輪胎噪聲室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法與室外滑行法測試結(jié)果的相關性研究

陳 燕，朱振華，陳 弘，俞 峰

（中策橡膠集團有限公司，浙江 杭州 310018）

輪胎噪聲是車輛噪聲的重要來源之一，轎車輪胎噪聲占整車噪聲的20%～50%[1]。隨著汽車數(shù)量的不斷增加，汽車噪聲污染越來越嚴重。電動汽車的普及使輪胎噪聲所占比例增大，尤其在高速行駛時，輪胎噪聲成為車輛最主要的噪聲源。

歐盟2012年實施了標簽法EC 1222/2009，對輪胎噪聲的要求越來越苛刻，這無疑對中國輪胎出口造成強烈的沖擊。隨著國內(nèi)人們生活品質(zhì)的提高，對車輛的乘坐舒適性也提出了更高的要求，我國已制定滑行法噪聲測試國家標準[2]，并即將出臺國內(nèi)標簽法。輪胎噪聲測試主要分為轉(zhuǎn)鼓法和滑行法。

實驗室轉(zhuǎn)鼓法輪胎噪聲測試有以下優(yōu)點[3]：

（1）在室內(nèi)進行，受氣候及環(huán)境的影響小；

（2）測試時間短，測試結(jié)果的重復性好；

（3）隨機誤差小，信噪比高；

（4）如果整個轉(zhuǎn)鼓表面的模擬路面結(jié)構一致，則測試結(jié)果的可比性較好，適用于對比同種輪胎、不同花紋的噪聲；

（5）由于無多普勒效應，因此特別適用于通過窄帶頻譜分析進行輪胎噪聲機理的研究；

（6）簡單、方便、快捷，相對于滑行法，試驗費用較低。

轉(zhuǎn)鼓法的缺點是需要昂貴的轉(zhuǎn)鼓設備以及消音室或半消音室，難以模擬不同的路面情況。

標簽法三項性能要求中，通過噪聲是其中的一項門檻指標，其測試方法是R117法規(guī)[4]中的輪胎滑行法噪聲測試。雖然滑行法測試結(jié)果能夠很好地表征輪胎/路面噪聲向外部遠場輻射的實際情況，測量精度較高，但其存在如下缺點：（1）試驗費用高；（2）需要有符合一定標準的測試路段；（3）測試耗時長且受外部環(huán)境，尤其是氣候條件（風、雨等）影響很大；（4）必須遠離交通區(qū)域；（5）不能對單個輪胎進行測試[3]。

歐盟R117法規(guī)確定的輪胎噪聲限值是采用滑行法測試的，而目前國內(nèi)大多數(shù)輪胎企業(yè)采用轉(zhuǎn)鼓法進行輪胎噪聲測試，因此建立兩者測試結(jié)果之間的相關性對于節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本和縮短周期都具有非常重要的意義。

普利司通公司采用JASO C606轉(zhuǎn)鼓，直徑為3 m，轉(zhuǎn)鼓表面采用NTS-1（模仿實際道路表面），無論對于乘用輪胎還是載重輪胎，都獲得了相當高的相關性[5]。

S.C.C.Jeff等[1]研究表明，在道路試驗和實驗室輪胎噪聲測試中，兩者相同位置的麥克風測試結(jié)果在40，60，80 km·h-1速度時很接近。

陸寅嘯等[6]對SP06和SW601兩款輪胎分別進行了轉(zhuǎn)鼓法和滑行法測試，發(fā)現(xiàn)兩種方法的測試結(jié)果呈線性相關關系。計算得出兩款輪胎的預測值與實測值誤差都在0.5 dB以內(nèi)。

楊永寶等[7]采用自開發(fā)的輪胎半消聲室混合噪聲試驗方法，建立了輪胎近場噪聲與遠場噪聲的相關模型，為采用輪胎室內(nèi)噪聲預測遠場噪聲提供了理論依據(jù)。

研究輪胎低噪聲與低滾動阻力之間的相互影響通常有兩種方法。一種方法是進行參數(shù)變量研究，即每次改變輪胎或道路的一個特性參數(shù)，評價輪胎噪聲和滾動阻力隨之發(fā)生的變化。另一種方法是統(tǒng)計大量不同輪胎的輪胎/道路噪聲和滾動阻力試驗結(jié)果，并進行對比分析[8]。本工作借鑒這兩種研究方法，研究不同設計參數(shù)對轉(zhuǎn)鼓法和滑行法噪聲測試結(jié)果的影響。

1 實驗

在輪胎噪聲實驗室[9]進行轉(zhuǎn)鼓法試驗，參照相關試驗方法[10-11]，麥克風位置距離輪胎中心平面線1 m，麥克風在輪胎中心平面線和中心軸線所構成的平面中，并距離轉(zhuǎn)鼓表面0.25 m，麥克風朝向與輪胎中心軸平行，如圖1所示。麥克風與接地中心的距離（R1）可計算如下：R1=（12＋0.252）1/2=1.031（m）。

圖1 輪胎轉(zhuǎn)鼓法噪聲測試麥克風位置示意

室外滑行法噪聲測試在定遠試驗場進行，試驗采用的車型軸距為2.502 m，前輪距和后輪距分別為1.450和1.445 m，假設測試最大值對應的位置為正對軸距中心處，則麥克風與輪胎接地中心的距離（R2）可通過下式計算：R2=[（7.5－1.45/2）2＋（1.2）2＋（2.502/2）2]1/2=6.993（m）。

將輪胎接地印痕看成點聲源，根據(jù)聲波傳遞規(guī)律，轉(zhuǎn)鼓法測點聲壓級（L1）和滑行法測點聲壓級（L2）的差計算如下：L1－L2=20lg（R2/R1）=20lg（6.993/1.031）=16.63[dB（A）]。

因車輛兩側(cè)各有兩條輪胎，因此相對于轉(zhuǎn)鼓法的單條輪胎來說，應該再減去3 dB（A），也就是比轉(zhuǎn)鼓法測點低13.63 dB（A）。

夏季乘用輪胎是輪胎噪聲控制的難點，選取195/60R15規(guī)格轎車輪胎進行試驗，設計的6個方案如下：方案1和2，不同花紋結(jié)構；方案3和4，不同胎面和胎側(cè)膠配方；方案5和6，不同帶束層結(jié)構。

2 結(jié)果與討論

確保各方案輪胎在制造過程中各半制品尺寸等在工藝偏差范圍內(nèi)，成品均勻性和動平衡性能優(yōu)良，并且無任何質(zhì)量問題。為確保原材料特性和工藝的一致性，轉(zhuǎn)鼓法和滑行法噪聲測試所用輪胎為同一批次試制，所用原材料批次均相同。在進行轉(zhuǎn)鼓法試驗時，盡量保持6個方案輪胎測試條件的一致性，如消音室內(nèi)溫濕度、輪胎氣壓、預熱時間等。因用于研究，最終處理結(jié)果不進行修約。不同方案80 km·h-1速度下轉(zhuǎn)鼓法和R117法規(guī)滑行法測試結(jié)果見表1。

表1 不同方案轉(zhuǎn)鼓法和滑行法噪聲測試結(jié)果 dB（A）

由表1可見：對于不同花紋結(jié)構設計，轉(zhuǎn)鼓法測試噪聲方案2大于方案1，滑行法測試結(jié)果趨勢一致；對于不同膠料配方設計，從轉(zhuǎn)鼓法測試結(jié)果看，方案4的膠料配方對降低輪胎噪聲效果明顯，滑行法測試結(jié)果與轉(zhuǎn)鼓法趨勢一致；對于不同帶束層結(jié)構，兩種測試方法的結(jié)果都是方案5的噪聲性能優(yōu)于方案6。測試結(jié)果說明改變輪胎設計參數(shù)，可以通過轉(zhuǎn)鼓法的測試結(jié)果優(yōu)劣判定滑行法測試結(jié)果的優(yōu)劣。6個方案兩種方法測試的聲壓級差值均在12.69～13.53 dB（A）范圍內(nèi)，且與理論計算值13.63 dB（A）接近，差值都在1 dB（A）之內(nèi)，說明了理論計算的合理性。實際聲壓級差值一般都比理論計算值小，其原因可能是滑行法測試結(jié)果受到車體、風噪等干擾造成的。

對6個方案的轉(zhuǎn)鼓法和滑行法噪聲測試結(jié)果進行線性擬合，見圖2，直線方程為y=0.928 4x－7.130 8，相關因數(shù)（R2）達到0.787 1，說明相關性較強。測試路面和車輛對輪胎噪聲都有很大影響[12]。造成轉(zhuǎn)鼓法與滑行法測試結(jié)果之間差異的最主要原因可能是轉(zhuǎn)鼓表面是光滑的，與滑行法測試的瀝青路面的材質(zhì)相差較大，而且轉(zhuǎn)鼓有一定的曲率，兩種測試方法輪胎的安裝方式不同也是造成差異的主要原因之一。

圖2 轉(zhuǎn)鼓法和滑行法噪聲測試結(jié)果相關性擬合

在滑行法測試中，對某些速度的頻譜進行了采集，由于不需要直接測試80 km·h-1的聲壓級，對78 km·h-1時滑行法與轉(zhuǎn)鼓法測試結(jié)果的頻譜進行了對比，方案3和4的轉(zhuǎn)鼓法和滑行法測試結(jié)果的1/3倍頻頻譜如圖3所示。由圖3可見，低頻噪聲區(qū)分度不明顯，但在大于400 Hz頻段，轉(zhuǎn)鼓法測試結(jié)果明顯大于滑行法。這可能是由于低頻噪聲受空氣和路面的影響小，噪聲衰減慢，而高頻噪聲則衰減很快。在底盤測功機上，輪胎接地面前緣區(qū)域[13]輻射聲音頻率為500～2 000 Hz，尤其是在800～1 600 Hz頻率范圍內(nèi)聲壓級很高。在800～1 600 Hz頻段，無論是轉(zhuǎn)鼓法還是滑行法測試結(jié)果，方案3噪聲都比方案4大，說明在此頻段兩種測試方法的測試結(jié)果趨勢基本一致，并且峰值都出現(xiàn)在800～1 000 Hz，存在一定的相似性。大于1 600 Hz的高頻段，在轉(zhuǎn)鼓法噪聲測試中，可能是在高速下有風噪的影響，故區(qū)分度不明顯。

圖3 方案3和4轉(zhuǎn)鼓法與滑行法噪聲測試結(jié)果1/3倍頻頻譜對比

3 結(jié)論

通過不同方案輪胎轉(zhuǎn)鼓法和滑行法的測試得出如下結(jié)論。

（1）輪胎轉(zhuǎn)鼓法與滑行法噪聲測試結(jié)果趨勢一致，對于不同輪胎設計方案噪聲性能判定，可以通過轉(zhuǎn)鼓法測試結(jié)果的優(yōu)劣判定滑行法測試結(jié)果的優(yōu)劣。

（2）兩種方法測試結(jié)果的聲壓級差值與理論計算值的誤差均在1 dB（A）之內(nèi)。

（3）兩種測試結(jié)果的1/3倍頻頻譜圖在中頻段（800～1 600 Hz）有一定的相似性。

本工作僅研究了單個規(guī)格的夏季轎車輪胎，且樣本容量小，今后要擴展到夏季輪胎的其他規(guī)格及其他類型輪胎如輕型載重輪胎和冬季輪胎等。