某靜音海綿輪胎降噪效果的研究

李盛、程恒

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

0 引言

隨著整車NVH 性能的逐漸提升，輪胎噪聲越來越凸顯，嚴重影響駕乘體驗。同時，純電動汽車和混合動力汽車出現(xiàn)，傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機噪聲不再成為主要問題，那么輪胎的噪聲問題就逐漸凸顯出來。在我國，隨著純電動汽車和混合動力汽車的保有量增加，輪胎的噪聲問題逐漸成為整車NVH 的主要抱怨點。

因產(chǎn)生的機理不同，傳遞的方式不同，導致輪胎噪聲的種類很多。不同的噪聲，降噪的方式也會不一樣。各輪胎企業(yè)，特別是一些知名的公司對于輪胎的NVH 研究多年，會根據(jù)輪胎噪聲產(chǎn)生的機理，制定出不同的靜音輪胎產(chǎn)品。

米其林的Acoustic 輪胎、德國馬牌輪胎的靜音技術(shù)ContiSilent 以及倍耐力的PNCS 輪胎等，這些新技術(shù)的關鍵在于胎面內(nèi)側(cè)附加的聚氨酯海綿隔層。據(jù)介紹，這種特殊的隔層能產(chǎn)生強大額阻尼減振效應，阻隔輪胎滾動時所產(chǎn)生的聲波。無論車輛的行駛路況如何，傳入車內(nèi)的輪胎噪聲可降低最多達9 dB，極大地提升了駕乘體驗，因此這類輪胎也被稱為靜音海綿輪胎。

靜音海綿輪胎的其他零部件以及輪胎花紋均與普通車胎完全一致，因此在制動性、濕地操控等方面的表現(xiàn)同樣卓越。而且，靜音海綿輪胎在輪轂裝配及車胎安裝過程方面，也與同類常規(guī)車胎并無差異。

為真正了解靜音海綿輪胎的降噪效果，我司對靜音海綿輪胎的NVH 性能進行了研究和評估。通過靜音海綿輪胎和普通輪胎的對比測試，包括整車NVH 測試和輪胎的室內(nèi)噪聲臺架測試，來分析靜音海綿輪胎的降噪原理，確定降噪的實際效果，以為后續(xù)整車的NVH 優(yōu)化提供方向。

1 輪胎的噪聲類別

輪胎的噪聲按照產(chǎn)生機理可以分為兩大類：一類由振動產(chǎn)生，一類由空氣運動產(chǎn)生。振動產(chǎn)生的噪聲主要是輪胎在路面的作用下，輪胎的結(jié)構(gòu)和輪胎內(nèi)的空氣產(chǎn)生振動，通過輪輞和車軸將振動傳遞到車身和方向盤等，然后噪聲在車廂內(nèi)傳播?？諝膺\動產(chǎn)生的噪聲主要是輪胎在路面的作用下，輪胎的胎冠產(chǎn)生振動，然后通過聲學放大，噪聲在空氣中傳播[1]。

1.1 振動產(chǎn)生的噪聲

通過路面的激勵產(chǎn)生噪聲的機理主要體現(xiàn)在兩方面：一方面是輪胎的結(jié)構(gòu)振動，一方面是輪胎內(nèi)腔內(nèi)的空氣振動。輪胎的結(jié)構(gòu)振動是輪胎在路面上滾動時，塊狀凹凸撞擊激勵胎面產(chǎn)生的振動通過輪胎結(jié)構(gòu)傳遞。輪胎結(jié)構(gòu)的振動頻率在800 Hz 左右，由此產(chǎn)生的噪聲不易察覺，本文不做展開。

而輪胎內(nèi)腔內(nèi)的空氣振動所產(chǎn)生的噪聲（后稱空腔噪聲）是噪聲的主要來源。輪胎內(nèi)部空氣有它自己的固有模態(tài)，它的一階模態(tài)稱為腔體模態(tài)，對于典型的乘用車輪胎來說，一階腔體模態(tài)的頻率為200～250 Hz，而且頻率大小與其體積有關[2-3]。對于一階腔體模態(tài)的頻率f估算，我們可以遵循如下公式：

式中C——聲音在流體中的傳播速度

R——輪胎中心線的半徑

R由輪胎的外徑與內(nèi)徑計算得出（圖1）：

圖1 輪胎的參數(shù)

式中R1——輪胎內(nèi)徑

R2——輪胎外徑

例如選擇的輪胎型號為215/55R17，R=0.25 m，C=340 m/s（聲音在空氣中傳播的速度，可以把空氣近似看作流體），那么根據(jù)上述公式式可計算輪胎內(nèi)腔空氣的振動頻率f約為216 Hz。那么在噪聲分析時，一般觀察頻譜曲線在216 Hz 左右是否有峰值，來確認是否有空腔噪聲。同時觀察前后兩條頻譜曲線是否在216 Hz左右有明顯的差異，來確認降噪的效果是否明顯。

1.2 空氣運動產(chǎn)生的噪聲

空氣運動產(chǎn)生的噪聲主要是花紋噪聲，花紋噪聲產(chǎn)生的機理主要有如下幾種。

泵吸噪聲：輪胎接地面前點將溝槽內(nèi)的空氣排出，接地后點將空氣吸入，從而胎面花紋和路面凹部內(nèi)空氣的不連續(xù)流動形成壓力波產(chǎn)生噪聲。

空氣柱共鳴噪聲：空氣進入花紋溝槽形成空氣柱，當空氣柱激勵頻率與花紋槽固有頻率共振時產(chǎn)生空氣柱共鳴噪聲。

喇叭效應噪聲：輪胎與路面形成的楔形口放大輪胎噪聲，形成喇叭效應噪聲。

輪胎的花紋噪聲一般出現(xiàn)在車輛高速行駛時，頻率分布很廣，一般為800～2 000 Hz。所以研究中會通過看此頻率范圍內(nèi)是否有明顯峰值來確認是否有花紋噪聲[4-5]。

2 輪胎的噪聲測試

本研究通過整車的NVH 測試和室內(nèi)噪聲臺架試驗，來確認靜音海綿的降噪效果。研究選取的輪胎規(guī)格為215/55R17，然后對比靜音海綿輪胎和普通輪胎。2 種輪胎的區(qū)別僅僅是前者有聚氨酯海綿隔層，其他如輪胎花紋、尺寸參數(shù)以及結(jié)構(gòu)等完全一樣。

2.1 整車NVH 測試

2.1.1 測試方法

在試驗車上裝配試驗輪胎，車輛上面布置采集聲音頻率的設備。試驗員駕駛車輛在不同的工況下，在固定的路線上行駛，以便進行不同工況的頻譜數(shù)據(jù)對比。車輛行駛過程中，通過在車廂內(nèi)布置的麥克風，記錄聲音的頻譜等數(shù)據(jù)。具體的測試條件和要求如下。

測試對象：型號為215/55R17 的靜音海綿輪胎和普通輪胎。

測試工況：車輛換D 擋，分別以40 km/h、50 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h 和120 km/h 的速度勻速在瀝青路面上行駛。

測試路面：公司內(nèi)的固定跑道。

測點布置：駕駛員的右耳、第二排右座頭枕部位布置麥克風（圖2），麥克風在座椅上的布置如圖3所示。

圖2 車廂內(nèi)麥克風的布置位置

圖3 麥克風在座椅上的布置

2.1.2 測試數(shù)據(jù)

本研究一共測試了6 個工況，通過麥克風記錄了每個工況下的聲音頻譜數(shù)據(jù)。50 km/h 是最常見的工況，通過此行駛速度下的噪聲頻譜平均值曲線可以看到，在220 Hz 左右時，無論是汽車的前排還是后排，普通輪胎的噪聲都有一個明顯的峰值，而靜音海綿輪胎的噪聲有明顯的下降。前排的噪聲改善7.17dB（圖4），后排噪聲改善3.73 dB（圖5）。

圖4 行駛速度50 km/h 的前排噪聲頻譜平均值曲線

圖5 行駛速度50 km/h 的后排噪聲頻譜平均值曲線

而在40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h 和120 km/h速度下的噪聲頻譜平均值曲線情況相同，在220 Hz 左右時，無論是汽車的前排還是后排，靜音海綿輪胎的噪聲有明顯的下降。將所有在220 Hz 左右的噪聲測試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表1 靜音海綿輪胎和普通輪胎的噪聲測試對比

2.1.3 測試結(jié)論

根據(jù)前文的計算，我們可以知道輪胎的空腔噪聲就是在頻率220 Hz 左右，那么根據(jù)整車NVH 測試中的數(shù)據(jù)，靜音海綿輪胎較普通輪胎在220 Hz 左右頻率段的聲音減小很多，而對于其他頻率段的聲音，沒有明顯的差異。那就說明靜音海綿輪胎對空腔噪聲有很大改善。降噪效果明顯，從數(shù)據(jù)中我們發(fā)現(xiàn)，最大降幅以達到8.00 dB。

2.2 輪胎室內(nèi)臺架噪聲試驗

2.2.1 測試方法

在試驗臺上安裝輪胎，臺架在噪聲試驗室內(nèi)進行測試。對輪胎加載75%胎側(cè)最大負荷，輪胎前面布置了7 個麥克風用于采集輪胎的聲音數(shù)據(jù)（圖6）。轉(zhuǎn)鼓以80 km/h（PCR）的速度帶動輪胎轉(zhuǎn)動進行預熱，待輪胎穩(wěn)定后采集輪胎噪聲數(shù)據(jù)。具體的測試條件及方法下。

圖6 室內(nèi)噪聲試驗室

測點麥克風的位置如圖7所示。測試采樣頻率：25.6 kHz；臺架轉(zhuǎn)鼓尺寸：直徑3 m ；路面情況（表面粗糙度）：滿足ISO 10844 標準（可以理解為是光滑鋼板）。

圖7 麥克風的位置布置

頻帶分析：位置4 的麥克風離輪胎最近，因此選擇位置4 的數(shù)據(jù)進行頻帶分析，頻帶按 0～200 Hz、200～400 Hz、400～800 Hz、800～1 600 Hz、1 600～3 200 Hz、0～500 Hz、500～1 000Hz 和1 000～1 600 Hz 設置。因為花紋噪聲就出現(xiàn)在高頻率段，所以頻帶分析目的是為了看高頻率段聲音是否有明顯差異，進而判斷是否能降低花紋噪聲。

2.2.2 測試數(shù)據(jù)

各測點在各速度段的噪聲總值數(shù)據(jù)如表2所示，測點4 在各速度段不同各頻帶的噪聲數(shù)據(jù)如表3所示。

表2 各測點各速度段的噪聲總值

表3 測點4 的頻帶分析噪聲值

2.2.3 測試結(jié)論

從臺架噪聲測試值來看，靜音輪胎與普通輪胎的總值分析和頻帶分析差值不大。觀察發(fā)現(xiàn)，在出現(xiàn)空腔噪聲的200 Hz 左右頻段，和出現(xiàn)花紋噪聲的800 Hz 以上頻段，聲音都沒有出現(xiàn)明顯的差異。所以在輪胎室內(nèi)臺架測試中，靜音海綿的降噪效果不明顯。

3 原因分析

測試輪胎的型號為215/55R17，經(jīng)計算，空腔噪聲的頻率在200 Hz（理論值）附近。從室外整車實車測試結(jié)果表明，靜音海綿輪胎在空腔噪聲產(chǎn)生的頻率段有明顯的降噪作用。從臺架結(jié)果看，在200 Hz 附近靜音海綿輪胎降噪效果不明顯，主要是輪胎室內(nèi)臺架是測試花紋噪聲，轉(zhuǎn)鼓表面粗糙度小，導致對輪胎的激勵小，引起空腔噪聲比較小，故靜音海綿降噪效果不明。

所以本研究可以認為，靜音海綿輪胎的聚氨酯海綿填充改變了輪胎的空腔模態(tài)，對220 Hz 左右的空腔噪聲有很大改善，最大可以達到8.00 dB。但是靜音海綿輪胎對于花紋噪聲的沒有改善效果。

4 結(jié)束語

針對輪胎的胎噪問題，一些輪胎企業(yè)推出了靜音海綿輪胎。本研究通過對靜音海綿輪胎與普通輪胎進行對比測試，結(jié)果表明，靜音海綿輪胎降低的是220 Hz 左右的空腔噪聲，效果明顯，最大可以達到8.00 dB。而對于花紋噪聲，靜音海綿輪胎的胎噪改善效果并沒有那么明顯。所以如果客戶抱怨輪胎空腔噪聲太大，那靜音海綿輪胎是一個非常有效的改進方案；如果客戶抱怨的是高速的花紋噪聲，那么靜音海綿輪胎并不是一個好的選擇。