（控制理论与控制工程专业论文）室内外轮胎噪声测试系统设计与分析.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活质量的提高，越来越多的家庭已有了私车，这改变了人们的 生活方式，为人们带来了出行的现代化，同时它也带来环境污染的危害。解决 这个问题成为推动汽车技术进步、产品升级换代的直接动力。环境污染之一是 噪声，噪声的主要来源之一是汽车，汽车噪声主要来源只有两个方面，一个是 发动机，另一个是轮胎。据国内外研究表明，在干燥路面上，当汽车时速达到 7 0 公里时，轮胎噪声成为整车噪声的重要噪声源。而在湿路面上，即使车速低， 轮胎噪声也会盖过其它噪声成为最主要的噪声源。因此，轮胎噪声的防治是世 界汽车及轮胎工业的一个重要课题。 轮胎路面噪声的测量为轮胎噪声评定提供了依据。本课题为杭州中策橡胶 集团委托项目，即设计一套实用性强、性价比高、功能齐全、可快速分析的轮 胎路面噪声室内外测试系统。该轮胎路面噪声室内外测试系统方便了轮胎噪声 的测量和分析，所取得的研究成果对工业设计生产低噪胎花纹具有现实的指导 意义，为我国轮胎噪声控制与轮胎工业发展做出贡献。 本文介绍了几种轿车轮胎低噪评判标准和专用双功能消声室的设计，从轮胎 噪声室内测试系统及室外测试系统两个方面对道路轮胎噪声控制进行了系统的 研究与深入的分析。 本文首先介绍了几种轿车轮胎低噪评判标准，并提出主观综合评价指数q s 可以作为轮胎低噪性满意度的依据，直接应用与评价低噪轮胎设计的低噪程度 合格与否。其次，介绍了轮胎噪声室内测试系统中专用双功能消声室的设计。 此专用双功能消声室可用于轮胎噪声声压级、声功率级的测量，以及轮胎噪声 的时频分析和指向性分析，为轮胎噪声分析和主客观评价提供良好的平台。再 次，介绍了轮胎噪声室内测试系统的设计。在研究轮胎噪声发生机理的基础上， 结合工程实际情况，给出了一种适用于本系统的轮胎花纹噪声室内测量方案， 为轮胎噪声主客观评价提供有力工具。最后，介绍了目前被广泛采纳的两种场 外测试轮胎噪声的方法，讨论了两种方法的优缺点及可比性问题，并提出了更 实用的双话筒测试法，为轮胎噪声的测试分析评判提供了依据。 关键词：轮胎噪声，测量，评判标准，消声室，拖车 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h eq u a l i t yo f p e o p l e sl i v e s m o r ea n dm o r ef a m i l yh a s ap r i v a t ec a l ) w h i c hh a sc h a n g e dp e o p l e sw a yo fl i f ef o rp e o p l ei nt h em o d e r n i z a t i o n o ft h et r i p a tt h es a m et i m ei ta l s ob r o u g h tt 1 1 ed a n g e r so fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t o s o l v et h i sp r o b l e ma sav e h i c l et op r o m o t et e c h n o l o g l c a lp r o g r e s s ，t h ep r o d u c to ft h e d i r e c td r i v i n gf o r c ef o ru p g r a d i n g e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni so n eo fn o i s e o n eo ft h e m a j o rs o u r c e so f n o i s eac a r , c a rh a so n l yt w om a i ns o u r c e so f n o i s e ，ae n g i n e ，a n dt h e o t h e rt i r e s a c c o r d i n gt od o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls t u d i e sh a v es h o w nt h a ti nd r y r o a d ，w h e nt h ev e h i c l er e a c h e d7 0k mp e rh o u r , t h et i r en o i s eh a sb e c o m ea n i m p o r t a n tv e h i c l en o i s en o i s es o u r c e i nt h ew c tr o a d e v e ni fl o w s p e e d , t i r en o i s e n o i s ew i l lb eo v e r s h a d o w e db yo t l l e rn o i s es o u r c e sb e c o m et h em o s ti m p o r t a n t t h e r e f o r e t h et i r en o i s ea n dv e h i c l ec o n t r o li so n eo f 也ew o r l dt i r ei n d u s t r ya n i m p o r t a n tt o p i c t i r e | r o a dn o i s ei st i r en o i s em e a s u r e m e n tp r o v i d e st h eb a s i sf o ra s s e s s m e n t t h et o p i cf o rt h eh a n g z h o uz h o n g c er u b b e rg r o u p ，c o m m i s s i o n c dt h ep r o je c t ，t h a ti s ， t od e s i g nap r a c t i c a l ，c o s t e f f e e t i v e ，f u l l f e a t u r e d ，q u i c ka n a l y s i so ft i r e r o a dn o i s eo f i n d o o ra n do u t d o o rt e s ts y s t e m t h et i r e | r o a dn o i s et e s t i n g s y s t e r nt of a c i l i t a t ei n d o o r a n do u t d o o rt i r en o i s em e a s u r e m e n ta n da n a l y s i so fr e s e a r c hr e s u l t sa c h i e v e db yt h e i n d u s t r i a lp r o d u c t i o no f1 0 w n o i s et i r et r e a dd e s i g no fp r a c t i c a lg u i d i n gs i g n i f i c a n c e f o rc h i n a st i r en o i s ec o n t r 0 1a n dc o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n to ft i r ei n d u s t r y t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c r i b e ss e v e r a ll o w - n o i s es t a n d a r dc a rt i r ea n dd e d i c a t e d d u a l f u n c t i o nd e s i g no fa n e c h o i cc h a m b e r t 1 1 et i r en o i s ef r o mt h ei n d o o ra n do u t d o o r t e s ts y s t e mt ot e s tt w oa s p e c t so ft h es y s t e mo fr o a d t i r en o i s ec o n t r o ls y s t e mc a r r i e d o u ti nd e p t hr e s e a r c ha n da n a l y s i s t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e ss e v e r a ll o w - n o i s es t a n d a r dc a rt i r e ，a n d c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no ft h es u b j e c t i v ei n d e xo fo s 咖b eu s e da sl o w - n o i s et i r e b a s i so fs e x u a ls a t i s f a c t i o n , 也ed i r e c ta p p l i c a t i o no fl o w - n o i s et i r ed e s i g na n d e v a l u a t i o no ft h ee x t e n to ft h el o w n o i s eq u a l i f i e do rn o t s e c o n d l y , t h ei n t r o d u c e d n o i s ei n d o o rt i r et e s t i n gs y s t e md e d i c a t e dd u a l f u n c t i o nd e s i g no fa n e c h o i c c h a m b e r t l l i ss p e c i a ld o u b l ef e a t u r ea n e c h o i cc h a m b e rc a nb eu s e df o rf i r en o i s e s o u n dp r e s s u r e1 e v e l ，s o u n dp o w e rl e v e lm e a s u r e m e n t s ，a sw e l la st h et i r en o i s eo ft h e t i m e f r e q u e n c ya n a l y s i sa n dp o i n ta n a l y s i s ，f o ra n a l y s i so ft i r en o i s ea n dp r o v i d ea g o o ds u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ee v a l u a t i o no ft h ep l a t f o r m t h i r d , t h en o i s ei n t r o d u c e d i n d o o rt i r et e s ts y s t e md e s i g n i nt h es t u d yt h em e c h a n i s mo ft i r en o i s eo n 也eb a s i so f t h ea c t u a ls i t u a t i o ni nl i g h to ft h ep r o j e c t , g i v e nas y s t e ma p p l i e dt ot h ei n t e r i o ro ft h e t i r et r e a dm e a s u r e m e n tn o i s e t i r en o i s ei sap o w e r f u lt o o lf o ro b j e c t i v ea n ds u b j e c t i v e e v a l u a t i o n f i n a l l y , 也ec u r r e n th a sb e e nw i d e l ya d o p t e db yt h et w oo v e r - t h e c o u n t e r m e t h o do ft e s t i n gt h et i r en o i s e d i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fb o t l l m e t h o d sa n de o m p a r a b i l i t yi s s u e s ，a n dp r o p o s e dam o r ep r a c t i c a lt e s to ft h e d u a l m i c r o p h o n e f o ra n a l y s i so ft i r en o i s ee v a l u a t i o nt e s tp r o v i d eab a s i s k e y w o r d s ：t i r en o i s e ，m e a s u r e m e n t , e v a l u a t i o nc r i t e r i a , a n e c h o i cc h a m b e r , t r a i l e r h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 噪声对人的危害 噪声是一类引起人烦躁、或音量过强而危害人体健康的声音。从环境保护 的角度看，凡是影响人们正常学习，工作和休息的声音凡是人们在某些场合“不 需要的声音 ，都统称为噪声。如机器的轰鸣声，各种交通工具的马达声、鸣 笛声，人的嘈杂声及各种突发的声响等。 噪声污染属于感觉公害，它与人们的主观意愿有关，与人们的生活状态有 关，因而它具有与其他公害不同的特点。噪音污染主要来源于交通运输、车辆 鸣笛、工业噪音、建筑施工、社会噪音如音乐厅、高音喇叭、早市和人的大声 说话等。 随着工业生产、交通运输、城市建筑的发展，以及人口密度的增加，家庭 设施( 音响、空调、电视机等) 的增多，环境噪声日益严重，它已成为污染人 类社会环境的一大公害。噪声具有局部性、暂时性和多发性的特点。噪声不仅 会影响听力，而且还对人的心血管系统、神经系统、内分泌系统产生不利影响， 所以有人称噪声为“致人死命的慢性毒药 。 噪声给人带来生理上和心理上的危害主要有以下几方面嘲： ( 一) 干扰休息和睡眠、影响工作效率 干扰休息和睡眠。休息和睡眠是人们消除疲劳、恢复体力和维持健康的 必要条件。但噪声使人不得安宁，难以休息和入睡。当人辗转不能入睡时，便 会心态紧张，呼吸急促，脉搏跳动加剧，大脑兴奋不止，第二天就会感到疲倦， 或四肢无力。从而影响到工作和学习，久而久之，就会得神经衰弱症，表现为 失眠、耳鸣、疲劳。 使工作效率降低。研究发现，噪声超过8 5 分贝，会使人感到心烦意乱， 人们会感觉到吵闹，因而无法专心地工作，结果会导致工作效率降低。 ( 二) 损伤听觉、视觉器官 武汉理工大学硕士学位论文 强的噪声可以引起耳部的不适，如耳鸣、耳痛、听力损伤。据测定，超 过1 1 5 分贝的噪声还会造成耳聋。据临床医学统计，若在8 0 分贝以上噪音环境 中生活，造成耳聋者可达5 0 。噪声对儿童身心健康危害更大。专家研究已经 证明，家庭室内噪音是造成儿童聋哑的主要原因，若在8 5 分贝以上噪声中生活， 耳聋者可达5 。 噪声对视力的损害。人们只知道噪声影响听力，其实噪声还影响视力。 长时间处于噪声环境中的人很容易发生眼疲劳、眼痛、眼花和视物流泪等眼损 伤现象。同时，噪声还会使色觉、视野发生异常。调查发现噪声对红、蓝、白 三色视野缩小8 0 。 ( 三) 对人体的生理影响 噪声是一种恶性刺激物，长期作用于人的中枢神经系统，可使大脑皮层的 兴奋和抑制失调，条件反射异常，出现头晕、头痛、耳鸣、多梦、失眠、心慌、 记忆力减退、注意力不集中等症状，严重者可产生精神错乱。噪声对人的心理 影响主要是使人烦恼、激动、易怒，甚至失去理智。此外，噪声还对动物、建 筑物有损害，在噪声下的植物也生长不好，有的甚至死亡。 损害心血管。噪声是心血管疾病的危险因子，噪声会加速心脏衰老，增 加心肌梗塞发病率。 对女性生理机能的损害。女性受噪声的威胁，还可以有月经不调、流产 及早产等，如导致女性性机能紊乱，月经失调，流产率增加等。 噪声还可以引起如神经系统功能紊乱、精神障碍、内分泌紊乱甚至事故 率升高。 1 1 2 轮胎噪声的分类 汽车在高速行驶中，轮胎胎面与路面相互作用会产生烦人的噪声。这种噪 声基本上由两部分组成，一部分是轮胎直接辐射出来的直接噪声，另一部分是 轮胎激振车体产生的间接噪声口1 ，具体分类见图1 - 1 。 直接噪声又称为车外噪声。其中，轮胎在地面上滚动，轮胎胎面花纹凹部 所包含的气体，在轮胎接触地面时，因受到一种类似于泵的挤压作用，使空气 向后方排出，引起周围空气压力变化而产生噪声，这种噪声属于轮胎花纹噪声 之类，而且花纹不同，压缩、排气的难易程度也不同。弹性振动噪声是车辆在 2 武汉理工大学硕士学位论文 行驶过程中，由于轮胎弹性变形、路面凹凸不平等原因，可以激发轮胎本身振 动而产生噪声。轮胎的这种弹性噪声与车辆特性、路面状况和轮胎结构等因素 有关，一般弹性噪声的频率在2 0 0 h z 以下。 间接噪声也称车内噪声。当车辆通过凹凸不平的路面时，激发轮胎振动， 并通过悬架装置和车架传给车身，使之振动，在车内引起噪声，这种噪声可称 为路面振动噪声。当轮胎的均匀性不好时，所产生的噪声高次谐波与车辆发动 机传动系的噪声相互干涉而发出敲打噪声。当汽车在平滑路面上以7 0 - 1 4 0 k m h 的速度行驶时，特别在汽车的后座能明显地察觉到这种噪声。 轮胎噪声 轮胎直接噪声( 车外噪声) 空 气 乱 流 噪 声 轮 胎 花 纹 噪 声 轮胎间接振动噪声 花 纹 块 的 撞 击 噪 声 槽 沟 的 气 柱 共 鸣 噪 声 花 纹 槽 的 泵 浦 噪 声 随 机 沙 声 喇 叭 筒 增 强 放 大 噪 声 图1 1 轮胎噪声的分类 3 敲 打 噪 声 1 1 3 课题来源及意义 随着人们生活质量的提高，越来越多的家庭已有了私车，这改变了人们的 生活方式，为人们带来了出行的现代化，同时它也带来环境污染的危害。解决 这个问题成为推动汽车技术进步、产品升级换代的直接动力。在中国加入w t o 后，国内的汽车行业要想在日益激烈的竞争中占一席之地，就必须考虑环保问 题向更高的目标发展。 环境污染之一是噪声，噪声的主要来源之一是汽车，汽车噪声主要来源只 有两个方面，一个是发动机，另一个是轮胎。据国内外研究表明，在干燥路面 上，当汽车时速达到7 0 公里时，轮胎噪声成为整车噪声的重要噪声源。而在 湿路面上，即使车速低，轮胎噪声也会盖过其它噪声成为最主要的噪声源。车 速越快、负荷越大、轮胎噪声的能量级就越高，在汽车行使噪声中所占的比例 也就越大。欧美等发达国家很多城市对汽车噪声排放标准有了明确的法律法规， 使得汽车在低噪声声方面的性能成为了衡量汽车质量的重要指标之一h 】。因此， 轮胎噪声的防治是世界汽车及轮胎工业的一个重要课题。目前越来越多的汽车 生产厂家在选用配套轮胎时，都对轮胎噪声提出了明确要求，研究分析轮胎噪 声的发声机理、设计生产低噪轮胎成为十分迫切的一个课题，对轮胎花纹进行 分析和降噪优化不但有深远的理论意义，而且有巨大的现实意义。 为了尽快缩小与世界先进水平的差距，尽快开发出适合我国国情的低噪声 轮胎，提高轮胎花纹降噪技术水平成为当务之急。轮胎路面噪声的测量为轮胎 噪声评定提供了依据，本课题为杭州中策橡胶集团委托项目，即设计一套实用 性强、性价比高、功能齐全、可快速分析的轮胎路面噪声室内外测试系统。该 轮胎路面噪声室内外测试系统方便了轮胎噪声的测量和分析，所取得的研究成 果对工业设计生产低噪胎花纹具有现实的指导意义，为我国轮胎噪声控制与轮 胎工业发展做出贡献。 1 2 国内外研究现状 国外，特别是以美国、欧洲、日本为代表的发达国家对轮胎噪声的研究已 有相当长的一段历史，从对胎面的磨耗及牵引力等的研究逐步转移到用高新技 术来控制轮胎花纹噪声的设计和生产，提高车胎在噪声方面的技术指标，减小 4 武汉理工大学硕士学位论文 其对环境的噪声污染上来。 2 0 世纪初期，轮胎噪声的研究只停留在单纯测试阶段，缺乏对噪声机理的 理论分析。2 0 世纪7 0 年代后，人们才开始从理论上对轮胎噪声进行研究，并提 出模拟计算的理念。 1 9 7 5 年，h a r d e njre 首先提出空气泵浦原理是轮胎主要噪声机理。将简 单轮胎花纹沟槽视作一个单极子源，并得出花纹沟声压级的半经验公式。但是 用该公式进行轮胎花纹噪声预测仍然存在诸多困难。 2 0 世纪8 0 年代，通用汽车研究室的l a w r e n c ej 等在横向花纹沟槽研究的基 础上得出气柱共鸣与泵浦作用是横向花纹沟槽噪声的两大机理。当气柱的固有 频率与花纹间距频率一致时，就发生气柱共鸣现象，使轮胎噪声加剧。德国 t e c h n i s c h e ru b e r w a e h u n g s - v e r e i nb a y e r n 测试中心的d a v eg a r u $ o 和d o nt h r a s h 两人共同研制出一种轮胎噪声仿真器嘞嗍m 嘲。该仿真器是把实际胎面花纹按比 例大小画在带状的纸上，其中块涂成黑色，槽用白色填充。将该纸带装在一个 固定圆周旋转的转鼓上，用强白光照射图纸，用并排的总计4 0 个光电探测器接 收反射光。这是用一个简单的模拟装置来产生脉冲宽度调制信号，其脉冲宽度 等于光在花纹上的停留时间，这个信号与轮胎花纹产生的实际噪声相关。 2 0 世纪9 0 年代，n a k a j i i n a 等使用有限元( f e m ) 、边界元( b e m ) 和模态 分析相结合的方法对轮胎噪声进行了估算。其估算结果与实测结果对比表明， 该方法有一定的准确程度。有限元和边界元法在中低频阶段可以较准确地预测 轮胎噪声，但在高频阶段，由于计算量大大增加，使结果误差增大，于是人们 开始用统计能量法对高频阶段的轮胎噪声进行分析。 h i r o s h iy 等研究了轮胎内部空腔的共鸣声，认为汽车内部噪声在2 5 0 h z 左右的峰值主要是轮胎内部空腔的共振噪声引起的，并提供通过改变轮胎结构 而改变轮胎固有频率的方法控制轮胎内部空腔共振噪声。 2 0 世纪末，人们开始把轮胎和路面看成一个系统加以研究，日本学者研究 了路面不平度导致的轮胎振动对轮胎噪声的影响，认为路面不平度导致的胎面 振动是轮胎噪声产生的主要原因之一，并提出了轮胎路面接触模型，计算路面 不平度对轮胎振动的影响。 国外在轮胎的花纹噪声方面的研究已经取得了一系列成果，运用计算机仿 真分析及优化设计，不仅准确而且开发周期短，但其建立的模型以及低噪花纹 设计方面的技术一直处于保密状态。随着中国加入w t o ，中国轮胎橡胶企业和 国外的公司处于同一竞争平台，轮胎低噪性能方面的要求也是同，在面对机遇 的同时，也给我国企业的国际化成长设置了巨大障碍。 虽然国内对轮胎噪声方面的研究日益重视，但由于起步较晚，进展还比较 缓慢，轮胎噪声的测试和研究技术力量、经费投入相对不足，自主研发能力还 有待加强。国内涉足轮胎噪声研究的大专院校和科研院所虽然在不断增加，但 存在理论性的分析与应用过多，缺少试验验证和有效的数据支持的问题。 近年来，国内的轮胎橡胶企业也逐渐加大对轮胎噪声的科研支持力度，我 校与杭州中策橡胶集团合作研发室内及现场轮胎噪声和振动测试分析评价系统 就是校企合作、优势互补、互利双赢的典型例子。 1 3 前期研究成果 经过多年对轮胎花纹噪声的研究，已开发出了轮胎花纹噪声微机仿真发声 系统软件、低噪声轮胎花纹分析与设计软件、低噪优化及故障诊断软件、低噪 胎花纹结构参数辨识软件，简述如下： ( 1 ) 轮胎花纹噪声微机仿真发声系统软件n 邮2 儿1 7 1 将轮胎花纹图纸通过扫描仪扫描后存入计算机，为了确保仿真结果的准 确性，需对花纹图像的形状、尺寸等特征进行预处理，然后根据轮胎花纹参数 的输入即可得实际整周轮胎花纹方案的图像特征，作为轮胎花纹仿真的输入。 依据轮胎花纹的发声机理阿1 ，建立发声模型，确定轮胎花纹噪声的时 域分析函数p ( f ) ，然后将其进行快速傅立叶变换得到输出的频域函数f ( 厂) ，即 花纹噪声频谱曲线。 要想评判设计的轮胎方案是否符合要求，可对仿真结果进行客观评价与 诊断，包括模糊综合评价、美方的a l s 评价等，分析出花纹噪声的相关参数， 进行优劣排队。 根据轮胎花纹的时域仿真结果进行仿声分析，分为室内仿声和场地多普 勒效应仿声两种，通过声音播放文件即可鉴听，作出主观评价。 ( 2 ) 低噪声轮胎花纹分析与设计软件嘲n 3 3 根据低噪声轮胎花纹的设计准则，设计轮胎花纹结构参数，如块、槽、 节距、条宽等，进行仿真分析，获得满意的花纹方案。 由于光面和条形花纹胎的噪声主要是受随机沙声的影响，所以可通过在 6 武汉理工大学硕士学位论文 光面和条形花纹胎中加入随机沙声的方法来测试这类轮胎花纹的噪声特点。 ( 3 ) 低噪优化及故障诊断软件1 0 1 1 们5 1 1 8 1 n 8 3 设计好的轮胎花纹方案经过计算机仿真后，不能满足低噪声标准，可运 用遗传算法，根据最高声峰值从三个方面进行智能低噪优化：节距排列、节距 比例、错位调整。 根据许多国家广泛认可的德国某测试中心的轮胎噪声评价标准，在优化 的基础上分析轮胎花纹结构参数，诊断出噪声大的原因，从而找出降低噪声的 方案。 ( 4 ) 低噪胎花纹结构参数辨识软件儿州唿1 分析室内不同方位所测得的轮胎花纹噪声1 3 倍频程的频谱图与直方图 发现轮胎花纹噪声的发声类似扬声器发声，有极强的指向性，从而提出了一种 计及全方位测定声级的方法，拟定了测试规范。 运用数字图像处理技术，可以辨识出轮胎花纹图的花纹块、花纹槽、花 纹条数、单元节距及错位等参数，为轮胎花纹的分析、设计提供捷径。 1 4 本课题的主要研究工作 本文在前期研究成果的基础上， 噪声的室内外测试系统进行了设计， 主要工作如下： 针对工程实际，依据合同内容对轮胎路面 为轮胎噪声主客观评价提供了有力工具。 ( 1 ) 研究轿车轮胎低噪标准，提出一种对低噪胎评判的综合评价指数。 ( 2 ) 专用双功能消声室的设计。 ( 3 ) 轮胎噪声室内测试系统的设计。 ( 4 ) 轮胎噪声室外测试系统的设计。 7 第2 章轿车轮胎低噪的评判标准 本章在分析轮胎噪声评价指标特点的基础上，从主观评价和客观评价两个 方面对轿车轮胎低噪标准进行了介绍。作深入研究后，提出了一种对低噪胎评 判的综合评价指数，它可用于评价低噪轮胎设计的低噪程度合格与否，从而大 大缩短开发周期和节约开发费用。 2 1 基本声学参量 ( 1 ) 声压、声强、声功率 声波作为一种波动现象，一方面使媒质质点在平衡位置附近振动，同时在 媒质中产生压缩和膨胀的过程。可以说声波波动过程实质就是声振动能量的传 播过程。 声压 声压是指介质中的压强相对于无声波时的压强的改变量，通常用符号p 表 示。声压是一个时正时负随时间变化的量，在噪声控制中，我们采用的是均方 根声压气，即在一定时间间隔里，瞬时声压对时间取均方根值。 = 厨鬲 声强 在垂直于声波传播的指定面上， 强，通常用符号i 表示。 ，： ( 2 - 1 ) 单位时间内通过单位面积的声能，叫做声 ( 2 - 2 ) p 一介质密度；c 一介质声速。 声功率 声源在单位时间里辐射出的总的声能量叫做声功率级，用w 表示。 w - 4 i 。凼( 2 - 3 ) 8 武汉理工大学硕士学位论文 s - - 包围声源的封闭面；i 一声强在面积元d s 法向方向的分量。 ( 2 ) 声压级、声强级、声功率级、分贝 在声波传播空间中某点的声音强弱，可以用该点的声压和声强的大小来表 示，但耳朵接收到声振动以后，主观上产生的“响度感觉一并不是正比于声强 度的绝对值，而是更接近于强度的对数成正比，所以引入“级的概念，在声 学中普遍使用对数坐标来度量声压、声强和声功率，称为声压级、声强级和声 功率级，其单位用分贝表示。 声压级 声压级是声压与基准声压之比的以1 0 为底的对数乘以2 0 ，以分贝计，用符 号s p l 表示，其公式为： s p l = 2 0 l g p - f f - - ( a a ) = 2 x l o - 5 帕为基准声压 ( 2 4 ) 声强级 声强级是声强与基准声强之比的以1 0 为底的对数乘以1 0 ，以分贝计，用 符号s i l 表示，其公式为： j 阿= 1 0 。1 2 瓦米2 为基准声强 ( 2 5 ) 声功率级是声功率与基准声功率之比的以1 0 为底的对数乘以1 0 ，以分贝 计，用符号p w l 表示，其公式为： = 1 0 - 1 2 瓦为基准声功率 ( 2 6 ) 分贝是一个相对单位，它没有量纲。它的物理意义是表示一个量超过另一 个量( 基准量) 的程度。两个分贝数相同的声音叠加，则合成的声音的分贝数 加上3 分贝；而一个弱的声音与一个强的声音放在一起，弱的声音可以忽略。 ( 3 ) 噪声频谱 在噪声控制等声学问题中，频谱图的构成通常是以频率为横坐标，且以频 率的对数为标度，用声压级( 或声强级、声功率级) 做纵坐标，单位是分贝， 频谱图反映了噪声能量在各个频率上的分布特性。图2 - 1 是几种典型噪声源的 9 口d 上 培 一一言i 级率功 鬻 掳 旦 培 0 = 耽尸 贝分 武汉理工大学硕士学位论文 频谱图。 工， fli ( a ) 线状谱 ( b ) 连续谱( c ) 复合谱 图2 - 1 噪声的频谱图 声压级和频谱是对噪声的物理描述，但是，噪声通常是通过人耳使人感觉 的，人耳是一种特定的听觉器官，它对各种频率的声音，有不同的选择性和响 应。对不同频率的声音，即使其声强级相同，人耳听起来却不一样响。为了有 效地控制噪声，人们应很好地了解和掌握人耳的听觉特性，我们引入噪声的主 观度量。 2 2 轮胎低噪性的主观评价 主观评价为人对某种噪声的主观感受，主要考虑人耳对声音的听觉特性。 我们将这种感受又细分为对噪声的烦恼度、尖锐度、响度和起伏度的感觉，反 映人对轮胎噪声感受过程中的生理反应和心理反应。根据这四种感觉，确定四 个轮胎噪声评判因子，利用这些评价量来作为判断轮胎低噪性是否符合标准。 烦恼度q 1 烦恼度是人对噪声的总体感受，反映噪声非白噪化大小。越接近白噪声， 烦恼度越低。 尖锐度q 2 尖锐度反映噪声高频段声级的大小，也就是噪声的尖锐程度。 响度q 3 响度反映噪声的声级大小。它在主观评价中占很大的比重。 起伏度q 4 噪声的起伏度直接影响到该噪声对人耳的舒适性，它比尖锐度的影响效果 更明显。因为尖锐度仅反应高频区的声级大小，而起伏度反应了噪声在整个频 段内的起伏变化，且人耳的舒适性不仅仅反应在高频区( 虽然高频区过于尖锐 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 的尖叫尤其让人不舒服) ，所以采用起伏度作为一个评价因素更为客观、易于接 受。 我们将这四个评价因子，进行加权综合计算，各个评价因子权重的确定在 主观评判中占有非常重要的地位，权重确定的合理与否将直接影响评判结果。 确定权重的有效方法很多，如多元统计分析法、模糊方程求解法、层次分析法、 专家咨询法等。 主观评判实验是邀请有经验的轮胎设计人员、司机、噪声专家等，从响度、 尖锐度、起伏度、烦恼度4 个角度对样本轮胎的噪声进行评判打分，分值为o 1 0 0 ，以判断样本轮胎是否具有低噪性。设定一个主观综合评价指数q f ，此值是 四个评判因子的加权和，并也取百分数，即： q = ( q q + q 2 + 鸭q 3 + q ) 他k = 口i + 口2 + 口3 + 吼 ( 2 7 ) 公式( 2 7 ) 中，、哆、0 ：4 分别对应四个评判因子的权重值。主观 综合评价指数q 可以作为样本低噪性满意度的依据，q 总分值为0 - 1 0 0 。6 0 分到6 9 为合格，7 0 分到8 9 为良好，9 0 分到1 0 0 为优等。下面以一组n e w 系列 轮胎样本的主观评判的值为例，一般响度权重值要大点。 若取= 口2 = 口3 = = 1 ，则k - - 4 ，见表2 1 。 表2 - 1n e w 系列方案主观评判数据统计 样本号，q s 总分值烦恼度q l响度q 2起伏度q 3尖锐度q 4 n c wa ，7 8 97 8 78 1 18 2 27 2 6 n e wb ，7 5 1 7 1 4 7 3 68 8 66 6 9 n e w c ， 5 6 36 4 85 1 35 0 95 8 0 n g wd ，6 0 47 2 5 6 0 85 5 45 2 7 主观综合评价指数可以作为样本低噪性优劣排序的依据。q q 4 为众人 打分平均值，从而可知，n e wa 样本的低噪性良好，n e wc 的低噪性最差，因 为它的综合评判值最低，表明它对人的影响最大，是要淘汰的。 2 3 轮胎低噪性的客观评价 2 3 1 声压级和声功率级 在声波传播空间中某点的声音强弱，可以用该点的声压和声强的大小来表 示，但耳朵接收到声振动以后，主观上产生的“响度感觉 并不是正比于声强 度的绝对值，而是更接近于强度的对数成正比，所以引入“级 的概念，在声 学中普遍使用对数坐标来度量声压称为声压级，其单位用分贝表示。 声压级是噪声测量中的主要测量对象，它是待测声压p 与基准声压只之比 取常用对数乘以2 0 ，以分贝( 曲) 计。这个数值是正常人耳对1 千赫声音刚刚 能觉察其存在的声压值，也就是1 千赫声音的可听阈声压。 声功率在声学分析和噪声控制方面具有很大的优越性，是衡量声源每秒辐 射声能的大小。声功率级是某声功率w 与基准声功率w o 之比的常用对数乘以 1 0 ，以分贝( d b ) 计。 通常我们在精度要求不高的情况下以噪声的总声级来衡量其声学性能容易 直接测定钔，故可以用来进行轮胎低噪性的客观评价，因此已被广泛采用。 2 3 2 晌度和晌度级 响度是人耳判别声音由轻到响的强度等级概念，它不仅取决于声音的强度 ( 如声压级) ，还与它的频率及波形有关。响度记为n ，单位是“宋一( s o n e ) ， 规定声压级为4 0 d b ，频率为1 0 0 0 h z ，且来自听者正前方的平面波形的强度为1 宋。 响度级是建立在两个声音主观比较的基础上，选择l k h z 的纯音作基准音， 若某一噪声听起来与该纯音一样响，则该噪声的响度级在数值上就等于这个纯 音的声压级。响度级用厶表示，单位是。方一( p h o n e ) 。如果某噪声听起来与声 压级为8 0 d b ，频率为1 0 0 0 h z 的纯音一样响，则该噪声的响度级就是8 0 方。 响度与响度级的关系为： ：2 e x p 育l u - 4 0 或l n = 4 0 + 1 0 l o g ：n ( 2 8 ) 式中n 二一响度( 宋) ；l n 响度级( 方) 。 图宋一方的关系是按式( 2 8 ) 算出的响度级和响度级间的对应关系图。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ， ， 图2 - 2 柬一方的关系 图2 3 等响度指数曲线 计算噪声总响度时，先测出噪声的频带声压级然后从等响度指数曲线中 查出频带的晌度指数，再按下式计算总响度s t 。 = 最+ m s - s ) ( 2 - 9 ) 式中s ，i 一频带中最大的响度指数；e s 所有频带的响度指数之和：f 武汉理工大学硕士学位论文 常数，对倍频程，1 2 倍频程和1 3 倍频程分别为o 3 、o 2 和o 1 5 。 响度评价结果和主观评价结果能较好吻合。用响度测量值来进行噪声的客 观评价比较接近人的主观感觉，相对于主观评价来说也是简单有效的。为了对 比不同评价指标对评价结果的影响，同样在消声室内分别对上述五种不同型号 轮胎依次进行了测试，客观评价结果如表2 - 2 所示，其中响度值为根据s t e v e n s 响度计算方法踞妇得到的客观响度。从表2 - 2 可以看出，总声级排序结果与根据 响度得出的排序结果基本一致，但也不尽相同。 表2 2 轮胎噪声客观评价对比结果 型号 指标 r 1r 2r 3r 4r 5 响度 1 9 8 ( 3 )1 9 2 ( 2 )2 0 2 ( 4 )2 0 5 ( 5 )1 8 2 ( 1 ) 总声级 7 1 3 ( 4 )7 0 5 ( 2 )7 1 1 ( 3 )7 1 7 ( 5 )7 0 3 ( 1 ) 注：( 1 ) ( 5 ) 为不同型号轮胎测试时分别按响度及总声级由小到大排列顺序 2 3 3 计权声级 人耳对于高频声音，特别是对于1 k h z 5 k i - i z 的声音比较敏感，而对低频声 音，特别是对1 0 0h z 以下的可听声不敏感，且频率越低越不敏感，即声压级相 同的声音由于频率不同所产生的主观感觉不一样。为了使声音的客观量度和人 耳听觉主观感受近似取得一致，在测量声音的仪器如声级计上装置了对频率的 计权网络，即加上一个数字滤波器，对所接受的声音按频带设有一定的衰减来 模拟人耳的听觉特性，一般这种计权网络有a 、b 、c 三档，用计权网络测得的 结果叫计权声级，各自对应的计权网络如图2 4 所示。 实践证明，a 声级基本上与人耳对声音的感觉相一致，此外，a 声级同人耳 听力损伤程度也能够对应的很好。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ， 、 a弋 二一一， ， 多 ) ， c 夕 d ， 形 i b么 ， ； 2 05 01 0 02 0 05 0 0i o2 0 0 05 0 1 1 0 0 烈i o 频率h z 图2 - 4 计权网络频率响应特性 2 3 4 线性频谱与倍频程频谱图 噪声都是由许多频率声波组成的复合声。不同的声音，其含有的频率成分 及各个频率上的能量分布是不同的。因此研究声源的特性，不仅要知道它的声 压级或声功率级，还要研究该声源发出的声音的频率成分和相应的声压级与声 功率级，即还需要对声源进行频谱分析，找出频率分布与能量分布的关系。具 体过程如下：先对轮胎噪声波形采样，采样值即为输入函数f ( ，) ，再用快速傅 立叶变换，便可得到输出函数( 厂) ，即频谱汹3 勰1 汹1 。 频带的划分有两种类型：一种是保持频带宽度恒定：另一种是保持频带相 对宽度比例恒定。在恒比例带宽中，假设上、下截止频率各为石和五的频带， 五 石，中心频率为石，则其间关系为：厶= 2 ”z ：f o = 石六。由此二式可 推及： r f r 一 正一彳= ( 2 “一1 、2 “) 石 ( 2 1 0 ) 式中肛为倍频数。以= l 时，称为倍频带：力= 1 3 就是1 3 倍频带。 对于具有连续谱的噪声，只能测出某一频带内( 一无) 内的声压或声强。频 带不同，所得声压或声强也不同，即通过不同的滤波器可以得到不同的声谱图。 单位频带内的声压均方值称为声谱密度，用以统一描述连续谱中各频率所含能 量的大小。在实际测量中，通常可测到在某频带( z ) 内的声压方值p 2 ，并 假设在此频带内其频谱是平坦的，则谱密度为：w ( 门= p 2 c l 一石) 。 某一频率的谱密度与基准谱密度之比取其以1 0 为底的对数再乘以1 0 称为 加 o m 渤 搴 弗 棚 相对声压级4田 武汉理工大学硕士学位论文 谱 密度j 级，单位为d b 。则得声压谱级： l p , = 1 0 1 0 9 【忐侉】 ( 2 - 1 1 ) 式中p 2 为z ) 带宽内测量得的声压方值，p 。为基准声压，a f o 为基准 带宽。式( 2 - 1 1 ) 可化简为： 厶= 气- y i ) 一1 0 l o g t f 2 一z ) 瓴 ( 2 1 2 ) 式中三( f 2 一 ) 为( 一一) 频带内的声压级，芦为f o 频带内的声压级( d b ) ， 使用时必须注明频带的中心频率与宽度。 依据公式( 2 - 1 2 ) 就可以将测得的某种带宽的声压级换算为另一种带宽声压 级。如对于谱级a f o - - r h z ，k 为谱级声压级。这样就可依据 厶f 2 一f 1 ) = 三阳+ 1 0 1 0 9 ( ( f 2 - - f , ) r ) 将谱级声压级向某种带宽声压级转换。 又由公式( 2 - 1 2 ) 可得倍频带、i 3 倍频带的带宽分别为： 刀= 1 时，a f = 五- f , a f = ( 2 1 2 ) f o = 0 7 0 7 f o ( 2 1 3 ) 嚣= 1 3 时， 矽= ( 2 一l 2 ) 石= o 2 3 f