粗糙瀝青路面輪胎滾動(dòng)噪聲室內(nèi)室外試驗(yàn)匹配度研究

郭云飛，胡開明，權(quán)循宇，曹 誠，張文明

（1.上海交通大學(xué) 機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

輪胎滾動(dòng)噪聲是目前車輛噪聲的主要組成部分[1-3]，且隨著新能源車的普及與應(yīng)用，傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的噪聲占比越來越弱，使得輪胎噪聲的研究意義愈發(fā)明顯[4]。輪胎滾動(dòng)噪聲的主要振源來自于路面不平度激勵(lì)，而不同的路面形貌會(huì)產(chǎn)生不同頻段的輪胎噪聲。

中國目前的高速公路中，90%以上屬于瀝青路面，而隨著溫度、濕度、天氣條件的不同，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)不同種類與不同程度上的損害，從而形成噪聲明顯但并不十分影響駕駛的粗糙瀝青路面，中國仍處于高速公路大發(fā)展建設(shè)階段，因此國內(nèi)在瀝青路面養(yǎng)護(hù)方面還是以應(yīng)急性養(yǎng)護(hù)為主，從而使得粗糙瀝青路面在中國成為一種典型性路面[5]，已有研究表明，該類路面的輪胎噪聲頻段主要集中分布在中低頻段[6]。

魏建軍[7]從聲學(xué)原理的角度出發(fā)，分析了瀝青路面混合料的孔隙率、粒徑以及路面厚度對(duì)輪胎噪聲的影響；朱振華等[8]在半消聲室內(nèi)，利用水泥轉(zhuǎn)鼓鼓面對(duì)輪胎噪聲進(jìn)行了測試，并探究了不同環(huán)境（溫度、濕度）對(duì)輪胎噪聲的影響；陳燕等[9]研究了輪胎噪聲室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法與室外滑行法測試數(shù)據(jù)的相關(guān)性，其轉(zhuǎn)鼓鼓面采用水泥鼓面，室外試驗(yàn)采用瀝青路面，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)頻譜在800 Hz～1 600 Hz頻段內(nèi)有一定的相似性；劉先鋒等[10]在瀝青轉(zhuǎn)鼓鼓面上對(duì)某轎車進(jìn)行了車內(nèi)低頻噪聲的測試，通過改變車頂橫梁結(jié)構(gòu)改善了車內(nèi)后座存在的低頻轟鳴聲；S.C.C.Jeff等[11]研究表明，在室內(nèi)和室外輪胎噪聲測試中，車速工況為40 km/h、60 km/h、80 km/h時(shí)，相同測點(diǎn)位置的噪聲數(shù)據(jù)很接近。

從以上研究可以看出，由于瀝青鼓面的造價(jià)較高，對(duì)瀝青路面的輪胎噪聲研究中，室內(nèi)外的路面并未達(dá)到統(tǒng)一；且針對(duì)兩者噪聲數(shù)據(jù)的匹配度有定量研究的較少；其輪胎噪聲測點(diǎn)多為遠(yuǎn)場測點(diǎn)或車內(nèi)測點(diǎn)，較難真實(shí)還原輪胎滾動(dòng)噪聲。

本文針對(duì)車輛用戶抱怨較多，且在中國較為典型的粗糙瀝青路面，進(jìn)行了室內(nèi)瀝青轉(zhuǎn)鼓、室外專用試驗(yàn)道的輪胎滾動(dòng)噪聲試驗(yàn)，其測點(diǎn)位置包括車內(nèi)外共五個(gè)測點(diǎn)，并對(duì)兩者噪聲頻譜數(shù)據(jù)的匹配度進(jìn)行了定量的研究，從而獲得了惡劣天氣下，可替代室外試驗(yàn)的室內(nèi)試驗(yàn)工況與輪胎噪聲頻譜的匹配頻段。

1 匹配度評(píng)價(jià)方法

在判定兩條曲線的匹配度時(shí)，R2相關(guān)系數(shù)是一個(gè)重要的判定指標(biāo)[12]。相關(guān)系數(shù)R2=1-，其中是殘差平方和 ，是總偏差平方和。從公式中可以推出，相關(guān)系數(shù)即回歸平方在總平方和中所占的比率，它反映了回歸模型所能解釋的因變量變異性的百分比。例如R2=0.785時(shí)，則說明變量y的變異中有78.5%是由變量x引起的。當(dāng)R2=1，表示所有的觀測點(diǎn)全部落在回歸直線上，當(dāng)R2=0表示自變量與因變量無線性關(guān)系。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 測試方案

試驗(yàn)車輛為大眾某A級(jí)車，整備質(zhì)量為1 650 kg，輪胎尺寸為205/55 R16，其車內(nèi)噪聲狀況良好。試驗(yàn)前關(guān)閉行李箱蓋、天窗、所有的車窗和進(jìn)排氣的通風(fēng)裝置，除試驗(yàn)設(shè)備外，車內(nèi)無其他雜物；在輪胎冷態(tài)時(shí)，將氣壓調(diào)整到廠定的半載狀態(tài)氣壓；試驗(yàn)前對(duì)所有麥克風(fēng)進(jìn)行標(biāo)定；兩組試驗(yàn)中車內(nèi)駕駛員、測試員保持一致；試驗(yàn)開始之前，先將試驗(yàn)車輛以100 km/h勻速行駛15 min，對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)熱。試驗(yàn)工況為30 km/h、40 km/h、50 km/h勻速工況以及50 km/h～20 km/h滑行工況，每組數(shù)據(jù)采集3次，時(shí)長為10 s，采樣頻率為44.1 kHz。

室內(nèi)試驗(yàn)在四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓消聲室內(nèi)進(jìn)行，采用轉(zhuǎn)鼓倒拖的方式使輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬車輛的行駛，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于熄火狀態(tài)并掛空擋。為了保證試驗(yàn)工況的一致性，轉(zhuǎn)鼓鼓面采用圖1中的瀝青轉(zhuǎn)鼓鼓面，可以發(fā)現(xiàn)其表面紋理與圖2中的光鼓鼓面有明顯不同，這也是試驗(yàn)的創(chuàng)新性所在。

圖1 瀝青轉(zhuǎn)鼓鼓面

圖2 光鼓鼓面

如圖3所示，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓，根據(jù)車內(nèi)車速記錄儀數(shù)據(jù)采集不同工況下噪聲數(shù)據(jù)。

室外試驗(yàn)在試車場內(nèi)專用瀝青試驗(yàn)道進(jìn)行，如圖4（右側(cè)車道）所示。試驗(yàn)道長200 m，每次試驗(yàn)時(shí)，均保持車輛從南向北行駛，采集路段為試驗(yàn)道中的固定路段，以此保持試驗(yàn)的穩(wěn)定性。

試驗(yàn)中使用KMT車速傳感器測量車輛行駛速度，該設(shè)備通過Pulse接口將車速信號(hào)輸出給SQuadrigaⅡ8通道數(shù)采測量系統(tǒng)，SQuadrigaⅡ設(shè)備將采集信號(hào)輸出給計(jì)算機(jī)，使用Artemis SUITE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。為保證試驗(yàn)工況的一致性，在進(jìn)行室內(nèi)室外試驗(yàn)時(shí)，車外傳聲器均配置風(fēng)球，以減少周圍空氣流動(dòng)過大對(duì)其產(chǎn)生影響。

圖3 室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)

圖4 室外試驗(yàn)道試驗(yàn)

2.2 測點(diǎn)布置

在利用傳聲器進(jìn)行噪聲測量時(shí)，聲源的復(fù)雜性、不同測點(diǎn)的位置會(huì)使得測量結(jié)果大不相同。因此為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，測點(diǎn)的選擇十分重要。

車內(nèi)測點(diǎn)測量結(jié)果可以體現(xiàn)駕乘人員最真實(shí)的聽覺感受，這也是各主機(jī)廠在NVH方面最關(guān)切的問題之一，且在該路面工況下，測量結(jié)果中輪胎噪聲的比重較大；車外測點(diǎn)結(jié)果可以體現(xiàn)輪胎道路噪聲最真實(shí)的反應(yīng)。因此，同時(shí)設(shè)置車內(nèi)外測點(diǎn)可以全面地對(duì)輪胎噪聲進(jìn)行評(píng)估。

在測量設(shè)備和測量環(huán)境允許的情況下，主機(jī)廠對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行測量時(shí)，通常在車內(nèi)設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)，可以排除某些位置出現(xiàn)異響對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行干擾，即試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)比4個(gè)測點(diǎn)，若數(shù)據(jù)結(jié)果沒有明顯差別，即可判斷車內(nèi)無干擾噪聲；分析時(shí)，若發(fā)現(xiàn)4個(gè)測點(diǎn)結(jié)果差別不大，可僅取一個(gè)測點(diǎn)即駕駛員耳側(cè)測點(diǎn)進(jìn)行分析；

為了排除發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，不宜在前輪布置測點(diǎn)；為了排除排氣噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，不宜在左后輪布置測點(diǎn)；在位置允許的情況下，可在右后輪輪軸左右兩側(cè)各布置一個(gè)測點(diǎn)，但考慮到室外實(shí)驗(yàn)時(shí)，左側(cè)測點(diǎn)的固定吸盤桿傾斜方向與汽車行進(jìn)方向相反，具有一定的危險(xiǎn)性，因此車外測點(diǎn)僅設(shè)置一個(gè)。

本試驗(yàn)共布置5個(gè)測點(diǎn)，其位置示意圖如圖5所示。

圖5 測點(diǎn)位置示意圖

在車內(nèi)布置4個(gè)傳聲器，傳聲器的測點(diǎn)位置代表駕駛員和乘客耳部位置的噪聲，可簡單地描述為左前，右前，左后，右后。準(zhǔn)確的位置描述為：傳聲器的垂直位置高出空座椅表面和座椅靠背面相交線0.7±0.05 m，并處于相交線的正上方，水平位置離車內(nèi)裝飾距離0.2±0.02 m，使用吸盤將傳聲器固定在所述位置，圖6、圖7分別為左前和左后傳聲器的安裝情況。

圖6 左前測點(diǎn)位置

圖7 左后測點(diǎn)位置

近場布置測點(diǎn)時(shí)，一般傳聲器與聲源的相對(duì)位置在10 cm～30 cm為宜，距離過遠(yuǎn)將使得聲壓變低，噪聲變長，距離過近則由于傳聲器自身存在的“近距效應(yīng)”，使得低頻聲過高，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)。輪胎滾動(dòng)噪聲中的聲源位置在輪胎與地面接觸的前后緣，所以，傳聲器的離地高度應(yīng)盡量接近聲源位置，出于試驗(yàn)安全性的考慮，將近場傳聲器布置在離地10 cm，距離車輪側(cè)壁20 cm，距離輪軸20 cm處。如圖8、圖9所示。

此傳聲器在試驗(yàn)中配置風(fēng)球，以減少周圍空氣流動(dòng)對(duì)測試結(jié)果的影響。

圖8 室外車外測點(diǎn)位置

圖9 室內(nèi)車外測點(diǎn)位置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

使用Head公司的Artemis分析軟件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選取3次測試結(jié)果的平均值作為最終值，測試結(jié)果分為勻速和滑行兩種工況進(jìn)行討論。

圖10為不同勻速車速工況下，室內(nèi)室外左前測點(diǎn)的噪聲頻譜匹配情況，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車速為20 km/h、30 km/h時(shí)，噪聲頻譜的大致趨勢一樣，但匹配度不高，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)分別為R220km/h=0.823 6、R230km/h=0.8129；當(dāng)車速為40 km/h、50 km/h時(shí)，在1 200 Hz以下，其匹配度較高，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)分別為R240km/h=0.958 6、R250km/h=0.9503；而1 200 Hz頻段以下也是該路面的主要噪聲頻段。

圖11為不同勻速車速工況下，車外測點(diǎn)的噪聲頻譜匹配情況，可以發(fā)現(xiàn)，無論是低速還是高速車速下，其匹配情況都要好于車內(nèi)測點(diǎn)，在1 200 Hz以下，計(jì)算其相關(guān)系數(shù)分別為R220km/h=0.985 6，R230km/h=0.9829，R240km/h=0.9686，R250km/h=0.9003。

圖10 勻速工況下左前測點(diǎn)室內(nèi)外噪聲頻譜對(duì)比

圖12(a)為滑行工況下，左前測點(diǎn)的噪聲頻譜匹配情況，在1 200 Hz以下，其匹配度較高，相關(guān)系數(shù)為R250-20km/h=0.9739，圖12(b)為滑行工況下車外測點(diǎn)匹配情況，在2 000 Hz以下，其匹配度較高，曲線基本重合，相關(guān)系數(shù)為R250-20km/h=0.9869。

圖11 勻速工況下車外測點(diǎn)室內(nèi)外噪聲頻譜對(duì)比

圖12 噪聲頻譜匹配情況

4 結(jié)語

本文所進(jìn)行的室內(nèi)外輪胎噪聲匹配度的研究中，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了該路面的四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓瀝青鼓面輪胎噪聲試驗(yàn)，試驗(yàn)中較為全面地覆蓋了車內(nèi)外測點(diǎn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)道試驗(yàn)結(jié)果的匹配程度進(jìn)行了定量的研究；研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)因惡劣天氣而無法進(jìn)行粗糙瀝青路面的室外試驗(yàn)時(shí)，在四驅(qū)轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，可布置右后車外測點(diǎn)進(jìn)行輪胎噪聲的采集，無論是滑行工況還是勻速工況下，其噪聲數(shù)據(jù)都與試驗(yàn)道數(shù)據(jù)有著較高的匹配程度；如果需要進(jìn)行車內(nèi)測點(diǎn)的噪聲采集，則建議工況取滑行工況或車速大于40 km/h的勻速工況。獲得了與粗糙瀝青路面室外輪胎噪聲試驗(yàn)相匹配的多測點(diǎn)的室內(nèi)試驗(yàn)工況，減少了對(duì)環(huán)境的依賴性，提高了重復(fù)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與安全性，降低了試驗(yàn)成本。