C3轮胎通过噪声的试验研究*

杨永宝危银涛陈亚龙王昊项大兵李志超

（1.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室；2.湖南工业大学）

C3轮胎通过噪声的试验研究*

杨永宝1危银涛1陈亚龙1王昊1项大兵1李志超2

（1.清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室；2.湖南工业大学）

为达到利用轮胎室内试验部分取代室外试验的目的，针对不同花纹和结构的C3轮胎（载重轮胎），利用混合型室内噪声试验与室外通过噪声试验，分析了轮胎室内通过噪声与室外通过噪声的相关性。轮胎的室内噪声测试包括轮胎的近场噪声和远场噪声测试；室外通过噪声试验是利用滑行法在ISO 10844标准规定的路面上完成。试验结果表明，轮胎室内近场噪声与远场噪声数据的数量关系符合点声源的衰减规律，经过合理校正后的轮胎室内远场噪声与轮胎室外通过噪声值基本一致，即利用轮胎的室内近场噪声测试结果可以预判轮胎室外通过噪声值。

1 前言

随着汽车发动机技术的不断提高，发动机噪声显著降低，而轮胎噪声成为了道路交通噪声的重要来源[1～8]。欧盟轮胎标签法中针对各类轮胎的通过噪声规定了相应的限值，这对轮胎企业既是挑战也是机遇[3]。如何在轮胎初期开发阶段通过易操作、低成本的方式得到原型轮胎准确的通过噪声数据就成为了行业的重要问题之一，尤其是对于通过噪声达标率较低的C3轮胎（载重轮胎）。

目前，轮胎噪声的测试方法主要是室内转鼓法和室外滑行法。室内转鼓法的测试条件可控、操作方便且成本较低，但无法直接得到轮胎的通过噪声[9，10]；室外滑行法则需在室外标准试验路面上进行[11]，并需依据欧盟ECE R117标准所规定的程序进行测试[12，13]。

本文针对C3轮胎，结合上述两种方法的优缺点，将所设计的室内混合试验与室外的通过噪声试验相结合，得到了轮胎的室内、外噪声间的定量关系，从而达到了利用转鼓法预测轮胎通过噪声的目的。

2 室内噪声试验

本文主要针对C3轮胎（下称轮胎）进行测试，测试轮胎为4种花纹形式的轮胎，一款轮胎的规格为315/60R22.5，花纹形式分别为块状花纹（代号CM335）和条状花纹（代号CR966），另一款轮胎的规格为385/65R22.5，花纹形式为混合花纹（代号AT557）和条状花纹（代号WSR1），依次编号为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，如图1所示。本文的室内试验同时实现轮胎近场噪声和远场噪声的测量，以获得轮胎室内近场噪声与远场噪声间的相关性。

2.1 试验设备

试验用车辆为CA4180P66K2AZ 4×2平头牵引车。将待测轮胎安装至试验车右前轮，按照标准对车辆加载、调整负荷，并依次安装其它所需设备[14]。

为测量轮胎近场噪声，如图2所示，在轮胎一侧从接地处后端以逆时针顺序（0°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°和180°处）安置9个传声器，传声器距地高度均为0.1 m，距轮胎中心距离为1 m，传声器水平指向轮胎。

为测量轮胎的远场噪声，在距待测轮胎中轴线一侧7.5 m远、高1.2 m处均匀安置5个传声器，传声器间距为2 m，用以模拟轮胎的通过噪声，如图3所示。

试验在半消声室内进行，环境温度为25℃，背景噪声＜25 dB（A）。

2.2 试验过程

试验主要分为背景噪声测试和匀速行驶测试两部分。背景噪声测试时，当试验车辆未上转鼓时，按照图2中所示方法将传声器布置好，所有设备不启动，记录消声室内的背景噪声，然后再开启转鼓测量车速分别为50 km/h、70 km/h、90 km/h和120 km/h工况下的背景噪声。匀速行驶试验时，将试验车在底盘测功机上固定好，关闭汽车空调等可能产生其它无关噪声的设施，将转鼓设置为“转鼓驱动”模式，然后启动与被测轮胎对应的转鼓，使转鼓以恒定转速控制方式带动车轮转动，分别测量车速稳定在50 km/h、70 km/h、90 km/h和120 km/h工况下轮胎近场及轮胎远场噪声数据信息，同步记录轮胎转速及车速，每个工况测量时间为15 s。

3 通过噪声试验

室外通过噪声试验的测试对象与室内噪声试验轮胎相同，试验严格按照测试标准ECE R117中对轮胎噪声测试的要求进行，该测试得到的轮胎室外通过噪声用来与室内远场噪声测试结果进行对比。

3.1 试验设备

试验所用测试车辆为功率为136 kW的东风天锦中卡底盘，驱动形式为4×2，轴距为5 m。为满足测试轮胎的配重要求，试验车辆车架上安装了适当的配重，并依照标准要求将轮胎挡泥板拆掉。为更好地屏蔽车辆所带来的额外噪声，试验前进行了符合标准要求的声学处理，如图4所示。其余所需试验设备可参考文献[14]和文献[15]。

3.2 试验过程

试验在符合ISO 10844标准规定的北京交通部公路试验场进行，试验环境温度低于40℃，风速低于5 m/s，背景噪声小于60 dB（A）。

试验车辆在关闭发动机及变速器置于空挡的情况下进入A-A线或B-B线。车辆行驶的中心线与地面中心线基本重合，如图5所示。车辆在通过传声器位置时，记录安装在试验车上的Vbox所显示的瞬时车速，车速应保持在60～80 km/h范围内，并记录2个传声器的最大声压级（A声级）。对于左、右两侧的传声器，在60～70 km/h的车速范围和70～80 km/h车速范围分别至少测试4次，所得符合要求的结果不少于8组。每次测试时记录空气、地表温度及风速。

4 试验结果及讨论

4.1 室内近场及远场噪声数据

在室内混合试验中，利用布置在近场和远场的传声器分别采集到了轮胎近场和远场的噪声数据，经过处理得到了对应不同速度下经过A计权后的轮胎噪声声压级数据。为研究轮胎室内近场噪声与远场噪声间的相关性，将4条轮胎的室内近场噪声声压级与远场噪声声压级数进行了对比分析，结果表明，室内近场60°点位置的噪声与室内远场噪声之间存在良好的相关性，相关系数达到0.979 5，如图6所示。

根据上述分析结果可知，轮胎的室内近场噪声与室内远场最大噪声间存在一定数量关系。为确定该数量关系，需对上述噪声数据进行进一步处理。考虑近场测得的轮胎噪声达到远场的传声器前会产生一定程度的衰减，这里假设轮胎噪声的衰减符合点声源衰减规律，即

表1为60°位置处传声器测得的近场噪声与远场噪声间数量关系。表1中，N代指室内近场噪声，F代指室内远场噪声，绝对误差代指依据点声源衰减规律所计算得到的近场噪声衰减后的远场噪声声压级与实际远场噪声声压级间的差值。

表1 60°位置处传声器测得的近场噪声与远场噪声间数量关系

由表1可知，轮胎的室内近场噪声与远场噪声之间的相关性与轮胎近场噪声的指向性特征有关。60°位置处的传声器测得的轮胎近场噪声与室内最大远场噪声间的关系比较符合点声源衰减规律，其平均相对误差不超过于1%，绝对误差小于1 dB（A）。

4.2 室外通过噪声数据

利用室外噪声测试得到的轮胎通过噪声值，并依照ECE R117中规定的方法对测试结果进行了数据后处理，得到了4种不同花纹形式轮胎各自的室外通过噪声声压级数据，如表2所列。

表2 轮胎室外通过噪声测试结果

由于该轮胎的室外通过噪声测试时的参考速度是70 km/h，若要考察室内轮胎远场噪声与室外轮胎通过噪声间的相关性，则室内的远场噪声也应取速度为70 km/h时对应的噪声值。由于室外通过噪声的结果是按照ECE R117标准向下圆整减一校正后的结果，为使室内、外通过噪声在同等标准下进行比较，对室内的远场噪声也进行了相应校正。表3为轮胎在70 km/h速度下的室内远场噪声与室外通过噪声对比结果。

表3 轮胎在70 km/h速度时的室内远场噪声与室外通过噪声对比结果 dB（A）

由表3可发现，4组轮胎的测试结果中，实际上只有1号和2号轮胎的测试结果经过了校正，这需要分析不同规格轮胎的室内、外试验方法进行解释。如图3所示，室内试验中仅有1条轮胎转动发出噪声，而在室外试验中4条轮胎均产生噪声（图5）。对315/60轮胎来说，室外测试时4个轮位的轮胎完全一致，假设这4个轮胎发出的噪声声压级也一致，进一步假设单侧的声压计仅受到单侧两个轮胎噪声的影响，根据噪声叠加原理，独立声源叠加公式为：

式中，ptot为经过叠加后的总声压值；pi为独立声源声压值。

则两个独立声源叠加后的总声压级为：

式中，Lp为两个声源叠加后的总声压级；Li为单个声源的声压级。

由式（3）可知，室外通过噪声的声压级理论上将比室内通过噪声的声压级大3 dB（A），因此CM335和CR966轮胎的室内通过噪声应加上3 dB（A）的校正。但是对于宽基的385/65轮胎则不需要校正，原因在于ECE R117规定，对于宽基轮胎的室外通过噪声测试，仅需将2条宽基轮胎装在后轴，而在前轴安装低噪声的小规格无花纹轮胎，因此可认为对于385/65宽基轮胎，室外通过噪声主要受1条轮胎影响，因而在比较室内、外通过噪声时无需对室内噪声进行校正。

由表3可知，校正后的室内远场噪声和室外通过噪声的最大误差是1 dB（A），对于315/60中型载重子午线轮胎，室内远场噪声均等于室外通过噪声，而对2个385/65大规格宽基载重子午线轮胎，误差是1 dB（A），且均是室内通过噪声大于室外通过噪声。对于这种现象，可能的原因是宽基载重胎和中型载重胎发声机理不完全一致，对宽基轮胎来说，接触区域较大，封闭在接触区域中花纹将产生强烈的泵浦噪声，较大的接触区域也容易引发stick-slip（粘滑）和stick-snap（粘吸）噪声，所以轮胎的噪声以泵浦噪声和摩擦噪声为主。泵浦噪声和摩擦噪声在光滑表面更容易激发，因为转鼓表面比ISO10844路面更光滑，所以对宽基轮胎而言，室内转鼓表面上的通过噪声更大。

上述试验结果表明，经过对室内轮胎噪声测试结果恰当修正后，轮胎的室内远场噪声与室外通过噪声的结果相比差别较小，可近似认为一致。通过前述中对室内近场噪声和远场噪声测试结果的相关性分析可知，轮胎的室内近场噪声与室内远场噪声相关性良好，因此，为建立轮胎近场噪声与室外通过噪声结果间的关系，需要对轮胎的室内近场噪声与室外通过噪声测试结果进行定量分析。

参照表1，直接利用点声源的衰减规律对轮胎在60°位置处、速度为70 km/h时的近场噪声及室外通过噪声数据进行了对比分析，结果如表4所列。表4中，N列数据代表轮胎的近场噪声声压级，O列数据代表轮胎的室外通过噪声声压级，对室内通过噪声按ECE R117的标准采用取整减1的方法进行处理。

表4 60°位置、速度为70 km/h时传声器测得的轮胎近场噪声与室外通过噪声间的对应关系 dB（A）

由表4可知，4组轮胎在60°位置处、速度为70 km/h时传声器测得的轮胎近场噪声与室外通过噪声间基本符合点声源的衰减规律，最大校正误差为2 dB（A），考虑到试验的离散性以及数据量较小等因素，该结果仍在可接受范围内。

5 结束语

结合C3轮胎室内噪声试验与室外通过噪声试验，通过研究室内噪声与室外通过噪声的相关性，得出如下结论：

a.轮胎的室内近场噪声与室内远场噪声的相关性需要考虑轮胎近场噪声的指向性；两个噪声数据的数量关系符合点声源的衰减规律。

b.经过合理校正后的轮胎室内远场噪声与轮胎室外通过噪声值基本一致，最大误差在1 dB（A）。

c.利用轮胎的室内近场噪声测试结果可预判轮胎室外通过噪声值，最大误差可控制在2 dB（A）以内。

1 范俊岩.轮胎噪声研究的现状与发展.轮胎工业,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 陈理君,李晓辉,杨立,等.轮胎花纹噪声及其降噪方法.噪声与振动控制,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.声学—测量道路车辆及车辆轮胎噪声排放的试验车道规范.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 陈亚龙.C3轮胎通过噪声研究:[学位论文].北京：清华大学,2014.

15 用于测量轮胎噪声的车辆.中国发明专利.CN103983348 A.2014-8-13.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为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

轮胎 近场噪声 远场噪声 通过噪声

U463.341+.3

A

1000-3703（2015）11-0047-05

国家自然科学基金资助项目51275265,51175286。