C3輪胎通過噪聲的試驗研究*

楊永寶危銀濤陳亞龍王昊項大兵李志超

（1.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室；2.湖南工業(yè)大學(xué)）

C3輪胎通過噪聲的試驗研究*

楊永寶1危銀濤1陳亞龍1王昊1項大兵1李志超2

（1.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室；2.湖南工業(yè)大學(xué)）

為達到利用輪胎室內(nèi)試驗部分取代室外試驗的目的，針對不同花紋和結(jié)構(gòu)的C3輪胎（載重輪胎），利用混合型室內(nèi)噪聲試驗與室外通過噪聲試驗，分析了輪胎室內(nèi)通過噪聲與室外通過噪聲的相關(guān)性。輪胎的室內(nèi)噪聲測試包括輪胎的近場噪聲和遠場噪聲測試；室外通過噪聲試驗是利用滑行法在ISO 10844標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的路面上完成。試驗結(jié)果表明，輪胎室內(nèi)近場噪聲與遠場噪聲數(shù)據(jù)的數(shù)量關(guān)系符合點聲源的衰減規(guī)律，經(jīng)過合理校正后的輪胎室內(nèi)遠場噪聲與輪胎室外通過噪聲值基本一致，即利用輪胎的室內(nèi)近場噪聲測試結(jié)果可以預(yù)判輪胎室外通過噪聲值。

1 前言

隨著汽車發(fā)動機技術(shù)的不斷提高，發(fā)動機噪聲顯著降低，而輪胎噪聲成為了道路交通噪聲的重要來源[1～8]。歐盟輪胎標(biāo)簽法中針對各類輪胎的通過噪聲規(guī)定了相應(yīng)的限值，這對輪胎企業(yè)既是挑戰(zhàn)也是機遇[3]。如何在輪胎初期開發(fā)階段通過易操作、低成本的方式得到原型輪胎準(zhǔn)確的通過噪聲數(shù)據(jù)就成為了行業(yè)的重要問題之一，尤其是對于通過噪聲達標(biāo)率較低的C3輪胎（載重輪胎）。

目前，輪胎噪聲的測試方法主要是室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法和室外滑行法。室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法的測試條件可控、操作方便且成本較低，但無法直接得到輪胎的通過噪聲[9，10]；室外滑行法則需在室外標(biāo)準(zhǔn)試驗路面上進行[11]，并需依據(jù)歐盟ECE R117標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的程序進行測試[12，13]。

本文針對C3輪胎，結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)缺點，將所設(shè)計的室內(nèi)混合試驗與室外的通過噪聲試驗相結(jié)合，得到了輪胎的室內(nèi)、外噪聲間的定量關(guān)系，從而達到了利用轉(zhuǎn)鼓法預(yù)測輪胎通過噪聲的目的。

2 室內(nèi)噪聲試驗

本文主要針對C3輪胎（下稱輪胎）進行測試，測試輪胎為4種花紋形式的輪胎，一款輪胎的規(guī)格為315/60R22.5，花紋形式分別為塊狀花紋（代號CM335）和條狀花紋（代號CR966），另一款輪胎的規(guī)格為385/65R22.5，花紋形式為混合花紋（代號AT557）和條狀花紋（代號WSR1），依次編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如圖1所示。本文的室內(nèi)試驗同時實現(xiàn)輪胎近場噪聲和遠場噪聲的測量，以獲得輪胎室內(nèi)近場噪聲與遠場噪聲間的相關(guān)性。

2.1 試驗設(shè)備

試驗用車輛為CA4180P66K2AZ 4×2平頭牽引車。將待測輪胎安裝至試驗車右前輪，按照標(biāo)準(zhǔn)對車輛加載、調(diào)整負(fù)荷，并依次安裝其它所需設(shè)備[14]。

為測量輪胎近場噪聲，如圖2所示，在輪胎一側(cè)從接地處后端以逆時針順序（0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°處）安置9個傳聲器，傳聲器距地高度均為0.1 m，距輪胎中心距離為1 m，傳聲器水平指向輪胎。

為測量輪胎的遠場噪聲，在距待測輪胎中軸線一側(cè)7.5 m遠、高1.2 m處均勻安置5個傳聲器，傳聲器間距為2 m，用以模擬輪胎的通過噪聲，如圖3所示。

試驗在半消聲室內(nèi)進行，環(huán)境溫度為25℃，背景噪聲＜25 dB（A）。

2.2 試驗過程

試驗主要分為背景噪聲測試和勻速行駛測試兩部分。背景噪聲測試時，當(dāng)試驗車輛未上轉(zhuǎn)鼓時，按照圖2中所示方法將傳聲器布置好，所有設(shè)備不啟動，記錄消聲室內(nèi)的背景噪聲，然后再開啟轉(zhuǎn)鼓測量車速分別為50 km/h、70 km/h、90 km/h和120 km/h工況下的背景噪聲。勻速行駛試驗時，將試驗車在底盤測功機上固定好，關(guān)閉汽車空調(diào)等可能產(chǎn)生其它無關(guān)噪聲的設(shè)施，將轉(zhuǎn)鼓設(shè)置為“轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動”模式，然后啟動與被測輪胎對應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓，使轉(zhuǎn)鼓以恒定轉(zhuǎn)速控制方式帶動車輪轉(zhuǎn)動，分別測量車速穩(wěn)定在50 km/h、70 km/h、90 km/h和120 km/h工況下輪胎近場及輪胎遠場噪聲數(shù)據(jù)信息，同步記錄輪胎轉(zhuǎn)速及車速，每個工況測量時間為15 s。

3 通過噪聲試驗

室外通過噪聲試驗的測試對象與室內(nèi)噪聲試驗輪胎相同，試驗嚴(yán)格按照測試標(biāo)準(zhǔn)ECE R117中對輪胎噪聲測試的要求進行，該測試得到的輪胎室外通過噪聲用來與室內(nèi)遠場噪聲測試結(jié)果進行對比。

3.1 試驗設(shè)備

試驗所用測試車輛為功率為136 kW的東風(fēng)天錦中卡底盤，驅(qū)動形式為4×2，軸距為5 m。為滿足測試輪胎的配重要求，試驗車輛車架上安裝了適當(dāng)?shù)呐渲?，并依照?biāo)準(zhǔn)要求將輪胎擋泥板拆掉。為更好地屏蔽車輛所帶來的額外噪聲，試驗前進行了符合標(biāo)準(zhǔn)要求的聲學(xué)處理，如圖4所示。其余所需試驗設(shè)備可參考文獻[14]和文獻[15]。

3.2 試驗過程

試驗在符合ISO 10844標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的北京交通部公路試驗場進行，試驗環(huán)境溫度低于40℃，風(fēng)速低于5 m/s，背景噪聲小于60 dB（A）。

試驗車輛在關(guān)閉發(fā)動機及變速器置于空擋的情況下進入A-A線或B-B線。車輛行駛的中心線與地面中心線基本重合，如圖5所示。車輛在通過傳聲器位置時，記錄安裝在試驗車上的Vbox所顯示的瞬時車速，車速應(yīng)保持在60～80 km/h范圍內(nèi)，并記錄2個傳聲器的最大聲壓級（A聲級）。對于左、右兩側(cè)的傳聲器，在60～70 km/h的車速范圍和70～80 km/h車速范圍分別至少測試4次，所得符合要求的結(jié)果不少于8組。每次測試時記錄空氣、地表溫度及風(fēng)速。

4 試驗結(jié)果及討論

4.1 室內(nèi)近場及遠場噪聲數(shù)據(jù)

在室內(nèi)混合試驗中，利用布置在近場和遠場的傳聲器分別采集到了輪胎近場和遠場的噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理得到了對應(yīng)不同速度下經(jīng)過A計權(quán)后的輪胎噪聲聲壓級數(shù)據(jù)。為研究輪胎室內(nèi)近場噪聲與遠場噪聲間的相關(guān)性，將4條輪胎的室內(nèi)近場噪聲聲壓級與遠場噪聲聲壓級數(shù)進行了對比分析，結(jié)果表明，室內(nèi)近場60°點位置的噪聲與室內(nèi)遠場噪聲之間存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達到0.979 5，如圖6所示。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，輪胎的室內(nèi)近場噪聲與室內(nèi)遠場最大噪聲間存在一定數(shù)量關(guān)系。為確定該數(shù)量關(guān)系，需對上述噪聲數(shù)據(jù)進行進一步處理。考慮近場測得的輪胎噪聲達到遠場的傳聲器前會產(chǎn)生一定程度的衰減，這里假設(shè)輪胎噪聲的衰減符合點聲源衰減規(guī)律，即

表1為60°位置處傳聲器測得的近場噪聲與遠場噪聲間數(shù)量關(guān)系。表1中，N代指室內(nèi)近場噪聲，F(xiàn)代指室內(nèi)遠場噪聲，絕對誤差代指依據(jù)點聲源衰減規(guī)律所計算得到的近場噪聲衰減后的遠場噪聲聲壓級與實際遠場噪聲聲壓級間的差值。

表1 60°位置處傳聲器測得的近場噪聲與遠場噪聲間數(shù)量關(guān)系

由表1可知，輪胎的室內(nèi)近場噪聲與遠場噪聲之間的相關(guān)性與輪胎近場噪聲的指向性特征有關(guān)。60°位置處的傳聲器測得的輪胎近場噪聲與室內(nèi)最大遠場噪聲間的關(guān)系比較符合點聲源衰減規(guī)律，其平均相對誤差不超過于1%，絕對誤差小于1 dB（A）。

4.2 室外通過噪聲數(shù)據(jù)

利用室外噪聲測試得到的輪胎通過噪聲值，并依照ECE R117中規(guī)定的方法對測試結(jié)果進行了數(shù)據(jù)后處理，得到了4種不同花紋形式輪胎各自的室外通過噪聲聲壓級數(shù)據(jù)，如表2所列。

表2 輪胎室外通過噪聲測試結(jié)果

由于該輪胎的室外通過噪聲測試時的參考速度是70 km/h，若要考察室內(nèi)輪胎遠場噪聲與室外輪胎通過噪聲間的相關(guān)性，則室內(nèi)的遠場噪聲也應(yīng)取速度為70 km/h時對應(yīng)的噪聲值。由于室外通過噪聲的結(jié)果是按照ECE R117標(biāo)準(zhǔn)向下圓整減一校正后的結(jié)果，為使室內(nèi)、外通過噪聲在同等標(biāo)準(zhǔn)下進行比較，對室內(nèi)的遠場噪聲也進行了相應(yīng)校正。表3為輪胎在70 km/h速度下的室內(nèi)遠場噪聲與室外通過噪聲對比結(jié)果。

表3 輪胎在70 km/h速度時的室內(nèi)遠場噪聲與室外通過噪聲對比結(jié)果 dB（A）

由表3可發(fā)現(xiàn)，4組輪胎的測試結(jié)果中，實際上只有1號和2號輪胎的測試結(jié)果經(jīng)過了校正，這需要分析不同規(guī)格輪胎的室內(nèi)、外試驗方法進行解釋。如圖3所示，室內(nèi)試驗中僅有1條輪胎轉(zhuǎn)動發(fā)出噪聲，而在室外試驗中4條輪胎均產(chǎn)生噪聲（圖5）。對315/60輪胎來說，室外測試時4個輪位的輪胎完全一致，假設(shè)這4個輪胎發(fā)出的噪聲聲壓級也一致，進一步假設(shè)單側(cè)的聲壓計僅受到單側(cè)兩個輪胎噪聲的影響，根據(jù)噪聲疊加原理，獨立聲源疊加公式為：

式中，ptot為經(jīng)過疊加后的總聲壓值；pi為獨立聲源聲壓值。

則兩個獨立聲源疊加后的總聲壓級為：

式中，Lp為兩個聲源疊加后的總聲壓級；Li為單個聲源的聲壓級。

由式（3）可知，室外通過噪聲的聲壓級理論上將比室內(nèi)通過噪聲的聲壓級大3 dB（A），因此CM335和CR966輪胎的室內(nèi)通過噪聲應(yīng)加上3 dB（A）的校正。但是對于寬基的385/65輪胎則不需要校正，原因在于ECE R117規(guī)定，對于寬基輪胎的室外通過噪聲測試，僅需將2條寬基輪胎裝在后軸，而在前軸安裝低噪聲的小規(guī)格無花紋輪胎，因此可認(rèn)為對于385/65寬基輪胎，室外通過噪聲主要受1條輪胎影響，因而在比較室內(nèi)、外通過噪聲時無需對室內(nèi)噪聲進行校正。

由表3可知，校正后的室內(nèi)遠場噪聲和室外通過噪聲的最大誤差是1 dB（A），對于315/60中型載重子午線輪胎，室內(nèi)遠場噪聲均等于室外通過噪聲，而對2個385/65大規(guī)格寬基載重子午線輪胎，誤差是1 dB（A），且均是室內(nèi)通過噪聲大于室外通過噪聲。對于這種現(xiàn)象，可能的原因是寬基載重胎和中型載重胎發(fā)聲機理不完全一致，對寬基輪胎來說，接觸區(qū)域較大，封閉在接觸區(qū)域中花紋將產(chǎn)生強烈的泵浦噪聲，較大的接觸區(qū)域也容易引發(fā)stick-slip（粘滑）和stick-snap（粘吸）噪聲，所以輪胎的噪聲以泵浦噪聲和摩擦噪聲為主。泵浦噪聲和摩擦噪聲在光滑表面更容易激發(fā)，因為轉(zhuǎn)鼓表面比ISO10844路面更光滑，所以對寬基輪胎而言，室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓表面上的通過噪聲更大。

上述試驗結(jié)果表明，經(jīng)過對室內(nèi)輪胎噪聲測試結(jié)果恰當(dāng)修正后，輪胎的室內(nèi)遠場噪聲與室外通過噪聲的結(jié)果相比差別較小，可近似認(rèn)為一致。通過前述中對室內(nèi)近場噪聲和遠場噪聲測試結(jié)果的相關(guān)性分析可知，輪胎的室內(nèi)近場噪聲與室內(nèi)遠場噪聲相關(guān)性良好，因此，為建立輪胎近場噪聲與室外通過噪聲結(jié)果間的關(guān)系，需要對輪胎的室內(nèi)近場噪聲與室外通過噪聲測試結(jié)果進行定量分析。

參照表1，直接利用點聲源的衰減規(guī)律對輪胎在60°位置處、速度為70 km/h時的近場噪聲及室外通過噪聲數(shù)據(jù)進行了對比分析，結(jié)果如表4所列。表4中，N列數(shù)據(jù)代表輪胎的近場噪聲聲壓級，O列數(shù)據(jù)代表輪胎的室外通過噪聲聲壓級，對室內(nèi)通過噪聲按ECE R117的標(biāo)準(zhǔn)采用取整減1的方法進行處理。

表4 60°位置、速度為70 km/h時傳聲器測得的輪胎近場噪聲與室外通過噪聲間的對應(yīng)關(guān)系 dB（A）

由表4可知，4組輪胎在60°位置處、速度為70 km/h時傳聲器測得的輪胎近場噪聲與室外通過噪聲間基本符合點聲源的衰減規(guī)律，最大校正誤差為2 dB（A），考慮到試驗的離散性以及數(shù)據(jù)量較小等因素，該結(jié)果仍在可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

結(jié)合C3輪胎室內(nèi)噪聲試驗與室外通過噪聲試驗，通過研究室內(nèi)噪聲與室外通過噪聲的相關(guān)性，得出如下結(jié)論：

a.輪胎的室內(nèi)近場噪聲與室內(nèi)遠場噪聲的相關(guān)性需要考慮輪胎近場噪聲的指向性；兩個噪聲數(shù)據(jù)的數(shù)量關(guān)系符合點聲源的衰減規(guī)律。

b.經(jīng)過合理校正后的輪胎室內(nèi)遠場噪聲與輪胎室外通過噪聲值基本一致，最大誤差在1 dB（A）。

c.利用輪胎的室內(nèi)近場噪聲測試結(jié)果可預(yù)判輪胎室外通過噪聲值，最大誤差可控制在2 dB（A）以內(nèi)。

1 范俊巖.輪胎噪聲研究的現(xiàn)狀與發(fā)展.輪胎工業(yè),2006,26（4）:195～197.

2 Wolfgang Kropp,Patrick Sabiniarz,Haike Brick,Thomas Beckenbauer.On the sound radiation of a rolling tyre.Jour?nal of sound and vibration,331(2012):1789～1805.

3 ECE Regulation No.117.Uniform provisions concerning the approval of tyre with regard to rolling sound emissions and to adhesion on wet surfaces and/or to rolling resistance,2011

4 Graf R A G,Kuo C Y,Dowling A P，et al.On the horn effect of a tyre/road interface,part 1:experiment and computation.Journal of sound and vibration.2002,256（3）:417～431.

5 Heckl M.Tyre noise generation.Wear.1986（13）:157～170.

6 Syed R Ahmed.Flow-induced noise from ground vehiclesproblems and prospects of numerical simulation.Society of engineering science,35th Annual technical meeting,Wash? ington,1998.

7 陳理君,李曉輝,楊立,等.輪胎花紋噪聲及其降噪方法.噪聲與振動控制,2004,24(1):10～13.

8 Ulf Sandberg.Tyre/road noise-Myths and realities.VTI Sar?tryck 345.2001.pp1～22.

9 Woodward,David,Woodside,,et al.Development of the USI Laboratory Test to Predict Tyre/Road Noise.International Journal of Pavements.2005(4):72～81.

10 Ulf Sandberg.Possibilities to replace outdoor coast-by tyre/road noise measurements with laboratory drum measure?ments.Background document for milestone decision by SI?LENCE SP C.2008,1.

11 ISO 10844.聲學(xué)—測量道路車輛及車輛輪胎噪聲排放的試驗車道規(guī)范.2011（E）.

12 Robert J Bernhard,Rebecca S McDaniel.Basics of Noise Generation for Pavement Engineers.Transportation Re?search Record:Journal of the Transportation Research Board.2005(1941):161～166.

13 Timothy J Copeland,R Seth Wilhoit.Tire noise pass-by testing system meets latest standards.SOUND&VIBRA?TION,2012.pp12～16.

14 陳亞龍.C3輪胎通過噪聲研究:[學(xué)位論文].北京：清華大學(xué),2014.

15 用于測量輪胎噪聲的車輛.中國發(fā)明專利.CN103983348 A.2014-8-13.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年5月22日。

Experimental Study on C3 Tire Pass-by Noise

Yang Yongbao1,Wei Yintao1,Chen Yalong1,Wang Hao1,Xiang Dabing1,Li Zhichao2
（1.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University;2.Hunan University of Technology）

In order to substitute outdoor tire noise test with indoor tire noise test,hybrid indoor noise test and outdoor pass-by noise test are carried out with C3 tires(heavy truck tire)with different structures and patterns to analyze the correlation between the indoor tire pass-by noise and outdoor pass-by tire noise.The indoor noise test includes test of near-field noise and far-field noise of tires;whereas outdoor test is carried out through the coast-by test on the proving ground specified in ISO10844.It is demonstrated that quantitative relation between the near-field noise of tires and the farfield noise of tires accords with the attenuation rule of point acoustic source.And the properly corrected indoor far-field noise of tires basically agrees well with the outdoor pass-by noise of tire,i.e.the test results of indoor near-field noise of tire can be utilized to judge the outdoor pass-by noise value of tires.

Tire,Near-field Noise,Far-field Noise,Pass-by Noise

輪胎 近場噪聲 遠場噪聲 通過噪聲

U463.341+.3

A

1000-3703（2015）11-0047-05

國家自然科學(xué)基金資助項目51275265,51175286。