載貨車輪胎近場噪聲方向性的研究*

危銀濤,周福強(qiáng),劉 哲,項大兵

(清華大學(xué),汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)

載貨車輪胎近場噪聲方向性的研究*

危銀濤,周福強(qiáng),劉 哲,項大兵

(清華大學(xué),汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室,北京 100084)

載貨車輪胎噪聲在交通噪聲中占有很大的比重,研究載貨車輪胎聲輻射特征,對輪胎降噪和優(yōu)化具有重要的實際意義。本文中在分析載貨車輪胎噪聲的方向特性與發(fā)聲機(jī)理的關(guān)系基礎(chǔ)上,對5種花紋形式的載貨車輪胎進(jìn)行了近場聲壓試驗,提出噪聲圓度作為噪聲方向性判定方法,探討了不同花紋對輪胎噪聲轉(zhuǎn)折頻率的影響規(guī)律,分析了輪胎噪聲在不同頻率和車速下的方向特征。結(jié)果表明,載貨車輪胎噪聲具有較強(qiáng)的方向性,胎側(cè)聲壓比胎后聲壓約小10dB(A),低頻區(qū)主要為振動噪聲,方向性弱,高頻區(qū)主要為氣動噪聲,方向性強(qiáng);其轉(zhuǎn)折頻率明顯受輪胎花紋的影響,但行駛速度基本上不影響噪聲方向特性。

載貨;車輪胎噪聲;方向性;聲壓測試;聲學(xué)仿真

前言

交通噪聲越來越成為現(xiàn)代生活極大的困擾因素,當(dāng)車輛速度超過50km/h時,輪胎噪聲將占主導(dǎo)地位[1-5]。近年來各國汽車噪聲法規(guī)越來越嚴(yán)苛,歐盟標(biāo)簽法規(guī)定對進(jìn)入歐盟市場的輪胎施行嚴(yán)格的噪聲分級和標(biāo)簽制度。鑒于我國輪胎產(chǎn)業(yè)的自身特點和研究機(jī)構(gòu)以往對輪胎噪聲研究缺乏足夠重視,目前我國的輪胎產(chǎn)品噪聲控制遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐盟標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)地開展輪胎噪聲理論、試驗、仿真等方面的研究,為低噪聲輪胎的設(shè)計提供理論指導(dǎo),提升輪胎性能,是擺在產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界面前急迫的任務(wù)。

載貨車輪胎(下簡稱貨車胎)的特點是胎壓高、載荷大、振動沖擊嚴(yán)重,其噪聲對駕乘人員和周邊環(huán)境的影響比轎車輪胎更加嚴(yán)重。研究貨車輪胎的噪聲特性,發(fā)現(xiàn)汽車行駛速度、噪聲頻率與聲壓及噪聲方向性的規(guī)律,提出降噪及優(yōu)化方案,對加速發(fā)展我國低噪聲輪胎,提高輪胎產(chǎn)品的歐盟噪聲認(rèn)證通過率具有重要的實際意義。

近年來眾多學(xué)者對輪胎近場噪聲及聲輻射特性開展了研究。文獻(xiàn)[6]中通過環(huán)模型分析了輪胎振動模態(tài)參數(shù),獲得輪胎噪聲波長與輻射相位。文獻(xiàn)[7]中分析了轎車輪胎和貨車輪胎的噪聲及聲輻射特性,仿真結(jié)果和實測數(shù)據(jù)符合較好。文獻(xiàn)[8]中進(jìn)行了室內(nèi)輪胎噪聲測試試驗,指出輪胎噪聲聲強(qiáng)在不同方位差別明顯,并提出一種近場輪胎噪聲評判方法。文獻(xiàn)[9]～文獻(xiàn)[13]中使用有限元和邊界元法對輪胎噪聲進(jìn)行聯(lián)合仿真,找出輪胎噪聲聲源位置,獲得了輪胎聲輻射場特性。

上述文獻(xiàn)中從試驗或仿真角度提出了輪胎不同角度噪聲輻射場的方向特性,但未進(jìn)一步指出輪胎噪聲輻射場與頻率、車輪行駛速度的關(guān)系,未針對不同花紋形狀的輪胎給出噪聲方向性的差別,沒有給出定量比較方向性強(qiáng)弱的方法。

本文中分析貨車輪胎與方向性相關(guān)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理,設(shè)計貨車輪胎室內(nèi)聲壓試驗方案,對5種花紋輪胎進(jìn)行了噪聲方向性試驗,揭示了輪胎近場噪聲聲輻射場與頻率、行駛速度間的規(guī)律,提出了噪聲圓度作為評價噪聲方向性的判據(jù),獲得了上述輪胎的方向性特征,簡要分析了噪聲由低頻區(qū)域向高頻區(qū)域過度的轉(zhuǎn)折頻率受輪胎花紋影響特性。研究結(jié)果為優(yōu)化輪胎設(shè)計,降低輪胎噪聲提供指導(dǎo)。

1 輪胎噪聲的方向性與發(fā)聲機(jī)理

輪胎噪聲的方向性是一種輪胎近場噪聲特性,指的是輪胎噪聲在不同方向的傳播存在差別的性質(zhì)。它受噪聲源、輪胎結(jié)構(gòu)和發(fā)聲機(jī)理等多方面因素的影響。有眾多文獻(xiàn)揭示了輪胎噪聲發(fā)聲機(jī)理,如輪胎接地區(qū)縱向振動、切向振動、胎側(cè)振動、airpumping、花紋塊stick-snap、stick-slip、輪胎花紋與路面間呼吸效應(yīng)、管腔共振、Helmholtz效應(yīng)、泵浦效應(yīng)等,噪聲通常分為結(jié)構(gòu)振動產(chǎn)生噪聲與氣動產(chǎn)生噪聲兩類,振動噪聲分布在低頻區(qū),氣動噪聲分布在高頻區(qū)[14-16]。本文中具體研究貨車輪胎噪聲方向特性,它與如下發(fā)聲機(jī)理存在緊密關(guān)系。

1.1 花紋塊振動

輪胎花紋塊振動在貨車輪胎噪聲中起著主導(dǎo)作用,主要為花紋塊沖擊/脫離地面引起的法向振動與切向振動。噪聲產(chǎn)生示意圖如圖1所示。花紋塊振動噪聲頻率一般低于空氣動力噪聲頻率,在噪聲空間方向性方面存在幅頻疊加的特點[13]。

圖1 花紋塊振動

1.2 輪胎胎體振動

輪胎滾轉(zhuǎn)過程中,輪胎胎體甚至簾線均可能存在振動。這與輪胎結(jié)構(gòu)均勻性、安裝誤差等相關(guān),輪胎振動產(chǎn)生噪聲的示意圖如圖2所示。輪胎振動為輪胎模態(tài)振型的倍數(shù),噪聲量級較小。

圖2 輪胎胎體振動

1.3 泵浦噪聲

泵浦噪聲是輪胎滾動過程中,輪胎花紋塊不斷受到擠壓-釋放的循環(huán)過程,引起空氣被泵出和吸入,產(chǎn)生噪聲。隨著輪胎滾動,泵浦效應(yīng)對輪胎前后方向的空氣排出、吸入效果尤其明顯。與縱溝輪胎相比,載貨車的塊狀花紋輪胎因花紋塊大,易于空氣流動,減弱了輪胎臨近空氣不穩(wěn)定流動,故泵浦噪聲較小。

2 近場聲壓試驗

為獲得輪胎周向噪聲輻射特性,對貨車輪胎進(jìn)行了近場聲壓試驗。在半消聲室內(nèi),將貨車前輪支撐在轉(zhuǎn)鼓上,分別在4種速度等級下勻速行駛,達(dá)到穩(wěn)態(tài)后測量其聲壓。在輪胎聲源近場位置安放9個傳感器,測量輪胎近距離的聲場特性。各傳聲器指向輪胎,距離輪胎接地點水平距離1m,距離地面高度0.1m,近場聲壓試驗現(xiàn)場及測點布置如圖3所示。

圖3 聲壓測試與測點位置

選用3種規(guī)格花紋共5條輪胎進(jìn)行試驗,結(jié)果如圖4所示。其中,輪胎1為有較細(xì)小刀片的縱溝花紋輪胎,輪胎2為較大塊狀花紋塊的輪胎,輪胎3為塊狀花紋輪胎,輪胎4和輪胎5為兩種混合花紋輪胎。圖4以極坐標(biāo)的方式示出各輪胎A計權(quán)后的1/3倍頻程圖,圖中列出50,70,90和120km/h 4種車速,315,500,800,1 250和2 000Hz 5種頻率下的聲壓數(shù)據(jù)。

由圖4可見,近場噪聲呈現(xiàn)出很強(qiáng)的方向性特點,輪胎接地正后方(0°方向)的噪聲最大,90°方向噪聲最小,向180°又逐漸增大。分析5種輪胎,胎側(cè)聲壓比胎后聲壓約小10dB(A)。噪聲的強(qiáng)度與速度具有正相關(guān)性,隨著速度的增大,噪聲也相應(yīng)增大。但速度變化不影響聲壓的空間分布規(guī)律。

圖4 各輪胎1/3倍頻程圖

借鑒公差中圓度的概念,定義噪聲圓度作為噪聲方向性程度的判據(jù),即某一頻段f的最大噪聲聲壓與最小噪聲聲壓的差為

為便于不同速度、不同輪胎間比較,將Pf除以輪胎在該速度下的最大聲壓進(jìn)行歸一化,將其轉(zhuǎn)換到(0,1)區(qū)間,獲得歸一化的噪聲圓度誤差,用來比較不同輪胎的噪聲方向特性。

由圖5可見,隨著頻率的升高,5種輪胎噪聲指向性均逐漸增大。低頻噪聲與高頻噪聲相比方向性不明顯。低頻噪聲主要為振動噪聲,高頻噪聲主要為氣動噪聲[17-19]。1號輪胎為縱溝花紋輪胎,以氣動噪聲為主。圖4中,噪聲倍頻程量值明顯小于其他輪胎。2號和3號輪胎為塊狀花紋輪胎,以振動噪聲為主,圖5中在800～1 000Hz附近,由振動噪聲向氣動噪聲區(qū)域分界有相對清晰的跳變。4號和5號輪胎為混合花紋形式,在高低頻區(qū)域均存在振動與氣動噪聲,由振動噪聲向氣動噪聲轉(zhuǎn)變較平滑。實測1號輪胎在70km/h速度下不同測點的噪聲數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 輪胎噪聲圓度與頻率關(guān)系

表1 70km·h_-1車速時1號輪胎噪聲1/3倍頻程數(shù)據(jù) dB(A)

續(xù)表1 dB(A)

3 結(jié)論

輪胎噪聲方向性研究對于貨車輪胎降噪和輪胎優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。本文中分析了噪聲方向性與發(fā)聲機(jī)理的關(guān)系,對3種規(guī)格5條貨車輪胎進(jìn)行了噪聲試驗,提出方向性判據(jù),分析了貨車輪胎噪聲方向性特性。

(1)貨車輪胎噪聲具有較強(qiáng)的方向性。輪胎接地后端和前段噪聲較大,輪胎側(cè)面噪聲較小。輪胎后端噪聲略大于輪胎前端噪聲,輪胎后端噪聲比胎側(cè)噪聲大10dB左右。

(2)比較分析了不同輪胎4種車速下,頻率在300～4 000Hz的輪胎噪聲方向性特點,提出噪聲圓度描述噪聲方向特性。采用該方法獲得了噪聲方向性隨頻率和速度的變化規(guī)律,即頻率越高,噪聲方向性越明顯。但輪胎噪聲方向性與速度無明顯的關(guān)系,隨著速度增大,噪聲的聲壓值增大,但噪聲方向性不會隨著速度增大有明顯的變化,在各速度級別下均有相似的噪聲方向特性。

(3)不同類型輪胎在振動噪聲與氣動噪聲過度區(qū)域的轉(zhuǎn)折頻率明顯受花紋的影響。對于塊狀花紋輪胎,在800～1 000Hz由振動噪聲向氣動噪聲轉(zhuǎn)變有相對清晰的跳變;混合花紋輪胎在高低頻區(qū)域均存在振動與氣動噪聲,由振動噪聲向氣動噪聲轉(zhuǎn)變較平滑。

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A Study on the Directivity of Near-field Noise of Truck Tire

Wei Yintao,Zhou Fuqiang,Liu Zhe&Xiang Dabing
Tsinghua University,State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Beijing 100084

Truck tire noise accounts for very large proportion in total traffic noise,and the study on the sound radiation features of truck tire noise has important practical significance for tire noise reduction and tire optimization.In this paper,on the basis of an analysis on the relationship between the directional characteristics of truck tire noise and the mechanism of noise generation,a near-field sound pressure test is conducted on truck tires with five different treads,a measure of noise roundness is proposed to judge the directivity of tire noise,the regularity of the effects of tire treads on the turning frequency of tire noise is investigated,and the directional features of tire noise at different frequencies and vehicle speeds are analyzed.The results show that truck tire noise has strong directivity with its sound pressure in lateral direction is 10dB(A)less than that behind tire.The noise at low frequency range is mainly caused by vibration with a weak directivity while the noise at high frequency range stems from aerodynamic flow with strong directivity.The turning frequency of tire noise is apparently affected by tire treads but the driving speeds basically have little effects on tire noise directivity.

truck;tire noise;directivity;sound pressure measurement;acoustic simulation

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.015

*國家自然科學(xué)基金(51275265,51175286)資助。

原稿收到日期為2016年2月6日,修改稿收到日期為2016年3月21日。

危銀濤,研究員,weiyt@tsinghua.edu.cm。