是汽车噪声 的主要来源，随着社会对交通噪声的日益重视，人们逐渐提高了对汽车噪声控 制的要求，分析研究轮胎花纹噪声产生的机理、设计开发低噪声轮胎就显得意 义重大而深远。 斜纽节距轮胎花纹作为一种新兴的花纹设计样式，具有较高的美观性和力 学性能，发出的噪声较柔和，受到专家和用户的好评，同时为开发者提供了广 阔的设计空间，逐渐成为业内研究重点。其噪声仿真分析和结构参数优化成为 一个重要研究课题。 本文首先对轮胎花纹噪声的发声机理进行了系统的研究分析，提出了一种适 于计算机仿真分析的轮胎花纹噪声试验模型。在此基础上，针对斜纽节距花纹 特点，提出了相应的图像处理和模型建立方法，确立了以噪声的烦恼度、尖锐 度、响度和起伏度的感觉为因子的主观评价和三种客观评价，分别为综合评判、 美国噪声容许标准线( m 曲线) 评判和基于感觉噪声级的评判。最后论述了通 过免疫遗传算法和穷举法等途径对花纹结构重要参数优化的实现。其中，对斜 纽节距的图像分析处理、仿真模型建立和花纹结构参数优化是本文论述重点和 创新内容。 在已有研究成果的基础上。以功能强大的可视化软件工具v i s u a lc + + 6 0 为平 台，开发了斜纽节距花纹低噪分析优化系统，第五章介绍了软件系统的结构体 系，其中重点介绍了图像处理和结构参数输入、噪声仿真分析、评价诊断、结 构参数优化和基于u s b 狗的硬件加密等模块的内容。 本文的研究与工程实际紧密结合，具有较强的实用性，为低噪声轮胎设计 和生产提供了高效的方法与路径。所开发仿真优化软件正向轮胎相关部门推广， 取得了良好的社会和经济效益。 关键词：斜纽节距，轮胎花纹，图像处理，仿真分析，优化设计 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et r e a dp a t t e r nn o i s ee a s e db yt h ei n t e r a c t i o no ft i r ea n dr o a dm a k e st h ec h i e f p a r to ft h ev e h i c l en o i s ew h e nc a l r u n sa tas p e e do fa b o v e7 0 k m h a st h es o c i e t y p a y sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h et r a f f i cn o i s ep r o b l e m ，t h er e q u i r e m e n tt oi t s c o n t r o li sr a i s e dg r a d u a l l y i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n df a r - r e a c h i n gi m p a c tt os t u d y t h em e c h a n i s mo ft i r en e a dp a t t e r nn o i s ea n dt od e s i g na n dd e v e l o pt h el o w - n o i s et i r e t r e a d t h et i l t e d - p i t c ht i r e 仃e a dw i t hh i g l la e s t h e t i ca n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sa n e m e r g i n gd e s i g ns t y l ea n dc o u l do f f e rab r o a dd e s i g ns p a c e i ti sw e l c o m e db yt h e s p e c i a l i s t sa n du s e r sf o rs u b d u e dn o i s ea n dh a sg r a d u a l l yb e c o m et h ef o c u sr e s e a r c h i nt h er u b b e ra n dt i r ei n d u s t r y t h i sa r t i c l es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e st h et r e a dp a t t e r nn o i s em e c h a n i s ma n d e s t a b l i s h e sap h y s i c a lm o d a lw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h es i m u l a t i o no nt h ec o m p u t e r b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c ha n dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et i l t e d p i t c ht r e a dp a t t e r n , i to f f e r st h ec o r r e s p o n d i n gi m a g ep r o c e s s i n ga n dm o d e l i n gm e t h o d ，e s t a b l i s h e st h e s u b j e c t i v e e v a l u a t i o na n do b j e c t i v ee v a l u a t i o n s t h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o n si s c o m p o s e dw i t hn o i s ea n n o y a n c ed e g r e e 、a c u i t yd e g r e e 、l o u d n e s sa n dw e l t e rd e g r e e t h eo b j e c t i v ee v a l u a t i o n sh a v et h r e es t y l e sw h i c ha r ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 、t h e a l l o w n o i s es t a n d a r dc u r v eo fa m e r i c a n ( mc u r v e ) a n dt h ef e e ln o i s el e v e le v a l u a t i o n w h i l et h em o s ti m p o r t a n ta n di n n o v a t i v ep a r t sa l et h et i l t e d p i t c h 仃e a dp a t t e mi m a g e p r o c e s s i n ga n dm o d e l i n gm e t h o da n dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n w i t ht h eh e l po ft h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，ih a v ed e v e l o p e dt h et i l t e d - p i t c ht r e a d p a t t e r nl o w - n o i s ea n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o ns y s t e mo nt h ep l a t f o r mo fap o w e r f u l s o f t w a r ed e v e l o p i n gt o o lv i s u a lc + + 6 0 c h a p t e r5i n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo ft h e s o f t w a r es y s t e m , w h i l et h ei m p o r t a n ta n dd e t a i lp a r t sa r et h ei m a g ep r o c e s s i n g ， s t m c t u r ep a r a m e t e r si n p u t ，n o i s es i m u l a t i o na n a l y s i s ，d i a g n o s t i ce v a l u a t i o n , s t r u c t u r e p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to ft h eh a r d w a r ee n c r y p t i o nb a s e do n u s b d o ga n ds oo n t h es t u d yi sv e r yp r a c t i c a la n dc l o s e l yi n t e g r a t e dw i t hp r o j e e t s i tp r o v i d e sa n p o w e r f u la n de f f i c i e n tm e t h o df o rt h ed e s i g na n dp r o d u c t i o no ft h el o w n o i s et i r e n - e a dp a t t e r n t h es e t , r a r ei sb e i n gu s e db yt h er e l e v a n td e p a r t m e n t sm o r ea n dm o r e a n dh a sa c h i e v e dg r e a ts o c i a la n de c o n o m i c a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：t i l t e dp i t c h t r e a dp a t t e r n i m a g ep r o c e s s i n g s i m u l a t i o n a n da n a l y s i s o p t i m i z a t i o na n dd e s i g n h 此页若属实，请研究生及导师签名，并装订在学位论文的摘要前。 独创性声明 本人声明，所呈交的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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工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研究所做的任何贡献均已在论文中作碍确的说 明并表示了谢意。 研究生( 签名) ： 塑：l 放。醐攻：篁：华 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内容，可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 盔丑丛导师( 签名) ：兮盂至里霆日期丝：兰生 ij 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 第1 章概论 随着国民经济的持续快速发展，人们的生活水平逐步提高，一个很重要的 方面就是汽车使用量的不断增长。但由此所引起的交通噪声污染也日益严重。 汽车引起的噪声环境污染问题正逐渐引起社会各界的广泛关注，国外发达国家 自2 0 世纪6 0 年代起就针对车辆噪声制定出相应的法规和标准，并每隔3 0 年 修订一次。我国加入w t o 以后，工业产品设计和生产更加趋于国际化，国家标 准汽车轮胎噪声测试方法的起草工作已经展开。推动汽车产业相关技术的 进步，降低汽车噪声对环境引起的污染，不仅是社会对汽车行业提出的要求， 而且是相关企业在竞争激烈的市场经济中立于不败之地的必然选择。 汽车噪声主要来源有两个方面，一个是发动机，另一个是轮胎。据国内外 研究表明，在干燥路面上，当汽车时速达到7 0 公里时，轮胎噪声成为整车噪声 的重要噪声源【1 1 。而在湿路面上，即使车速低，轮胎噪声也会盖过其它噪声成为 最主要的噪声源。车速越快、负荷越大、轮胎噪声的能量级就越高，在汽车行 使噪声中所占的比例也就越大。欧美等发达国家很多城市对汽车噪声排放标准 有了明确的法律法规，使得汽车在低噪声声方面的性能成为了衡量汽车质量的 重要指标之一【2 】。因此，轮胎噪声的防治是世界汽车及轮胎工业的一个重要课 题。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明 确要求，研究分析轮胎噪声的发声机理、设计生产低噪轮胎成为十分迫切的一 个课题，对轮胎花纹进行分析和降噪优化不但有深远的理论意义，而且有巨大 的现实意义。 本课题是在武汉理工大学自动化学院与杭州中策橡胶集团公司签订的合作 开发室内轮胎噪声与振动测试分析评价系统，现场轮胎噪声与振动实测系统以 及与广州华南轮胎、昆山正新轮胎、山东三角轮胎等多家公司合作开发轮胎噪 声仿真优化分析软件系统的横向课题的支持下，针对目前实际生产应用中出现 的样式美观且在力学及低噪方面性能突出的斜纽节距轮胎花纹噪声分析优化问 题和要求，所进行的课题为：“斜纽节距轮胎花纹噪声仿真分析及优化系统 的 武汉理工大学硕士学位论文 研究。所谓斜纽节距花纹，就是节距边界为曲线的花纹样式。轮胎斜纽节距花 纹不仅美观性强，而且形式多样，易于修改，大大增强了轮胎花纹设计的选择 性和灵活性，为花纹设计开创了新的广阔空间。该种设计方式在轮胎行业迅速 普及，使用厂家越来越多。但现在已有的t n p o d s 轮胎花纹噪声仿真分析优化 软件对斜纽节距轮胎花纹无法进行分析，为了完善分析仿真软件的功能，提高 其通用性，本文在对花纹发声机理和模型建立分析的基础上，通过对斜纽轮胎 花纹所具有特点的理论分析和花纹的图象处理方法的探讨，建立了斜纽节距花 纹仿真分析的物理模型，对节距优化中存在的不足进行改善。课题源于生产实 际，所取得的研究成果对工业设计生产低噪胎花纹具有现实的指导意义。 1 2 国内外研究现状 国外，特别是以美国、欧洲、日本为代表的发达国家对轮胎噪声的研究已 有相当长的一段历史，从对胎面的磨耗及牵引力等的研究逐步转移到用高新技 术来控制轮胎花纹噪声的设计和生产，提高车胎在噪声方面的技术指标，减小 其对环境的噪声污染上来。 2 0 世纪初期，轮胎噪声的研究只停留在单纯测试阶段，缺乏对噪声机理的 理论分析。2 0 世纪7 0 年代后，人们才开始从理论上对轮胎噪声进行研究，并提 出模拟计算的理念。 1 9 7 5 年，h a r d e njre 首先提出空气泵浦原理是轮胎主要噪声机理【3 1 。将 简单轮胎花纹沟槽视作一个单极子源，并得出花纹沟声压级的半经验公式。但 是用该公式进行轮胎花纹噪声预测仍然存在诸多困难。 2 0 世纪8 0 年代，通用汽车研究室的l a w r e n c ej 等在横向花纹沟槽研究的基 础上得出气柱共鸣与泵浦作用是横向花纹沟槽噪声的两大机理【4 】。当气柱的固 有频率与花纹间距频率一致时，就发生气柱共鸣现象，使轮胎噪声加剧。德国 t c c h n i s c h e ru b e r w a c h u n g s - v e r e i nb a y e m 测试中心的d a v eg a r u s o 和d o nt h r a s h 两人共同研制出一种轮胎噪声仿真器。该仿真器是把实际胎面花纹按比例大小 画在带状的纸上，其中块涂成黑色，槽用白色填充。将该纸带装在一个固定圆 周旋转的转鼓上，用强白光照射图纸，用并排的总计4 0 个光电探测器接收反射 光。这是用一个简单的模拟装置来产生脉冲宽度调制信号，其脉冲宽度等于光 在花纹上的停留时间，这个信号与轮胎花纹产生的实际噪声相关。 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 0 世纪9 0 年代，n a k a j i m a 等使用有限元( f e m ) 、边界元( b e m ) 和模态 分析相结合的方法对轮胎噪声进行了估算。其估算结果与实测结果对比表明， 该方法有一定的准确程度【5 】。有限元和边界元法在中低频阶段可以较准确地预 测轮胎噪声，但在高频阶段，由于计算量大大增加，使结果误差增大，于是人 们开始用统计能量法对高频阶段的轮胎噪声进行分析1 6 1 。 h i r o s h iy 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，并提供通过改变轮胎结构 而改变轮胎固有频率的方法控制轮胎内部空腔共振噪声1 2 1 。 2 0 世纪末，人们开始把轮胎和路面看成一个系统加以研究，日本学者研究 了路面不平度导致的轮胎振动对轮胎噪声的影响，认为路面不平度导致的胎面 振动是轮胎噪声产生的主要原因之一，并提出了轮胎路面接触模型，计算路面 不平度对轮胎振动的影响【7 l 。 国外在轮胎的花纹噪声方面的研究已经取得了一系列成果，运用计算机仿 真分析及优化设计，不仅准确而且开发周期短，但其建立的模型以及低噪花纹 设计方面的技术一直处于保密状态。随着中国加入w t o ，中国轮胎橡胶企业和 国外的公司处于同一竞争平台，轮胎低噪性能方面的要求也是同，在面对机遇 的同时，也给我国企业的国际化成长设置了巨大障碍。 虽然国内对轮胎噪声方面的研究日益重视，但由于起步较晚，进展还比较缓 慢，轮胎噪声的测试和研究技术力量、经费投入相对不足，自主研发能力还有 待加强。国内涉足轮胎噪声研究的大专院校和科研院所虽然在不断增加，但存 在理论性的分析与应用过多，缺少试验验证和有效的数据支持的问题。 同济大学声学研究所与上海轮胎橡胶( 集团) 共同组建了“上轮一同济轮 胎噪声振动技术中心 。在国内轮胎噪声领域处于前列，我校与上海轮胎橡胶( 集 团) 公司、北京橡胶设计研究院等单位经过多年的合作，在轮胎花纹噪声的研 究方面取的较大进展，我们开发的仿真软件受到了公司的肯定。它目前囊括了 对轮胎花纹噪声的仿真、评价以及优化设计等技术。 近年来，国内的轮胎橡胶企业也逐渐加大对轮胎噪声的科研支持力度，我 校与杭州中策集团的作研发室内和现场轮胎噪声和振动测试分析评价系统就是 校企合作，优势互补，互利双赢的典型例子。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 前期研究成果 经过多年的不懈努力，我们在轮胎花纹噪声的研究方面已经取得了一系列 成果，先后完成了与上海轮胎橡胶集团，北京橡胶工业研究设计院多项科研项 目，处于国内领先地位。主要研究成果如下【8 】【9 】【1 0 】【l l 】1 1 2 】【1 3 】【1 4 1 5 】【1 6 】： ( 1 ) 分析轮胎花纹的发声机理，建立轮胎花纹的噪声仿真模型； ( 2 ) 对轮胎花纹的综合评价及计算机仿真放声； ( 3 ) 提出了低噪声轮胎花纹的设计准则； ( 4 ) 对低噪轮胎花纹进行参数辨识； ( 5 ) 开发轮胎花纹噪声仿真分析及优化软件； ( 6 ) 提出新的测量规范及方法。 1 4 本文主要研究内容 本文在前期研究成果的基础上，针对斜纽节距轮胎花纹的特点，综合仿真 分析与优化设计两大功能，进行斜纽节距轮胎花纹噪声的研究，主要内容如下： ( 1 ) 进一步研究完善轮胎花纹噪声发生机理及其模型； ( 2 ) 斜纽节距花纹图象处理及仿真模型建立； ( 3 ) 斜纽节距轮胎花纹双向错位优化； ( 4 ) 基于免疫遗传算法的结构参数优化方法改进； ( 5 ) 相关软件程序的开发： ( 6 ) 基于u s b 狗的硬件加密实现。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章轮胎花纹发声机理及仿真模型 最初的轮胎花纹比较简单，但随着汽车工业的迅速发展以及人们对汽车各 项指标要求的提高，目前的轮胎从表面形状到整体形状都有很大不同，也相应 地提升了很多性能。 轮胎花纹的功用主要有：a 增加车辆的刹车力、驱动力和牵引力，改善操控 性和稳定性。b 增加轮胎与地面的摩擦力，避免刹车时车辆的前滑和侧滑。c 散 发轮胎的热量。d 降低噪音和震动，增强人员乘坐的舒适性。e 提高轮胎 美观性【l7 1 。轮胎设计有四大要素，即轮胎花纹( 表面形状) 、轮胎轮廓( 整体形 状) 、轮胎结构和使用的材料，其中花纹设计最复杂、最难处理，要考虑的因素 很多，同时它对汽车的使用性能有着重要影响。近年来，轮胎生产厂在胎面花 纹设计上不断地进行研究和开发，使现在的轮胎花纹种类不断增加。 2 1 轮胎花纹主要类型 块状花纹。花纹沟之问都 相互连接。呈独立的花纹 块结构一 不对称花纹t 胎面左 右两侧花纹形状不同一 合条形 特点一 单导向花纹t 花纹沟之 间相互连接呈独立的 花纹块结构一 图2 1 花纹类型 花纹不仅是轮胎外表漂亮与否的决定因素，而且关系到是否能够充分发挥 5 习蚕焉蕊蝴匡赫匪 麓锾篮疆蚕花诵麓霪露疆落叠 yllijilf主 l噎州t+f丫上t中盘骶盟纹忍隔漩蓝圆黼豳 武汉理工大学硕士学位论文 轮胎的牵引、制动、转弯、排水及噪音等性能。它主要由花纹沟、花纹块及节 距等构成。在轮胎发展的百余年的历史中，现已存在难以计数的花纹样式，大 体上可以分成以下几类： 1 条形花纹 顾名思义，就是花纹呈条状，也可以称为纵向花纹。该类型花纹纹沟的方 向与圆周方向一致。其特点是：低滚动阻力，不易侧滑，可以为汽车提供良好 的操纵稳定性能，由于行驶过程中产生的热量低，可以显示良好的高速性能， 低噪音，提供良好的驾乘舒适感。但是，该种花纹同样也存在不少缺陷：较差 的制动性能和驱动力，而且在大负荷下容易出现开裂现象。这种花纹或者它们 的变种和改良型的轮胎目前大部分会用于轻型客车和普通轿车上，而不适用载 重车和高性能的车种。 2 羊角花纹 羊角花纹，也叫横向花纹，该种花纹的花纹沟方向与圆周方向垂直。它有 以下特点：胎面花纹按轮胎轴向排列。具有制动力和牵引力大、耐切割性能、 耐磨性能好等优点，这种花纹的轮胎适用一般路面、混合路面和非正式路面。 但是这种花纹的轮胎有不少缺点：易侧滑、易发生异常磨损，而且滚动阻力大、 噪音高、高速性差等，所以这种花纹的轮胎不适合进行高速行驶。该种类型花 纹适合于在一般硬路面上，牵引力比较大的中型或重型货车使用。 3 复合花纹 复合花纹又叫纵横沟花纹或者综合花纹。它兼备了纵沟和横沟花纹的优点， 这种花纹的轮胎胎面中央的条形花纹( 纵向花纹) 可为轮胎提供良好的操纵性 能并能防止侧滑。而胎面肩部的羊角花纹( 横向花纹) 为轮胎提供良好的牵引 性能和制动性能。该种花纹的轮胎目前应用比较广泛，不但适于在恶劣的路面 上行驶，而且可以在普通公路上行驶。 4 块状花纹 块状花纹的花纹沟之间都相互连接，呈独立的花纹块结构，其优点是优越 的制动及操纵性能，雪地及湿路上优越的操控及稳定性能，雨天良好的排水性 能。同时也存在一些缺点：独立的花纹块结构，耐磨性能较差。主要用于轿车 用全天候及雪地轮胎，商用车后轮。 5 不对称花纹 胎面左右两侧形状不同的花纹。由于汽车轮胎在行使时内半胎和外半胎受 6 武汉理工大学硕士学位论文 力及运动规律都不同，采用不对称花纹轮胎可以针对其特点而相对加强内外半 胎性能，增大了转弯时外侧花纹的着地压力，提高了高速转弯性能，并补充了 外侧花纹的耐磨性能，更合理更充分的发挥材料的性能，最大限度的节省成本， 提高利用率，但在使用时必须注意轮胎的正确安装方向。 6 单导向花纹 从名字上就可以得知，花纹沟具有一致的方向性，花纹沟之间都相互连接， 呈独立的花纹块结构，这种花纹最大的优点是具有卓越的制动性能，极佳的排 水性能，雨天优秀的稳定性能，适合高速行使，但在安装时要求轮胎花纹沟走 向与行使方向相同。 2 2 轮胎花纹发声机理 轮胎花纹种类繁多，不同的花纹产生的噪声也不一样。轮胎噪声主要由两 部分组成：一部分是轮胎直接辐射出来的直接噪声，另一部分是轮胎激振车体 产生的间接噪声，而轮胎辐射噪声又分为胎面花纹噪声和弹性振动噪声，当汽 车速度大于7 0 k m h 时，轮胎花纹噪声为车辆的主要噪声源【l9 】【2 0 1 。胎面与路面相 互作用而产生的噪声是相当复杂的，要对轮胎花纹噪声进行有效控制，首先必 须了解轮胎花纹的发声机理f 2 l 】【2 2 1 ，进而建立科学而实用的轮胎花纹的发声数学 模型【l o 】。由于轮胎表面是由花纹块和花纹槽组成，因此轮胎花纹噪声主要来自 于花纹块击地时发出的撞击噪声、沟槽腔体中的空气被挤压和膨胀而产生的“泵 浦噪声、横沟槽内气柱共鸣噪声、光面胎面作用在地面中大小不等的隙腔时产 生的不规则沙声( 随机沙声) 、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、轮胎滚动时切割空气产生的切割噪声、轮胎与地面摩擦而产生 的摩擦噪声以及车辆行使时对路面产生的低频路面噪声。其中花纹的撞击噪声、 花纹沟的泵浦噪声、横沟槽的气柱共鸣噪声和光面胎的随机沙声以及轮胎与路 面形成的半封闭的喇叭筒对声压增强而形成的喇叭筒放大噪声等是主要的噪声 源。如图2 2 所示： 7 武汉理工大学硕士学位论文 轮 胎 花 纹 噪 声 花纹块击地噪声 花纹槽泵浦噪声 光面胎随机沙声 气柱共鸣噪声 喇叭筒放大噪声 图2 2 轮胎花纹噪声组成 2 2 1 花纹块的击地噪声 轮胎以爵速度行驶时( 如图2 3 所示) ，在花纹块接触地面处的矢量速度死突 变成羁，而l e i = l 吒i ，依据平行四边形分析原则必有指向胎中心附近的矢量速度 玩存在。若要突然产生砖必伴有指向胎中心区的力户，形成块撞击地面产生撞 击噪声。胎痕后沿情况类同，产生的负压声强度比前者弱。块撞击地面时，块 与地面之间的空气被压缩，空气密度增大，形成正压；而随之花纹块离开地面， 空气密度稀疏，形成负压，从而产生扰动噪声。两者合成即为块的发声。 如果两个花纹块面积相同但形状不同，其发声可认为由许多点声源构成， 每一小单位面积作为一声点。应用声点阵法对花纹块进行分析，若两花纹块包 含相同数目的声点阵数，各点阵地面时发出的声能相同，即具有相等的声压幅 值，且相应点阵问的相位十分接近。依据声能量叠加原理，两花纹块发出的总 声能也相同。 通过物理实验发现：单个花纹块的声压波形如图2 4 所示，它是一个含有毛 刺的上大下小n 波形1 1 9 i ，可以用准正弦波( ，) 来描述： 忍( r ) = g b a b s i n ( c o b t + y ) ( 2 - 1 ) 其中： i l s i n ( c a 6 r + 力0 6 6 i 孝s i n ( c a b t + y ) 0 掌：0 f 1 ，其大小与轮胎的载重量、充气压力和橡胶的弹性系数等有关， 可由实验测定： 4 = 口缶为声压振幅，与花纹块的面积s 有关，口为转换系数； 魄= f ( v o ，厶) 为圆频率，取决于车速v o , n 花纹块的宽度厶； 厂= g ( 魄，乞) 为相位角，与圆频率和乙有关，而z 6 与记时起点和该花纹块 8 武汉理工大学硕士学位论文 在圆周上的位置有关。 p b 图2 3 花纹块发声示意图图2 - 4 花纹块噪声波形 从动力学研究了花纹块的发声1 1 4 】，图2 3 中轮胎半径为，胎痕长为，块 面积为j ，块高度为h ，块的密度为岛。 则花纹块的等效质量为： = p d h r b ( 2 2 ) 式中，仉为转换系数； 由加速度公式可求吃方向的加速度为： = 一幔一砖一0 口= o = ：_ 一 fr ( 2 3 ) 因为 & ：品，d 为花纹块完全接地的宽度， f v o i 所以 云：兰隧(2-4) d 由动力学户= m 云求花纹块撞击地面产生的力为： 陆学 ( 2 5 ) 又有效声压忍与户大小成正比，故忍与花纹块面积s 成正比。由于轮胎花 纹条排列比较整齐，一般同一条的花纹块具有同样的高度，因此可取其宽度比 不等且不成整数比的花纹块。这样取舍可以使噪声能量分散在各频段上，从而 可使噪声谱峰值声压级降低。理论上也证明了同行的花纹块的宽度比取无理数 比最好、素数比次之、倍数比最差的f 1 4 刎。由式( 2 5 ) 得出声强度i 与订成正 比。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 花纹槽的泵浦噪声 汽车在路面行驶时，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( 如图2 - 5 所示) 。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。 泵吸效应形成的疏密波 轮胎一路面作用长度 图2 5 空气泵噪声的形成机理 轮胎在路面上高速滚动时，胎面的花纹槽随着轮胎的旋转而被压缩释放。 由于胎面为橡胶体，轮胎发生了变形，使得轮胎花纹与路面之间的空气受挤压。 随着轮胎的滚动，空气又在轮胎离开接触面时被释放。这样花纹槽内的气体高 速的在前沿区挤压、后沿区膨胀，从而产生压差( 前沿为正压，后沿为负压) ， 形成了空气涡流，引发了花纹槽的泵浦噪声【3 】。 从泵浦噪声产生的原理可知，腔体的发声与腔体内空气流单位时间内的变 化率有关。对于匀速行驶的汽车，各槽的体积压缩比相同，因此，槽体积越大， 腔体内空气的变化率越大。 花纹槽分为三种：横槽、斜槽和纵槽( 如图2 - 6 所示) 。实测证明：横槽的 声压级最大，斜槽次之，纵槽的声压级最低。对于横沟槽，在汽车行驶时依次 接地，一个接一个的小腔体喷气、吸气，产生泵浦噪声，类似于脉冲波，发出 噪声。有角度的斜槽由于接地时间比横槽时间长，所以气体压缩、释放较为 缓慢，空气流变化率较小，从而产生的噪声较小。对于纵槽，接地时槽内气体 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 均匀压缩，产生一股直流气体，气体喷出时仅仅因阻力而产生涡流，涡流噪声 能量较小，可忽略。将其理想化，我们认为纵槽不发声。 实际的轮胎花纹设计中，花纹槽的深度有一定要求但变化极少，可认为 是一常数。因此，不考虑花纹槽的深度，只认为花纹槽的发声与槽的长度、宽 度以及走向有关。 图2 - 6 花纹槽的三种形式 以斜沟槽作为研究对象进行分析，假设横沟槽发声的时域波为。( f ) ，那么 具有角度的斜沟槽发声的时域波为： ( f ) = 只o ( t ) s i n f l ( 2 6 ) 式中，夕为o o 时为纵沟槽，为9 0 0 时为横沟槽。 若取沟宽为a ( m ) ，速度为v c ( m s ) ，则声压的脉冲宽度a t ( s ) 可由下式表 示： a t = ( n 配) 幸孝 ( 2 7 ) 在由多数沟组成的场合，声压的变化由各个槽所发生的声压合成。若取槽 的间距为三( 埘) ，则脉冲间隔r o ) 为： a t = ( l v c ) * q ( 2 8 ) 声压的最大值为： p = k f ( 1 w ，a v ) ( 2 9 ) 式中f ( 1 * w , a v ) 为槽沟声压函数式，、w 分别为槽的长度、宽度，f 、刁、 k 是转换系数，a v 为槽沟腔压缩量。 斜沟槽的声波为： 只( f ) = ( p * s i n f l ) * g , * s i n ( w , t + r ) ( 2 1 0 ) i1s i n ( w t + 7 ) 0 6 l r ls i n ( w , t + 厂) 0 刁：0 r l 5 k h z ) 的噪声并不会对人的主观感觉有太大 的影响。所以为了降低抑或去除气柱共鸣噪声，可以采取合理选择花纹槽的长 度、二端开口和间距数目来降低气柱共鸣噪声的影响。 另外，产生气柱共鸣噪声的条件是产生气管。这种条件在仿制光滑路面i s o 国际标准路面上很容易得到满足，而在表面粗糙的排水柏油马路上则不易满足。 1 4 武汉理= 大学硕士学位论文 故而在i s o 标准路面上极易产生气柱共鸣现象，而在排水柏油马路上则没有明 显的气柱共鸣现象。实验也正好证明了这一点1 2 3 1 4 i ，而且气柱共鸣的峰值出现 在花纹沟与路面的接触区。 225 喇叭简效应 当轮胎与地面接触时，在轮胎的前沿区由轮胎和路面之间的气体形成了半 封闭的喇叭筒形状后面的眼状振动点恰似一声源。尤其在频率较高时，胎与路 面开口两边，声阻增大，形成喇叭筒，这个喇叭筒放大了声压，这种现象称为 “喇叭筒效应”。 如图2 - 1 i 所示，在喇叭筒正前方的噪声级有明显增强，而且指向性十分明 显。在喇叭简的轴心处噪声级虽高，周围次之，形成指向性花瓣。轮胎行进方 向的左右侧噪声增强反而不十分明显，对于高频噪声尤其明显，而低频噪声的 指向性却不显著。这是由于高频噪声的传播介质分子运动剧烈，向周围扩散时 所受的阻力较低频的介质要大，衰减快，声强增加区域主要集中在喇叭筒的轴 心方向及轴心附近。 喇叭筒具有像喉咙发出的振动经过放大器在一定的频域范围内进行了放大， 该频域由喇叭筒的形状和尺寸决定。相对而言，类似于电学中的变压器原理， 当喇叭筒的尺寸较大时，对低频区的噪声有放大作用。当喇叭筒尺寸较小时， 对高频区的噪声有放大作用。如果眼状振动点在喉点处，声压级将达到最大值， 增强约有5 6 d b ，据观察声压级( s p l ) 的最大值出现在与中垂线呈l o o 处。 图2 - 1 1 喇叭筒效应示意图 武汉理工大学硕士学位论文 在室外测试系统中，一般采用双话筒近场声音采集，其布局位于轮胎正前 方和左前方2 0 c m 处，距地面高2 5 _ - 4 0 c m ，喇叭筒效应影响十分明显， 经实验测定，喇叭筒效应在高频区较为明显( 轿车轮胎的喇叭筒效应峰值 在1 2 0 0 h z - - 2 0 0 0 h z 之间) 。由于轮胎受到整个车体的挤压，与路面形成的喇叭 口形状变小，放大了高频部分的噪声，同时喇叭筒气隙的自然频率也被提高。 为了减小声压级，减小引起噪声的喇叭筒效应区域的振动是一有效措施。 有人通过修改轮胎的结构来实现减小这种振动，具体做法有可在胎面中央贴一 厚度为1 5 r a m 、宽度为2 0 r a m 的橡胶环，旨在通过结构的变化来减弱振动。实验证 明了此做法有效地降低了1 0 0 0 h z 附近的噪声1 2 卯。 2 3 轮胎花纹噪声仿真模型 轮胎花纹噪声模型方程的边界条件极为复杂，很难用准确的微分方程描述。 根据轮胎花纹的发生机理，建立了一种适于计算机仿真分析的轮胎花纹噪声物 理试验模型，此模型基于以下两个理论： ( 1 ) 花纹块的噪声谱和花纹块的形状无关，而只与它的面积有关； ( 2 ) 花纹槽的泵浦噪声谱只与槽的长度、宽度和走向有关，与槽的深度基本 无关。 一 花纹块与花纹槽发声仿真模型的建立步骤如下： 将轮胎胎面( 限制在胎痕宽度z 之内) 的几何图形换成一所以的二进制胎 面矩阵a ；其中，聊表示绕轮胎圆周的总行数，行代表胎面的横向列数，q ，代 表第f 行、第，列的元素： 彳= r f l l 三二2i ：三二 辨疗( 2 1 5 ) l o r e , 彳= l ； i；： l( 2 口肼2 口所厅- j 辨疗 f l 花觉妙嗉 吩一l o 栳燃( 白) 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 度z 内) 由x 条花纹组成，每条花纹占的高度为鸟( 1 = 1 ，2 ，均，且 i i l i + 如+ + h x = z ，则花纹块矩阵： i 叫忙r a ：l a m 2 2 ：乏 ，。= = r e l - l , i ：2 21 ：i ：二 ，。= ! 呈 c 2 6 ， b 柞l ；i - i ! ：；：i m t 口舢j 。吒z j ，。l 4 j 设不同时刻的局的累加量巧( f ) = b u ( t ) s = a = 圣至圣l = - o_ i l 。 墨l墨2 1 越r 其中s ( ，= 1 ，2 ，x ) 表示大小为岛x n 的花纹槽子矩阵。设不同时刻的s 的 累加量为( f ) = s 驴( f ) 。 依次处理每条花纹中的块和槽，对其进行时域波的合成。因沿胎面周向的 纵沟槽基本上不产生噪声，所以要除去s 中均为“1 的行，即把连续“1 的 行( 长度大于或等于1 4 胎周长) 变为连续的“0 ，对块做同样处理。定义相 邻块分离函数m ，露为m 内各准正弦波波长作( ，1 8 + 1 ) 倍修正后的块分离函 数( ，为胎痕长度，1 8 c m 为标准胎痕长度) ，圪为花纹块发声准正弦波函数， 只。为花纹槽准正弦波函数。对各花纹块依次作如下处理 ，、 第一条花纹块垦( f ) _ 芝m o ) 卜_ 匕 m 6 ( f ) ) _ 厶 艺厅函妒( f ) ” 第x 条花纹块吼 ( f ) q m b u ( r ) 叫。 芝m ( f ) 外 i i 所一 工 l ，= 一 zj 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 匕 。雾) )l 口一bj 将x 条花纹块时域波叠加合成，司得花纹块发声时域波只( f ) ： 工li + h l，、l 忍( f ) = 匕 面乜( f ) i s l l l j 同理，可得x 条花纹槽的时域合成波只( f ) ： x l i + h ，、1 只( f ) = 匕 k ( f ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 其中，为计及胎痕长度，后，各准正弦波波长调整( ，1 8 + 1 ) 倍的修正槽