轮胎/路面噪声影响因素研究

刘　威， 易　文， 何贤锋， 谭　利

(1.中南林业科技大学 土木工程与力学学院， 湖南 长沙　410004；　2.长沙市公路管理局， 湖南 长沙　410007)



轮胎/路面噪声影响因素研究

刘威1， 易文1， 何贤锋2， 谭利1

(1.中南林业科技大学 土木工程与力学学院， 湖南 长沙410004；2.长沙市公路管理局， 湖南 长沙410007)

摘要：通过研究轮胎/路面噪声形成机制和相关成果，总结了轮胎/路面噪声的主要影响因素，得到了不同车速条件下，不同模量轮胎的内、外胎与噪声的关系曲线，同时，对降低轮胎/路面噪声提出了建议。

关键词：轮胎/路面噪声； 形成机制； 影响因素

0引言

随着经济社会的发展，我国道路交通事业迅速发展，随之而来的噪声污染问题也日趋严重，已经严重影响到了人们的日常工作和生活，成为社会一大公害。随着人们生活水平的提高，噪声的控制标准也相应提高，降低噪声已成为当前人们的迫切需求。

机动车行驶时，轮胎与路面接触产生的噪声称为轮胎/路面噪声。由于路面与机动车直接接触，噪声持续产生。研究表明，当汽车行驶速度超过50 km/h时，轮胎/路面噪声成为小型汽车的主要噪声源[1]；当汽车行驶速度超过60 km/h时，轮胎/路面噪声成为机动车的主要噪声源[2]，因此，降低路面噪声首先必须降低轮胎/路面噪声。

轮胎与路面接触产生噪声，无论是轮胎还是路面，只要设计得当，都能够适当降低噪声值。目前国内外很多汽车公司都进行了低噪声轮胎的设计，部分高校及科研院所也对降噪路面进行了研究。因此，轮胎/路面噪声的影响因素对轮胎及路面的设计起着关键作用。通过对其影响因素探讨，以求对今后的研究提供借鉴与参考。

1轮胎/路面噪声的形成机制

通常认为，轮胎/路面噪声的产生包括以下三个方面：

1) 轮胎振动：轮胎振动由两个结构振动所引起。轮胎材料结构的不均匀性、路面平整性及粗糙性、轮胎花纹块等因素会引起胎体振动；轮胎与路面接触面产生的局部切向力会导致轮胎滑移，轮胎与路面间的摩擦力会引起胎面形变，进而产生胎面振动：轮胎振动包括内胎面和外胎面的振动，研究表明，轮胎振动尤其是外胎面的振动是产生轮胎/路面噪声的最重要原因[3，4]。

2) 空气泵吸噪声：轮胎与路面接触时，轮胎花纹与路面形成封闭区域。汽车在行驶过程中，封闭区域内部及边缘空气被挤压排出，同时又很快被空气回填，形成“气泵效应”。由于接触面很小、汽车行驶速度快、接触时间短暂、挤压力度大，产生了较强的“泵吸噪声”。

3) 空气动力性噪声：当车辆以较高速度行驶时，轮胎的直线运动和圆周运动促使周围气流发生振动，特别是在轮胎后部与路面间形成局部涡流，引起空气压力的急剧变化进而产生空气动力性噪声。一般情况下，空气动力性噪声可不作考虑。

2轮胎/路面噪声的相关研究

为了降低轮胎/路面噪声，大量学者对低噪声轮胎及低噪声路面的设计进行了研究，部分成果已经得到应用。同济大学深入研究轮胎噪声的产生机理[5，6]，认为轮胎/路面噪声是车辆的主要噪声源之一，主要包括胎面花纹噪声、弹性振动噪声和空气乱流噪声3种。陈理君[7]等研究发现，轮胎噪声的主要影响因素在于轮胎接地区域状况、沟槽状况、轮胎模态及胎面花纹形变。同济大学声学研究所俞悟周等[8]在研究中发现，轮胎/路面噪声与多种因素有关，其中比较重要的影响因素是胎面花纹图案、轮胎材料特性和路面。 哈尔滨工业大学在轮胎噪声发声机理研究中建立了物理数学模型分析[9]，在轮胎噪声的量化模拟上提出定量设计理论，认为轮胎噪声与轮胎结构与胎面花纹、运行参数及环境因素密切相关。20世纪后期，人们很少再单独研究轮胎或路面单个对噪声的影响，而是将轮胎与路面作为整体结构加以研究。日本学者研究路面平整度引起的轮胎振动对轮胎噪声的影响，认为平整度是轮胎噪声产生的重要原因，提出了轮胎-路面接触模型，计算路面平整度对轮胎振动的影响。

3轮胎/路面噪声的形成及影响因素

3.1轮胎/路面噪声的形成及吸收过程

轮胎/路面噪声形成后，一部分被路面混合料的粗糙纹理所反射，另一部分直接排放到大气环境中，最后一部分进入孔隙内部往深处传播并被吸收和消耗。图1是路面噪声形成区域及多孔隙路面吸收噪声示意图。

图1　轮胎路面噪声形成及吸收示意图

3.2轮胎/路面噪声的影响因素分析

研究发现，轮胎/路面噪声的影响因素主要在于轮胎状况、路面状况、汽车状况及环境状况4个方面，各个方面的主要影响因素如表1。

其中主要影响因素在于轮胎与路面两个方面，由于汽车类型、车速及环境状况不易控制，所以轮胎与路面的设计显得尤为重要。研究表明，轮胎与路面的主要影响因素在于轮胎花纹块、轮胎材料、轮胎充气压力、轮胎荷载、轮胎沟槽深度、路面厚度、空隙率、级配类型、路面结构、车速等。

表1 轮胎路面噪声的影响因素轮胎路面汽车环境轮胎材料路面厚度车速环境本底值噪声轮胎构造空隙率荷载路况轮胎尺寸集料级配发动机功率风速外胎花纹块类型粘结剂驱动力装置风向轮胎充气压力路面结构传动装置温度沟槽深度路面粗糙度车型路边障碍物轮胎荷载路面湿度操作状况轮胎旋转走向路面材料交通流密度轮胎磨损

轮胎花纹块类型对轮胎/路面噪声影响明显。轮胎外胎的花纹块类型与路面接触区域形成封闭空腔，一方面外胎花纹块间对轮胎具有一定的减震效果，另一方面轮胎花纹块简单间距与空气泵吸噪声息息相关。因此，不同外胎花纹的轮胎所产生的振动噪声和空气泵吸噪声不同。轮胎结构正常的规则性运动所产生的噪声值并不明显，而轮胎在经历挤压、摩擦、振动、旋转后贡献的噪声值明显增大。研究发现，交错横沟外胎花纹间的沟槽间距无规则排序更有利于降低噪声[5]。通常情况下，轮胎花纹块所产生的噪声值并不大，这与花纹块的数量、排序、结构设计有关，有利于空气外排而减小了“泵吸效应”。

轮胎材料对轮胎噪声也有一定的影响。轮胎材料类型和胎面直径影响轮胎外胎的弹性模量，不同弹性模量的轮胎胎面会产生不同形式的形变及不同的振动程度。轮胎充气压力与轮胎荷载不是噪声的主要影响因素，但二者与轮胎/路面噪声呈正相关，轮胎气压与驱动力矩有关。当车辆荷载及充气压力增加时，外胎面花纹扩展，轮胎与路面的接触面积减小，接地压力增大，促使横向花纹轮胎花纹块内部形成封闭“空腔”，进而导致路面噪声增加，而对纵向花纹轮胎则影响不大。图2、图3是对2种高、低弹性模量的轮胎在50 km/h和100 km/h时的轮胎/路面噪声的转鼓试验结果，结果发现外胎面弹性模量比内胎面弹性模量影响大，不同弹性模量的轮胎/路面噪声最大差别达到7 dB[10]。

图2　车速为50 km/h时轮胎噪声

图3　车速为100 km/h时的轮胎噪声

路面对轮胎/路面噪声影响显著，不同材料、粗糙度、湿度的路面所产生的噪声值不同。刚性较高的路面，对汽车轮胎振动的缓冲效果不佳，但其路面的稳定性、平整性及耐久性良好，可以充分保证轮胎运行过程中的平衡性，避免轮胎出现胎体非均一性，受热时轮胎在路面运行过程出现局部畸变等问题；刚性较低的多孔路面表面布满大量孔隙，可以有效吸收噪声，掺有有机改性剂的沥青混合料可以减轻轮胎的颠簸程度，但路面强度较差，且路面易受环境温度的影响，所以，不同路面轮胎的形变及振动程度不同，不同路面对噪声的吸收也不同。图4是对长浏S103两种不同路面在不同车速条件下，采用TES-1352H型噪声计，参照《机动车辆噪声测量方法》(GB1496-79)进行测试所得的结果。图中结果表明，两种路面的噪声值均值差值最大可达6.4 dB，说明汽车在密集配路面比防滑降噪路面产生更大的噪声值；同时可以发现，防滑降噪路面的噪声值也比较大，结合现场观察分析认为，这与路面材料孔隙的填塞程度及连通孔隙空间结构的变化有关。

图4　路面对轮胎/路面噪声的影响

对比两种路面可以发现，同种车速条件下不同路面所产生的轮胎/路面噪声值有一定的差异性，车速每提高1倍，轮胎/路面噪声增加6～9 dB。轮胎/路面噪声与路面厚度、空隙率、集料级配、粘结剂有一定关系。

路面厚度的通透性可以用流阻来衡量。流阻是指在稳定状态下，吸声材料双面压力差与气流线速度的比值，单位厚度材料的流阻称作比流阻。当路面材料厚度不大时，比流阻越大，穿过材料的空气量则越小；若比流阻太小，那么声波穿过多孔材料时会与多孔材料边壁发生摩擦以及被粘滞力损耗，吸声性能也就会有所降低，因此多孔材料只存在一个最佳流阻。

空隙率是轮胎/路面噪声的重要影响因素，多孔隙路面通常具有较好的吸收噪声的空间结构，路面表面及内部具有发达连通的孔隙，路面孔隙吸收噪声进入孔隙内部并将其消耗掉。因此，材料表面孔隙保持开孔并与材料内部孔隙连通，能够有效吸收噪声。增大沥青混合料的空隙率可以提高吸收声能的能力，连通空隙率越大，吸声效果越好[11]。

集料级配对路面噪声的吸收影响不大。最大粒径较小的沥青混合料路面平整度更好，这种路面可以有效降低行车的颠簸程度，减轻轮胎振动。并且，路面发达的负纹理(单位面积内表面的构造数量)可以吸收和消耗噪声。

沥青混凝土中的外掺改性剂种类较多，通常采用的有SBS或橡胶类材料。改性后的沥青体系具

有像蛋白质、尼龙一样的棒状聚合物结构，这种结构赋予了沥青一定的弹性，使得路面成功吸收轮胎的振动和冲击噪声。

4降低轮胎/路面噪声的措施

由所分析的轮胎/路面噪声的产生机制及影响因素，可以采取如下措施。

4.1轮胎方面

1) 轮胎花纹块采用柔韧性好的材料制作，以减轻荷载条件下胎面对路面的冲击；花纹块间距应按照不等比例设计。

2) 保证花纹沟良好的透性，有利于花纹沟闭合区域空气流动外排，减小了空气泵吸噪声和共振效应；花纹沟越窄越细越能够减轻轮框振动。

3) 加强轮胎的平衡性和均一性设计。

4.2路面方面

1) 采用低噪声路面，能够有效降低轮胎/路面噪声。

2) 路面厚度采用4 cm为宜。呼安东[12]、尹义林[13]等均采用了驻波法对不同厚度的沥青混合料配制的试件进行了测试，结果表明：大空隙低噪声沥青路面厚度选取4 cm时降噪效果最佳。

3) 适当提高路面材料的空隙率，能够较大程度地降低噪声。

4) 采用柔性路面，如橡胶高粘高弹改性沥青路面，既能够利用孔隙吸收噪声，也能够降低轮胎的激振程度。

5) 同等条件下，选择最大粒径较小的集料级配，这种路面平整度好，保证了轮胎运行的平衡性和均匀性。并且，路面发达的负纹理(单位面积内表面的构造数量)可以吸收和反射噪声。

5结论

轮胎/路面噪声的研究对降低交通噪声意义深远，但是轮胎/路面噪声的影响因素较多，某些发生机理间的关系还没有完全理清，分析往往忽视了某些因素的共同作用达到的的叠加效果。同时，本次试验中对轮胎自身运行产生的“纯音”和轮胎路面相互作用产生的噪声间没有作明显的区分，而是看作整体加以考虑；因为只研究了两种路面，所以数据还不具备广泛的代表性；轮胎/路面噪声发生机理的贡献程度会随轮胎、路面、车速等因素的改变而变化；这些都需要在以后的研究中仔细考量。

参考文献：

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[13] 尹义林.透水沥青混合料OGFC在道路中的应用[J].中国市政工程，2008(3)：10-11.

文章编号：1008-844X(2016)02-0031-03

收稿日期:2015-12-14

基金项目:湖南省交通科技计划项目，项目编号为201303; 土木工程应用技术湖南省研究生创新基地资助项目

作者简介:刘威( 1991-) ，男，在读研究生，主要从事道路工程方面的研究。

通讯作者:易文( 1968-) ，女，教授，硕士学位，在读博士，目前主要从事道路工程方面的研究。

中图分类号：U 416.2

文献标识码：A