基于頻譜分析的全鋼載重子午線輪胎花紋噪聲優(yōu)化

張春生，侯丹丹，廖發(fā)根，項(xiàng)大兵，危銀濤

（1.中策橡膠集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310018；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

輪胎噪聲的產(chǎn)生機(jī)理非常復(fù)雜，U.Sandberg等[1]將輪胎噪聲產(chǎn)生機(jī)理分為機(jī)械振動機(jī)理和空氣動力學(xué)機(jī)理兩大類，實(shí)際上兩部分噪聲會相互耦合，很難在試驗(yàn)中進(jìn)行解耦。輪胎噪聲性能與花紋結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，輪胎花紋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是降低輪胎噪聲最有效的方法。對于輪胎花紋的設(shè)計(jì)開發(fā)，其研究方法主要有試驗(yàn)和模擬仿真。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用模擬仿真方法進(jìn)行輪胎噪聲機(jī)理的研究逐漸成熟。Y.Nakajima等[2]、K.Sungtae等[3]、王琦等[4]、馮希金[5]、余潔冰等[6]和趙崇雷等[7-8]提出相關(guān)仿真分析方法，對輪胎振動噪聲和氣動噪聲展開大量研究工作。

相比模擬仿真，測試分析是對輪胎噪聲研究最直接有效的方法。常規(guī)輪胎花紋開發(fā)流程如圖1所示。首先工程師對輪胎花紋進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，然后生產(chǎn)實(shí)際輪胎并雕刻花紋，最后進(jìn)行性能試驗(yàn)和方案改進(jìn)。

圖1 輪胎花紋開發(fā)流程

本工作根據(jù)上述開發(fā)流程，首先對待優(yōu)化輪胎與對標(biāo)輪胎進(jìn)行噪聲測試，對比分析二者的噪聲頻譜特性，診斷出待優(yōu)化輪胎的主要噪聲源。在此基礎(chǔ)上，采用輪胎花紋節(jié)距優(yōu)化理論及節(jié)距優(yōu)化軟件對原始花紋進(jìn)行優(yōu)化，并對重新雕刻優(yōu)化后花紋的輪胎進(jìn)行噪聲測試，驗(yàn)證輪胎噪聲頻譜診斷方法的有效性。

1 輪胎噪聲產(chǎn)生機(jī)理

通過噪聲頻譜分析法改進(jìn)輪胎花紋設(shè)計(jì)首先需明確頻譜中各峰值所對應(yīng)輪胎噪聲的發(fā)聲機(jī)理，才能有針對性地提出花紋改進(jìn)及其優(yōu)化方向。

在滾動輪胎與路面接觸的過程中，振動噪聲和氣動噪聲的分析可以分為接地前端、完全接地和接地后端3個(gè)區(qū)域。輪胎接地過程中不同部位的噪聲發(fā)聲機(jī)理如圖2所示。

圖2 滾動輪胎接地時(shí)主要的噪聲發(fā)聲機(jī)理

1.1 泵浦噪聲

輪胎花紋溝從接地前端區(qū)域Ⅰ經(jīng)過完全接地區(qū)域Ⅱ再到接地后端區(qū)域Ⅲ的過程中，體積經(jīng)歷壓縮和擴(kuò)張的變化。在接地前端區(qū)域Ⅰ，輪胎花紋溝體積減小，空氣從接地前端花紋溝中泵出；在接地后端區(qū)域Ⅲ，花紋體積由封閉狀態(tài)打開，體積增大，空氣吸入花紋溝內(nèi)。接地前后端空氣的泵出與吸入的流動形成空氣泵浦噪聲。

R.E.Hayden[9]，S.Samuels[10]和K.Plotkin等[11]都對泵浦噪聲進(jìn)行了相關(guān)研究，K.Plotkin通過試驗(yàn)得出泵浦噪聲遠(yuǎn)場噪聲聲壓級（p）的計(jì)算公式如下：

式中，ρ0為靜態(tài)空氣密度，Q″為花紋溝體積變化的二階導(dǎo)數(shù)，V為車速，L為測點(diǎn)到聲源的距離。

1.2 管腔共振噪聲

在完全接地區(qū)域Ⅱ，如果存在橫向或縱向溝槽，接地區(qū)域內(nèi)花紋溝和路面形成類似兩端開口的“管腔結(jié)構(gòu)”，管腔溝槽在輪胎與路面的相互作用下，輪胎胎體的振動使溝槽內(nèi)的氣體不斷受到擠壓和釋放，從橫向花紋溝的兩側(cè)或縱向花紋溝的前后端排出，形成管腔共振噪聲。由聲學(xué)理論得知，其發(fā)聲的波長（λn）和頻率（fn）取決于路面和輪胎花紋溝的幾何形狀，相應(yīng)公式如下：

式中，le為管子的有效長度，c為聲速，n為模態(tài)階次，n＝1，2…。

如果花紋所有節(jié)距長度和排列順序不當(dāng)，隨著輪胎速度的變化，當(dāng)花紋管腔共振頻率與花紋泵浦噪聲頻率吻合時(shí)，管腔共振噪聲會明顯增大，而變節(jié)距花紋設(shè)計(jì)和一定的節(jié)距排列則可有效改善這種情況。

1.3 振動噪聲

在接地前端區(qū)域Ⅰ，輪胎花紋塊撞擊路面時(shí)發(fā)生機(jī)械振動并產(chǎn)生振動噪聲，振動噪聲是輪胎花紋特性與路面紋理相互作用的共同結(jié)果。在完全接地區(qū)域Ⅱ，輪胎花紋受到滾動輪胎振動的影響，花紋塊發(fā)生徑向、切向和側(cè)向的變形；同時(shí)，由于滑動摩擦系數(shù)隨接觸時(shí)間相對速度增大而減小，產(chǎn)生粘滑效應(yīng)，輪胎的粘附機(jī)理一般在輪胎受到較大切向力（如加速、制動、轉(zhuǎn)向等工況）時(shí)較為明顯。在接地后端區(qū)域Ⅲ，輪胎花紋脫離路面，迅速從壓縮狀態(tài)恢復(fù)原狀，導(dǎo)致花紋塊發(fā)生徑向和切向振動，稱為振動噪聲。輪胎花紋的振動及胎冠振動傳遞到胎側(cè)引起胎側(cè)的振動，由胎側(cè)向外輻射噪聲。

2 輪胎通過噪聲測試

2.1 試驗(yàn)樣品

待優(yōu)化輪胎型號為A01，對標(biāo)輪胎為國外知名品牌，型號為B01，試驗(yàn)輪胎規(guī)格為275/70R22.5，花紋樣式如圖3所示。

圖3 輪胎花紋樣式

2.2 試驗(yàn)方法

本工作采用的噪聲測試方法為歐盟標(biāo)簽法ECE R117中所規(guī)定的輪胎通過噪聲測試方法，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖4所示。試驗(yàn)車輛沿圖中所示的豎直中心線C-C′行駛，按指定速度從A-A′端空擋滑行（關(guān)閉發(fā)動機(jī)并切斷離合器）經(jīng)過試驗(yàn)區(qū)域至B-B′端，通過兩側(cè)的聲級計(jì)記錄車輛每次通過時(shí)噪聲的最大值[12]，同時(shí)記錄噪聲頻譜數(shù)據(jù)。

圖4 輪胎室外通過噪聲測試示意

依據(jù)法規(guī)要求，每套輪胎在60～80 km·h-1的速度范圍內(nèi)均勻選取8個(gè)測試點(diǎn)（測試過程中選擇62，64，66，68，72，74，76和78 km·h-1共8個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)測試點(diǎn)控制速度誤差在±1 km·h-1范圍內(nèi)）。最終將8個(gè)測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)歸一化到速度為70 km·h-1工況下的等效聲壓級。

3 結(jié)果與討論

3.1 初始花紋方案測試結(jié)果

A01和B01兩種輪胎的測試噪聲聲壓級分別為73和71 dB（A）?？梢钥闯觯齼?yōu)化輪胎的噪聲聲壓級比對標(biāo)輪胎大2 dB（A），因此需要進(jìn)行頻譜分析，以確定噪聲優(yōu)化方向。

3.2 頻譜分析

為分析待優(yōu)化輪胎的主要噪聲源，需對其噪聲頻譜進(jìn)行分析。在后續(xù)分析過程中，選擇每種輪胎速度在（72±1）km·h-1工況下的數(shù)據(jù)作為分析對象。A01和B01輪胎在不同速度工況下的噪聲頻譜對比如圖5所示。

圖5 A01和B01輪胎的噪聲頻譜

從圖5可以看出，在100～3 500 Hz頻率范圍內(nèi)兩種輪胎的聲壓級變化趨勢較為一致，這與兩種輪胎花紋在聲學(xué)特征上高度相似有關(guān)。但是，在不同速度下A01輪胎都在600～900 Hz頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的噪聲峰值，而且隨著速度的增大，峰值向高頻方向移動。結(jié)合這兩點(diǎn)趨勢，初步推斷該噪聲峰值是由速度相關(guān)性聲源產(chǎn)生。

為了進(jìn)一步分析峰值噪聲形成的具體原因，重點(diǎn)研究A01輪胎噪聲幅值隨速度和頻率變化的Colormap圖（見圖6）。從圖6可以清晰地看出A01輪胎的噪聲Colormap圖存在明顯的階次噪聲成分（圖中表現(xiàn)為黃色傾斜線條）。

圖6 A01輪胎的噪聲Colormap圖

已知A01輪胎周長為3 034.8 mm，花紋周節(jié)數(shù)為54。根據(jù)節(jié)距噪聲頻率計(jì)算公式：

式中，ve為輪胎滾動速度，Np為花紋周節(jié)數(shù)，rt為輪胎滾動半徑。

得到花紋節(jié)距噪聲峰值頻率如表1所示。

表1 A01輪胎節(jié)距噪聲頻率理論與試驗(yàn)結(jié)果 Hz

從表1可以看出，在不同車速工況下，A01輪胎試驗(yàn)頻譜均在二階節(jié)距頻率處產(chǎn)生較大峰值，而且在四階節(jié)距頻率處再次產(chǎn)生峰值。通過原始設(shè)計(jì)參數(shù)可以分析出該輪胎中節(jié)距噪聲出現(xiàn)明顯峰值的主要原因是其使用了周期性的節(jié)距排列方案，導(dǎo)致聲能量在頻域內(nèi)過于集中，從而產(chǎn)生較大的節(jié)距噪聲峰值。后續(xù)主要改進(jìn)方案是對其重新進(jìn)行節(jié)距設(shè)計(jì)和節(jié)距排列優(yōu)化，以降低噪聲的節(jié)距峰值，從而降低整體通過噪聲水平，使其噪聲頻譜更加接近對標(biāo)輪胎。

3.3 花紋優(yōu)化及測試結(jié)果

根據(jù)初步診斷結(jié)果，A01輪胎噪聲偏大的主要原因是花紋節(jié)距噪聲峰值偏大。通過采用清華大學(xué)輪胎力學(xué)課題組自主研發(fā)的低噪聲輪胎花紋節(jié)距優(yōu)化軟件對A01輪胎花紋節(jié)距個(gè)數(shù)和排列順序進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化前（A01）和優(yōu)化后（A01′）輪胎花紋的節(jié)距參數(shù)和排列方式如表2所示。

表2 A01和A01′輪胎花紋的節(jié)距參數(shù)和排列方式

根據(jù)優(yōu)化后的A01′花紋設(shè)計(jì)方案重新雕刻輪胎花紋進(jìn)行噪聲測試，通過噪聲聲壓級比A01輪胎降低2 dB（A）。輪胎花紋優(yōu)化后與優(yōu)化前及對標(biāo)輪胎的噪聲頻譜對比如圖7所示。

從圖7可以明顯看出：花紋節(jié)距排列優(yōu)化后的輪胎在不同測試速度下的噪聲頻譜峰值均得到了有效消除；優(yōu)化后輪胎不僅在聲壓級上與對標(biāo)輪胎一致，而且頻譜規(guī)律非常相近。因此二者的花紋設(shè)計(jì)方案在輪胎噪聲特性上實(shí)現(xiàn)了較為精準(zhǔn)的對標(biāo)。

圖7 輪胎花紋優(yōu)化后與優(yōu)化前及對標(biāo)輪胎的噪聲頻譜對比

綜合優(yōu)化前后輪胎的通過噪聲聲壓級、頻譜特性以及優(yōu)化后輪胎與對標(biāo)輪胎的頻譜結(jié)果，驗(yàn)證了該節(jié)距優(yōu)化方法的有效性，同時(shí)也體現(xiàn)了頻譜分析法在輪胎噪聲優(yōu)化過程中的重要作用。

4 結(jié)語

本工作首先對待優(yōu)化輪胎和對標(biāo)輪胎進(jìn)行通過噪聲測試，基于輪胎通過噪聲的頻譜特性和Colormap圖分析，診斷出待優(yōu)化輪胎的主要噪聲源是由花紋節(jié)距設(shè)計(jì)與排列不當(dāng)引起的。在此基礎(chǔ)上，采用節(jié)距優(yōu)化理論對待優(yōu)化輪胎花紋進(jìn)行節(jié)距排列和優(yōu)化，對優(yōu)化后輪胎進(jìn)行通過噪聲測試，輪胎通過噪聲聲壓級比優(yōu)化前降低2 dB（A）。進(jìn)一步分析優(yōu)化后的輪胎頻譜特性，在不同試驗(yàn)速度下的噪聲頻譜峰值均得到了有效消除，且其噪聲頻譜更加接近對標(biāo)輪胎在相同試驗(yàn)條件下的噪聲頻譜。試驗(yàn)結(jié)果表明，對待優(yōu)化輪胎的噪聲源診斷結(jié)果是有效的，同時(shí)體現(xiàn)了輪胎花紋節(jié)距設(shè)計(jì)與優(yōu)化在降低輪胎噪聲設(shè)計(jì)中的重要作用。