C3輪胎通過噪聲的試驗研究*

楊永寶危銀濤陳亞龍王昊項大兵李志超

（1.清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室；2.湖南工業大學）

C3輪胎通過噪聲的試驗研究*

楊永寶1危銀濤1陳亞龍1王昊1項大兵1李志超2

（1.清華大學 汽車安全與節能國家重點實驗室；2.湖南工業大學）

為達到利用輪胎室內試驗部分取代室外試驗的目的，針對不同花紋和結構的C3輪胎（載重輪胎），利用混合型室內噪聲試驗與室外通過噪聲試驗，分析了輪胎室內通過噪聲與室外通過噪聲的相關性。輪胎的室內噪聲測試包括輪胎的近場噪聲和遠場噪聲測試；室外通過噪聲試驗是利用滑行法在ISO 10844標準規定的路面上完成。試驗結果表明，輪胎室內近場噪聲與遠場噪聲數據的數量關系符合點聲源的衰減規律，經過合理校正后的輪胎室內遠場噪聲與輪胎室外通過噪聲值基本一致，即利用輪胎的室內近場噪聲測試結果可以預判輪胎室外通過噪聲值。

1 前言

隨著汽車發動機技術的不斷提高，發動機噪聲顯著降低，而輪胎噪聲成為了道路交通噪聲的重要來源[1～8]。歐盟輪胎標簽法中針對各類輪胎的通過噪聲規定了相應的限值，這對輪胎企業既是挑戰也是機遇[3]。如何在輪胎初期開發階段通過易操作、低成本的方式得到原型輪胎準確的通過噪聲數據就成為了行業的重要問題之一，尤其是對于通過噪聲達標率較低的C3輪胎（載重輪胎）。

目前，輪胎噪聲的測試方法主要是室內轉鼓法和室外滑行法。室內轉鼓法的測試條件可控、操作方便且成本較低，但無法直接得到輪胎的通過噪聲[9，10]；室外滑行法則需在室外標準試驗路面上進行[11]，并需依據歐盟ECE R117標準所規定的程序進行測試[12，13]。

本文針對C3輪胎，結合上述兩種方法的優缺點，將所設計的室內混合試驗與室外的通過噪聲試驗相結合，得到了輪胎的室內、外噪聲間的定量關系，從而達到了利用轉鼓法預測輪胎通過噪聲的目的。

2 室內噪聲試驗

本文主要針對C3輪胎（下稱輪胎）進行測試，測試輪胎為4種花紋形式的輪胎，一款輪胎的規格為315/60R22.5，花紋形式分別為塊狀花紋（代號CM335）和條狀花紋（代號CR966），另一款輪胎的規格為385/65R22.5，花紋形式為混合花紋（代號AT557）和條狀花紋（代號WSR1），依次編號為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如圖1所示。本文的室內試驗同時實現輪胎近場噪聲和遠場噪聲的測量，以獲得輪胎室內近場噪聲與遠場噪聲間的相關性。

2.1 試驗設備

試驗用車輛為CA4180P66K2AZ 4×2平頭牽引車。將待測輪胎安裝至試驗車右前輪，按照標準對車輛加載、調整負荷，并依次安裝其它所需設備[14]。

為測量輪胎近場噪聲，如圖2所示，在輪胎一側從接地處后端以逆時針順序（0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°處）安置9個傳聲器，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。

為測量輪胎的遠場噪聲，在距待測輪胎中軸線一側7.5 m遠、高1.2 m處均勻安置5個傳聲器，傳聲器間距為2 m，用以模擬輪胎的通過噪聲，如圖3所示。

試驗在半消聲室內進行，環境溫度為25℃，背景噪聲＜25 dB（A）。

2.2 試驗過程

試驗主要分為背景噪聲測試和勻速行駛測試兩部分。背景噪聲測試時，當試驗車輛未上轉鼓時，按照圖2中所示方法將傳聲器布置好，所有設備不啟動，記錄消聲室內的背景噪聲，然后再開啟轉鼓測量車速分別為50 km/h、70 km/h、90 km/h和120 km/h工況下的背景噪聲。勻速行駛試驗時，將試驗車在底盤測功機上固定好，關閉汽車空調等可能產生其它無關噪聲的設施，將轉鼓設置為“轉鼓驅動”模式，然后啟動與被測輪胎對應的轉鼓，使轉鼓以恒定轉速控制方式帶動車輪轉動，分別測量車速穩定在50 km/h、70 km/h、90 km/h和120 km/h工況下輪胎近場及輪胎遠場噪聲數據信息，同步記錄輪胎轉速及車速，每個工況測量時間為15 s。

3 通過噪聲試驗

室外通過噪聲試驗的測試對象與室內噪聲試驗輪胎相同，試驗嚴格按照測試標準ECE R117中對輪胎噪聲測試的要求進行，該測試得到的輪胎室外通過噪聲用來與室內遠場噪聲測試結果進行對比。

3.1 試驗設備

試驗所用測試車輛為功率為136 kW的東風天錦中卡底盤，驅動形式為4×2，軸距為5 m。為滿足測試輪胎的配重要求，試驗車輛車架上安裝了適當的配重，并依照標準要求將輪胎擋泥板拆掉。為更好地屏蔽車輛所帶來的額外噪聲，試驗前進行了符合標準要求的聲學處理，如圖4所示。其余所需試驗設備可參考文獻[14]和文獻[15]。

3.2 試驗過程

試驗在符合ISO 10844標準規定的北京交通部公路試驗場進行，試驗環境溫度低于40℃，風速低于5 m/s，背景噪聲小于60 dB（A）。

試驗車輛在關閉發動機及變速器置于空擋的情況下進入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。車輛在通過傳聲器位置時，記錄安裝在試驗車上的Vbox所顯示的瞬時車速，車速應保持在60～80 km/h范圍內，并記錄2個傳聲器的最大聲壓級（A聲級）。對于左、右兩側的傳聲器，在60～70 km/h的車速范圍和70～80 km/h車速范圍分別至少測試4次，所得符合要求的結果不少于8組。每次測試時記錄空氣、地表溫度及風速。

4 試驗結果及討論

4.1 室內近場及遠場噪聲數據

在室內混合試驗中，利用布置在近場和遠場的傳聲器分別采集到了輪胎近場和遠場的噪聲數據，經過處理得到了對應不同速度下經過A計權后的輪胎噪聲聲壓級數據。為研究輪胎室內近場噪聲與遠場噪聲間的相關性，將4條輪胎的室內近場噪聲聲壓級與遠場噪聲聲壓級數進行了對比分析，結果表明，室內近場60°點位置的噪聲與室內遠場噪聲之間存在良好的相關性，相關系數達到0.979 5，如圖6所示。

根據上述分析結果可知，輪胎的室內近場噪聲與室內遠場最大噪聲間存在一定數量關系。為確定該數量關系，需對上述噪聲數據進行進一步處理?？紤]近場測得的輪胎噪聲達到遠場的傳聲器前會產生一定程度的衰減，這里假設輪胎噪聲的衰減符合點聲源衰減規律，即

表1為60°位置處傳聲器測得的近場噪聲與遠場噪聲間數量關系。表1中，N代指室內近場噪聲，F代指室內遠場噪聲，絕對誤差代指依據點聲源衰減規律所計算得到的近場噪聲衰減后的遠場噪聲聲壓級與實際遠場噪聲聲壓級間的差值。

表1 60°位置處傳聲器測得的近場噪聲與遠場噪聲間數量關系

由表1可知，輪胎的室內近場噪聲與遠場噪聲之間的相關性與輪胎近場噪聲的指向性特征有關。60°位置處的傳聲器測得的輪胎近場噪聲與室內最大遠場噪聲間的關系比較符合點聲源衰減規律，其平均相對誤差不超過于1%，絕對誤差小于1 dB（A）。

4.2 室外通過噪聲數據

利用室外噪聲測試得到的輪胎通過噪聲值，并依照ECE R117中規定的方法對測試結果進行了數據后處理，得到了4種不同花紋形式輪胎各自的室外通過噪聲聲壓級數據，如表2所列。

表2 輪胎室外通過噪聲測試結果

由于該輪胎的室外通過噪聲測試時的參考速度是70 km/h，若要考察室內輪胎遠場噪聲與室外輪胎通過噪聲間的相關性，則室內的遠場噪聲也應取速度為70 km/h時對應的噪聲值。由于室外通過噪聲的結果是按照ECE R117標準向下圓整減一校正后的結果，為使室內、外通過噪聲在同等標準下進行比較，對室內的遠場噪聲也進行了相應校正。表3為輪胎在70 km/h速度下的室內遠場噪聲與室外通過噪聲對比結果。

表3 輪胎在70 km/h速度時的室內遠場噪聲與室外通過噪聲對比結果 dB（A）

由表3可發現，4組輪胎的測試結果中，實際上只有1號和2號輪胎的測試結果經過了校正，這需要分析不同規格輪胎的室內、外試驗方法進行解釋。如圖3所示，室內試驗中僅有1條輪胎轉動發出噪聲，而在室外試驗中4條輪胎均產生噪聲（圖5）。對315/60輪胎來說，室外測試時4個輪位的輪胎完全一致，假設這4個輪胎發出的噪聲聲壓級也一致，進一步假設單側的聲壓計僅受到單側兩個輪胎噪聲的影響，根據噪聲疊加原理，獨立聲源疊加公式為：

式中，ptot為經過疊加后的總聲壓值；pi為獨立聲源聲壓值。

則兩個獨立聲源疊加后的總聲壓級為：

式中，Lp為兩個聲源疊加后的總聲壓級；Li為單個聲源的聲壓級。

由式（3）可知，室外通過噪聲的聲壓級理論上將比室內通過噪聲的聲壓級大3 dB（A），因此CM335和CR966輪胎的室內通過噪聲應加上3 dB（A）的校正。但是對于寬基的385/65輪胎則不需要校正，原因在于ECE R117規定，對于寬基輪胎的室外通過噪聲測試，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格無花紋輪胎，因此可認為對于385/65寬基輪胎，室外通過噪聲主要受1條輪胎影響，因而在比較室內、外通過噪聲時無需對室內噪聲進行校正。

由表3可知，校正后的室內遠場噪聲和室外通過噪聲的最大誤差是1 dB（A），對于315/60中型載重子午線輪胎，室內遠場噪聲均等于室外通過噪聲，而對2個385/65大規格寬基載重子午線輪胎，誤差是1 dB（A），且均是室內通過噪聲大于室外通過噪聲。對于這種現象，可能的原因是寬基載重胎和中型載重胎發聲機理不完全一致，對寬基輪胎來說，接觸區域較大，封閉在接觸區域中花紋將產生強烈的泵浦噪聲，較大的接觸區域也容易引發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，因為轉鼓表面比ISO10844路面更光滑，所以對寬基輪胎而言，室內轉鼓表面上的通過噪聲更大。

上述試驗結果表明，經過對室內輪胎噪聲測試結果恰當修正后，輪胎的室內遠場噪聲與室外通過噪聲的結果相比差別較小，可近似認為一致。通過前述中對室內近場噪聲和遠場噪聲測試結果的相關性分析可知，輪胎的室內近場噪聲與室內遠場噪聲相關性良好，因此，為建立輪胎近場噪聲與室外通過噪聲結果間的關系，需要對輪胎的室內近場噪聲與室外通過噪聲測試結果進行定量分析。

參照表1，直接利用點聲源的衰減規律對輪胎在60°位置處、速度為70 km/h時的近場噪聲及室外通過噪聲數據進行了對比分析，結果如表4所列。表4中，N列數據代表輪胎的近場噪聲聲壓級，O列數據代表輪胎的室外通過噪聲聲壓級，對室內通過噪聲按ECE R117的標準采用取整減1的方法進行處理。

表4 60°位置、速度為70 km/h時傳聲器測得的輪胎近場噪聲與室外通過噪聲間的對應關系 dB（A）

由表4可知，4組輪胎在60°位置處、速度為70 km/h時傳聲器測得的輪胎近場噪聲與室外通過噪聲間基本符合點聲源的衰減規律，最大校正誤差為2 dB（A），考慮到試驗的離散性以及數據量較小等因素，該結果仍在可接受范圍內。

5 結束語

結合C3輪胎室內噪聲試驗與室外通過噪聲試驗，通過研究室內噪聲與室外通過噪聲的相關性，得出如下結論：

a.輪胎的室內近場噪聲與室內遠場噪聲的相關性需要考慮輪胎近場噪聲的指向性；兩個噪聲數據的數量關系符合點聲源的衰減規律。

b.經過合理校正后的輪胎室內遠場噪聲與輪胎室外通過噪聲值基本一致，最大誤差在1 dB（A）。

c.利用輪胎的室內近場噪聲測試結果可預判輪胎室外通過噪聲值，最大誤差可控制在2 dB（A）以內。

1 范俊巖.輪胎噪聲研究的現狀與發展.輪胎工業,2006,26（4）:195～197.

2 Wolfgang Kropp,Patrick Sabiniarz,Haike Brick,Thomas Beckenbauer.On the sound radiation of a rolling tyre.Jour?nal of sound and vibration,331(2012):1789～1805.

3 ECE Regulation No.117.Uniform provisions concerning the approval of tyre with regard to rolling sound emissions and to adhesion on wet surfaces and/or to rolling resistance,2011

4 Graf R A G,Kuo C Y,Dowling A P，et al.On the horn effect of a tyre/road interface,part 1:experiment and computation.Journal of sound and vibration.2002,256（3）:417～431.

5 Heckl M.Tyre noise generation.Wear.1986（13）:157～170.

6 Syed R Ahmed.Flow-induced noise from ground vehiclesproblems and prospects of numerical simulation.Society of engineering science,35th Annual technical meeting,Wash? ington,1998.

7 陳理君,李曉輝,楊立,等.輪胎花紋噪聲及其降噪方法.噪聲與振動控制,2004,24(1):10～13.

8 Ulf Sandberg.Tyre/road noise-Myths and realities.VTI Sar?tryck 345.2001.pp1～22.

9 Woodward,David,Woodside,,et al.Development of the USI Laboratory Test to Predict Tyre/Road Noise.International Journal of Pavements.2005(4):72～81.

10 Ulf Sandberg.Possibilities to replace outdoor coast-by tyre/road noise measurements with laboratory drum measure?ments.Background document for milestone decision by SI?LENCE SP C.2008,1.

11 ISO 10844.聲學—測量道路車輛及車輛輪胎噪聲排放的試驗車道規范.2011（E）.

12 Robert J Bernhard,Rebecca S McDaniel.Basics of Noise Generation for Pavement Engineers.Transportation Re?search Record:Journal of the Transportation Research Board.2005(1941):161～166.

13 Timothy J Copeland,R Seth Wilhoit.Tire noise pass-by testing system meets latest standards.SOUND&VIBRA?TION,2012.pp12～16.

14 陳亞龍.C3輪胎通過噪聲研究:[學位論文].北京：清華大學,2014.

15 用于測量輪胎噪聲的車輛.中國發明專利.CN103983348 A.2014-8-13.

（責任編輯文 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 近場噪聲 遠場噪聲 通過噪聲

U463.341+.3

A

1000-3703（2015）11-0047-05

國家自然科學基金資助項目51275265,51175286。