关于轮胎橡胶吸收噪音性能之研究

王 岚 编译

关于轮胎橡胶吸收噪音性能之研究

王 岚 编译

轮胎发出噪音也是一个令人十分头痛的问题。文中就这一命题展开了叙述，分析了轮胎噪音的几大组成部分，提出了降低轮胎噪音的切实可行的方法。文章抓住两个关键参数（弹性动态模量和机械损耗角正切）进行了深入的研究和探讨。结果发现，轮胎气密层的吸音系数最大。究其原因，乃是它的动态模量最小，而机械损耗角正切最大。

轮胎橡胶；噪音；动态模量；机械损耗角正切

近年来，人们在降低动力设备噪音及改善汽车轮胎空气动力学方面，开展了大量的研究工作。然而，轮胎却成了汽车内外噪音的一大“源泉”。轮胎产生噪音的途径不是单一的，但可以把它划分成几大类型：

——轮胎胎体高频振动；

——胎面接触路面时，空气在花纹沟槽内流动；

——被滚动着的轮胎所吸收的空气的流动；

——胎面上的花纹块对路面的冲击；

——花纹块与路面接触时产生的滑移现象。

测定轮胎的噪音，即被轮胎所辐射的声能，可以在试验室里于专用的试验设备上进行，也可以让汽车在道路上行驶时进行。在这二种情况下都会产生复杂的，但完全可以解决的问题，这就是以其他噪音（如车架、汽车整体甚至回声）为背景，释放出轮胎本身的噪音。

决定轮胎噪音强弱的因素，有轮胎滚动的速度，路面状态和结构，轮胎的内压及负荷，当然也包括轮胎的结构和材料。在有关文献中发表了大量的，以数学模型为基础的研究成果。它们有的采用经验关系曲线，也有分析计算结果的，但都是旨在分析产生噪音的原由，提出消除噪音的方法。研究人员借助于数学模型，用有限元方法研究了轮胎结构诸参数对噪音辐射的影响。但是，研究轮胎橡胶配方对噪音产生的影响，以及在试验室里如何测定吸音系数，却没有引起足够的重视。

文中提出了在专用的试验装置上测定橡胶吸音系数的方法（见图1）。

图1 用于吸音研究的试验装置示意图

试验装置安置在外来噪音最低的房间内。装置构架1由隔音材料制成，以降低外来噪音对试验的影响。

分析材料的吸音性能，可根据声音信号的频率和强弱，通过放大器向电动扬声器3（25ГДH，该扬声器能保证高质量地再现低频信号，再现范围20～2250 Hz）传送声音信号。该信号是一种规定频率的单色正弦波。在空旷的室内用橡胶吊索8固定的传声器7（在20～15 000 Hz范围内能良好地接受声频）可以削弱声音信号，以减少外来噪音对试验的影响。把数据从传声器传输到电脑上，通过专门的程序评估无形的声音的级别。校准之后，将接受试验的材料试样5（135×115 mm）安装在固定框架6（可通过的口径为115×95 mm）上，用夹具4固定住。然后，再在选定的声音频率条件下进行试验。将测得的声音等级数据，与在空旷室内条件下所得数据进行对比。以此为基础，采用回归分析法对下列关系式加以处理，从而计算出材料的吸音系数K。

式中，l—放置试样的室内规定频率的信号振幅；l0—在空旷室内的条件下规定频率的信号振幅；x—试样厚度（m）。

根据试验结果，在频率为50～1000 Hz范围内计算出吸音系数（依据频谱图取其平均值），所有试样的吸音系数的最大值，处于500～750 Hz频率范围内。

文中的研究对象是10种类型的橡胶，由它们制成了无内胎轮胎、轿车轮胎及轻型载重汽车轮胎的主要部件。这些轮胎中都含有金属帘线缓冲层和织物帘线骨架层。图2，图3上列示了在声音信号强度不同的条件下，两种橡胶的吸音系数与频率的相关性曲线。声音信号强度可用注解里的数字表示。几种橡胶的谱图平均吸音系数也列于频率分布图（图4）上。

图2 在不同强度的声音信号条件下, 胎面橡胶的吸音系数与频率的相关性曲线.相关单位:1-10;2-20;3-30

图3 在不同强度的声音信号条件下,气密层的吸音系数与频率的相关性曲线. 相关单位: 1-10;2-20;3-30

图4 按频率计算的轮胎橡胶吸音系数之平均值

在研究吸音系数与频率及信号强度的各自独立的相关性曲线时，可以发现它们鲜明的非线性特征，该特征与橡胶弹性性能的非线性有关联。当然，还可以发现，橡胶种类对吸音谱图的形状影响不大，但对吸音系数的绝对值的影响颇大。

对几种轮胎橡胶部件（见图4）的按谱图计算的吸音系数平均值进行了比较。结果发现，在不同振幅条件下，气密层橡胶的吸音系数值最大。该气密层由分子链不活泼的氯化丁基橡胶制成。其他轮胎橡胶部件的吸音系数很接近，差别不大，但胶料中生胶本身以及其他配合剂（如炭黑、硫磺等）会影响吸音系数的大小。

由非线性声学理论得知，当声波在扩散性的整体介质中传播时，声音的衰减系数主要取决于声音传播的速度及松弛时间。既然，在坚硬物体中声音传播的速度由弹性模量所决定，那么很显然，决定橡胶吸音性的主要因素是它的黏弹性。为了研究轮胎橡胶的黏弹性对其吸音性的影响，选择了下列二种研究方法。

1 研究松弛时间对吸音性的影响

在带有应变测量传感器的功率仪上，研究了在固定应变条件下的应力松弛关系式。用二种暂时性函数形式，模拟了应力与时间的试验性曲线。

式中，τ1和τ2—分别为长、短二种松弛时间；σ1和σ2—分别为第一、第二松弛时间所贡献的预指数曲线；σ∞—平衡应力；σ1、σ2、σ∞、τ1和τ2用最小的二次方方法计算。

为了研究对吸音性的影响，选择更加接近于声音振荡频率的短时间τ1作为黏弹性参数。在分析所研究的橡胶谱图中吸音系数最大值和松弛时间之间的相关性曲线时发现，它们之间产生了正相关性（相关性系数的计算值为0.76），也就是说，随着松弛时间的延长，出现了吸音系数的最大值有所增大的趋势。

2 在正脉冲仪器-1P上测定动态弹性模量和机械损耗角正切

该仪器的工作原理就是在自由落体状态下，用锥形压头冲击扁平的橡胶试样，分析其冲击动力学。此时，负荷的速度状态，比任何时候都更符合滚动着的轮胎的负荷动力学状态。在对黏弹性线性理论范围内获得的实验数据进行整理的基础上，计算出在该范围内表征黏弹性能的二个参数：动态模量和机械损耗角正切。所得参数在（-1，1）范围内，对于所有橡胶部件来说都是标准的。这些橡胶部件的平均（根据谱图）吸音系数的相互关系为：

式中，x1—弹性动态模量；x2—机械损耗角正切。

通过整理所得实验数据，用最小二次方方法计算出如下系数的值：b0-75.154 06；b1--12.295 3；b2-19.342 7。系数b1呈现负值表明，随着橡胶弹性动态模量的增大，吸音系数减小。此时，b2呈现正值证明，随着机械损耗角正切的增大，吸音性能也随之提高。从绝对值方面来看，b2比b1大了一些，这反映出这样的一个事实，即损耗角正切对于所选择的轮胎橡胶来说，其影响大一些。这些结论说明了这样一种情况，与其他轮胎零部件相比，气密层橡胶的吸音系数最大（见图4）。与其他橡胶不同，该轮胎橡胶有二大因素在同时发挥作用：橡胶的动态模量最小，而损耗角正切最大。

总之，可以这样说，用两种研究方法得出的结果，都符合声波在扩散型整体介质中传播的理论，从而可以对在试验室试验中所得到的轮胎橡胶黏弹性参数进行评估，以准确地预测轮胎橡胶的吸音性能。

[1] Кapaнeц A O. Иecлeдoвaниe Звyкoпoглoщeния шинныx peзин[J]. кayчyки peзинa, 2015(01):30-32.

[责任编辑：张启跃]

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2016-01-01