（机械制造及其自动化专业论文）轮胎噪声分析评价及试验研究.pdf

摘要 随着社会不断的发展，交通噪声问题日益突出。对轮胎噪声进行研究和控 制是减少交通噪声的主要方法之一。影响轮胎噪声的因素很多，包括轮胎的结 构、轮胎的花纹、轮胎的帘线材料、胎面橡胶等等。论文主要以降低轮胎花纹 噪声为目的，全面系统地分析研究了低噪声轮胎花纹优化、评价、试验与分析 方法。其中包括轮胎花纹噪声模型建立、低噪声轮胎花纹优化方法、轮胎噪声 主客观评价方法、轮胎噪声测试系统与测试方法以及轮胎噪声的分析方法。论 文的主要研成果和创新点如下： ( 1 ) 修正已有的轮胎花纹噪声仿真模型。针对原有的轮胎花纹噪声模型 不适合大块花纹仿真分析这一问题，引入双声源发声机理，利用双声源的声场 辐射特性对原有的轮胎花纹发声物理实验模型进行修正。修正的结果表明修改 后的模型提高了大块花纹仿真谱与实测谱的符合程度。 ( 2 ) 建立了一套完整的轮胎噪声主客观评价体系。针对轮胎噪声特点， 设计了描述轮胎噪声客观评价的客观参量和主观评价的评价因子，以弥补传统 的a 声级和1 3 倍频程不能提供足够轮胎噪声信息的缺点，另外设计实施了轮 胎噪声主观评价实验。为了节约主观评价成本，还提出采用客观参量拟合主观 评价因子方法的对轮胎噪声进行模糊综合评判。结果表明这种拟合方法的评价 结果和主观评价一致。 ( 3 ) 提出并采用了自适应免疫遗传算法( a i g a ) 对轮胎花纹节距参数 优化分析。在前述轮胎噪声模型的基础上，以轮胎噪声的综合评价指标为目标 函数，对比了遗传算法( g a ) 、免疫遗传算法( i g a ) 和白适应免疫遗传算法 ( a i g a ) 对轮胎花纹节距参数的寻优过程，结果表明采用a i g a 这种算法能够 合理设计节距参数，有效地降低轮胎噪声，并且这种算法提高了寻优速度和全 局的寻优能力，避免常规遗传算法的早熟和退化现象。 ( 4 )自行设计制造轮胎噪声室内、室外测试系统，并对轮胎噪声进行测 试分析。这两套测试系统不仅可以用来验证轮胎噪声模型，也可用来测量分析 轮胎噪声，特别是对轮胎花纹噪声的对比测试分析。室外测量拖车按照j j f 1 1 4 7 2 0 0 6 进行吸声性能测试，测试结果表明拖车能满足测量要求。设计和计算 了室内消声室的相关参数。利用建成系统对不同工况下的轮胎样本进行了噪声 测试和研究，依据测试结果对轮胎的噪声谱进行了解读。最后对室外和室内测 量的两种方法获得的数据进行了相关性分析，为这两种测量方法的测量数据分 析对比提供依据。 ( 5 )由于轮胎噪声是随节距变化的非稳态信号，因此不能仅用常规的轮 胎噪声频谱分析方法，这里引入小波变换来分析轮胎花纹噪声。论文采用复 m o r i e t 小波，通过调整复m o r i e t 小波函数的参数来分析由半消声室里获得的轮 胎样本噪声，。分析结果表明采用小波变换用来分析轮胎噪声是合适的，并且 比传统的频谱分析方法更直观，更方便找出了样本中由于轮胎节距排列不合适 造成噪声值偏高这一原因。 关键词：轮胎，花纹噪声，自适应免疫遗传算法，小波变换，主客观评价，优 化设计，试验方法 i i a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u ss o c i a ld e v e l o p m e n t ，e n v i r o m e n t a l1 s s u e sb e c o m em o r e p r o m i n e m t i r e sa so n eo ft h em a i nf a c t o r st h a tg e n e r a t et r a m cn o i s eg e tm o r ea j l d m o r e 甜e n t i o n m a n yf a c t o r sa 目e c tt h en o i s eo f t h et i r e ，i n c l u d i n gt h es t m c t u r eo f t h et i r e 。t h et i r ep a _ c t e m ，t h em a t e r i a lf o rt h ec o r d so ft h et i r e ，t r e a dr u b b e ra n ds oo n t h ep a p e ri sm a i n l yt or e d u c et i r ep a t t e mn o i s ef o rt h ep u 巾o s eo fc o m p r e h e n s i v e a n ds y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h eo p t i m i z a t i o no fl o w - n o i s et i r ep a t t e m ，e v a l u a t i o n ， t e s t i n ga j l da n a l y s i sm e t h o d s i n c l u d i n gt i r ep a t t e mn o i s em o d e l i n g ，o p t i m i z a t i o n m e t h o do fl o wn o i s et i r ep a t t e m ，t h et i r en o i s eo b j e c t i v ea n ds u b j e c t i v ee v a l u a t i o n m e t h o d ，t h et i r en o i s et e s ts y s t e ma n dt e s tm e t h o d ，a n dt h et i r en o i s ea n a l y s i s m e t h o d s t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r et h em a i nr e s e a r c hw o r k sa 1 1 di n n o v a t i o n sa r ea s f o l l o w ： ( 1 ) t h ee x i s t i n g m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et i r e p a t t e mn o i s e h a sb e e n a m e n d e d a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mt h a tt h eo r i g i n a lm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h et i r e p a t t e mn o i s ea j l a l y s i si sv g u r yg r e a t l ya sa p p l y i n gt oa g g r e s s i v et 1 1 r e a dp a t t e m s ，t h e d u a ls o u r c es o u n dm e c h a n i s mi sa p p l i e d b yu s i n go ft h es o u n df i e l ds o u n dr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，t h eo r i g i n a lp a _ t t e mo fs 0 1 1 1 1 dm a t h e m a t i c a lm o d e li sa m e n d e d t h e 锄e n d e dr e s u l ts h o w st oi m p r o v et h ed e 铲e eo fc o m p l i a n c ew i t ht h ef i e l dd a t a ( 2 ) ac o m p l e t es e to fs u b j e c t i v ea n do b je c t i v ee v a l u a t i o ns y s t e mo ft i r en o i s e a r ee s t a b l i s h e d f o ro v e r c o m i n gt h ep r o b l e mt h a tt r a d i t i o n a las o u n d1 e v e la n d1 3 o c t a v ed o e sn o tp r o v i d ee n o u g hi n f o n n a t i o no ft i r en o i s e ，t od e s i g nt h eo b je c t i v e p a r a m e t e r sf o ro b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o da n dt h ee v a l u a t i o nf a c t o r sf o rs u b j e c t i v e e v a l u a t i o nm e t h o d ，w h i c ha r ef o rd e s c r i b i n gt h et i r en o i s e a n da l s ot h et i r en o i s e s u b j e c t i v ee v a l u a t i o ne x p e r i m e n ti sd e s i g n e d i na d d i t i o n ，i no r d e rt os a v et h ec o s to f t h e s u b j e c t i v ee v a l u a t i o n ，f i t t i n gs u b j e c t i v e e v a l u a t i o nf a c t o rw i t l l o b j e c t i v e p a r 锄e t e r sm e t h o di su s i n gi nt h et i r en o i s e 觎z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ee v a l u a t i o nr e s u l t so fm i sf i t t i n gm e t h o da n dt h es u b j e c t i v e e v a l u a t i o no ft h es a m e ( 3 ) an e wa l g o r i t h mf o rt h eo p t i m i z a t i o na n a l y s i so ft i r ep i t c hp a r 锄e t e ri s u s e d b a s e do nt i r en o i s em o d e la n dr e g a r df u z z ye v a l u a t i o no ft i r en o i s ea st h e o b j e c t i v e 如n c t i o n ，u s et h ea d a p t i v ei m m u n eg e n e t i ca l g o n t h m ( a i g a ) t oo p t i m i z e t i r ep i t c hp a r a m e t e r s ，w h i c hi n c l u d et h ep i t c hr a t i oa n dt h ep i t c ha r r a y t h er e s u l to f i n s t a n c eo p t i m i z a t i o no ft i r e ss h o w s ：r h i so p t i m i z a t i o nc a ne n 、e c t i v e l yr e d u c et h et i r e n o i s e o nt h eo t h e rh a n d ，c o m p a r et h eo p t i m i z a t i o np r o c e s s e so ft h ea d a p t i v e i i i i m m u n eg e n e t i ca l g o r i t h m ( a i g a ) ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) a i l dt h ei m m u n e g e n e t i ca l g o r i t h m ( i g a ) ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sa l g o r i t h mi m p r o v e st h es e a r c h i n g s p e e da n dg l o b a lo p t i m i z a t i o na b i l i t yt oa v o i dt h ec o n v e n t i o n a lg e n e t i ca l g o r i t h m p r e c o c i o u sa n dd e g r a d a t i o np h e n o m e n a ( 4 ) t i r en o i s ei sa n a l y z e db yu s i n go 、v nd e s i g n e da n de s t a b l i s h e dt i r en o i s et e s t s y s t e m b ，l s e do nt h ef u ur e s e a r c ho fr e l a t e dt i r en o i s em e a s u r e m e n tm e t h o d sa t h o m ea n d l b r o a d ，i n d o o ra n do u t d o o rt e s ts y s t e m so ft h et i r en o i s ea r ed e s i g n e da n d c o n s t n l c t e dr e s p e c t i v e l y t h em u f n e ra n ds o u n di n s u l a t i o np e r f o n i l a n c eo ft h et r a i l e r i st e s t e di na c c o r d a n c ew i t hj j f1 14 7 2 0 0 6 t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a i l e r m e e tt h em e a s u r e m e n t r e q u i r e m e n t s d e s i g n a j l dc a l c u l a t i o no fm er e l e v 枷 p a r a m e t e r s o ft h ei n d o o r a n e c h o i cc h 锄b e ra r ee m p l o y e df o rt h ei n d o o r m e a s u r e m e n ts y s t e m t e s ta n dr e s e a r c ht h en o i s eo ft i r es 锄p l eu n d e rd i f f e r e n t c o n d “i o n si nt h et w oe s t d b l i s h e dt e s t i n gs y s t e m i n t e r p r e tt i r en o i s es p e c t r u mb a s e d o nt e s tr e s u l t s ，a n da n a l y z ef a c t o r sa f f e c t i n gt h en o i s e t h ec o l l r e l a t i o na n a l v s i so ft h e d a t ao b t a i n e db yt h et w om e t h o d so fo u t d o o ra i l di n d o o rm e a s u r e m e n t si sm a d e f i n a l l y ，w h i c hc a np r o v i d et h eb a s i sf o rd a t ac o m p a r i s o nf o rt h e s et w om e a s u r e m e m m e t h o d s ( 5 ) a st i r en o i s es i g n a lc h a j l g i n gw i t ht h et i r ep i t c hi san o n - s t a t i o n a r ys i g l l a l ， w h i c hi sn o tf i t t e dt ou s et h ec o n v e n t i o n a lt i r en o i s es p e c t r a la n a l y s i s m e t h o d ， w a v e l e tt r a n s f o n ni si n t r o d u c e dt oa n a l y z et h et i r ep a t t e mn o i s ei n t h i sp a p e r t h e c o m p l e xm o r l e tw a v e l e ti sa d o p t e d ，b ya d j u s t i n gt h ec o m p l e xp a r a m e t e r so fm o r l e t w a v e l e tf u n c t i o nt oa n a l y z et h et i r es 锄p l e so fn o i s eo b t a i n e db yt h es e m i a n e c h o i c c h 锄b e r ，i no r d e rt os t u d yt h ef a c t o r st h a ta 丘、e c tt i r en o i s e ，t oi d e m i 知t h er e a s o n sf o r t h el a 玛es 锄p l en o i s e f r o mt h er e s u l t s ，t h ew a v e l e tt r a n s f o n ni s 印p r o p r i a t ea j l d m o r ei n t u i t i v et h a nc o n v e n t i o n a ls p e c t r a la n a l y s i sm e t h o d st oa n a l y z et h et i r en o i s e i ti sc o n v e n i e n tt oi d e n t i 匆t h en o i s ev a l u ei s h i g hf r o ms 锄p l ed u et ot h e i n a p p r o p r i a t ep i t c h 踟盯a yo ft h et i r e 1 ( e yw o r d s ： t i r e ， p a t t e mn o i s e ，a d a p t i v ei m m 吼eg e n e t i ca l g o r i t h m ， w a v e l e t t r a n s f o m l ，s u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ee v a l u a t i o n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ， t e s tm e t h o d i v 武汉理工人学l 尊士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景、目的和意义 交通运输噪声是城市噪声最主要的来源，交通噪声危害大。这些噪声不但 会造成听力伤害，还对人的内分泌和神经系统有一定影响n3 。随着我国近年来 汽车工业的高速化发展，城市交通拥挤度已经达到或接近发达国家水平，随之 而来的汽车噪声己是城市环境噪声的重大来源。对于控制汽车噪声的主要手段 是处理好噪声来源和噪声传播途径等问题。汽车噪声四个主要来源是：动力传 动系统的噪声，空气动力学噪声，轮胎噪声和空调及汽车配件噪声窿1 。在过去 几十年中，汽车业的技术人员一直集中精力研究动力传动系统和汽车流线型风 阻等机械和空气动力噪声，并且通过各种降噪措施，己使其降低到了相当的程 度。然而近年来，国外通过研究轮胎路面噪声发现当车速超过5 0 6 0 k m h 时， 轮胎路面噪声是汽车噪声的主要来源。引。当车辆在高速或高等级公路上行驶 时，行驶噪声的主要来源为轮胎路面噪声。因此特别是对于近年来蓬勃发展的 不以汽柴油发动机驱动的环保型车( 非内燃机发动机车，如电动车) ，降低轮胎 噪声将是主要问题。 为限制噪声排放，自七十年代以来，世界上许多国家和地区都制定了相应 的机动车辆噪声法规来降低车辆噪声水平，我国也正在开始这方面的工作。在 美国，多数州是根据美国汽车工程师学会s a e ( s o c i e t vo fa u t o m o t i v e e n g i n e e r s ) 推荐的j 9 8 6 标准实施的，即新车在距离1 5 米的车辆路径中心线且 车辆全加速度时的测量的最大a 声级为8 0 分贝哺1 。而在一些欧洲国家对噪声有 着更严格的规定，采用i s o3 6 2 标准a 声级从1 9 7 0 年的8 4 分贝稳步降至1 9 9 5 年7 4 分贝旧3 。国外基本上是每3 5 年修订一次汽车噪声限值。 2 0 0 5 年欧洲经济委员会e c e ( e c o n o m i cc o m m i s s i o no fe u r o p e ) 公告了 e c e l l 7 法规，要求从2 0 0 9 年1 0 月1 日起，进入欧盟市场的轮胎还要进行轮 胎噪声的检测和认证“。它将轮胎分为c 1 乘用车轮胎，c 2 轻型卡车和c 3 载重 车与客车轮胎三个类型，每种轮胎的噪声限值如表1 1 所示。 这个法规对轮胎的振动和噪声提出了更高的要求，迫使我国的轮胎出口企 、叱需要更加注重对轮胎结构、轮胎花纹和胶料配方等各个环节的改进和提高， 武汉理工大学博士学位论文 以便能够降低轮胎噪声，通过欧盟的轮胎噪声认证。因此现阶段国内许多轮胎 企业在开发新轮胎时都已把噪声作为主要考核的技术指标之一。本论文正是在 这一背景下展开研究工作的。影响轮胎噪声的因素有很多，包括轮胎结构、胎 面材料、轮胎花纹、载荷、速度、路面等。其中轮胎花纹对于轮胎噪声的贡献 是巨大的，本文也主要以降低轮胎花纹噪声为主要研究任务。 表1 1e c e l l 7 法规中c 1 、c 2 和c 3 类型轮胎噪声限值 c 1c 2 c 3 标准限值d b标准限值d b标准限值d b 断面宽度范围 分类分类 ( a )( a )( a ) s 1 4 5 7 2 常用 7 5 常用7 6 1 4 5 s s 1 6 5 7 3 雪地 7 7 雪地 7 8 1 6 5 1 8 57 4 特殊( 如道路特殊( 如道路 1 8 5 s 2 1 57 5越野混用轮 8 8 越野混用轮 7 9 三2 1 5 7 6 胎)胎) 1 2 轮胎结构和轮胎花纹 1 2 1 轮胎结构 轮胎的种类很多，结构上也有差异。从结构上一般可以分为斜交轮胎与子 午线轮胎。斜交轮胎是由多层帘布以小于9 0 。角交叉放置贴合组成的轮胎。由 于斜交胎结构上的局限性，使得其胎体容易发热，而且其磨损较快，高速性能 较差。 1 9 4 6 年，米其林发明了子午线轮胎。这种轮胎的帘布层内的帘线从胎圈方 向看，很像地球的子午线，并在帘布胎体外层贴合了两层或三层钢丝环带，因 此该种轮胎称为子午线轮胎。子午线轮胎因帘布层外箍有强力的钢丝环带，在 高速旋转时不易发生“驻波”现象，因此予午线轮胎的高速行驶性能要比斜交胎 好得多。子午线轮胎耐磨性能好，载荷分布均匀，使用寿命长。其抓地性能也 很好，从而使得车辆转弯更稳定，反应更加迅速，减振性能也很突出。另外， 子午线轮胎的滚动阻力小，燃油经济性好。目前欧美国家的斜交轮胎基本被子 午线轮胎替代，其结构如图1 1 所示。 武汉理工大学博士学位论文 彗露 钢丝 带哀罢 羚毫 ；土两 j 暑：? 屯 验至 睦至 1 2 2 轮胎的规格标号 图1 1 子午线轮胎结构图 在i s o 国际标准轮胎规格的标志中，轿车轮胎按如下排列表示轮胎规格标 号：( 断面宽) ( 扁平率) ( 轮胎结构记号) ( 适用轮辋直径) ( 载荷指数) ( 速 度记号) 旧3 。比如编号1 8 5 6 0 r 1 5 8 5 h 的轮胎，1 8 5 表示胎宽毫米数；6 0 表示 扁平率，即轮胎的高宽百分比；r 表示子午线胎( 另外还有d 、b 分别表示斜 交胎和带束斜交胎) ；1 5 是适用轮辋直径英寸数；8 5 是载荷指数；h 是速度记 号，字母由b u ( 除d 、h 、i 、0 外) 顺序排列时，速度由5 0 2 0 0 k m h ，每 级相差1 0 k m 。d 表示6 5 k m h ，h 表示2 1 0 k m h ( i 和o 没有含义) 。 1 2 3 轮胎的花纹类型 轮胎胎面花纹对汽车使用性能有着重要影响。它的主要作用就是增加胎面 与路面间的磨擦力，以防止车轮打滑，提供制动和驱动等力学特性。设计合理 的花纹不仅能在这个油价飞涨的时代节省油耗，还能减少汽车在行驶中产生的 噪声，同时又能增强汽车在湿滑路面的制动性能，从而加大汽车驾驶的安全性。 因此近年来，轮胎生产厂也积极不断的研究和开发新的胎面花纹。 轮胎花纹种类繁多，根据花纹类型大概分为以下几种： ( 1 ) 纵向花纹：其花纹设计方向是纵向排列的，如图1 2 ( a ) 。 这种轮胎一般适用于路况较好的路面，如高速公路或城市路面等。行驶中 滚动阻力小，具有较好的行驶导向性，很适宜于高速行驶。而且纵沟花纹的排 水性能优异，在湿滑路面不易打滑，行驶中的噪声也较小。但是纵沟花纹轮胎 的制动性能显得相对较弱，不适合于沙子路等状况较差的道路。 武汉理工大学博士学位论文 ( 2 ) 横向花纹：花纹沟方向与圆周方向垂直，如图1 2 伯) 。 这种轮胎与地面接触面积增大，无论是制动力、驱动力都表现较出色，适 用于荒郊野外、建筑工地等恶劣路况。弱点是横向花纹轮胎排水性差，轮胎散 热效果不好。而且横向花纹轮胎在增大地面接触面积的同时，也增大了噪声。 ( 3 ) 混合花纹：结合上述两种花纹的优缺点，如图1 2 ( c ) 。 胎面中央的条形花纹，提供了良好的操纵性能并防止侧滑；胎面肩部的横 向花纹，提供了良好的牵引性能和制动性能。适用路面状况也更宽泛，这种花 纹类型已成了轮胎花纹的主流。但是它的耐磨性能稍逊。 ( 4 ) 块状花纹：花纹沟之间相互连接，呈独立的花纹块结构，如图1 2 ( d ) 。 当车辆行驶在雪地或泥泞地面时，花纹深嵌入雪地或泥泞中，车辆借此产 生驱动力。这种花纹具有优越的制动及操纵性能，主要用于雪天、泥地、沙地 等特殊路况。缺点是独立的花纹块结构，耐磨性能较差，行驶时的噪声也大。 ( a ) ( b )( c ) ( d ) 图1 2 轮胎花纹种类 1 2 4 轮胎花纹排列形式 每种轮胎花纹都是由节距构成，同样的节距按照不同的排列组合方式可以 形成不同的胎面花纹，这些排列形式及结构特点会影响轮胎的噪声特性和力学 性能。表1 2 列出常见的几种花纹排列方式。 表1 2 花纹排列方式 4 武汉理 ：人学博士学位论文 花纹含有不同的节 渊峨潮鬻燃r 滋幽刿门雀峨簟 节距同步排距单元，但是左右花 簟簟簟缫熬鬻麟稿簟麟纛簟簟 鸶豳黼黼黼缫溯霆麓缓戮黼豳誓幽雌 列纹都是以相同的节 釉阁黼嵫缀缵缫黻缫溯麟灞黼黼黼躐鞠缫 距序歹0 j 列 ，纛簟廨嬲甄鬻氍簟霸纛髯 花纹含有不同的节 叠鞫_ 避鬻黼溺麟溺融鬻i 节距不同距单元，且轮胎左右 麓蝴簟鼻自! 嘲幽黼缫豳魈麴豳黼黼缀鲤塑麟 步排列花纹以不同的节距 m 黼黼瓣黼 _ 蝴蔑鬻缫潮鬣囊瞩鬻 序歹0 j j 歹0 黑一溯辨览糕糕斓眇- p 翻簟翻 y 豳y 嘲，渊黼 轮胎花纹左边和右边花纹节 叠 娜簟瞄簟 对称距完全一样 纛簟纛鳓纛簟囊， 簟篮幽矽_ 豳幽矽叠豳鳓眇一 _ _ 簟_ 簟 轮胎花纹轮胎左右两边花纹 不对称节距单元完全不同 蠢簟秘纛簟潮气簟潮气鬻 花纹有方至谣鬻戮鬻餮戮器羹器罐溺 向性( 轮 左边花纹是右边花 瑟。；i 蘸囊鬟篓豢驴纛孥麓鬟豢溉爹纛懑 雾覆鬻滋笺蒸篷缫魏荔懑懑蕤鬻鍪粼。 胎安装时 纹的镜像 需按提示蠢簟糍簟冁簟蕊鬻 方向安装)，赢黛簟霸蠛蔫该节霸纛 1 3 轮胎噪声的发声机理 轮胎噪声是轮胎与路表面接触时发出的声响，轮胎噪声产生的原因和机理 都比较复杂，尽管产生噪声激励源的因素众多，但是所有轮胎路面噪声均源自 于轮胎与道路的相互接触、轮胎的变形以及轮胎与空气的相互作用。轮胎路面 噪声的大小与轮胎花纹构造、胎体结构、胎体橡胶材料、路面材料、路面形式、 路面纹理及车速等均有关系。通常把轮胎的发声机制分为两大类n ”1 2 3 ：振动机 制和气动机制，这两种机制在某种程度上是相互关联。具体产生轮胎噪声原因 分类见表1 3 。 武汉理工大学博士学位论文 表1 3 轮胎噪声机理分类表 花纹块击打路面 冲击机制路面击打花纹块 振动机制运动时的偏转力 切向滑粘噪声 粘附机制 粘吸噪声 空气湍流 泵浦效应 气动机制 气柱共鸣 赫尔姆兹效应 放大或减小喇叭效应 噪声的机制声学阻抗效应 ( 1 ) 花纹块击地噪声 轮胎接地前沿处的花纹块击地噪声被认为是主要的轮胎噪声源之一。花纹 块击地会产生径向和纵向振动。n i l s s o n u3 1 等人认为频率高于1 k h z 的高频噪声 是轮胎前沿花纹块击地产生的冲击波，并且认为这个机制是解释混凝土路面上 轮胎前沿的噪声比沥青路面噪声高的原因。 ( 2 ) 路面击打花纹块噪声 路面纹理对轮胎胎面的冲击类似于花纹块击打地面所产生的噪声。这种冲 击可以产生轮胎胎面和胎体的径向振动和切向振动以及胎侧的振动。轮胎在前 沿及后沿运动时的偏转力也会产生胎体的振动。 ( 3 ) 切向滑粘噪声 与地面接触的胎面在运动时会使轮胎产生切向振动。就像把手放在光滑的 桌面e ，然后稍加用力沿着桌面滑动，就可以听见吱吱声。轮胎滚动时，轮胎 表面和行驶路面接触时会有滑擦，当胎面离开接触区域时，变形的轮胎花纹块 恢复回原来状态，这会引起轮胎胎体的振动，产生振动噪声。这种机制在切向 力特别大的时候，例如在汽车刹车、加速和拐弯时产生的噪声尤为突出。 ( 4 ) 粘吸噪声 如果路面非常光滑平整，轮胎花纹与路面接触就像被吸附住了一样。这是 由于轮胎是个粘弹体，当轮胎和路面接触的时候会挤压出两者空隙之间的空气， 造成轮胎的花纹块和路面之间类似吸盘吸附的现象。轮胎花纹块被吸附后，若 要离开路面就会被拉伸，当完全脱离路面由于弹性又恢复到初始状态，这样就 会产生径向或切向振动引起粘吸噪声。因此在轮胎与路面的接触后沿部分测得 的噪声的高频部分1 2 k h z 会有更高的噪声级h4 | 。如果增加路面的粗糙度或是在 6 武汉理：l 大学博士学位论文 轮胎和路面中添加某些抗粘附的材料，会在一定程度上降低粘吸噪声。 ( 5 ) 空气湍流 这是由于转动的轮胎引起空气的移位以及轮胎花纹表面周围空气的不稳 定流动造成的。 ( 6 ) 泵浦效应 泵浦效应是指轮胎路面接触区域的轮胎沟槽与路面空隙形成的空气动力 源。它是产生轮胎路面噪声的重要因素。泵浦效应的产生是由于轮胎花纹块触 地时，花纹沟槽的空气量会改变，在接地前沿由于沟槽体积减小会喷出气团， 而在接地后沿沟槽恢复变形又将吸入气团。轮胎运动时轮胎沟槽序列会造成轮 胎前后沿的气压振荡。这种噪声为高频率噪声( 这里指1 0 0 0 h z 以上的噪声称为 高频噪声) ，且其大小随车速的增加而增加；在平滑路面表面时较大，在多孔隙 的路面层时则较小。由于腔体的发声与腔体内气流单位时间内的变化率有关， 即它和花纹沟槽的深度、宽度及长度有直接关系，同时它也和花纹沟槽的开槽 方向有关系口5 旧3 。 ( 7 ) 气柱共鸣( g r o o v ec a v i t yr e s o n a n c e s ) l a w e n c e 等n 7 1 刚在实验的基础上得出气柱共鸣也是产生轮胎噪声的一个 原因，分析结果表明轮胎的横纵向沟槽会影响轮胎噪声。这些沟槽与地面接触 的几何形状类似于一端开口或是两端开口的管子。管子里含空气，这就构成了 一个典型的声管。这和吹奏乐器一样，管子的长短决定共振所发声音的频率， 在花纹槽与路面进行接触时，沟槽与路面形成这样的空气管，虽然管子的固有 频率会随着管子长度和端口的开放几何形状不同而不同，当槽口有空气挤压射 出时，一旦某一发声频率与这个固有频率一致时，就在管内形成共振，引发共 鸣现象，导致轮胎噪声在此频率处出现峰值。 从声学的角度可以建立管长和共振频率的关系 九：丝 刀 n = 123 ( 1 1 ) 厶2 丢 这里l 。足指有效的管长，c 足声音在空气中的传播速度，n 指模态数量 若管子一头是封闭的则共振频率为 武汉理工大学博士学位论文 ”兰 ：z 胛一l f 1 2 1 工2 丢 、 大多数轮胎既有横向又有纵向沟槽这使得沟槽共振更为复杂。由上述公式 可以看出，花纹槽两端开放或缩短花纹沟槽和地面的接触长度会使基频升高。 ( 8 ) 赫尔姆兹效应 车辆行驶时轮胎花纹和接触地面之间形成的空腔构成赫尔姆兹共鸣器，空 腔中空气与连接处“颈口”的空气质量m 构成一个共振器，共振可产生巨大的噪 声。 ( 9 ) 喇叭效应 喇叭效应是指当汽车行驶中，在轮胎与地面接触印痕的前方和后方由轮胎 和路面形成了喇叭筒形状，使得轮胎与路面间的噪声多重反射而产生扩大效应， 促使轮胎噪声升高。k l e i np 瞳们指出喇叭效应是胎路噪声的主要因素。喇叭效应 表现为声压级的放大和总辐射声功率的放大。p e e t e r s b 等人瞳卜2 副研究了喇叭效 应对声辐射的影响，指出喇叭效应有一定的指向性，并且增大多孔路面的厚度 和孔隙率可以有效地降低轮胎噪声的喇叭效应。 ( 1 0 ) 声学阻抗效应 这里是指路面孔隙就像吸声材料一样可以影响声音的强度，并且声音在路 面上反射和折射会影响声音的传播。 这些发声机制之间通常是相互影响且同时存在的，轮胎花纹的噪声频率范 围主要在1 0 0 5 0 0 0 h z 左右晗6 ，因此我们后面研究轮胎花纹频谱时主要考虑这一 频谱范围。低频噪声的产生主要来自胎侧的振动和气腔共振，这里低频范围是 指的5 0 0 h z 以下。当频率在3 0 0 h z 以下时噪声基本通过车辆的结构部件传至车 内，低频部分不是主要的轮胎外部辐射噪声瞳7 【。 1 4 国内外研究现状分析 1 4 1 国外研究现状 国外对低噪声轮胎进行了长期的研究，许多研究成果还申请了专利。早在 上世纪七、八十年代初期，欧美等国就开始研究轮胎噪声。y u k i o 瞳8 3 研究了轮胎 武汉理 j 大学博+ 学位论文 花纹节距排列等参数对噪声的影响。w a n t a n b e 瞳叩指出对于尺寸较大且胎纹为横 槽的轮胎，噪声主要源白花纹块与路面撞击和路面引起胎体振动。d o a n 。如3 指 出轮胎滑行噪音频率约在1 k h z 左右，其来源主要由轮胎花纹振动所产生。 鼬m o n d i 口门说明轮胎噪音生成的各种机制，并指出降低轮胎与地面接触中心位 置的压力，或增加胎肩的弯曲度，均可达到降低轮胎噪音的目的。l uy i l l x i a o 口朝 采用叠加转鼓试验室获得的单个轮胎花纹块的时域波形来预测整个轮胎花纹的 噪声。c e s b r o n 口踟以实验的方法研究了轮胎，路面产生的动态接触力对噪声影响。 这些主要是通过实验和简化方法得到的经验、半经验公式以及经验性设计原则， 对轮胎噪声并不能进行完全有效的预报。为了能高效率，准确地描述轮胎的振 动响应和声学响应，需要建立合理的轮胎噪声模型。这些模型包括物理模型、 有限元模型、混合模型等。 ( 1 ) 轮胎噪声预报物理模型 物理模型主要有环状模型、弯板模型、直梁模型、弦梁模型和薄壳模型等。 通常环状模型用具有预张力的圆环代表充气状态下的胎面，有质量的刚性圆盘 表示轮辋，而连接胎面和轮辋的胎侧和气腔由弹簧和阻尼器来模拟。弯板模型、 直梁模型和弦梁模型与环状模型类似。薄壳模型将轮胎简化为一个平面矩形或 圆柱形薄壳，该模型较环状模型复杂，一定程度地考虑了轮胎的断面形状。但 是这些模型存在模型参数如弹簧刚度、弯曲刚度、弹性模量等也不易确定，不 能完全描述轮胎的各个组成部分等问题。 心o p p 3 43 将轮胎简化成位于弹簧基础上的受拉板，其有效频率范围为4 0 0 3 0 0 0h z 。轮胎路面的接触呈非线性，模型以时域的形式来描述轮胎振动特性； 轮胎受力变形由脉冲响应函数的总和来描述。在计算声学响应时采用声源叠加 原理，将两个多极声源对称地分布于路表面的两侧。模型还考虑了空气泵浦效 应，由于不平整度因素引起的轮胎变形可看作小体积源，辐射声可通过计算接 触区置换体积的总和求得。模型对行驶在粗糙路面上的光胎噪声进行预测，并 用转鼓试验法进行了验证。 l a r s s o nk 呤副建立了双层弹性壳模型，不仅考虑了径向力，增加了轮胎的切 向力。研究了轮胎中波的传播，结果发现，在3 k h z 以下，轮胎振动以3 种类 型的波为主，即：薄膜弯曲波、纵向波、面内波。在波的消散关系方面，模型计 算结果与轮胎环状模型和测量结果有很好的一致性。 b y o u n g sk 刚将轮胎壳的振动看成是几种不同类型的振动波叠加的结果。 在低频范围，轮胎表现为弹性支撑梁，用环状模型分析波的消散关系。3 0 0 h z 9 武汉理工大学博士学位论文 以上用圆柱壳模型分析波的传播特性。 r u s t i g h i e 1 1 使用环状模型研究由于胎路相互作用而引起的轮胎振动，该 模型可用来计算4 0 0 h z 以下的低频振动。 戤n d t p 口踟建立了无负载轮胎的物理模型，它将轮胎视为弹性基体上的三维 挠性圆环。这个环代表轮胎带束层，弹性基体代表轮胎侧面，模型在3 0 0 h z 以 下都是有效的。模型还包括了轮辋和轮胎的气腔。这个模型不同与大多数环状 模型，大多数环状模型仅用于平面运动中，而这个模型适合预测结构性内部噪 声，并且也可用于带束层在周向扭曲模态预测。 k o i z u m i t b 们分析了轮胎静止和运动的振动状态。由于滚动的轮胎的振动特 性受到由旋转而引起的科氏力( c o r i o l i sf o r c e ) 的影响，因此建立了基于圆柱壳体 理论的轮胎振动模型。利用回转的圆柱体薄壳模型和汉密而顿原理f h 锄i l t o n s p r i n c i p a l ) 推导了包含初始张力和科氏力影响的基本方程。结果发现滚动的轮胎 出现了形状相同的行波模态并且正向波的激励频率不同于反向波。 0 b o y dj 心们采用多层粘塑性圆柱体表示轮胎带束层来建立轮胎噪声预测模 型，该模型包含了气腔和侧壁的表示方法，并且轮胎带束层的响应在波数频率 和时间空间域都可以被定义。 ( 2 ) 轮胎噪声预报有限元模型 随着计算机的高速发展，特别是近些年非线性有限元理论和计算机软硬件 的进一步发展，建立轮胎有限元模型来分析和预测轮胎的噪声是有效方法之一。 有限元方法是一种数值方法，不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，但 是计算量大。对于具有结构复杂、材料性能不均等因素的轮胎而言，计算时可 能会出现网格畸变，结果不收敛的情况。 w u l l e n sf 4 妇建立轮胎路面接触运动三维模型，用其来估计轮胎路面噪声。 因为轮胎路面接触的非线性，接触模型在时间域里进行计算。模型计算了包括 路面不平产生的动态径向接触力造成的变形和轮胎结构本身的振动。 b i e 加a n nh 羽提出了一种数值模型，这个模型是基于若干分析步骤的模拟仿真 过程，这些步骤包括非线性静态滚动过程的计算，以及由于道路粗糙度引起的 轮胎动力学分析，还包括声音辐射的计算。在声音辐射分析时，轮胎表面的振 动由先前结构分析中得出，并作为这个声学模型中的边界条件。在声音辐射模 型中采用了改进型a s t l e y l e i s 单元，通过声压场的评估，可以研究特定轮胎 路面系统的声学性能和影响参数之问关系，这些参数包括道路纹理或噪声辐射 阻抗等。 1 0 武汉理1 大学博士学位论文 b r i m e i e rh 3 1 进行了一系列的针对滚动轮胎声音辐射预测的模拟仿真。文 献对轮胎路面系统动力性，特别是在滚动噪声预测方面进行了详细的有限元计 算的。仿真分析被几个步骤，首先是在任意拉格朗日欧拉( a r b i t r a r y l a g r a n 西a n e u l e r i a l l ) 框架内静态滚动问题的非线性分析，接下来是针对由道路 表面粗糙度引起的瞬态动力响应的后续分析。分析中采用模态叠加法，最后对 滚动轮胎路面系统的声辐射进行了分析。 b r i m e i e r h 4 】介绍了预测滚动轮胎噪声的建模过程。整个模拟仿真过程是基 于对轮胎非线性的静态滚动状态分解来进行的，先分析变形状态下的特征值， 接着通过采用确定性函数来激发模态叠加方法进行噪声辐射的计算。这种仿真 涵盖了轮胎路面系统有限元