轮胎之振动与噪声

1、轮胎基础知识讲座第五讲轮胎之振动与噪声第2页欧洲轮胎新法规 2012年11月起生效，是改进环保的一种措施，也对外贸易的技术壁垒；比起美国对中国轮胎的惩罚性关税的办法，要文明得多。贴标签的规定，将影响顾客购买轮胎的决定过程，对中国轮胎而言，既是刁难，但如果我们的轮胎质量能得到优质的评定，那么就是一种免费的宣传，所以也是一种机遇。在滚动阻力、通过噪声及湿地抓着力三项中，噪声是难度最高的。第3页这是欧洲新法规的轮胎噪声标准，其中C1是轿车胎；C2，轻卡轮胎；C3，卡车胎。第4页在欧洲新法规裡，对噪声特别低的轮胎授以Low Noise 的标签。第5页我们要以欧洲新法规之挑战为契机，应该及时改进轮胎性能

2、，不但要合格，而且要以中间偏上为目标。我们应当加强研发水平，制造并销售高性价比的轮胎，为提高利润，打好基础。第6页轮胎舒适性是轿车轮胎配套主要的门槛之一；主要问题有二，即轮胎的振动问题，和轮胎的噪声问题。第7页在轮胎的振动问题上，我们首先讨论轮胎对路面障碍物之包容性。第8页这里是实心轮子和充气轮胎在低速越过路面障碍物时的反应；实心轮没有包容性，轮轴必须随着障碍物升高，充气轮胎则不然，胎体接地部分的变形，使得胎体连线的张力大为下降，对障碍物产生包容作用，轮轴只需稍微升高，甚至不必升高，因此冲击力要小得多，减少车子的颠簸，改善乘坐的舒适性。右图是不同轮胎越过障碍物时，垂直方向力的变化。第9页当車行

3、速度加快时，路面障碍物引起的冲击还会造成胎体的振动，本图显示在动态楔入转鼓试验中，实心轮子和充气轮胎的垂直向之力的反应；充气轮胎的冲击和余震要好得多。第10页本图演示的是低速充气轮胎越过障碍物在不同位置时，纵向力和垂直向之力的反应，以及余震。第11页充气轮胎的包容性主要考虑胎体的两个部分：胎冠的弯曲刚性要低，带束层的钢丝层夹角加大，有利于包容性的改善；但是造成带束层的接地面的弯曲刚性下降（会伤害轮胎的转向刚性），则可以用零度带来加强，达到两者同时改进的效果。胎侧的包容性改善可以来自于胎体帘线张力的下降：我们可以缩短胎侧柔软薄膜部分的宽度，使得胎侧下沉后，子午帘线之张力大幅下降。即利用上、下三角

4、胶有效地控制胎侧胎体刚性之变化（请复习第一讲中的薄膜理论）。第12页我们接着讲轮胎胎体振动及其传递作用。第13页本图演示不同胎体结构，对冲击波传递的特性。这是用激光全息摄影技术，显示斜交胎的胎体受冲击后，变形是局部性的，而子午轮胎由于钢丝带束层的关系，振动可以传至轮胎全体。第14页轮胎高速越过路面障碍物比低速时要复杂得多。这里在转鼓上的障碍物是5厘米厚60厘米长，左图是垂直向之力的反应，两次冲击震荡显示进入和离开时的状况。右图是纵向力的反应。第15页本图说明轮胎的振动传递到乘客，其中有三次过滤，即轮胎、车身和人体。第16页轮胎做为机械振动的过滤器有三个频率段：1）30 赫兹以下，轮胎像个弹簧，

5、由轮胎径向刚性决定， 2）30 到 250 赫兹之间，由轮胎胎体振动的不同模态及其本征频率决定，这里胎体振动的阻尼较小，3）250 赫兹以上，这里也是由轮胎振动的高阶模态决定，其特点是阻尼随频率大为增高。第17页本表显示人体对振动之不同的加速度（或g值）的反应；看来 0.1个g就开始相当不舒服了。第18页本表显示振动频率与人的感觉之间的关系。第19页下面简单介绍轮胎/悬挂系统，其振动和共振以及力的传递。第20页车内的振动除了路面障碍物的冲击所引起的之外，本图所示是路面的高低不平的作用；这里指出如果路面高低变化的周期，l，与前后轮距离，L，满足以下的公式， L = 22n-1, n = 正整数，

6、则车身会产生严重的纵摇（Pitching, 或者叫做俯仰或前后波动）。第21页车子纵摇时幅度大小和位置相关，图中显示离重心近的前座的振动幅度要比后座为小。第22页和页20相比，当L = n l (n 为整数) 时，车子会产生上下跳动（Bouncing）。第23页改善车身振动，主要是靠车轮的悬挂系统。右图的悬挂系统用的是叶片弹簧，常见于载重量较大的车子；左图还显示了减震器的位置。第24页左图显示的悬挂系统中，弹簧和减震器是套在一起的，常见于轿车。为了简化分析，我们只考虑一个轮子，也就是所谓 1/4车模型的悬架系统，用右边的简单模型代表，其中MS: 簧载质量，指此轮承担的车身重量（约全车 1/4）

7、，减去轮胎组合及悬挂系统；MU: 非簧载质量，指的是轮胎组合及悬挂系统；KS: 悬架弹簧，及其弹性系数；C: 悬架减震器，及其减震系数；Kt: 轮胎作为一个弹簧，及其弹性系数。请注意，这里悬挂系统的弹簧和减震器是并联的。第25页我们用 x0, x1, x2分别代表轮胎接地点，非簧载质量中心和簧载质量中心的坐标；簧载质量 MS和非簧载质量 MU的运动程式如右下所示。第26页这里说明 1）对簧载质量MS而言，轮胎和悬挂系统的两个弹簧是串联的，因此其等效弹簧是二者的串联，即KS KtKS+Kt; 2) 对非簧载质量MU而言，轮胎和悬挂系统的两个弹簧是并联的，因此其等效弹簧是二者的并联，即KS+Kt；

8、图中右边给的例子指出，簧载质量MS的振动固有频率为 1.5 赫兹，而对非簧载质量MU的固有频率则是 13 赫兹。第27页左图代表的是在1/4模型中，路面不同频率的激励源对车子振动反应频谱。右图则是整车实验的频谱，非簧载质量有两个不同频率的峰值，来自于前后轮的不同。第28页这里我们复习一下受迫振动的模型之特性。弹簧k和减震器C是并联; 强迫振动的外力，F, 从右边施加于质量m。当F=0 时，运动方程式如图下所示。第29页本图给出运动方程式之解，并且在右图将i）欠阻尼（z< 1），ii）临界阻尼（z= 1）和 iii）过阻尼（z > 1）的不同表示出来。欠阻尼时余震大，舒适性低；过阻尼

9、则冲击力缓慢消退，也是不好；最理想的是临界阻尼，冲击力下降得快，而且没有余震。关键在于选择适当的减震器，即c=2km。第30页在第28页的运动方程式力加入受迫振动，即F0，此处F=F0sin(2ft)，其解为x(t)=Xsin(2ft+)；振幅X, 相位角之公式如图中所示。第31页受迫振动模型中振幅X随频率比r= ffn和阻尼大小的变化。当接近共振，即r 1, 振幅会变大，而阻尼大，即z 加大，则有利于降低振幅。第32页这里演示相位角随频率和阻尼的变化。第33页下面开始讨论轮胎胎体的振动与模态分析。第34页左上演示模态分析实验的一种安排，即接地点（0º）固定不动，激励器在接地点附近敲

10、击，而胎面的振动用激光测距仪测量。右上图演示振动幅度随角度位置而变化。下图演示当激励来自接地面，并且是纵向时的试验安排；胎面不同部位的振动是周向的，激光不利于测量，因此改为用加速度传感器来测量。左上图的激光测量，由于没有直接接触，没有惯性，有利于高频率测量。第35页这里演示不同的振动模态及其编号。上半部的图代表径向振动，红色线和棕色线代表相反方向的最大振动。接地点不算，红棕线的交叉点为节点，节点的数目愈大则模态的阶数越高；用大写的R代表径向振动模态，节点数除以 2，为其阶数。例如上面第一排中间的图有3个节点，其模态编号为R1.5，其余以此类推。下半部的图代表横向振动，这里节点的计算法不同，以左

11、右振动时不动的部分为节点，因此接地点算作节点。其余和前面所述的一样，横向振动模态以T 为代表。如图所示T0.5只有接地点一个节点，所以是 0.5阶；T1.5 的三个节点，如图所标示；T1.0 只有接地点和顶点两个节点；其余类推。第36页本图演示径向振动模态，R0.5, R1.0, R1.5, R2.0, 其本征频率分别为 72，85, 98, 111 赫兹。很明显，本征频率是随着模态阶数而增高的。第37页同样，横向振动模态，T0.5, T1.0, T1.5, T2.0 的本征频率分别为48,61,90和111 赫兹。第38页这是Purdue 大学的Bolton教授的轮胎振动模态分析实验的装置。

12、左边是激励振动器，轮胎赤道面上的白点是反光漆，用以改善激光测距仪的信号。第39页在这里我们简单复习一下傅里叶级数法。法国数学家傅里叶发现，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，後世稱為傅里叶级数( Fourier series)。如图所示，这里fx是周期函数，。傅里叶说fx可以用和它周期相同的正弦和余弦函数，sin(x), cos(x)，以及其更高阶的sin(nx), cos(nx)诸函数的级数来表征，如图中的第一行公式所示，其中SN代表只到第N项的级数。其中的系数an和bn可以用第二和第三条公式算出。本图显示，右边的方形波和下面的锯齿波随着项数N的增加，傅里叶级数就能愈

13、来愈准确地代表它们。第40页这里进一步计算前图的锯齿波函数，把系数bn算出来；这些系数代表的就是对应阶数的正弦或余弦函数的振幅大小。右下图把这些振幅的绝对值按阶数升高画出来，其横轴代表的就是频率逐渐升高；换言之，这就是这个锯齿波的频谱图。奥第41页这里是第38页Bolton教授轮胎振动径向模态分析实验的结果。左图的轮胎充气压是20psi,右图是40psi。横轴是角坐标，从-p到p，也就是 -180度到+180度；纵轴是振动频率，从 0 到 1000 赫兹。假设我们选定一点，在轮胎赤道上-90度的位置，用激光量出其径向位移的周期函数，然后用傅里叶法得出其振动频谱。我们在横轴-90度的位置画一条垂

14、直线（即频率轴）沿着此轴上将频谱用颜色尺画出；如此将沿赤道一周所有的结果都画出来，就可得到本页图的最后结果。从左图开始观察，90至 250 赫兹是第一带，从最低四个节点随频率增加到十六个节点；特点是阻尼低，0度到 ±180度的振幅衰减很少。第二带是从280到400 赫兹，阶数更高，20以上，阻尼明显加大，同时振动幅度最大，尤其是在敲击点附近。400赫兹以上有若干个振动带，特点是阻尼很大，到1000赫兹时，振动几乎传递不出去。其次让我们比较右图，即充气压增加一倍时，会有那些变化？首先，所有对应的模态的本证频率都升高了，例如第二带的频率范围，升高至300到470赫兹；更重要的是阻尼降低了

15、。这个现象的解释很简单，即当充气压增高时，所有帘线的张力增加，橡胶变形产生的力，对充气压的平衡之贡献降低了，从而由橡胶变形产生的能量速损耗相对也减小了。根据右图，此轿车胎的胎体振动振幅最大，发声面积最高的是第二带，频率范围在300到470赫兹之间。第42页这里总结关于轮胎胎体振动的主要观察点：1）各态本征频率由轮胎结构决定，是无可避免的，其各个模态的本征频率可以有限度地调变，虽然增加阻尼可能可以降低振幅，但是不利于滚动能耗。2）高于1000 Hz 的振动阻尼很大，换言之，发声效率会很差。3）增加充气压後本征频率升高，阻尼下降会消失，意味着胎体振动产生的噪声会加大。第43页左图演示的是胎冠断面的

16、胎体振动模态之概要，横轴是圆周向模态号码，纵轴是频率；其中不同家族的断面振动模态，以m = 1, 3, 5, 7为模态号码。很明显，如果在振幅最高点加零度带，是简易的降低胎体振动的良法，且不会增加阻尼和能耗。第44页果不其然，米其林在2011年得到的美国专利便是在胎冠以及左右肩部加零度带（m = 5），可以降低胎体振动及其噪声。第45页这是米其林利用C3M新技术设计的轮胎结构图，显示了前页讨论的3条减震用的零度带。第46页我们接着讨论均匀性与轮胎振动的关系。第47页轮胎的不均匀问题主要有三方面，即 1）几何形状的不均匀，通俗语言就是不够圆，有径向和横向得到不均匀性， 2）胎体刚性的不均匀，有径

17、向刚性、横向刚性和胎冠纵向弯曲刚性，沿着圆周方向的变化，即不均匀， 3）胎体质量沿圆周向分布的不均匀。第48页轮胎不均匀造成力的变化：RFV (Radial force variation)LFV (Lateral force variation)TFV (Tangential force variation)这些是胎体振动的主要激励源。第49页这里演示的是轮胎径向不均匀（Radial Run-Out，RRO）的定义，以及滚动时引起垂直向的力的变化。第50页轮胎的横向不均匀Lateral Run-Out，LRO，通常是量胎冠某一点沿圆周向的位置偏离中心面的距离之变化。在轮胎滚动时，会产生横向力

18、的变化。第51页胎面平点变形（Flat Spot），通常发生在车子行走一段时间之后，在轮胎温度下降过程产生的变形；造成接地面部分形成平点，即不圆了；经过一段时间的行走升温，轮胎才能恢复正常。原因在于一般的聚酯帘线在冷却过程中缩短的多少是受张力大小控制的；接地区的张力下降大，会缩得比较短，于是造成变形，致使局部变平。在此，帘线的力学/温度特性在此非常重要，聚酯有问题，尼龙的问题更大。目前，一般的办法是加一道工序，即PCI（Post Inflation Cure）, 意即在轮胎硫化过程中，让胎体帘线在高张力的状况下，冷却回归常温，如此帘线的温度稳定性较高，可以改善胎面平点变形问题。另外，则是使用稳

19、定性高的聚酯帘线，即高DSP （High Dimension Stable Polyester）帘线。第52页当我们把轮胎看成是许多小弹簧组成的，那么这些弹簧的刚性在圆周方向分布的不均匀，就造成轮胎胎体刚性之不均匀性；本图所示为径向刚性之不均匀性。第53页本图所示为横向刚性之不均匀性，造成自由滚动时，偏离直线。第54页左图以棕色小块位于胎冠中心，代表质量分布的不均匀，其旋转时的离心力引起纵向力和垂直向力的周期性变化；右图代表多出的质量不在胎冠中心时，离心力还能产生力矩，引起胎体的横向振动。第55页众所周知，离心力是速度的平方，即F=mv2/R, 这里把离心加速度与车速的关系列成表，请注意，在每

20、小时100千米时，胎面1公克的质量的离心力可以达到 263克，而在250 千米/小时之时，则增至 1.64 公斤！第56页这里列举了各种不均匀的主要成因，从制造工艺、轮辋质量、轮胎/轮辋组装到不当使用等等。第57页这里说明轮胎/轮辋的动平衡，如何在轮辋的边缘适当的位置，嵌入适当的铅块，利用其离心力，做力和力矩的平衡。第58页这里是在生产线上做有荷载工况下的，径向力和横向力的平衡，并且做傅里叶分析，决定其基本和高阶的不均匀性的幅度和相位角。目前，在生产线上的测试，只限于轿车胎和轻卡，而且转速偏低，只有 1-3赫兹，因此质量分布不均匀的离心力效应以及胎体共振现象的不平衡，是量不到的。第59页这是实

21、验室用低速测量轮胎质量不均匀，以及从胎冠中心点和胎侧最宽点，分别测量RRO和LRO。第60页这里展示的是径向力在旋转一个周期内的变化，以及傅立叶分析后的结果。这些变化与轮胎制造的工艺关系密切，例如胎面胶接口的位置，各层帘布，钢丝带束层，以及其他部件的接口的大小和位置，生胎与模具的相对角位置等等。在生产线上，有调整接口角位置，以便降低合力大小的办法。第61页本图演示的是轮辋最高点和轮胎径向力最高点，在随机安装时合力大小状况。第62页本图演示的是轮辋最高点和轮胎径向力最高点，在相差180度的匹配安装下的结果，显示可以将合力降到最低。第63页本图试图说明的是：胎冠质量分布不均匀的离心力，是无法在轮辋

22、加铅块完全抵消的。原因在于胎冠的质量Dm的离心力，在接地时走得是直线，力的大小会变成零，图中绿色曲线代表的是其在垂直方向的分力，中间缺了一块。而轮辋上的铅块走的是圆周运动，其垂直方向的分力是相差180度，完好的正弦波，如图中蓝色曲线所示。二者大小相等，方向相反，但不能完全相消。结论是：要想消除质量分布不均匀在高速行驶时的振动，只能把轮胎做好，即令Dm = 0，别无它法。第64页这里是轮胎高速均匀性的测量结果，虽然这是回正力矩的试验结果，但径向力的行为基本上是一样的。这里是傅里叶分析所得5阶不均匀性的曲线，上图的横轴是轮胎速度，下图的则是振动的频率。在上图可以看见4阶的振动在50 mph 的速度

23、时，有共振现象，而5阶的振动的共振在 44mph 的附近。从下图，可以清楚地判定，此共振频率是 50 赫兹，应当对应上轮胎的某种模态振动的本征频率。根据本页的数据，这种随速度增加的力主要从质量分布不均匀造成的，基本上随速度的平方增加。但是接近胎体共振频率时，振动的力会产生爆炸性的增加。这些现象是不可能从低速测试法中预见的；因此得知，实测轮胎高速均匀性的重要性。第65页这里简述如何改善轮胎均与性的要点；同时指出为什么米其林C3M工艺做出的轮胎，高速均匀性特别好的原因。第66页现在开始讲第二部分，轮胎的噪声问题，首先重温一下 2012年的欧洲轮胎新法规。第67页欧洲轮胎新法规 2012年11月起生

24、效，是改进环保的一种措施，也对外贸易的技术壁垒；比起美国对中国轮胎的惩罚性关税的办法，要文明得多。贴标签的规定，将影响顾客购买轮胎的决定过程，对中国轮胎而言，既是刁难，但如果我们的轮胎质量能得到优质的评定，那么就是一种免费的宣传，所以也是一种机遇。在滚动阻力、通过噪声及湿地抓着力三项中，噪声是难度最高的。第68页这是欧洲新法规的轮胎噪声标准，其中C1是轿车胎；C2，轻卡轮胎；C3，卡车胎。第69页在欧洲新法规裡，对噪声特别低的轮胎授以Low Noise 的标签。第70页这里显示的是2008年时，欧洲 C1 轿车胎的噪声统计的结果；左边的绿色和蓝色直线代表的是2012的新标准。看来2008年的轮

25、胎可能有20% 不能过关。第71页这里是2012年新规定对C2和C3轮胎的影响，情况比C1轮胎要好些，但是 2008的轮胎仍有一半以上，不能过关。第72页这里是2012 欧洲新法规与旧法规之比较，同时也比较了一些不同品牌的轮胎。总之，新法规的新标准要比以前难得多。第73页这里的数据显示：315/80R22.5的卡车轮胎的噪声最低可以达到69.5分贝，但是这种轮胎不实际，不会有市场。第74页现在开始先讲实验方法，即轮胎的噪声测试。第75页轮胎噪声分车内噪声和车外噪声两种， 2012 欧洲新法规考虑的是车外噪声，是环保的考虑。这里我们先讨论与乘坐舒适性相关的车内噪声，其源头有二：1）轮胎引起的振动

26、通过车体结构传递进车内，然后以车身内面（如车窗，门板等）的振动发声， 2）轮胎表面发出声音（胎面振动和胎面花纹的气泵作用），通过空气传递，然后透过车身进入车内。在振动和声音传递的过程中会有所衰退，图中显示从车体结构传递与从空气传递两种路径的衰退频谱有所不同；在低于400 赫兹范围内，空气传递噪声的衰退比较大。车内噪声之降低，主要靠车体安装减震和吸音材料。而车内噪声音质的改善，则在于避免令人烦躁的固定频率的声音，亦即所谓白噪声问题。第76页在诊断轮胎噪声的来源时，一个重要的问题就是分辨那一部分来自胎面花纹，和那一部分来自胎体振动。这里我们介绍噪声频谱瀑布图表征法：图中横轴是频率，纵轴是声音的强度

27、，每一条蓝色的曲线是在固定轮胎速度时得到的噪声频谱；这里纵轴同时也是轮胎的速度，当我们把不同速度的频谱画出来时，得到的就是图示的 3D 噪声频谱瀑布图。当我们检视此图时会发现有两种特征，即1) 频谱中峰值的频率随速度而增加的，峰顶形成从原点出发的斜线，看起来像溅出的水花，就称之为水花 ,和 2) 有些峰顶的频率是固定的，即不随速度而变，看起来像瀑布，即以瀑布称之。水花与轮胎花纹有关，例如在某速度时轮胎花纹敲打路面每秒60下，其噪声当有60赫兹的峰值；但是当速度增加1倍时，峰值频率会升高到120赫兹。这种现象在出于轮胎比均匀性造成的振动和噪声也是一样的。都会在瀑布图上，以水花的形式出现。当噪声来

28、自于胎体结构的振动，不同模态有不同的本征频率，与轮胎速度无关，其频谱的峰顶可以联成一条一条的垂直线，像瀑布一样。第77页当我们用色尺来表征声音的强度时，上页的瀑布图就变成这样。低频取的红线是水花，900赫兹以上的看来像瀑布。左边水花应该是从原点出发的直线。其弯曲时左图不当所致。第78页这是一个315/70R22.5 卡车胎的瀑布图，横轴的频率从0 到2000赫兹，轮胎的速度则以rpm 代表。轮胎滚动周长度是一周 3.05米，每周有块状花纹节距 46个，也就是每转一圈，花纹块会敲打地面46下。此中胎面花纹造成的水花，和胎体振动产生的瀑布，十分明显。请注意，低频区的水花应当来自于轮胎的不均匀性，例

29、如9瓣的活络模的胎面，可能产生每转一圈，震9下的空气压力的变化。第79页这是一个315/70R22.5 卡车胎的瀑布图，轮胎滚动周长约 3.02米，胎面花纹节距为 48。低于100赫兹的水花似乎是9阶的，可能与9瓣活络模，及肩部零度带在轮胎硫化是成形过程造成的胎面不均匀性有关。第80页这是车内噪声的瀑布图，这里纵轴是频率，轮胎速度 RPM 在横轴，原点在右边。上图是粗糙路面的结果，这里看不到水花，瀑布方向是横的；说明在粗糙路面行驶时，胎面花纹噪声不重要。在250赫兹的噪声是所谓胎腔共振效应（稍后会讨论）。下图是光滑路面测试的结果，胎腔共振效应很明显，最高值约70分贝。水花有了，但很弱。第81页

30、这是1988年米其林的一个改善轮胎花纹噪声的专利。主要的目标是制造“白噪声”。根据声音心理学，人们听到有固定频率的噪声是会感到烦躁不安，如果换成白噪声，即使音量大一点，也不要紧。其基本方法是先将胎面花纹展开成2维平面图，然后将轮胎接地印痕的前缘勾勒出来。令印痕前缘顺着行走方向移动，当某段和胎面花纹的边缘接触时，假设一个声音的脉冲会产生；脉冲的时长由轮胎的速度和对应的花纹沟宽决定，脉冲的高度则由对应沟内空气的体积决定。如此将沿着印痕前缘发生所有的声音脉冲叠加起来，在时间轴上展开，得到声压对时间的曲线，送进PC 做傅里叶分析，便可得到轮胎花纹噪声的频谱。人们可以检验不同花纹设计得到的噪声频谱，找出

31、白噪声最好的设计，这就是这个专利的基本思路。第82页让我们讨论什么是白噪声？首先考虑如果胎面花纹块用等节距设计会如何？左图显示用声压脉冲的形式作图，横轴是时间，得到的将是周期相等的脉冲；经过傅立叶分析，得到的音强频谱如右图：相对分布非常窄的峰值沿着其基本频率及其高阶的谐波展开。这是固定频率（及其高阶谐波）的轮胎噪声。所谓白噪声是在声音频谱中没有个别突出的频段的状况。要达到白噪声，最常用的方法是变节距法。第83页这里是变节距法的示意图。以 S, M, L 分别代表小、中，大三种不同节距的花纹块，做不同顺序的排列，如此得到的声压脉冲曲线的频谱如下图白色粗线所示，虽然仍有个别不同频率的峰值，但是局部

32、的峰高会大为降低，同时峰的宽度也会增加，降低了固定频率声音的突出性。理想中的“白噪声”如下图白色虚线所示：没有峰值，而且音强不随频率而变。所谓“棕噪声”和白噪声相似，没有峰值，但音强随频率而下降，如图所示。第84页这是1994年 Bridgestone 的轮胎花纹噪声模型和预测法的专利，基本上和前述的米其林专利一样，只是把声压脉冲改成衰退的正弦波而已，应该看成是一种改进。第85页现在简单讨论车外通过噪声的测试法，这是试车场的示意图。第86页这是ISO 通过噪声试验场的设计图，长、宽20米，路宽3米，长40米。道路中线左、右7.5米各置麦克风一，离地面高 1.2米。路面表面结构按 ISO 108

33、44 的规定。第87页道路表面结构:上右图是 ISO 10844，及上左图是热滚柏油路面（Hot Rolled Asphalt）下图是路面的断面高低变化图；ISO 10844路面结构要细得多，不容易透气。第88页这是通过噪声实验的频谱记录；右图记录了左右两个麦克风量到的声音频谱，横轴是时间，纵轴是频率；通过速度设在 80千米/小时，噪声主要是在 700到2,000赫兹之间。欧洲法规规定的是记录声压最高值的平均值，而不是频谱。第89页这里是室内通过噪声的试验装置安排；在半消声室内，轮胎由转鼓支撑，用一排十四个麦克风记录车子在不同位置量到的声音的数据，然后用软件处理，模拟实际路试时只有中间一个麦克

34、风所量到的数据；不同位置的麦克风数据还做了相应的Doppler效应之校正。这种方法的愿意是可以避免天气（温度，湿度，风向，风速等等）变化的影响，测试条件的控制的一致性较好。第90页下面讨论轮胎噪声的主要机理。第91页这里图示轮胎噪声的各种机理。第92页轮胎噪声之机理大致可以分为 1）胎体的结构振动， 2）胎面与路面之间的撞击，3）胎面与路面之间黏着及分离时的发声效应，4）胎面花纹效应，5）胎腔共振效应，及6）喇叭口效应。其中主要的是 1）， 4）和5），以下开始介绍。第93页这3种机理之中，胎体振动和胎腔共振的频谱与轮子旋转的速度无关，胎面花纹产生的噪声频谱的各峰顶频率是随车速增加的、。第94

35、页胎腔共振的产生条件是声波沿着胎腔中心的圆周形成驻波。右上图是一个周期的正弦波，波长是2pRc，其中Rc是胎腔中心点的半径。左图显示此驻波的节点在接地点和顶点，相差 180度。而胎压振幅最大值在左右，即 90度和270度两个位置。胎腔的左半此时由震荡产生的空气压力Dp是正的，产生向左方的力之大小是Dp乘上胎体内部向左方投影的面积的总积分，如图中公式所示；而胎腔右半的Dp是负的，其对右边投影面积的积分与左边的相似，由于方向相反，负负得正，产生的力也是向左，而大小相等。其合力如图中的积分公式所示。随着Dp的周期变化，对轮胎胎体变产生了水平方向，振幅为2·(Dp)·A，频率为（音

36、速/ 波长）的力的波动；这个力从胎体传到轮轴，再经由车身的结构传至车内，变成车体内部表面的振动而发出声音。图中所举的例子，胎腔共振频率是220赫兹。请注意，这种胎腔内部空气震荡产生的声音，是通过机械力的传递变成车内噪声的。实际上，降低这种车内噪声的主要手段，是在车身设计时加上减震和吸收振动的材料。至于轮胎设计，有人提出在胎腔内部加吸音材料，或阻止驻波形成的隔音板之类的。在专利文献中有，但实际商业上没有人做，估计是成本过高，不值一试。第95页关于胎体振动产生噪声的试验，图中所示是半消声室的转鼓有光滑与粗糙两种表面。其噪声瀑布图，请看下页。第96页上图是光滑面，水花是胎面花纹所致。下图是粗糙面，以

37、胎体振动为主，即瀑布也。第97页胎体振动固然可以是路面粗糙度引起的；但也可以从胎面花纹产生。图中演示由胎面横沟的带宽度，以及横沟的弯曲刚性变化所引起。第98页这里复习轮胎胎体振动模态分析，请回看第38页的说明。第99页这里复习轮胎胎体振动模态分析，请回看第41页的说明。这里强调充气压对胎体振动阻尼的影响。一般轿车胎的充气压在2到3个大气压，而全钢胎可达8个大气压或更高，使得全钢胎胎体振动的阻尼小，因此胎体振动作为噪声声源的比例会大为提高。一般认为全钢胎的噪声70%来自胎体振动，另外30%来自胎面花纹的气泵效应；而轿车胎则反是。第100页这里复习轮胎胎体振动模态分析，请回看第36页的说明。第10

38、1页要观察胎体振动发声的声源分布，可以使用近场声全息技术NAH。如图所示，使用的是2-维的麦克风相阵，数据处理方法类似光全息摄影；此法对低频的时空分辨率较佳。第102页这里是一个轿车胎用近场声全息技术得出的声源分布图。其主要振动模态看来是 R2.5 （请查看第35页），频率是128赫兹。第103页把前页的图中的色尺换成等高线便得到本页的结果。从左上，右上，左下，右下，分别为空气压（Dp），空气分子的速度，同步声强，和无功率声强。以左下图同步声强（有功率）代表有效的声源；本图表明在128赫兹，胎体振动发声的贡献不大。第104页这是208赫兹的结果，胎体振动有一定的发声作用。第105页到了628赫

39、兹，胎体振动发声基本上可以忽略不计；只剩接地面的胎面花纹噪声。以上三页的结果可参看第99页的右图做比较。第106页观察声源分布还可以考虑波束形成技术 Beaming forming Technique，如图所示，使用2-D 相控阵麦克风，方法类似合成孔径雷达（SAR），对高频信号处理效率较高。第107页这是车子160(千米/小时) 高速行进中，高频噪声声源的分布图（2000到4000赫兹），主要在接地印痕附近。请注意，驱动轮的噪声主要在接地的出口，而非驱动轮（后轮）的噪声则在接地印痕的入口。第108页下面讨论气泵效应与风琴管共振，这是轮胎胎面花纹发声最基本的机理。第109页胎面花纹造成的沟主要

40、可以分成横沟和纵沟。上图演示横沟在进出接地印痕时，所含空气的压紧和舒张过程，即所谓气泵作用。这种压力变化的过程，到底是脉冲形式，还是衰退的正弦波，要按实际测量的结果（在第115页会继续讨论）。右下图是纵沟，像风琴管。左下是开口风琴管的模型，在下一页进一步说明。第110页上图演示的是开口式风琴管内空气产生共振时的疏密波，节点在管长的中点，折振幅为零，而两端的关口振幅最大，此驻波的波长为管长的2倍。下图则增加了高阶的谐波，节点的数目依次增加为 2, 3, 4，等等。从频率乘以波长等于声速，右下给了风琴管共振频率与管长和阶数的关系之公式（其中 C代表声速）。第111页胎面的横沟有时一端是封闭的，可以

41、用图中的半开口式风琴管来代表，其封闭端必须是节点，如左图所示。右下的公式给了半开口式风琴管的共振频率与管长和阶数的关系（其中C是声速）。第112页本图说明路面结构对轮胎噪声的影响，横轴是车速，纵轴是噪声分贝数。图中绿色的点是水泥路面的结果，而红色的点是双层有孔隙的路面(Twin-Lay). 有趣的是水泥路面的噪声居然可以高出8个分贝！考虑到一般胎面花纹设计能改进半个分贝都很难， 8个分贝是极大的差别！第113页这里显示单层和双层有孔隙柏油路面的断面图。第114页本图说明不同路面对轮胎噪声频谱的影响，主要在900赫兹以上；这是气泵效应的范围。看来有孔隙路面的主要作用是破坏了气泵作用中的空气挤压和

42、舒张；漏气的风琴管气泵的效率显然会受到伤害。因此有空隙路面的结果，是强有力的证据，证明胎面噪声中气泵作用是最重要的机理。第115页关于胎面横沟气泵效应的声音波型，根据胎肩横沟路试的结果，人们观察到如左下图的波形，其特点是先有空气挤压形成一个脉冲，然后是半开式风琴管的余震，逐渐衰退。有些人便用矩形脉冲来表征这个现象（见右下图），并且忽略了余震的尾巴（请参看第81页的说明）。脉冲的高度，即声压的大小，由花纹沟的体积决定，而脉冲的时间长度，DT，则由沟宽和轮胎的速度决定。第116页使用矩形脉冲来表述横沟的气泵作用，虽然简单方便，但是由于没有震荡和波动，无法反映声波的干涉和加强作用。我们需要进一步了解

43、声波波形的特征，波形控制的主要参数，和声波之间的相互作用。第117页在进一步讨论横沟气泵作用之前，先介绍一种试验方法，可以大大地改善噪声信号的质量，即所谓声波同步平均法（Synchronized Averaging）。图中的曲线是麦克风实测光面胎加肩部横沟，实验室转鼓试验的数据，共3个周期。由于半消声实验室有问题，干扰的信号特别大，如图所示，信号质量很差。同步平均法的基本周期内想法是：在一个周期内将连续同周期的信号叠加起来，然后取平均值；这样，要量的周期函数不变，而干扰信号会大大地降低。干扰信号基本上有两类：1）随机的噪音的平均值，由于随机的特性，平均值会趋零，2）频率不同的干扰信号，按三角函

44、数的基本特性，在不同频率周期内的积分也是零。于是可以大大地改善所谓（信号/ 噪声比）。同步叠加的扳机 (Trigger) 不难，只需要在轮胎转轴上安装一个旋转编码器即可。第118页同步平均法取得的封闭横沟空气挤压之声压波形，低速50千米/时。请注意，类似衰退正弦波的信号有两个，一个对应进口的挤压过程，另一个在出口，对应横沟的舒展，或减压，过程。另一个和第115页不同之处，是脉冲似乎消失了。我们的解释是此处的横沟比较窄，DT，脉冲和风琴管的振动作用混在一起了。这和第84页，Bridgestone 专利的声压曲线十分接近，只是 Bridgestone 把接地时间的长度搞错了，以至于将第二个衰退的正

45、弦波放在接地时间的外面，而忽略不计了。第119页较短，这是车速加倍增到 100千米/时，声压震荡的幅度增加了；由于接地时间缩短了，造成前后两个衰退正弦波挤到一起了。第120页这里我们利用中间速度，72 千米/时，的数据说明胎面半封闭横沟气泵效应之模型。当我们把接地压力变化的曲线摆在一起时，可以看见入口处的空气挤压，和出口处的接地压回归零，都能造成空气在横沟的进出和震荡，形成看来像是衰退的正弦波的波形。震荡的频率由半开放风琴管的机理决定；至于振动幅度大小，则由接地压变换率来控制。第121页胎面花纹沟气泵和风琴管模型可以总结如下：l 纵向沟风琴管l 横向沟气泵口l 波形脉冲 + 衰减的正弦波l 波形本证频率风琴管模型l 波形峰值气泵的突起性2V(t)t2第122页最后，讨论如何降低轮胎噪声的问题。第123页轮胎噪声之改善可以分成两个方面：1）改善声音质量，即降低声音之调性：利用变节距技术，促成比较容易接受的白噪声或棕噪声。这种考虑主要应用在车内噪声问题。2）降低声音之强度，主要在车辆通过噪声，是个环境保