载货车轮胎近场噪声方向性的研究*

危银涛,周福强,刘 哲,项大兵

(清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)

载货车轮胎近场噪声方向性的研究*

危银涛,周福强,刘 哲,项大兵

(清华大学,汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)

载货车轮胎噪声在交通噪声中占有很大的比重,研究载货车轮胎声辐射特征,对轮胎降噪和优化具有重要的实际意义。本文中在分析载货车轮胎噪声的方向特性与发声机理的关系基础上,对5种花纹形式的载货车轮胎进行了近场声压试验,提出噪声圆度作为噪声方向性判定方法,探讨了不同花纹对轮胎噪声转折频率的影响规律,分析了轮胎噪声在不同频率和车速下的方向特征。结果表明,载货车轮胎噪声具有较强的方向性,胎侧声压比胎后声压约小10dB(A),低频区主要为振动噪声,方向性弱,高频区主要为气动噪声,方向性强;其转折频率明显受轮胎花纹的影响,但行驶速度基本上不影响噪声方向特性。

载货;车轮胎噪声;方向性;声压测试;声学仿真

前言

交通噪声越来越成为现代生活极大的困扰因素,当车辆速度超过50km/h时,轮胎噪声将占主导地位[1-5]。近年来各国汽车噪声法规越来越严苛,欧盟标签法规定对进入欧盟市场的轮胎施行严格的噪声分级和标签制度。鉴于我国轮胎产业的自身特点和研究机构以往对轮胎噪声研究缺乏足够重视,目前我国的轮胎产品噪声控制远远低于欧盟标准,系统地开展轮胎噪声理论、试验、仿真等方面的研究,为低噪声轮胎的设计提供理论指导,提升轮胎性能,是摆在产业界和学术界面前急迫的任务。

载货车轮胎(下简称货车胎)的特点是胎压高、载荷大、振动冲击严重,其噪声对驾乘人员和周边环境的影响比轿车轮胎更加严重。研究货车轮胎的噪声特性,发现汽车行驶速度、噪声频率与声压及噪声方向性的规律,提出降噪及优化方案,对加速发展我国低噪声轮胎,提高轮胎产品的欧盟噪声认证通过率具有重要的实际意义。

近年来众多学者对轮胎近场噪声及声辐射特性开展了研究。文献[6]中通过环模型分析了轮胎振动模态参数,获得轮胎噪声波长与辐射相位。文献[7]中分析了轿车轮胎和货车轮胎的噪声及声辐射特性,仿真结果和实测数据符合较好。文献[8]中进行了室内轮胎噪声测试试验,指出轮胎噪声声强在不同方位差别明显,并提出一种近场轮胎噪声评判方法。文献[9]～文献[13]中使用有限元和边界元法对轮胎噪声进行联合仿真,找出轮胎噪声声源位置,获得了轮胎声辐射场特性。

上述文献中从试验或仿真角度提出了轮胎不同角度噪声辐射场的方向特性,但未进一步指出轮胎噪声辐射场与频率、车轮行驶速度的关系,未针对不同花纹形状的轮胎给出噪声方向性的差别,没有给出定量比较方向性强弱的方法。

本文中分析货车轮胎与方向性相关的噪声产生机理,设计货车轮胎室内声压试验方案,对5种花纹轮胎进行了噪声方向性试验,揭示了轮胎近场噪声声辐射场与频率、行驶速度间的规律,提出了噪声圆度作为评价噪声方向性的判据,获得了上述轮胎的方向性特征,简要分析了噪声由低频区域向高频区域过度的转折频率受轮胎花纹影响特性。研究结果为优化轮胎设计,降低轮胎噪声提供指导。

1 轮胎噪声的方向性与发声机理

轮胎噪声的方向性是一种轮胎近场噪声特性,指的是轮胎噪声在不同方向的传播存在差别的性质。它受噪声源、轮胎结构和发声机理等多方面因素的影响。有众多文献揭示了轮胎噪声发声机理,如轮胎接地区纵向振动、切向振动、胎侧振动、airpumping、花纹块stick-snap、stick-slip、轮胎花纹与路面间呼吸效应、管腔共振、Helmholtz效应、泵浦效应等,噪声通常分为结构振动产生噪声与气动产生噪声两类,振动噪声分布在低频区,气动噪声分布在高频区[14-16]。本文中具体研究货车轮胎噪声方向特性,它与如下发声机理存在紧密关系。

1.1 花纹块振动

轮胎花纹块振动在货车轮胎噪声中起着主导作用,主要为花纹块冲击/脱离地面引起的法向振动与切向振动。噪声产生示意图如图1所示。花纹块振动噪声频率一般低于空气动力噪声频率,在噪声空间方向性方面存在幅频叠加的特点[13]。

图1 花纹块振动

1.2 轮胎胎体振动

轮胎滚转过程中,轮胎胎体甚至帘线均可能存在振动。这与轮胎结构均匀性、安装误差等相关,轮胎振动产生噪声的示意图如图2所示。轮胎振动为轮胎模态振型的倍数,噪声量级较小。

图2 轮胎胎体振动

1.3 泵浦噪声

泵浦噪声是轮胎滚动过程中,轮胎花纹块不断受到挤压-释放的循环过程,引起空气被泵出和吸入,产生噪声。随着轮胎滚动,泵浦效应对轮胎前后方向的空气排出、吸入效果尤其明显。与纵沟轮胎相比,载货车的块状花纹轮胎因花纹块大,易于空气流动,减弱了轮胎临近空气不稳定流动,故泵浦噪声较小。

2 近场声压试验

为获得轮胎周向噪声辐射特性,对货车轮胎进行了近场声压试验。在半消声室内,将货车前轮支撑在转鼓上,分别在4种速度等级下匀速行驶,达到稳态后测量其声压。在轮胎声源近场位置安放9个传感器,测量轮胎近距离的声场特性。各传声器指向轮胎,距离轮胎接地点水平距离1m,距离地面高度0.1m,近场声压试验现场及测点布置如图3所示。

图3 声压测试与测点位置

选用3种规格花纹共5条轮胎进行试验,结果如图4所示。其中,轮胎1为有较细小刀片的纵沟花纹轮胎,轮胎2为较大块状花纹块的轮胎,轮胎3为块状花纹轮胎,轮胎4和轮胎5为两种混合花纹轮胎。图4以极坐标的方式示出各轮胎A计权后的1/3倍频程图,图中列出50,70,90和120km/h 4种车速,315,500,800,1 250和2 000Hz 5种频率下的声压数据。

由图4可见,近场噪声呈现出很强的方向性特点,轮胎接地正后方(0°方向)的噪声最大,90°方向噪声最小,向180°又逐渐增大。分析5种轮胎,胎侧声压比胎后声压约小10dB(A)。噪声的强度与速度具有正相关性,随着速度的增大,噪声也相应增大。但速度变化不影响声压的空间分布规律。

图4 各轮胎1/3倍频程图

借鉴公差中圆度的概念,定义噪声圆度作为噪声方向性程度的判据,即某一频段f的最大噪声声压与最小噪声声压的差为

为便于不同速度、不同轮胎间比较,将Pf除以轮胎在该速度下的最大声压进行归一化,将其转换到(0,1)区间,获得归一化的噪声圆度误差,用来比较不同轮胎的噪声方向特性。

由图5可见,随着频率的升高,5种轮胎噪声指向性均逐渐增大。低频噪声与高频噪声相比方向性不明显。低频噪声主要为振动噪声,高频噪声主要为气动噪声[17-19]。1号轮胎为纵沟花纹轮胎,以气动噪声为主。图4中,噪声倍频程量值明显小于其他轮胎。2号和3号轮胎为块状花纹轮胎,以振动噪声为主,图5中在800～1 000Hz附近,由振动噪声向气动噪声区域分界有相对清晰的跳变。4号和5号轮胎为混合花纹形式,在高低频区域均存在振动与气动噪声,由振动噪声向气动噪声转变较平滑。实测1号轮胎在70km/h速度下不同测点的噪声数据如表1所示。

图5 轮胎噪声圆度与频率关系

表1 70km·h_-1车速时1号轮胎噪声1/3倍频程数据 dB(A)

续表1 dB(A)

3 结论

轮胎噪声方向性研究对于货车轮胎降噪和轮胎优化设计具有重要意义。本文中分析了噪声方向性与发声机理的关系,对3种规格5条货车轮胎进行了噪声试验,提出方向性判据,分析了货车轮胎噪声方向性特性。

(1)货车轮胎噪声具有较强的方向性。轮胎接地后端和前段噪声较大,轮胎侧面噪声较小。轮胎后端噪声略大于轮胎前端噪声,轮胎后端噪声比胎侧噪声大10dB左右。

(2)比较分析了不同轮胎4种车速下,频率在300～4 000Hz的轮胎噪声方向性特点,提出噪声圆度描述噪声方向特性。采用该方法获得了噪声方向性随频率和速度的变化规律,即频率越高,噪声方向性越明显。但轮胎噪声方向性与速度无明显的关系,随着速度增大,噪声的声压值增大,但噪声方向性不会随着速度增大有明显的变化,在各速度级别下均有相似的噪声方向特性。

(3)不同类型轮胎在振动噪声与气动噪声过度区域的转折频率明显受花纹的影响。对于块状花纹轮胎,在800～1 000Hz由振动噪声向气动噪声转变有相对清晰的跳变;混合花纹轮胎在高低频区域均存在振动与气动噪声,由振动噪声向气动噪声转变较平滑。

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A Study on the Directivity of Near-field Noise of Truck Tire

Wei Yintao,Zhou Fuqiang,Liu Zhe&Xiang Dabing
Tsinghua University,State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Beijing 100084

Truck tire noise accounts for very large proportion in total traffic noise,and the study on the sound radiation features of truck tire noise has important practical significance for tire noise reduction and tire optimization.In this paper,on the basis of an analysis on the relationship between the directional characteristics of truck tire noise and the mechanism of noise generation,a near-field sound pressure test is conducted on truck tires with five different treads,a measure of noise roundness is proposed to judge the directivity of tire noise,the regularity of the effects of tire treads on the turning frequency of tire noise is investigated,and the directional features of tire noise at different frequencies and vehicle speeds are analyzed.The results show that truck tire noise has strong directivity with its sound pressure in lateral direction is 10dB(A)less than that behind tire.The noise at low frequency range is mainly caused by vibration with a weak directivity while the noise at high frequency range stems from aerodynamic flow with strong directivity.The turning frequency of tire noise is apparently affected by tire treads but the driving speeds basically have little effects on tire noise directivity.

truck;tire noise;directivity;sound pressure measurement;acoustic simulation

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.01.015

*国家自然科学基金(51275265,51175286)资助。

原稿收到日期为2016年2月6日,修改稿收到日期为2016年3月21日。

危银涛,研究员,weiyt@tsinghua.edu.cm。