某靜音海綿輪胎降噪效果的研究

李盛 程恒

關(guān)鍵詞：靜音海綿輪胎;空腔噪聲;花紋噪聲;NVH測試;噪聲頻譜

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(yán)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(jī)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(diǎn)。

因產(chǎn)生的機(jī)理不同，傳遞的方式不同，導(dǎo)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(jī)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(guān)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(qiáng)大額阻尼減振效應(yīng)，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(dá)9dB，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(jìn)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(shí)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(jī)理可以分為兩大類：一類由振動產(chǎn)生，一類由空氣運(yùn)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\(yùn)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(xué)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(jī)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800Hz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200～250Hz，而且頻率大小與其體積有關(guān)[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：

例如選擇的輪胎型號為215/55R17，R=0.25m，C=340m/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216Hz。那么在噪聲分析時，一般觀察頻譜曲線在216Hz左右是否有峰值，來確認(rèn)是否有空腔噪聲。同時觀察前后兩條頻譜曲線是否在216Hz左右有明顯的差異，來確認(rèn)降噪的效果是否明顯。

1.2空氣運(yùn)動產(chǎn)生的噪聲

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

泵吸噪聲：輪胎接地面前點(diǎn)將溝槽內(nèi)的空氣排出，接地后點(diǎn)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(jìn)入花紋溝槽形成空氣柱，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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800～2000Hz。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(rèn)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(rèn)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(shè)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(jìn)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(fēng)，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40km/h、50km/h、60km/h、80km/h、100km/h和120km/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(diǎn)布置：駕駛員的右耳、第二排右座頭枕部位布置麥克風(fēng)（圖2），麥克風(fēng)在座椅上的布置如圖3所示。

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(fēng)記錄了每個工況下的聲音頻譜數(shù)據(jù)。50km/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220Hz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3.73dB（圖5）。

而在40km/h、60km/h、80km/h、100km/h和120km/h速度下的噪聲頻譜平均值曲線情況相同，在220Hz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220Hz左右的噪聲測試數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

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220Hz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220Hz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(dá)到8.00dB。

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(jìn)行測試。對輪胎加載75%胎側(cè)最大負(fù)荷，輪胎前面布置了7個麥克風(fēng)用于采集輪胎的聲音數(shù)據(jù)（圖6）。轉(zhuǎn)鼓以80km/h（PCR）的速度帶動輪胎轉(zhuǎn)動進(jìn)行預(yù)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。

測點(diǎn)麥克風(fēng)的位置如圖7所示。測試采樣頻率：25.6kHz;臺架轉(zhuǎn)鼓尺寸：直徑3m;路面情況（表面粗糙度）：滿足ISO10844標(biāo)準(zhǔn)（可以理解為是光滑鋼板）。

頻帶分析：位置4的麥克風(fēng)離輪胎最近，因此選擇位置4的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻帶分析，頻帶按0～200Hz、200～400Hz、400～800Hz、800～1600Hz、1600～3200Hz、0～500Hz、500～1000Hz和1000～1600Hz設(shè)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(jìn)而判斷是否能降低花紋噪聲。

2.2.2測試數(shù)據(jù)

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

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200Hz左右頻段，和出現(xiàn)花紋噪聲的800Hz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200Hz（理論值）附近。從室外整車實(shí)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200Hz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(dǎo)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(rèn)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220Hz左右的空腔噪聲有很大改善，最大可以達(dá)到8.00dB。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(jìn)行對比測試，結(jié)果表明，靜音海綿輪胎降低的是220Hz左右的空腔噪聲，效果明顯，最大可以達(dá)到8.00dB。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(jìn)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。