楊永寶危銀濤陳亞龍王昊項(xiàng)大兵李志超

（1.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.湖南工業(yè)大學(xué)）

C3輪胎通過(guò)噪聲的試驗(yàn)研究*

楊永寶1危銀濤1陳亞龍1王昊1項(xiàng)大兵1李志超2

（1.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2.湖南工業(yè)大學(xué)）

為達(dá)到利用輪胎室內(nèi)試驗(yàn)部分取代室外試驗(yàn)的目的，針對(duì)不同花紋和結(jié)構(gòu)的C3輪胎（載重輪胎），利用混合型室內(nèi)噪聲試驗(yàn)與室外通過(guò)噪聲試驗(yàn)，分析了輪胎室內(nèi)通過(guò)噪聲與室外通過(guò)噪聲的相關(guān)性。輪胎的室內(nèi)噪聲測(cè)試包括輪胎的近場(chǎng)噪聲和遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)試；室外通過(guò)噪聲試驗(yàn)是利用滑行法在ISO 10844標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的路面上完成。試驗(yàn)結(jié)果表明，輪胎室內(nèi)近場(chǎng)噪聲與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)的數(shù)量關(guān)系符合點(diǎn)聲源的衰減規(guī)律，經(jīng)過(guò)合理校正后的輪胎室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲與輪胎室外通過(guò)噪聲值基本一致，即利用輪胎的室內(nèi)近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果可以預(yù)判輪胎室外通過(guò)噪聲值。

1 前言

隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲顯著降低，而輪胎噪聲成為了道路交通噪聲的重要來(lái)源[1～8]。歐盟輪胎標(biāo)簽法中針對(duì)各類輪胎的通過(guò)噪聲規(guī)定了相應(yīng)的限值，這對(duì)輪胎企業(yè)既是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇[3]。如何在輪胎初期開發(fā)階段通過(guò)易操作、低成本的方式得到原型輪胎準(zhǔn)確的通過(guò)噪聲數(shù)據(jù)就成為了行業(yè)的重要問(wèn)題之一，尤其是對(duì)于通過(guò)噪聲達(dá)標(biāo)率較低的C3輪胎（載重輪胎）。

目前，輪胎噪聲的測(cè)試方法主要是室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法和室外滑行法。室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓法的測(cè)試條件可控、操作方便且成本較低，但無(wú)法直接得到輪胎的通過(guò)噪聲[9，10]；室外滑行法則需在室外標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)路面上進(jìn)行[11]，并需依據(jù)歐盟ECE R117標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的程序進(jìn)行測(cè)試[12，13]。

本文針對(duì)C3輪胎，結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，將所設(shè)計(jì)的室內(nèi)混合試驗(yàn)與室外的通過(guò)噪聲試驗(yàn)相結(jié)合，得到了輪胎的室內(nèi)、外噪聲間的定量關(guān)系，從而達(dá)到了利用轉(zhuǎn)鼓法預(yù)測(cè)輪胎通過(guò)噪聲的目的。

2 室內(nèi)噪聲試驗(yàn)

本文主要針對(duì)C3輪胎（下稱輪胎）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試輪胎為4種花紋形式的輪胎，一款輪胎的規(guī)格為315/60R22.5，花紋形式分別為塊狀花紋（代號(hào)CM335）和條狀花紋（代號(hào)CR966），另一款輪胎的規(guī)格為385/65R22.5，花紋形式為混合花紋（代號(hào)AT557）和條狀花紋（代號(hào)WSR1），依次編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如圖1所示。本文的室內(nèi)試驗(yàn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)輪胎近場(chǎng)噪聲和遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的測(cè)量，以獲得輪胎室內(nèi)近場(chǎng)噪聲與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲間的相關(guān)性。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用車輛為CA4180P66K2AZ 4×2平頭牽引車。將待測(cè)輪胎安裝至試驗(yàn)車右前輪，按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車輛加載、調(diào)整負(fù)荷，并依次安裝其它所需設(shè)備[14]。

為測(cè)量輪胎近場(chǎng)噪聲，如圖2所示，在輪胎一側(cè)從接地處后端以逆時(shí)針順序（0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°處）安置9個(gè)傳聲器，傳聲器距地高度均為0.1 m，距輪胎中心距離為1 m，傳聲器水平指向輪胎。

為測(cè)量輪胎的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲，在距待測(cè)輪胎中軸線一側(cè)7.5 m遠(yuǎn)、高1.2 m處均勻安置5個(gè)傳聲器，傳聲器間距為2 m，用以模擬輪胎的通過(guò)噪聲，如圖3所示。

試驗(yàn)在半消聲室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度為25℃，背景噪聲＜25 dB（A）。

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)主要分為背景噪聲測(cè)試和勻速行駛測(cè)試兩部分。背景噪聲測(cè)試時(shí)，當(dāng)試驗(yàn)車輛未上轉(zhuǎn)鼓時(shí)，按照?qǐng)D2中所示方法將傳聲器布置好，所有設(shè)備不啟動(dòng)，記錄消聲室內(nèi)的背景噪聲，然后再開啟轉(zhuǎn)鼓測(cè)量車速分別為50 km/h、70 km/h、90 km/h和120 km/h工況下的背景噪聲。勻速行駛試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)車在底盤測(cè)功機(jī)上固定好，關(guān)閉汽車空調(diào)等可能產(chǎn)生其它無(wú)關(guān)噪聲的設(shè)施，將轉(zhuǎn)鼓設(shè)置為“轉(zhuǎn)鼓驅(qū)動(dòng)”模式，然后啟動(dòng)與被測(cè)輪胎對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)鼓，使轉(zhuǎn)鼓以恒定轉(zhuǎn)速控制方式帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，分別測(cè)量車速穩(wěn)定在50 km/h、70 km/h、90 km/h和120 km/h工況下輪胎近場(chǎng)及輪胎遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)信息，同步記錄輪胎轉(zhuǎn)速及車速，每個(gè)工況測(cè)量時(shí)間為15 s。

3 通過(guò)噪聲試驗(yàn)

室外通過(guò)噪聲試驗(yàn)的測(cè)試對(duì)象與室內(nèi)噪聲試驗(yàn)輪胎相同，試驗(yàn)嚴(yán)格按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ECE R117中對(duì)輪胎噪聲測(cè)試的要求進(jìn)行，該測(cè)試得到的輪胎室外通過(guò)噪聲用來(lái)與室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用測(cè)試車輛為功率為136 kW的東風(fēng)天錦中卡底盤，驅(qū)動(dòng)形式為4×2，軸距為5 m。為滿足測(cè)試輪胎的配重要求，試驗(yàn)車輛車架上安裝了適當(dāng)?shù)呐渲?，并依照?biāo)準(zhǔn)要求將輪胎擋泥板拆掉。為更好地屏蔽車輛所帶來(lái)的額外噪聲，試驗(yàn)前進(jìn)行了符合標(biāo)準(zhǔn)要求的聲學(xué)處理，如圖4所示。其余所需試驗(yàn)設(shè)備可參考文獻(xiàn)[14]和文獻(xiàn)[15]。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)在符合ISO 10844標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的北京交通部公路試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境溫度低于40℃，風(fēng)速低于5 m/s，背景噪聲小于60 dB（A）。

試驗(yàn)車輛在關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)及變速器置于空擋的情況下進(jìn)入A-A線或B-B線。車輛行駛的中心線與地面中心線基本重合，如圖5所示。車輛在通過(guò)傳聲器位置時(shí)，記錄安裝在試驗(yàn)車上的Vbox所顯示的瞬時(shí)車速，車速應(yīng)保持在60～80 km/h范圍內(nèi)，并記錄2個(gè)傳聲器的最大聲壓級(jí)（A聲級(jí)）。對(duì)于左、右兩側(cè)的傳聲器，在60～70 km/h的車速范圍和70～80 km/h車速范圍分別至少測(cè)試4次，所得符合要求的結(jié)果不少于8組。每次測(cè)試時(shí)記錄空氣、地表溫度及風(fēng)速。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 室內(nèi)近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲數(shù)據(jù)

在室內(nèi)混合試驗(yàn)中，利用布置在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的傳聲器分別采集到了輪胎近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的噪聲數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理得到了對(duì)應(yīng)不同速度下經(jīng)過(guò)A計(jì)權(quán)后的輪胎噪聲聲壓級(jí)數(shù)據(jù)。為研究輪胎室內(nèi)近場(chǎng)噪聲與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲間的相關(guān)性，將4條輪胎的室內(nèi)近場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明，室內(nèi)近場(chǎng)60°點(diǎn)位置的噪聲與室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲之間存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.979 5，如圖6所示。

根據(jù)上述分析結(jié)果可知，輪胎的室內(nèi)近場(chǎng)噪聲與室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)最大噪聲間存在一定數(shù)量關(guān)系。為確定該數(shù)量關(guān)系，需對(duì)上述噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理?？紤]近場(chǎng)測(cè)得的輪胎噪聲達(dá)到遠(yuǎn)場(chǎng)的傳聲器前會(huì)產(chǎn)生一定程度的衰減，這里假設(shè)輪胎噪聲的衰減符合點(diǎn)聲源衰減規(guī)律，即

表1為60°位置處傳聲器測(cè)得的近場(chǎng)噪聲與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲間數(shù)量關(guān)系。表1中，N代指室內(nèi)近場(chǎng)噪聲，F(xiàn)代指室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲，絕對(duì)誤差代指依據(jù)點(diǎn)聲源衰減規(guī)律所計(jì)算得到的近場(chǎng)噪聲衰減后的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)與實(shí)際遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)間的差值。

表1 60°位置處傳聲器測(cè)得的近場(chǎng)噪聲與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲間數(shù)量關(guān)系

由表1可知，輪胎的室內(nèi)近場(chǎng)噪聲與遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲之間的相關(guān)性與輪胎近場(chǎng)噪聲的指向性特征有關(guān)。60°位置處的傳聲器測(cè)得的輪胎近場(chǎng)噪聲與室內(nèi)最大遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲間的關(guān)系比較符合點(diǎn)聲源衰減規(guī)律，其平均相對(duì)誤差不超過(guò)于1%，絕對(duì)誤差小于1 dB（A）。

4.2 室外通過(guò)噪聲數(shù)據(jù)

利用室外噪聲測(cè)試得到的輪胎通過(guò)噪聲值，并依照ECE R117中規(guī)定的方法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)后處理，得到了4種不同花紋形式輪胎各自的室外通過(guò)噪聲聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，如表2所列。

表2 輪胎室外通過(guò)噪聲測(cè)試結(jié)果

由于該輪胎的室外通過(guò)噪聲測(cè)試時(shí)的參考速度是70 km/h，若要考察室內(nèi)輪胎遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲與室外輪胎通過(guò)噪聲間的相關(guān)性，則室內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲也應(yīng)取速度為70 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的噪聲值。由于室外通過(guò)噪聲的結(jié)果是按照ECE R117標(biāo)準(zhǔn)向下圓整減一校正后的結(jié)果，為使室內(nèi)、外通過(guò)噪聲在同等標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行比較，對(duì)室內(nèi)的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲也進(jìn)行了相應(yīng)校正。表3為輪胎在70 km/h速度下的室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲與室外通過(guò)噪聲對(duì)比結(jié)果。

表3 輪胎在70 km/h速度時(shí)的室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲與室外通過(guò)噪聲對(duì)比結(jié)果 dB（A）

由表3可發(fā)現(xiàn)，4組輪胎的測(cè)試結(jié)果中，實(shí)際上只有1號(hào)和2號(hào)輪胎的測(cè)試結(jié)果經(jīng)過(guò)了校正，這需要分析不同規(guī)格輪胎的室內(nèi)、外試驗(yàn)方法進(jìn)行解釋。如圖3所示，室內(nèi)試驗(yàn)中僅有1條輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)出噪聲，而在室外試驗(yàn)中4條輪胎均產(chǎn)生噪聲（圖5）。對(duì)315/60輪胎來(lái)說(shuō)，室外測(cè)試時(shí)4個(gè)輪位的輪胎完全一致，假設(shè)這4個(gè)輪胎發(fā)出的噪聲聲壓級(jí)也一致，進(jìn)一步假設(shè)單側(cè)的聲壓計(jì)僅受到單側(cè)兩個(gè)輪胎噪聲的影響，根據(jù)噪聲疊加原理，獨(dú)立聲源疊加公式為：

式中，ptot為經(jīng)過(guò)疊加后的總聲壓值；pi為獨(dú)立聲源聲壓值。

則兩個(gè)獨(dú)立聲源疊加后的總聲壓級(jí)為：

式中，Lp為兩個(gè)聲源疊加后的總聲壓級(jí)；Li為單個(gè)聲源的聲壓級(jí)。

由式（3）可知，室外通過(guò)噪聲的聲壓級(jí)理論上將比室內(nèi)通過(guò)噪聲的聲壓級(jí)大3 dB（A），因此CM335和CR966輪胎的室內(nèi)通過(guò)噪聲應(yīng)加上3 dB（A）的校正。但是對(duì)于寬基的385/65輪胎則不需要校正，原因在于ECE R117規(guī)定，對(duì)于寬基輪胎的室外通過(guò)噪聲測(cè)試，僅需將2條寬基輪胎裝在后軸，而在前軸安裝低噪聲的小規(guī)格無(wú)花紋輪胎，因此可認(rèn)為對(duì)于385/65寬基輪胎，室外通過(guò)噪聲主要受1條輪胎影響，因而在比較室內(nèi)、外通過(guò)噪聲時(shí)無(wú)需對(duì)室內(nèi)噪聲進(jìn)行校正。

由表3可知，校正后的室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲和室外通過(guò)噪聲的最大誤差是1 dB（A），對(duì)于315/60中型載重子午線輪胎，室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲均等于室外通過(guò)噪聲，而對(duì)2個(gè)385/65大規(guī)格寬基載重子午線輪胎，誤差是1 dB（A），且均是室內(nèi)通過(guò)噪聲大于室外通過(guò)噪聲。對(duì)于這種現(xiàn)象，可能的原因是寬基載重胎和中型載重胎發(fā)聲機(jī)理不完全一致，對(duì)寬基輪胎來(lái)說(shuō)，接觸區(qū)域較大，封閉在接觸區(qū)域中花紋將產(chǎn)生強(qiáng)烈的泵浦噪聲，較大的接觸區(qū)域也容易引發(fā)stick-slip（粘滑）和stick-snap（粘吸）噪聲，所以輪胎的噪聲以泵浦噪聲和摩擦噪聲為主。泵浦噪聲和摩擦噪聲在光滑表面更容易激發(fā)，因?yàn)檗D(zhuǎn)鼓表面比ISO10844路面更光滑，所以對(duì)寬基輪胎而言，室內(nèi)轉(zhuǎn)鼓表面上的通過(guò)噪聲更大。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)對(duì)室內(nèi)輪胎噪聲測(cè)試結(jié)果恰當(dāng)修正后，輪胎的室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲與室外通過(guò)噪聲的結(jié)果相比差別較小，可近似認(rèn)為一致。通過(guò)前述中對(duì)室內(nèi)近場(chǎng)噪聲和遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果的相關(guān)性分析可知，輪胎的室內(nèi)近場(chǎng)噪聲與室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲相關(guān)性良好，因此，為建立輪胎近場(chǎng)噪聲與室外通過(guò)噪聲結(jié)果間的關(guān)系，需要對(duì)輪胎的室內(nèi)近場(chǎng)噪聲與室外通過(guò)噪聲測(cè)試結(jié)果進(jìn)行定量分析。

參照表1，直接利用點(diǎn)聲源的衰減規(guī)律對(duì)輪胎在60°位置處、速度為70 km/h時(shí)的近場(chǎng)噪聲及室外通過(guò)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如表4所列。表4中，N列數(shù)據(jù)代表輪胎的近場(chǎng)噪聲聲壓級(jí)，O列數(shù)據(jù)代表輪胎的室外通過(guò)噪聲聲壓級(jí)，對(duì)室內(nèi)通過(guò)噪聲按ECE R117的標(biāo)準(zhǔn)采用取整減1的方法進(jìn)行處理。

表4 60°位置、速度為70 km/h時(shí)傳聲器測(cè)得的輪胎近場(chǎng)噪聲與室外通過(guò)噪聲間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 dB（A）

由表4可知，4組輪胎在60°位置處、速度為70 km/h時(shí)傳聲器測(cè)得的輪胎近場(chǎng)噪聲與室外通過(guò)噪聲間基本符合點(diǎn)聲源的衰減規(guī)律，最大校正誤差為2 dB（A），考慮到試驗(yàn)的離散性以及數(shù)據(jù)量較小等因素，該結(jié)果仍在可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合C3輪胎室內(nèi)噪聲試驗(yàn)與室外通過(guò)噪聲試驗(yàn)，通過(guò)研究室內(nèi)噪聲與室外通過(guò)噪聲的相關(guān)性，得出如下結(jié)論：

a.輪胎的室內(nèi)近場(chǎng)噪聲與室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲的相關(guān)性需要考慮輪胎近場(chǎng)噪聲的指向性；兩個(gè)噪聲數(shù)據(jù)的數(shù)量關(guān)系符合點(diǎn)聲源的衰減規(guī)律。

b.經(jīng)過(guò)合理校正后的輪胎室內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲與輪胎室外通過(guò)噪聲值基本一致，最大誤差在1 dB（A）。

c.利用輪胎的室內(nèi)近場(chǎng)噪聲測(cè)試結(jié)果可預(yù)判輪胎室外通過(guò)噪聲值，最大誤差可控制在2 dB（A）以內(nèi)。

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14 陳亞龍.C3輪胎通過(guò)噪聲研究:[學(xué)位論文].北京：清華大學(xué),2014.

15 用于測(cè)量輪胎噪聲的車輛.中國(guó)發(fā)明專利.CN103983348 A.2014-8-13.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年5月22日。

Experimental Study on C3 Tire Pass-by Noise

Yang Yongbao1,Wei Yintao1,Chen Yalong1,Wang Hao1,Xiang Dabing1,Li Zhichao2
（1.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University;2.Hunan University of Technology）

In order to substitute outdoor tire noise test with indoor tire noise test,hybrid indoor noise test and outdoor pass-by noise test are carried out with C3 tires(heavy truck tire)with different structures and patterns to analyze the correlation between the indoor tire pass-by noise and outdoor pass-by tire noise.The indoor noise test includes test of near-field noise and far-field noise of tires;whereas outdoor test is carried out through the coast-by test on the proving ground specified in ISO10844.It is demonstrated that quantitative relation between the near-field noise of tires and the farfield noise of tires accords with the attenuation rule of point acoustic source.And the properly corrected indoor far-field noise of tires basically agrees well with the outdoor pass-by noise of tire,i.e.the test results of indoor near-field noise of tire can be utilized to judge the outdoor pass-by noise value of tires.

Tire,Near-field Noise,Far-field Noise,Pass-by Noise

輪胎 近場(chǎng)噪聲 遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲 通過(guò)噪聲

U463.341+.3

A

1000-3703（2015）11-0047-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目51275265,51175286。