輪胎之振動與噪聲

1、輪胎基礎(chǔ)知識講座第五講輪胎之振動與噪聲第2頁歐洲輪胎新法規(guī) 2012年11月起生效，是改進(jìn)環(huán)保的一種措施，也對外貿(mào)易的技術(shù)壁壘；比起美國對中國輪胎的懲罰性關(guān)稅的辦法，要文明得多。貼標(biāo)簽的規(guī)定，將影響顧客購買輪胎的決定過程，對中國輪胎而言，既是刁難，但如果我們的輪胎質(zhì)量能得到優(yōu)質(zhì)的評定，那么就是一種免費的宣傳，所以也是一種機遇。在滾動阻力、通過噪聲及濕地抓著力三項中，噪聲是難度最高的。第3頁這是歐洲新法規(guī)的輪胎噪聲標(biāo)準(zhǔn)，其中C1是轎車胎；C2，輕卡輪胎；C3，卡車胎。第4頁在歐洲新法規(guī)裡，對噪聲特別低的輪胎授以Low Noise 的標(biāo)簽。第5頁我們要以歐洲新法規(guī)之挑戰(zhàn)為契機，應(yīng)該及時改進(jìn)輪胎性能

2、，不但要合格，而且要以中間偏上為目標(biāo)。我們應(yīng)當(dāng)加強研發(fā)水平，制造并銷售高性價比的輪胎，為提高利潤，打好基礎(chǔ)。第6頁輪胎舒適性是轎車輪胎配套主要的門檻之一；主要問題有二，即輪胎的振動問題，和輪胎的噪聲問題。第7頁在輪胎的振動問題上，我們首先討論輪胎對路面障礙物之包容性。第8頁這里是實心輪子和充氣輪胎在低速越過路面障礙物時的反應(yīng)；實心輪沒有包容性，輪軸必須隨著障礙物升高，充氣輪胎則不然，胎體接地部分的變形，使得胎體連線的張力大為下降，對障礙物產(chǎn)生包容作用，輪軸只需稍微升高，甚至不必升高，因此沖擊力要小得多，減少車子的顛簸，改善乘坐的舒適性。右圖是不同輪胎越過障礙物時，垂直方向力的變化。第9頁當(dāng)車行

3、速度加快時，路面障礙物引起的沖擊還會造成胎體的振動，本圖顯示在動態(tài)楔入轉(zhuǎn)鼓試驗中，實心輪子和充氣輪胎的垂直向之力的反應(yīng)；充氣輪胎的沖擊和余震要好得多。第10頁本圖演示的是低速充氣輪胎越過障礙物在不同位置時，縱向力和垂直向之力的反應(yīng)，以及余震。第11頁充氣輪胎的包容性主要考慮胎體的兩個部分：胎冠的彎曲剛性要低，帶束層的鋼絲層夾角加大，有利于包容性的改善；但是造成帶束層的接地面的彎曲剛性下降（會傷害輪胎的轉(zhuǎn)向剛性），則可以用零度帶來加強，達(dá)到兩者同時改進(jìn)的效果。胎側(cè)的包容性改善可以來自于胎體簾線張力的下降：我們可以縮短胎側(cè)柔軟薄膜部分的寬度，使得胎側(cè)下沉后，子午簾線之張力大幅下降。即利用上、下三角

4、膠有效地控制胎側(cè)胎體剛性之變化（請復(fù)習(xí)第一講中的薄膜理論）。第12頁我們接著講輪胎胎體振動及其傳遞作用。第13頁本圖演示不同胎體結(jié)構(gòu)，對沖擊波傳遞的特性。這是用激光全息攝影技術(shù)，顯示斜交胎的胎體受沖擊后，變形是局部性的，而子午輪胎由于鋼絲帶束層的關(guān)系，振動可以傳至輪胎全體。第14頁輪胎高速越過路面障礙物比低速時要復(fù)雜得多。這里在轉(zhuǎn)鼓上的障礙物是5厘米厚60厘米長，左圖是垂直向之力的反應(yīng)，兩次沖擊震蕩顯示進(jìn)入和離開時的狀況。右圖是縱向力的反應(yīng)。第15頁本圖說明輪胎的振動傳遞到乘客，其中有三次過濾，即輪胎、車身和人體。第16頁輪胎做為機械振動的過濾器有三個頻率段：1）30 赫茲以下，輪胎像個彈簧，

5、由輪胎徑向剛性決定， 2）30 到 250 赫茲之間，由輪胎胎體振動的不同模態(tài)及其本征頻率決定，這里胎體振動的阻尼較小，3）250 赫茲以上，這里也是由輪胎振動的高階模態(tài)決定，其特點是阻尼隨頻率大為增高。第17頁本表顯示人體對振動之不同的加速度（或g值）的反應(yīng)；看來 0.1個g就開始相當(dāng)不舒服了。第18頁本表顯示振動頻率與人的感覺之間的關(guān)系。第19頁下面簡單介紹輪胎/懸掛系統(tǒng)，其振動和共振以及力的傳遞。第20頁車內(nèi)的振動除了路面障礙物的沖擊所引起的之外，本圖所示是路面的高低不平的作用；這里指出如果路面高低變化的周期，l，與前后輪距離，L，滿足以下的公式， L = 22n-1, n = 正整數(shù)，

6、則車身會產(chǎn)生嚴(yán)重的縱搖（Pitching, 或者叫做俯仰或前后波動）。第21頁車子縱搖時幅度大小和位置相關(guān)，圖中顯示離重心近的前座的振動幅度要比后座為小。第22頁和頁20相比，當(dāng)L = n l (n 為整數(shù)) 時，車子會產(chǎn)生上下跳動（Bouncing）。第23頁改善車身振動，主要是靠車輪的懸掛系統(tǒng)。右圖的懸掛系統(tǒng)用的是葉片彈簧，常見于載重量較大的車子；左圖還顯示了減震器的位置。第24頁左圖顯示的懸掛系統(tǒng)中，彈簧和減震器是套在一起的，常見于轎車。為了簡化分析，我們只考慮一個輪子，也就是所謂 1/4車模型的懸架系統(tǒng)，用右邊的簡單模型代表，其中MS: 簧載質(zhì)量，指此輪承擔(dān)的車身重量（約全車 1/4）

7、，減去輪胎組合及懸掛系統(tǒng)；MU: 非簧載質(zhì)量，指的是輪胎組合及懸掛系統(tǒng)；KS: 懸架彈簧，及其彈性系數(shù)；C: 懸架減震器，及其減震系數(shù)；Kt: 輪胎作為一個彈簧，及其彈性系數(shù)。請注意，這里懸掛系統(tǒng)的彈簧和減震器是并聯(lián)的。第25頁我們用 x0, x1, x2分別代表輪胎接地點，非簧載質(zhì)量中心和簧載質(zhì)量中心的坐標(biāo)；簧載質(zhì)量 MS和非簧載質(zhì)量 MU的運動程式如右下所示。第26頁這里說明 1）對簧載質(zhì)量MS而言，輪胎和懸掛系統(tǒng)的兩個彈簧是串聯(lián)的，因此其等效彈簧是二者的串聯(lián)，即KS KtKS+Kt; 2) 對非簧載質(zhì)量MU而言，輪胎和懸掛系統(tǒng)的兩個彈簧是并聯(lián)的，因此其等效彈簧是二者的并聯(lián)，即KS+Kt；

8、圖中右邊給的例子指出，簧載質(zhì)量MS的振動固有頻率為 1.5 赫茲，而對非簧載質(zhì)量MU的固有頻率則是 13 赫茲。第27頁左圖代表的是在1/4模型中，路面不同頻率的激勵源對車子振動反應(yīng)頻譜。右圖則是整車實驗的頻譜，非簧載質(zhì)量有兩個不同頻率的峰值，來自于前后輪的不同。第28頁這里我們復(fù)習(xí)一下受迫振動的模型之特性。彈簧k和減震器C是并聯(lián); 強迫振動的外力，F(xiàn), 從右邊施加于質(zhì)量m。當(dāng)F=0 時，運動方程式如圖下所示。第29頁本圖給出運動方程式之解，并且在右圖將i）欠阻尼（z< 1），ii）臨界阻尼（z= 1）和 iii）過阻尼（z > 1）的不同表示出來。欠阻尼時余震大，舒適性低；過阻尼

9、則沖擊力緩慢消退，也是不好；最理想的是臨界阻尼，沖擊力下降得快，而且沒有余震。關(guān)鍵在于選擇適當(dāng)?shù)臏p震器，即c=2km。第30頁在第28頁的運動方程式力加入受迫振動，即F0，此處F=F0sin(2ft)，其解為x(t)=Xsin(2ft+)；振幅X, 相位角之公式如圖中所示。第31頁受迫振動模型中振幅X隨頻率比r= ffn和阻尼大小的變化。當(dāng)接近共振，即r 1, 振幅會變大，而阻尼大，即z 加大，則有利于降低振幅。第32頁這里演示相位角隨頻率和阻尼的變化。第33頁下面開始討論輪胎胎體的振動與模態(tài)分析。第34頁左上演示模態(tài)分析實驗的一種安排，即接地點（0º）固定不動，激勵器在接地點附近敲

10、擊，而胎面的振動用激光測距儀測量。右上圖演示振動幅度隨角度位置而變化。下圖演示當(dāng)激勵來自接地面，并且是縱向時的試驗安排；胎面不同部位的振動是周向的，激光不利于測量，因此改為用加速度傳感器來測量。左上圖的激光測量，由于沒有直接接觸，沒有慣性，有利于高頻率測量。第35頁這里演示不同的振動模態(tài)及其編號。上半部的圖代表徑向振動，紅色線和棕色線代表相反方向的最大振動。接地點不算，紅棕線的交叉點為節(jié)點，節(jié)點的數(shù)目愈大則模態(tài)的階數(shù)越高；用大寫的R代表徑向振動模態(tài)，節(jié)點數(shù)除以 2，為其階數(shù)。例如上面第一排中間的圖有3個節(jié)點，其模態(tài)編號為R1.5，其余以此類推。下半部的圖代表橫向振動，這里節(jié)點的計算法不同，以左

11、右振動時不動的部分為節(jié)點，因此接地點算作節(jié)點。其余和前面所述的一樣，橫向振動模態(tài)以T 為代表。如圖所示T0.5只有接地點一個節(jié)點，所以是 0.5階；T1.5 的三個節(jié)點，如圖所標(biāo)示；T1.0 只有接地點和頂點兩個節(jié)點；其余類推。第36頁本圖演示徑向振動模態(tài)，R0.5, R1.0, R1.5, R2.0, 其本征頻率分別為 72，85, 98, 111 赫茲。很明顯，本征頻率是隨著模態(tài)階數(shù)而增高的。第37頁同樣，橫向振動模態(tài)，T0.5, T1.0, T1.5, T2.0 的本征頻率分別為48,61,90和111 赫茲。第38頁這是Purdue 大學(xué)的Bolton教授的輪胎振動模態(tài)分析實驗的裝置。

12、左邊是激勵振動器，輪胎赤道面上的白點是反光漆，用以改善激光測距儀的信號。第39頁在這里我們簡單復(fù)習(xí)一下傅里葉級數(shù)法。法國數(shù)學(xué)家傅里葉發(fā)現(xiàn)，任何周期函數(shù)都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示，後世稱為傅里葉級數(shù)( Fourier series)。如圖所示，這里fx是周期函數(shù)，。傅里葉說fx可以用和它周期相同的正弦和余弦函數(shù)，sin(x), cos(x)，以及其更高階的sin(nx), cos(nx)諸函數(shù)的級數(shù)來表征，如圖中的第一行公式所示，其中SN代表只到第N項的級數(shù)。其中的系數(shù)an和bn可以用第二和第三條公式算出。本圖顯示，右邊的方形波和下面的鋸齒波隨著項數(shù)N的增加，傅里葉級數(shù)就能愈

13、來愈準(zhǔn)確地代表它們。第40頁這里進(jìn)一步計算前圖的鋸齒波函數(shù)，把系數(shù)bn算出來；這些系數(shù)代表的就是對應(yīng)階數(shù)的正弦或余弦函數(shù)的振幅大小。右下圖把這些振幅的絕對值按階數(shù)升高畫出來，其橫軸代表的就是頻率逐漸升高；換言之，這就是這個鋸齒波的頻譜圖。奧第41頁這里是第38頁Bolton教授輪胎振動徑向模態(tài)分析實驗的結(jié)果。左圖的輪胎充氣壓是20psi,右圖是40psi。橫軸是角坐標(biāo)，從-p到p，也就是 -180度到+180度；縱軸是振動頻率，從 0 到 1000 赫茲。假設(shè)我們選定一點，在輪胎赤道上-90度的位置，用激光量出其徑向位移的周期函數(shù)，然后用傅里葉法得出其振動頻譜。我們在橫軸-90度的位置畫一條垂

14、直線（即頻率軸）沿著此軸上將頻譜用顏色尺畫出；如此將沿赤道一周所有的結(jié)果都畫出來，就可得到本頁圖的最后結(jié)果。從左圖開始觀察，90至 250 赫茲是第一帶，從最低四個節(jié)點隨頻率增加到十六個節(jié)點；特點是阻尼低，0度到 ±180度的振幅衰減很少。第二帶是從280到400 赫茲，階數(shù)更高，20以上，阻尼明顯加大，同時振動幅度最大，尤其是在敲擊點附近。400赫茲以上有若干個振動帶，特點是阻尼很大，到1000赫茲時，振動幾乎傳遞不出去。其次讓我們比較右圖，即充氣壓增加一倍時，會有那些變化？首先，所有對應(yīng)的模態(tài)的本證頻率都升高了，例如第二帶的頻率范圍，升高至300到470赫茲；更重要的是阻尼降低了

15、。這個現(xiàn)象的解釋很簡單，即當(dāng)充氣壓增高時，所有簾線的張力增加，橡膠變形產(chǎn)生的力，對充氣壓的平衡之貢獻(xiàn)降低了，從而由橡膠變形產(chǎn)生的能量速損耗相對也減小了。根據(jù)右圖，此轎車胎的胎體振動振幅最大，發(fā)聲面積最高的是第二帶，頻率范圍在300到470赫茲之間。第42頁這里總結(jié)關(guān)于輪胎胎體振動的主要觀察點：1）各態(tài)本征頻率由輪胎結(jié)構(gòu)決定，是無可避免的，其各個模態(tài)的本征頻率可以有限度地調(diào)變，雖然增加阻尼可能可以降低振幅，但是不利于滾動能耗。2）高于1000 Hz 的振動阻尼很大，換言之，發(fā)聲效率會很差。3）增加充氣壓後本征頻率升高，阻尼下降會消失，意味著胎體振動產(chǎn)生的噪聲會加大。第43頁左圖演示的是胎冠斷面的

16、胎體振動模態(tài)之概要，橫軸是圓周向模態(tài)號碼，縱軸是頻率；其中不同家族的斷面振動模態(tài)，以m = 1, 3, 5, 7為模態(tài)號碼。很明顯，如果在振幅最高點加零度帶，是簡易的降低胎體振動的良法，且不會增加阻尼和能耗。第44頁果不其然，米其林在2011年得到的美國專利便是在胎冠以及左右肩部加零度帶（m = 5），可以降低胎體振動及其噪聲。第45頁這是米其林利用C3M新技術(shù)設(shè)計的輪胎結(jié)構(gòu)圖，顯示了前頁討論的3條減震用的零度帶。第46頁我們接著討論均勻性與輪胎振動的關(guān)系。第47頁輪胎的不均勻問題主要有三方面，即 1）幾何形狀的不均勻，通俗語言就是不夠圓，有徑向和橫向得到不均勻性， 2）胎體剛性的不均勻，有徑

17、向剛性、橫向剛性和胎冠縱向彎曲剛性，沿著圓周方向的變化，即不均勻， 3）胎體質(zhì)量沿圓周向分布的不均勻。第48頁輪胎不均勻造成力的變化：RFV (Radial force variation)LFV (Lateral force variation)TFV (Tangential force variation)這些是胎體振動的主要激勵源。第49頁這里演示的是輪胎徑向不均勻（Radial Run-Out，RRO）的定義，以及滾動時引起垂直向的力的變化。第50頁輪胎的橫向不均勻Lateral Run-Out，LRO，通常是量胎冠某一點沿圓周向的位置偏離中心面的距離之變化。在輪胎滾動時，會產(chǎn)生橫向力

18、的變化。第51頁胎面平點變形（Flat Spot），通常發(fā)生在車子行走一段時間之后，在輪胎溫度下降過程產(chǎn)生的變形；造成接地面部分形成平點，即不圓了；經(jīng)過一段時間的行走升溫，輪胎才能恢復(fù)正常。原因在于一般的聚酯簾線在冷卻過程中縮短的多少是受張力大小控制的；接地區(qū)的張力下降大，會縮得比較短，于是造成變形，致使局部變平。在此，簾線的力學(xué)/溫度特性在此非常重要，聚酯有問題，尼龍的問題更大。目前，一般的辦法是加一道工序，即PCI（Post Inflation Cure）, 意即在輪胎硫化過程中，讓胎體簾線在高張力的狀況下，冷卻回歸常溫，如此簾線的溫度穩(wěn)定性較高，可以改善胎面平點變形問題。另外，則是使用穩(wěn)

19、定性高的聚酯簾線，即高DSP （High Dimension Stable Polyester）簾線。第52頁當(dāng)我們把輪胎看成是許多小彈簧組成的，那么這些彈簧的剛性在圓周方向分布的不均勻，就造成輪胎胎體剛性之不均勻性；本圖所示為徑向剛性之不均勻性。第53頁本圖所示為橫向剛性之不均勻性，造成自由滾動時，偏離直線。第54頁左圖以棕色小塊位于胎冠中心，代表質(zhì)量分布的不均勻，其旋轉(zhuǎn)時的離心力引起縱向力和垂直向力的周期性變化；右圖代表多出的質(zhì)量不在胎冠中心時，離心力還能產(chǎn)生力矩，引起胎體的橫向振動。第55頁眾所周知，離心力是速度的平方，即F=mv2/R, 這里把離心加速度與車速的關(guān)系列成表，請注意，在每

20、小時100千米時，胎面1公克的質(zhì)量的離心力可以達(dá)到 263克，而在250 千米/小時之時，則增至 1.64 公斤！第56頁這里列舉了各種不均勻的主要成因，從制造工藝、輪輞質(zhì)量、輪胎/輪輞組裝到不當(dāng)使用等等。第57頁這里說明輪胎/輪輞的動平衡，如何在輪輞的邊緣適當(dāng)?shù)奈恢?，嵌入適當(dāng)?shù)你U塊，利用其離心力，做力和力矩的平衡。第58頁這里是在生產(chǎn)線上做有荷載工況下的，徑向力和橫向力的平衡，并且做傅里葉分析，決定其基本和高階的不均勻性的幅度和相位角。目前，在生產(chǎn)線上的測試，只限于轎車胎和輕卡，而且轉(zhuǎn)速偏低，只有 1-3赫茲，因此質(zhì)量分布不均勻的離心力效應(yīng)以及胎體共振現(xiàn)象的不平衡，是量不到的。第59頁這是實

21、驗室用低速測量輪胎質(zhì)量不均勻，以及從胎冠中心點和胎側(cè)最寬點，分別測量RRO和LRO。第60頁這里展示的是徑向力在旋轉(zhuǎn)一個周期內(nèi)的變化，以及傅立葉分析后的結(jié)果。這些變化與輪胎制造的工藝關(guān)系密切，例如胎面膠接口的位置，各層簾布，鋼絲帶束層，以及其他部件的接口的大小和位置，生胎與模具的相對角位置等等。在生產(chǎn)線上，有調(diào)整接口角位置，以便降低合力大小的辦法。第61頁本圖演示的是輪輞最高點和輪胎徑向力最高點，在隨機安裝時合力大小狀況。第62頁本圖演示的是輪輞最高點和輪胎徑向力最高點，在相差180度的匹配安裝下的結(jié)果，顯示可以將合力降到最低。第63頁本圖試圖說明的是：胎冠質(zhì)量分布不均勻的離心力，是無法在輪輞

22、加鉛塊完全抵消的。原因在于胎冠的質(zhì)量Dm的離心力，在接地時走得是直線，力的大小會變成零，圖中綠色曲線代表的是其在垂直方向的分力，中間缺了一塊。而輪輞上的鉛塊走的是圓周運動，其垂直方向的分力是相差180度，完好的正弦波，如圖中藍(lán)色曲線所示。二者大小相等，方向相反，但不能完全相消。結(jié)論是：要想消除質(zhì)量分布不均勻在高速行駛時的振動，只能把輪胎做好，即令Dm = 0，別無它法。第64頁這里是輪胎高速均勻性的測量結(jié)果，雖然這是回正力矩的試驗結(jié)果，但徑向力的行為基本上是一樣的。這里是傅里葉分析所得5階不均勻性的曲線，上圖的橫軸是輪胎速度，下圖的則是振動的頻率。在上圖可以看見4階的振動在50 mph 的速度

23、時，有共振現(xiàn)象，而5階的振動的共振在 44mph 的附近。從下圖，可以清楚地判定，此共振頻率是 50 赫茲，應(yīng)當(dāng)對應(yīng)上輪胎的某種模態(tài)振動的本征頻率。根據(jù)本頁的數(shù)據(jù)，這種隨速度增加的力主要從質(zhì)量分布不均勻造成的，基本上隨速度的平方增加。但是接近胎體共振頻率時，振動的力會產(chǎn)生爆炸性的增加。這些現(xiàn)象是不可能從低速測試法中預(yù)見的；因此得知，實測輪胎高速均勻性的重要性。第65頁這里簡述如何改善輪胎均與性的要點；同時指出為什么米其林C3M工藝做出的輪胎，高速均勻性特別好的原因。第66頁現(xiàn)在開始講第二部分，輪胎的噪聲問題，首先重溫一下 2012年的歐洲輪胎新法規(guī)。第67頁歐洲輪胎新法規(guī) 2012年11月起生

24、效，是改進(jìn)環(huán)保的一種措施，也對外貿(mào)易的技術(shù)壁壘；比起美國對中國輪胎的懲罰性關(guān)稅的辦法，要文明得多。貼標(biāo)簽的規(guī)定，將影響顧客購買輪胎的決定過程，對中國輪胎而言，既是刁難，但如果我們的輪胎質(zhì)量能得到優(yōu)質(zhì)的評定，那么就是一種免費的宣傳，所以也是一種機遇。在滾動阻力、通過噪聲及濕地抓著力三項中，噪聲是難度最高的。第68頁這是歐洲新法規(guī)的輪胎噪聲標(biāo)準(zhǔn)，其中C1是轎車胎；C2，輕卡輪胎；C3，卡車胎。第69頁在歐洲新法規(guī)裡，對噪聲特別低的輪胎授以Low Noise 的標(biāo)簽。第70頁這里顯示的是2008年時，歐洲 C1 轎車胎的噪聲統(tǒng)計的結(jié)果；左邊的綠色和藍(lán)色直線代表的是2012的新標(biāo)準(zhǔn)。看來2008年的輪

25、胎可能有20% 不能過關(guān)。第71頁這里是2012年新規(guī)定對C2和C3輪胎的影響，情況比C1輪胎要好些，但是 2008的輪胎仍有一半以上，不能過關(guān)。第72頁這里是2012 歐洲新法規(guī)與舊法規(guī)之比較，同時也比較了一些不同品牌的輪胎?？傊?，新法規(guī)的新標(biāo)準(zhǔn)要比以前難得多。第73頁這里的數(shù)據(jù)顯示：315/80R22.5的卡車輪胎的噪聲最低可以達(dá)到69.5分貝，但是這種輪胎不實際，不會有市場。第74頁現(xiàn)在開始先講實驗方法，即輪胎的噪聲測試。第75頁輪胎噪聲分車內(nèi)噪聲和車外噪聲兩種， 2012 歐洲新法規(guī)考慮的是車外噪聲，是環(huán)保的考慮。這里我們先討論與乘坐舒適性相關(guān)的車內(nèi)噪聲，其源頭有二：1）輪胎引起的振動

26、通過車體結(jié)構(gòu)傳遞進(jìn)車內(nèi)，然后以車身內(nèi)面（如車窗，門板等）的振動發(fā)聲， 2）輪胎表面發(fā)出聲音（胎面振動和胎面花紋的氣泵作用），通過空氣傳遞，然后透過車身進(jìn)入車內(nèi)。在振動和聲音傳遞的過程中會有所衰退，圖中顯示從車體結(jié)構(gòu)傳遞與從空氣傳遞兩種路徑的衰退頻譜有所不同；在低于400 赫茲范圍內(nèi)，空氣傳遞噪聲的衰退比較大。車內(nèi)噪聲之降低，主要靠車體安裝減震和吸音材料。而車內(nèi)噪聲音質(zhì)的改善，則在于避免令人煩躁的固定頻率的聲音，亦即所謂白噪聲問題。第76頁在診斷輪胎噪聲的來源時，一個重要的問題就是分辨那一部分來自胎面花紋，和那一部分來自胎體振動。這里我們介紹噪聲頻譜瀑布圖表征法：圖中橫軸是頻率，縱軸是聲音的強度

27、，每一條藍(lán)色的曲線是在固定輪胎速度時得到的噪聲頻譜；這里縱軸同時也是輪胎的速度，當(dāng)我們把不同速度的頻譜畫出來時，得到的就是圖示的 3D 噪聲頻譜瀑布圖。當(dāng)我們檢視此圖時會發(fā)現(xiàn)有兩種特征，即1) 頻譜中峰值的頻率隨速度而增加的，峰頂形成從原點出發(fā)的斜線，看起來像濺出的水花，就稱之為水花 ,和 2) 有些峰頂?shù)念l率是固定的，即不隨速度而變，看起來像瀑布，即以瀑布稱之。水花與輪胎花紋有關(guān)，例如在某速度時輪胎花紋敲打路面每秒60下，其噪聲當(dāng)有60赫茲的峰值；但是當(dāng)速度增加1倍時，峰值頻率會升高到120赫茲。這種現(xiàn)象在出于輪胎比均勻性造成的振動和噪聲也是一樣的。都會在瀑布圖上，以水花的形式出現(xiàn)。當(dāng)噪聲來

28、自于胎體結(jié)構(gòu)的振動，不同模態(tài)有不同的本征頻率，與輪胎速度無關(guān)，其頻譜的峰頂可以聯(lián)成一條一條的垂直線，像瀑布一樣。第77頁當(dāng)我們用色尺來表征聲音的強度時，上頁的瀑布圖就變成這樣。低頻取的紅線是水花，900赫茲以上的看來像瀑布。左邊水花應(yīng)該是從原點出發(fā)的直線。其彎曲時左圖不當(dāng)所致。第78頁這是一個315/70R22.5 卡車胎的瀑布圖，橫軸的頻率從0 到2000赫茲，輪胎的速度則以rpm 代表。輪胎滾動周長度是一周 3.05米，每周有塊狀花紋節(jié)距 46個，也就是每轉(zhuǎn)一圈，花紋塊會敲打地面46下。此中胎面花紋造成的水花，和胎體振動產(chǎn)生的瀑布，十分明顯。請注意，低頻區(qū)的水花應(yīng)當(dāng)來自于輪胎的不均勻性，例

29、如9瓣的活絡(luò)模的胎面，可能產(chǎn)生每轉(zhuǎn)一圈，震9下的空氣壓力的變化。第79頁這是一個315/70R22.5 卡車胎的瀑布圖，輪胎滾動周長約 3.02米，胎面花紋節(jié)距為 48。低于100赫茲的水花似乎是9階的，可能與9瓣活絡(luò)模，及肩部零度帶在輪胎硫化是成形過程造成的胎面不均勻性有關(guān)。第80頁這是車內(nèi)噪聲的瀑布圖，這里縱軸是頻率，輪胎速度 RPM 在橫軸，原點在右邊。上圖是粗糙路面的結(jié)果，這里看不到水花，瀑布方向是橫的；說明在粗糙路面行駛時，胎面花紋噪聲不重要。在250赫茲的噪聲是所謂胎腔共振效應(yīng)（稍后會討論）。下圖是光滑路面測試的結(jié)果，胎腔共振效應(yīng)很明顯，最高值約70分貝。水花有了，但很弱。第81頁

30、這是1988年米其林的一個改善輪胎花紋噪聲的專利。主要的目標(biāo)是制造“白噪聲”。根據(jù)聲音心理學(xué)，人們聽到有固定頻率的噪聲是會感到煩躁不安，如果換成白噪聲，即使音量大一點，也不要緊。其基本方法是先將胎面花紋展開成2維平面圖，然后將輪胎接地印痕的前緣勾勒出來。令印痕前緣順著行走方向移動，當(dāng)某段和胎面花紋的邊緣接觸時，假設(shè)一個聲音的脈沖會產(chǎn)生；脈沖的時長由輪胎的速度和對應(yīng)的花紋溝寬決定，脈沖的高度則由對應(yīng)溝內(nèi)空氣的體積決定。如此將沿著印痕前緣發(fā)生所有的聲音脈沖疊加起來，在時間軸上展開，得到聲壓對時間的曲線，送進(jìn)PC 做傅里葉分析，便可得到輪胎花紋噪聲的頻譜。人們可以檢驗不同花紋設(shè)計得到的噪聲頻譜，找出

31、白噪聲最好的設(shè)計，這就是這個專利的基本思路。第82頁讓我們討論什么是白噪聲？首先考慮如果胎面花紋塊用等節(jié)距設(shè)計會如何？左圖顯示用聲壓脈沖的形式作圖，橫軸是時間，得到的將是周期相等的脈沖；經(jīng)過傅立葉分析，得到的音強頻譜如右圖：相對分布非常窄的峰值沿著其基本頻率及其高階的諧波展開。這是固定頻率（及其高階諧波）的輪胎噪聲。所謂白噪聲是在聲音頻譜中沒有個別突出的頻段的狀況。要達(dá)到白噪聲，最常用的方法是變節(jié)距法。第83頁這里是變節(jié)距法的示意圖。以 S, M, L 分別代表小、中，大三種不同節(jié)距的花紋塊，做不同順序的排列，如此得到的聲壓脈沖曲線的頻譜如下圖白色粗線所示，雖然仍有個別不同頻率的峰值，但是局部

32、的峰高會大為降低，同時峰的寬度也會增加，降低了固定頻率聲音的突出性。理想中的“白噪聲”如下圖白色虛線所示：沒有峰值，而且音強不隨頻率而變。所謂“棕噪聲”和白噪聲相似，沒有峰值，但音強隨頻率而下降，如圖所示。第84頁這是1994年 Bridgestone 的輪胎花紋噪聲模型和預(yù)測法的專利，基本上和前述的米其林專利一樣，只是把聲壓脈沖改成衰退的正弦波而已，應(yīng)該看成是一種改進(jìn)。第85頁現(xiàn)在簡單討論車外通過噪聲的測試法，這是試車場的示意圖。第86頁這是ISO 通過噪聲試驗場的設(shè)計圖，長、寬20米，路寬3米，長40米。道路中線左、右7.5米各置麥克風(fēng)一，離地面高 1.2米。路面表面結(jié)構(gòu)按 ISO 108

33、44 的規(guī)定。第87頁道路表面結(jié)構(gòu):上右圖是 ISO 10844，及上左圖是熱滾柏油路面（Hot Rolled Asphalt）下圖是路面的斷面高低變化圖；ISO 10844路面結(jié)構(gòu)要細(xì)得多，不容易透氣。第88頁這是通過噪聲實驗的頻譜記錄；右圖記錄了左右兩個麥克風(fēng)量到的聲音頻譜，橫軸是時間，縱軸是頻率；通過速度設(shè)在 80千米/小時，噪聲主要是在 700到2,000赫茲之間。歐洲法規(guī)規(guī)定的是記錄聲壓最高值的平均值，而不是頻譜。第89頁這里是室內(nèi)通過噪聲的試驗裝置安排；在半消聲室內(nèi)，輪胎由轉(zhuǎn)鼓支撐，用一排十四個麥克風(fēng)記錄車子在不同位置量到的聲音的數(shù)據(jù)，然后用軟件處理，模擬實際路試時只有中間一個麥克

34、風(fēng)所量到的數(shù)據(jù)；不同位置的麥克風(fēng)數(shù)據(jù)還做了相應(yīng)的Doppler效應(yīng)之校正。這種方法的愿意是可以避免天氣（溫度，濕度，風(fēng)向，風(fēng)速等等）變化的影響，測試條件的控制的一致性較好。第90頁下面討論輪胎噪聲的主要機理。第91頁這里圖示輪胎噪聲的各種機理。第92頁輪胎噪聲之機理大致可以分為 1）胎體的結(jié)構(gòu)振動， 2）胎面與路面之間的撞擊，3）胎面與路面之間黏著及分離時的發(fā)聲效應(yīng)，4）胎面花紋效應(yīng)，5）胎腔共振效應(yīng)，及6）喇叭口效應(yīng)。其中主要的是 1）， 4）和5），以下開始介紹。第93頁這3種機理之中，胎體振動和胎腔共振的頻譜與輪子旋轉(zhuǎn)的速度無關(guān)，胎面花紋產(chǎn)生的噪聲頻譜的各峰頂頻率是隨車速增加的、。第94

35、頁胎腔共振的產(chǎn)生條件是聲波沿著胎腔中心的圓周形成駐波。右上圖是一個周期的正弦波，波長是2pRc，其中Rc是胎腔中心點的半徑。左圖顯示此駐波的節(jié)點在接地點和頂點，相差 180度。而胎壓振幅最大值在左右，即 90度和270度兩個位置。胎腔的左半此時由震蕩產(chǎn)生的空氣壓力Dp是正的，產(chǎn)生向左方的力之大小是Dp乘上胎體內(nèi)部向左方投影的面積的總積分，如圖中公式所示；而胎腔右半的Dp是負(fù)的，其對右邊投影面積的積分與左邊的相似，由于方向相反，負(fù)負(fù)得正，產(chǎn)生的力也是向左，而大小相等。其合力如圖中的積分公式所示。隨著Dp的周期變化，對輪胎胎體變產(chǎn)生了水平方向，振幅為2·(Dp)·A，頻率為（音

36、速/ 波長）的力的波動；這個力從胎體傳到輪軸，再經(jīng)由車身的結(jié)構(gòu)傳至車內(nèi)，變成車體內(nèi)部表面的振動而發(fā)出聲音。圖中所舉的例子，胎腔共振頻率是220赫茲。請注意，這種胎腔內(nèi)部空氣震蕩產(chǎn)生的聲音，是通過機械力的傳遞變成車內(nèi)噪聲的。實際上，降低這種車內(nèi)噪聲的主要手段，是在車身設(shè)計時加上減震和吸收振動的材料。至于輪胎設(shè)計，有人提出在胎腔內(nèi)部加吸音材料，或阻止駐波形成的隔音板之類的。在專利文獻(xiàn)中有，但實際商業(yè)上沒有人做，估計是成本過高，不值一試。第95頁關(guān)于胎體振動產(chǎn)生噪聲的試驗，圖中所示是半消聲室的轉(zhuǎn)鼓有光滑與粗糙兩種表面。其噪聲瀑布圖，請看下頁。第96頁上圖是光滑面，水花是胎面花紋所致。下圖是粗糙面，以

37、胎體振動為主，即瀑布也。第97頁胎體振動固然可以是路面粗糙度引起的；但也可以從胎面花紋產(chǎn)生。圖中演示由胎面橫溝的帶寬度，以及橫溝的彎曲剛性變化所引起。第98頁這里復(fù)習(xí)輪胎胎體振動模態(tài)分析，請回看第38頁的說明。第99頁這里復(fù)習(xí)輪胎胎體振動模態(tài)分析，請回看第41頁的說明。這里強調(diào)充氣壓對胎體振動阻尼的影響。一般轎車胎的充氣壓在2到3個大氣壓，而全鋼胎可達(dá)8個大氣壓或更高，使得全鋼胎胎體振動的阻尼小，因此胎體振動作為噪聲聲源的比例會大為提高。一般認(rèn)為全鋼胎的噪聲70%來自胎體振動，另外30%來自胎面花紋的氣泵效應(yīng)；而轎車胎則反是。第100頁這里復(fù)習(xí)輪胎胎體振動模態(tài)分析，請回看第36頁的說明。第10

38、1頁要觀察胎體振動發(fā)聲的聲源分布，可以使用近場聲全息技術(shù)NAH。如圖所示，使用的是2-維的麥克風(fēng)相陣，數(shù)據(jù)處理方法類似光全息攝影；此法對低頻的時空分辨率較佳。第102頁這里是一個轎車胎用近場聲全息技術(shù)得出的聲源分布圖。其主要振動模態(tài)看來是 R2.5 （請查看第35頁），頻率是128赫茲。第103頁把前頁的圖中的色尺換成等高線便得到本頁的結(jié)果。從左上，右上，左下，右下，分別為空氣壓（Dp），空氣分子的速度，同步聲強，和無功率聲強。以左下圖同步聲強（有功率）代表有效的聲源；本圖表明在128赫茲，胎體振動發(fā)聲的貢獻(xiàn)不大。第104頁這是208赫茲的結(jié)果，胎體振動有一定的發(fā)聲作用。第105頁到了628赫

39、茲，胎體振動發(fā)聲基本上可以忽略不計；只剩接地面的胎面花紋噪聲。以上三頁的結(jié)果可參看第99頁的右圖做比較。第106頁觀察聲源分布還可以考慮波束形成技術(shù) Beaming forming Technique，如圖所示，使用2-D 相控陣麥克風(fēng)，方法類似合成孔徑雷達(dá)（SAR），對高頻信號處理效率較高。第107頁這是車子160(千米/小時) 高速行進(jìn)中，高頻噪聲聲源的分布圖（2000到4000赫茲），主要在接地印痕附近。請注意，驅(qū)動輪的噪聲主要在接地的出口，而非驅(qū)動輪（后輪）的噪聲則在接地印痕的入口。第108頁下面討論氣泵效應(yīng)與風(fēng)琴管共振，這是輪胎胎面花紋發(fā)聲最基本的機理。第109頁胎面花紋造成的溝主要

40、可以分成橫溝和縱溝。上圖演示橫溝在進(jìn)出接地印痕時，所含空氣的壓緊和舒張過程，即所謂氣泵作用。這種壓力變化的過程，到底是脈沖形式，還是衰退的正弦波，要按實際測量的結(jié)果（在第115頁會繼續(xù)討論）。右下圖是縱溝，像風(fēng)琴管。左下是開口風(fēng)琴管的模型，在下一頁進(jìn)一步說明。第110頁上圖演示的是開口式風(fēng)琴管內(nèi)空氣產(chǎn)生共振時的疏密波，節(jié)點在管長的中點，折振幅為零，而兩端的關(guān)口振幅最大，此駐波的波長為管長的2倍。下圖則增加了高階的諧波，節(jié)點的數(shù)目依次增加為 2, 3, 4，等等。從頻率乘以波長等于聲速，右下給了風(fēng)琴管共振頻率與管長和階數(shù)的關(guān)系之公式（其中 C代表聲速）。第111頁胎面的橫溝有時一端是封閉的，可以

41、用圖中的半開口式風(fēng)琴管來代表，其封閉端必須是節(jié)點，如左圖所示。右下的公式給了半開口式風(fēng)琴管的共振頻率與管長和階數(shù)的關(guān)系（其中C是聲速）。第112頁本圖說明路面結(jié)構(gòu)對輪胎噪聲的影響，橫軸是車速，縱軸是噪聲分貝數(shù)。圖中綠色的點是水泥路面的結(jié)果，而紅色的點是雙層有孔隙的路面(Twin-Lay). 有趣的是水泥路面的噪聲居然可以高出8個分貝！考慮到一般胎面花紋設(shè)計能改進(jìn)半個分貝都很難， 8個分貝是極大的差別！第113頁這里顯示單層和雙層有孔隙柏油路面的斷面圖。第114頁本圖說明不同路面對輪胎噪聲頻譜的影響，主要在900赫茲以上；這是氣泵效應(yīng)的范圍?？磥碛锌紫堵访娴闹饕饔檬瞧茐牧藲獗米饔弥械目諝鈹D壓和

42、舒張；漏氣的風(fēng)琴管氣泵的效率顯然會受到傷害。因此有空隙路面的結(jié)果，是強有力的證據(jù)，證明胎面噪聲中氣泵作用是最重要的機理。第115頁關(guān)于胎面橫溝氣泵效應(yīng)的聲音波型，根據(jù)胎肩橫溝路試的結(jié)果，人們觀察到如左下圖的波形，其特點是先有空氣擠壓形成一個脈沖，然后是半開式風(fēng)琴管的余震，逐漸衰退。有些人便用矩形脈沖來表征這個現(xiàn)象（見右下圖），并且忽略了余震的尾巴（請參看第81頁的說明）。脈沖的高度，即聲壓的大小，由花紋溝的體積決定，而脈沖的時間長度，DT，則由溝寬和輪胎的速度決定。第116頁使用矩形脈沖來表述橫溝的氣泵作用，雖然簡單方便，但是由于沒有震蕩和波動，無法反映聲波的干涉和加強作用。我們需要進(jìn)一步了解

43、聲波波形的特征，波形控制的主要參數(shù)，和聲波之間的相互作用。第117頁在進(jìn)一步討論橫溝氣泵作用之前，先介紹一種試驗方法，可以大大地改善噪聲信號的質(zhì)量，即所謂聲波同步平均法（Synchronized Averaging）。圖中的曲線是麥克風(fēng)實測光面胎加肩部橫溝，實驗室轉(zhuǎn)鼓試驗的數(shù)據(jù)，共3個周期。由于半消聲實驗室有問題，干擾的信號特別大，如圖所示，信號質(zhì)量很差。同步平均法的基本周期內(nèi)想法是：在一個周期內(nèi)將連續(xù)同周期的信號疊加起來，然后取平均值；這樣，要量的周期函數(shù)不變，而干擾信號會大大地降低。干擾信號基本上有兩類：1）隨機的噪音的平均值，由于隨機的特性，平均值會趨零，2）頻率不同的干擾信號，按三角函

44、數(shù)的基本特性，在不同頻率周期內(nèi)的積分也是零。于是可以大大地改善所謂（信號/ 噪聲比）。同步疊加的扳機 (Trigger) 不難，只需要在輪胎轉(zhuǎn)軸上安裝一個旋轉(zhuǎn)編碼器即可。第118頁同步平均法取得的封閉橫溝空氣擠壓之聲壓波形，低速50千米/時。請注意，類似衰退正弦波的信號有兩個，一個對應(yīng)進(jìn)口的擠壓過程，另一個在出口，對應(yīng)橫溝的舒展，或減壓，過程。另一個和第115頁不同之處，是脈沖似乎消失了。我們的解釋是此處的橫溝比較窄，DT，脈沖和風(fēng)琴管的振動作用混在一起了。這和第84頁，Bridgestone 專利的聲壓曲線十分接近，只是 Bridgestone 把接地時間的長度搞錯了，以至于將第二個衰退的正

45、弦波放在接地時間的外面，而忽略不計了。第119頁較短，這是車速加倍增到 100千米/時，聲壓震蕩的幅度增加了；由于接地時間縮短了，造成前后兩個衰退正弦波擠到一起了。第120頁這里我們利用中間速度，72 千米/時，的數(shù)據(jù)說明胎面半封閉橫溝氣泵效應(yīng)之模型。當(dāng)我們把接地壓力變化的曲線擺在一起時，可以看見入口處的空氣擠壓，和出口處的接地壓回歸零，都能造成空氣在橫溝的進(jìn)出和震蕩，形成看來像是衰退的正弦波的波形。震蕩的頻率由半開放風(fēng)琴管的機理決定；至于振動幅度大小，則由接地壓變換率來控制。第121頁胎面花紋溝氣泵和風(fēng)琴管模型可以總結(jié)如下：l 縱向溝風(fēng)琴管l 橫向溝氣泵口l 波形脈沖 + 衰減的正弦波l 波形本證頻率風(fēng)琴管模型l 波形峰值氣泵的突起性2V(t)t2第122頁最后，討論如何降低輪胎噪聲的問題。第123頁輪胎噪聲之改善可以分成兩個方面：1）改善聲音質(zhì)量，即降低聲音之調(diào)性：利用變節(jié)距技術(shù)，促成比較容易接受的白噪聲或棕噪聲。這種考慮主要應(yīng)用在車內(nèi)噪聲問題。2）降低聲音之強度，主要在車輛通過噪聲，是個環(huán)境保