變節距花紋輪胎噪聲特性研究

劉海潮，葛劍敏

?

變節距花紋輪胎噪聲特性研究

劉海潮，葛劍敏

(同濟大學聲學研究所，上海 200092)

采用主流的室內實驗室轉鼓方法對變節距花紋輪胎噪聲進行了測試。對具有復雜花紋的乘用輪胎和載重輪胎的噪聲頻譜特性進行對比分析。對于乘用輪胎，輪胎花紋噪聲隨著速度的增加呈現一個偏于線性的增長趨勢；對于載重輪胎，輪胎花紋噪聲反而沒有明顯的增長趨勢，曲線較為平緩；不同品牌乘用輪胎與不同品牌載重輪胎在標準速度下的1/3倍頻程頻譜曲線變化趨勢有較大差異；與手工刻制的等節距輪胎噪聲相比，成品輪胎所采用的變節距花紋結構設計有效地降低了各頻段噪聲峰值；對于變節距花紋成品輪胎，波浪形態橫溝設計優于銳角形態，更優于正交形態；連通組花紋結構優于半連通組，更優于不連通組。文章為低噪聲輪胎花紋結構優化提供了有意義的參考結論。

變節距；輪胎花紋分類；實驗室轉鼓法；低噪聲

0 引言

輪胎噪聲理論研究的起步較晚，從上世紀70年代初人們才逐漸重視對輪胎噪聲發聲機理的研究，國內也是從上世紀80年代陸續開始了對輪胎噪聲的研究。R. E. Hayden首先認識到空氣泵吸(Air Pumping)機理并得到花紋溝聲壓級的半經驗公式[1]。后來Lawrence等研究得出氣柱共鳴噪聲與氣泵噪聲是橫向花紋溝槽噪聲的兩大機理[2]。輪胎噪聲的產生機理極其復雜，既與輪胎本身的剛度[3]、輪胎花紋的結構有關，又與路面狀況、車輛行駛速度有關[4]。近年來，人們對于噪聲污染的問題愈發重視，各個國家輪胎標簽法中對輪胎噪聲的要求越來越嚴格，輪胎/道路噪聲[5]的研究勢在必行[6]。本文通過對市場上主流的具有變節距[7]花紋輪胎進行大量實驗，并結合理論分析對比現有國內外成品輪胎的噪聲頻譜特性，為以后的低噪聲輪胎花紋結構優化設計提供了重要的參考意見。

1 輪胎噪聲的實驗室轉鼓法測量

1.1 試驗條件及方法

實驗室轉鼓法[8]是現在輪胎測試的唯一室內測試方法，轉股設備帶動輪胎以不同的速度轉動，根據不同的需要利用液壓系統施加不同的載荷，以鼓面模擬路面。傳聲器根據需求放置在相應的位置來采集輪胎噪聲數據。試驗地點為上海同濟大學輪胎轉鼓實驗室；試驗輪胎為規格是205/55R16、385/65R22.5子午線復雜花紋結構合格成品輪胎，測試采用輪胎噪聲實驗室轉鼓試驗方法中的標準載荷與標準胎壓。數據采集使用丹麥B&K公司的 Pulse數據采集前端。試驗中采集記錄1/3倍頻程的A聲級，并對某些具體速度區間中的輪胎噪聲總的A聲級進行詳細的對比分析[9]。

1.2 輪胎噪聲試驗方案

在輪胎花紋噪聲轉鼓試驗中，國外轉鼓材質各不相同，考慮到新近起草的關于輪胎噪聲轉鼓法測量國家標準的要求，國內轉鼓均為鋼質表面，主要布置一個標準遠場測點。標準遠場測點布置在輪胎外側面距離輪胎中心面1.5 m、剛性反射面(地面)1.5 m、輪胎轉動方向前方0.25 m處，布點布置示意圖如圖1所示。

2 輪胎噪聲聲學機理

輪胎噪聲的機理包括兩個方面，一是與輪胎花紋相關的，包括空氣泵吸機理、溝槽內的氣柱共鳴聲以及空氣紊流噪聲。二是振動輻射噪聲，包括輪胎結構振動噪聲、路面不平振動噪聲、不均勻性振動噪聲、局部自激振動噪聲等。輪胎空腔共鳴音[10]對車內噪聲[11]的影響已經有國外相關人員進行了研究。本文利用實驗室轉鼓法則可以有效測出與輪胎花紋相關的噪聲部分。

2.1 泵浦噪聲

泵浦噪聲原理示意圖如圖2所示。

由R. E. Hayden提出單極子聲源花紋溝的聲壓級半經驗公式為[1]

式中：()為聲源至觀測點的聲壓；、、、分別為胎面溝槽的深度、長度、寬度和溝數；為由變形引起的溝槽體積的變化；為輪胎的滾動速度。

圖2 空氣泵浦噪聲原理示意圖

Fig.2 Sketch map of air pumping noise

2.2 亥姆霍茲共鳴器噪聲

兩端封閉的輪胎橫向溝在接地區被完全封閉,袋狀溝中空氣被過分擠壓,當接地后緣處被打開時,原來接地區被壓縮的空氣從花紋溝與路面形成的噴口處噴出，形成赫姆霍茲共鳴器，其諧頻頻率為

2.3 空氣柱共鳴噪聲

橫向溝槽與路面接觸時形成不同的兩端開放情況。由物理學基本理論得知：如果管子一端開口而另一端封閉，其共振頻率為

如果兩端開放，共振頻率為

式中：為聲速；為管長；=1, 2, 3, 4, 5。

如果花紋按照一個特定不變的順序排列即等節距，隨著速度的變化，當花紋間距頻率及花紋溝固有頻率等頻率吻合時，氣柱共鳴噪聲就會被極大的強化，而變節距花紋設計則可有效改善這類情況。

3 變節距花紋輪胎在標準測試條件下的1/3倍頻程A聲級對比分析

成品輪胎花紋屬于復雜變節距輪胎花紋。不同品牌的成品輪胎具有不同的橫向溝槽幾何尺寸、花紋塊參數和節距等。通過對比研究標準條件下的1/3倍頻程噪聲頻譜曲線，結合聲學理論對結果進行分析，可得出低噪聲花紋結構優化設計的基本原則。

3.1 不同花紋形態輪胎噪聲1/3倍頻程頻譜特性

本文對國內市場上主流的11款規格為205/ 55R16成品輪胎進行變速下的噪聲測試，并且根據輪胎花紋橫向溝槽與輪胎縱溝的相對位置關系將輪胎劃分為正交組、銳角組和波浪組；同時也根據輪胎花紋橫向溝槽與輪胎縱溝的相對位置關系分為連通、半連通與不連通三種類型。

圖3給出的是三條特定的輪胎80 km/h時1/3倍頻程頻譜曲線，而在圖4中則運用統計平均的方法得出每種形態的輪胎噪聲1/3倍頻程頻譜曲線。圖4所選為分屬于正交組、銳角組、波浪組花紋形態的三種規格均為205/55R16的成品乘用輪胎，在速度工況為80 km/h時，三種輪胎聲能均集中在幾個特定的頻帶，且均在800~1250 Hz頻段內出現峰值。雖然圖4中并未排除每個輪胎特定花紋結構參數差異所帶來的輪胎噪聲的差異性，但是對低噪聲花紋結構設計仍然具有較好的參考意義。正交組輪胎噪聲1/3倍頻程曲線峰值明顯高于其他兩種形態。波浪形態輪胎無論是在總的A聲級還是噪聲頻譜的均勻性上均優于其他兩種類型。

3.2 變節距花紋不同種類成品輪胎1/3倍頻程頻譜噪聲特性

圖5為成品乘用輪胎1/3倍頻程噪聲頻譜曲線，而圖6則為成品載重輪胎1/3倍頻程噪聲頻譜曲線，對于乘用輪胎而言，不同品牌輪胎之間噪聲頻段峰值雖然各有差異，但是頻譜曲線特征相似，而載重輪胎在噪聲頻段峰值和頻譜特性上均有較大差異。

4 變節距花紋成品輪胎速度變化下的A聲級對比

4.1 速度變化下不同花紋形態輪胎的A聲級

圖7、8為速度變化下，不同花紋形態輪胎的聲級。圖7不難看出，成品乘用輪胎在連通、半連通與不連通三種不同的花紋設計中，噪聲有著明顯的差異，連通組的噪聲最小，其次是半連通組，最后是不連通組。分析這三種不同組別輪胎的噪聲，當輪胎與路面接觸時不連通組輪胎的橫向溝槽與路面形成相對比較封閉的帶有一端很小的開口的管子，極易形成類似于亥姆霍茲共振器的結構，泵浦效應比較突出。而對于連通組與半連通組的輪胎，由于輪胎橫向溝槽兩端是開放的，泵浦效應相對弱一些。

為了使輪胎噪聲具有良好的可比性，圖8中的輪胎均選擇對稱花紋結構，且花紋橫溝與縱溝均連通的規格同為205/55R16的成品乘用輪胎。通過圖8中曲線可以直觀地得出波浪形態花紋噪聲優于銳角形態，正交形態花紋噪聲最高。而目前市場上正交形態花紋的輪胎占有很大比例，低噪聲輪胎有很大的發展空間。

4.2 速度變化下不同節距狀態輪胎噪聲的A聲級

對光面胎而言，輪胎噪聲A聲級隨著速度的增加呈現出比較明顯的線性增大趨勢。經過線性擬合，得出光面胎噪聲A聲級隨速度變化的擬合公式為

通過計算可以得到其相關指數2=0.9933，充分說明其線性相關性非常好，如圖9所示。

圖10所示為自刻等節距花紋輪胎，屬于正交連通組。經過線性擬合，得出自刻花紋輪胎噪聲A聲級隨速度變化的擬合公式為

通過計算可以得到其相關指數2=0.9124，充分說明其線性相關性也非常好(見圖11)，僅次于光面胎。而對于成品輪胎而言，輪胎噪聲A聲級隨著速度的變化則呈現出復雜的變化趨勢(見圖12)。

圖9 規格為205/55R16的光面輪胎在不同速度下A聲級的變化曲線

Fig.9 The SPL(A) variation curves of 205/55R16 smooth tires at different speeds

對于規格為385/65R22.5的載重輪胎胎面花紋主要均為縱向溝槽，僅僅刻有少量的橫向刻痕無明顯橫向溝槽。該種載重輪胎噪聲產生機理明顯不同于乘用輪胎，載重輪胎噪聲主要是由輪胎振動噪聲和花紋塊撞擊噪聲組成。僅對385/65R22.5的輪胎而言，輪胎噪聲隨速度變化不明顯(見圖13)。

5 結論

本文著重從實驗數據入手對于不同花紋形態，不同類別的復雜變節距花紋輪胎噪聲進行對比分析，得出一些對低噪聲輪胎花紋結構設計具有重要參考意義的結論：(1) 在輪胎花紋結構設計上，某些國產輪胎花紋噪聲要優于國外知名品牌；(2) 對于乘用輪胎，輪胎花紋噪聲隨著速度的增加呈現一個偏于線性的增長趨勢；對于載重輪胎，輪胎花紋噪聲反而沒有明顯的增長趨勢，曲線較為平緩；(3) 不同品牌乘用輪胎在標準速度80 km/h時，1/3倍頻程各頻段A聲級大小各有不同，但是頻譜曲線變化趨勢較為一致；不同品牌載重輪胎在標準速度70 km/h時1/3倍頻程各頻段A聲級大小與頻譜曲線變化趨勢均有較大差異；(4) 與手工刻制的等節距輪胎噪聲相比，成品輪胎所采用的變節距花紋結構設計有效地降低了各頻段的噪聲峰值。(5) 對于這些變節距花紋成品輪胎而言，波浪形態橫溝設計優于銳角形態，更優于正交形態；橫向溝槽與縱向溝槽連通組優于半連通組，更優于不連通組。

[1] Hayden R E. Roadside noise from the interaction of a rolling tyre with the road surface[C]. J. Acoust. Soc. Am, 1971, 50(1A): 113-113.

[2] Lawrence J O, Artemis A. The noise of cross groove tire tread pattern elements[C]// SAE Technical Paper 850988, 1985, 884-908.

[3] Ka-Yee Ho, Wing-Tat Hung, Chung-Fai Ng, et al. The effects of road surface and tyre deterioration on tyre/road noise emission[J]. Applied Acoustics, 2013, 74(7): 921-925.

[4] 俞悟周, 毛東興, 王佐民. 輪胎/道路噪聲及測量[J]. 聲學技術, 2000, 19(2): 90-94.

YU Wuzhou, MAO Dongxing, WANG Zuomin. Tire/road Noise and Its Measurement[J]. Technical Acoustics, 2000, 19(2): 90-94.

[5] Sandberg U, Ejsmont J A. Tyre/Road Noise Reference Book[M]. Informex, SE-59040, Kisa, Sweden, 2002.

[6] 毛東興, 洪宗輝. 環境噪聲控制工程[M]. 北京: 高等教育出版社 2009.

MAO Dongxing, HONG Zonghui. Environment noise control engineering[M]. Beijing: High Education Press, 2009.

[7] Yukio Nakajima. Theory on pitch noise and its application [J]. Journal of Vibration and Acoustics, 2003, 125(3): 252-256.

[8] Sandburg U, Jerzy A E. Development of three methods for measurement of tire/road noise emission: coast-By, trailer and laboratory drum noise[J]. Control Engineering Journal, 1986,27(3): 68-88.

[9] 杜功煥, 朱哲民, 龔秀芬. 聲學基礎[M]. 南京: 南京大學出版社, 2001.

DU Gonghuan, ZHU Zhemin, GONG Xiufen. Basis of acoustics[M]. Nanjing: Press of Nanjing University Press, 2001.

[10] Scavuzzo R W, Charek L T, Sandy P M, Shteinhauz G G. Influence of wheel resonance on tire acoustic cavity noise. Society of Automotive Engineers[C]// SAE 940533, Detroit, MI, 1994.

[11] Sakata T, Morimura H, Idle H. Effects of tire cavity resonance on vehicle road noise[J]. Tire Science and Technology, 1992, 65(2): 457-462.

Noise features of tires with variable pitch tread

LIU Hai-chao, GE Jian-min

(Institute of Acoustics, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The noise of tires with variable pitch tread is tested by the unique indoor laboratory drum method. The spectral characteristics of the noise for passenger car tires and truck tires with complex patterns are analyzed. For passenger tires, tire tread noise presents a somewhat linear growth trend as the speed increases. For truck tires, tire tread noise has no clear growth trend but more like a gentle curve. The presented spectrum curve trends of 1/3 octave band are very different between the two kinds of tires in standard speed. Compared to the equal pitch designing, the finished tire using variable pitch tread reduces the noise peak of SPL(A) in each band. In these finished tires with variable pitch tread, the wavelike cross groove design is better than that of the lateral grooves with an acute angle, and the orthogonal formation is the worst in noise; The connected structure between lateral and longitudinal grooves is better than the half connected one, and the disconnected one is worst. This paper provides some meaningful conclusions for the design of the low-noise tread structure.

variable pitch; tread classification; laboratory drum method; low-noise

TQ336.1

A

1000-3630(2015)-06-0540-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.06.014

2015-05-28;

2015-08-29

劉海潮(1990－), 男, 山東人, 碩士研究生, 研究方向為噪聲與振動控制。

劉海潮, E-mail: haichao1199009@126.com