赫姆霍兹共振器降噪法在轮胎降噪中的应用分析

高 龙

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

赫姆霍兹共振器降噪法在轮胎降噪中的应用分析

高 龙

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

建立带有横向花纹沟的轮胎滚动模型和单个横向花纹沟-空气耦合模型，利用赫姆霍兹共振器降噪法对花纹沟噪声进行降噪探索。分析结果表明在花纹沟旁添加不同结构尺寸的赫姆霍兹共振器结构可以达到降噪的目的。

轮胎；赫姆霍兹共振器；泵吸噪声；降噪

CLC NO.: U463.341 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-15-03

前言

随着各国对轮胎噪声限制法规的相继出台，如何降低轮胎噪声成为各轮胎企业必须突破的重点。轮胎噪声主要包括轮胎振动所产生的噪声和轮胎花纹沟变形导致的泵吸噪声[1]。目前轮胎振动噪声的研究比较充分，而且对于如何降低轮胎噪声的方式主要集中于改变轮胎花纹节距[2]、采用不对称花纹形式、不开横向沟槽和细长沟槽等，而对于借鉴消声器消声理论采用赫姆霍兹共振器抑制花纹沟噪声在国内外论文中鲜有见刊。

赫姆霍兹共振器降噪法是利用共振性能进行消声，其中赫姆霍兹共振式消声器在汽车排气系统上应用比较广泛。赫姆霍兹共振器结构简图如图1，其中a为共振腔的长度、b为共振腔的宽度、t为小孔通道的长度、d为小孔通道的宽度。消声降噪原理为：当声波传入共振腔时，在声波的压力作用下，小孔孔颈中的气体会像活塞一样做往返运动，这些气体都具有一定的质量，它会阻碍由于声波的作用而引起的运动速度的变化；同时，当声波进入小孔孔颈时，由于孔颈壁面存在摩擦和阻尼的作用，会使一部分声能转变成热能而消耗。当声波的频率等于共振腔的固有振动频率时，便产生共振，此时振动幅度最大，空气柱在孔颈中的往返速度也就最大，摩擦和阻尼产生的损耗也最多，消耗的声能最多，消声量也就最大。它的特性是消声频率段比较窄，在共振频率附近时消声量很大，偏离时消声量大大降低。

本文通过在花纹沟旁添加赫姆霍兹共振器结构，然后改变赫姆霍兹共振器对应的结构参数，分析这些结构参数对花纹沟噪声的影响，探索低噪声轮胎的设计方法。

1、滚动轮胎模型建立

在Abaqus系统中建立的具有横向花纹的205/50R16型半钢子午线轮胎有限元分析模型如图2。模型中路面和轮辋简化为解析刚体，橡胶部分采用C3D8R单元，橡胶本构模型采用超弹性YEOH 3st模型，钢丝帘线采用Rebar单元[3]进行模拟。该轮胎标准载荷为4000N、充气压力为0.24Mpa。利用Abaqus进行轮胎稳定滚动状态分析，分析时轮胎与路面之间摩擦系数为0.8，将稳态分析结果传到Abaqus/explicit中计算轮胎在标准工况下速度为70km/h的瞬态滚动分析。

根据轮胎瞬态滚动分析提取花纹沟槽壁面接地过程中节点位移变化的时间历程。因为轮胎接地过程时间极短，而且花纹沟槽位移变形程度相比花纹沟槽结构尺寸很小，所以本研究提取花纹沟上表面中心处和花纹沟槽两侧壁面中心处的位移并施加在泵吸噪声分析模型中相应沟槽壁面位置作为滚动轮胎花纹沟槽边界条件。图3给出了横向花纹沟槽上壁面中心和侧壁中心在轮胎滚动时的位移时间历程曲线。从图中看出，花纹块在接地和离地的过程中，上表面法向位移变形逐渐增大，然后变小；在整个接地过程中，侧壁的切向变形位移逐渐增大，且明显大于花纹沟上表面位移变化。

2、带有赫姆霍兹共振器结构的横向花纹沟槽的噪声分析

2.1 横向花纹沟-空气耦合模型的建立

由文献[4]可知，对于具有横向花纹的轮胎，其泵吸效应和气柱共鸣是主要的噪声源，这种噪声主要来源轮胎花纹和地面接触区域。为此，建立了接地区单个花纹沟槽与空气的耦合模型，如图4，花纹沟槽的橡胶材料及本构模型的选择均与滚动分析时的选取相同。根据分析的需要花纹沟槽尺寸为：长50mm，宽8mm，深4mm；经试算，空气域的尺寸为：长150mm、宽80mm、高30mm。模型中花纹块与地面接触处采取固定约束，其余面全部为FSI（Fluid Structure interaction，流固耦合）面；空气域除接地面采用wall（相当于路面）描述，其余面的边界条件为Opening。由于LES[5]（大涡模拟）对空间分辨率的要求远小于直接数值模拟方法；在现有的计算机条件下，可以模拟较高雷诺数和较复杂的湍流运动，而且可获得比雷诺平均模拟更多的湍流信息，所有本研究选择大涡模拟模拟花纹沟内的流场变化信息。采用近场测量轮胎噪声方式，在空气域中，取XOZ面上距花纹槽端面外39mm、距接地面2mm的点为噪声测试点，如图4中A点所示。为模拟轮胎滚动状态，在花纹沟表面施加轮胎滚动过程中的相应位移。

2.2 赫姆霍兹共振器降噪设计

在轮胎滚动接地过程中，花纹沟与地面之间组成的通气通道就像一条通气管，为此，在横向花纹沟旁开如上图所示的赫姆霍兹共振器，模型如图5所示。通过改变赫姆霍兹共振器中的不同参数探索有效的降噪方法。设赫姆霍兹共振器中小孔通道的深度为m，共振腔的深度为n，设计方案如表1，单位为mm。

表1 赫姆霍兹共振器不同方案参数

在花纹沟长度为50mm，宽度为8mm，深度为4mm的花纹块上设置以上方案的凹槽，则当花纹块完全与地面接触时，花纹沟及凹槽则组成类似赫姆霍兹共振器结构。模拟带有以上方案的花纹沟的噪声，分析赫姆霍兹共振器的不同参数对花纹沟噪声的影响。

3、噪声比较分析

3.1 共振腔深度影响

在标准气压和载荷、速度70km/h、路面摩擦系数0.8、胎面胶料为BEQ的条件下对A、B、C三种方案进行噪声分析，并将这些方案的噪声大小与长度为50mm、宽度为8mm、深度为4mm的花纹沟在同等条件下的噪声相比较，得到各方案在噪声测试点的降噪量曲线如图6所示。

从图中可以看出：三种方案均能降噪；在频率为500Hz左右时，降噪量最大，说明这个频率是其共振频率；在共振频率时，降噪量随着共振腔深度的增大而增大；在1000Hz以后，降噪量变化不明显，但深度最大的C方案降噪量最小。

3.2 小孔通道深度影响

在标准气压和载荷、速度70km/h、路面摩擦系数0.8、胎面胶料为BEQ的条件下对C、D、E三种方案进行噪声分析，并将这些方案的噪声大小与长度为50mm、宽度为8mm、深度为4mm的花纹沟在同等条件下的噪声相比较，得到各方案在噪声测试点的降噪量曲线如图7所示。

从图中可以看出：三种方案均能降噪；在频率为500Hz左右时，降噪量最大，说明这个频率是其共振频率；在整个频率段，三种方案的降噪量变化不明显，说明小孔通道深度对降噪影响不大，但可以看出对于小孔通道深度最小的方案C，其降噪量是最小的。

3.3 小孔通道长度影响

在标准气压和载荷、速度70km/h、路面摩擦系数0.8、胎面胶料为BEQ的条件下对C、F、G三种方案进行噪声分析，并将这些方案的噪声大小与长度为50mm、宽度为8mm、深度为4mm的花纹沟在同等条件下的噪声相比较，得到各方案在噪声测试点的降噪量曲线如图8所示。

从图中可以看出：三种方案均能降噪；在频率为500Hz左右时，降噪量最大，说明这个频率是其共振频率；在共振频率时，降噪量随着小孔通道的长度的增大而增大，在1000Hz以后，降噪量变化不明显。

4、结论

通过以上分析，可得出：在花纹沟旁添加赫姆霍兹共振器结构可有效降低花纹沟噪声，而且赫姆霍兹共振器的尺寸对花纹沟降噪有一定的规律可循。分析结果表明，赫姆霍兹共振器可以用于花纹沟的降噪设计中，为低噪声轮胎花纹设计提供参考。

[1] Heck M. Tyre noise generating[A].Seminar on Fraction and Contact Noise. Deft, Netherlands:1985-06-20.

[2] 陈理君,杨光大,董芹.低噪声轮胎花纹设计原则[J],橡胶工业.1997；44(3):150-155.

[3] 陈芳，王国林，高先进，张建，应世洲.载重子午线轮胎帘线受力有限元分析[J].橡胶工业，2008,55(2):80-84.

[4] 葛剑敏, 范俊岩, 王胜发, 隆有明.低噪声轮胎设计方法与应用[J].轮胎工业,2006, 26(2):79-84.

[5] M.B. Abbott, D.R.Basco, Computational Fluid Dynamics-An Introduction for Engineers. Longman Scientific & Technical, Harlow, England, 1989.

The exploration of using Helmholtz resonator to reduce tire noise

Gao Long
（Anhui Jianghuai Automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601）

Established the tire rolling model and transverse groove - air coupled model, using the Helmholtz resonator noise reduction method for pattern groove noise reduction research. Analysis results show that add Helmholtz resonator structure to the groove can achieve the purpose of reducing tire noise.

Tire; Helmholtz resonator; pumping noise; noise reduction

U463.341

A

1671-7988(2015)01-15-03

高龙，硕士，助理工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，主要从事车辆