某静音海绵轮胎降噪效果的研究

李盛 程恒

关键词：静音海绵轮胎;空腔噪声;花纹噪声;NVH测试;噪声频谱

0引言

随着整车NVH性能的逐渐提升，轮胎噪声越来越凸显，严重影响驾乘体验。同时，纯电动汽车和混合动力汽车出现，传统燃油车的发动机噪声不再成为主要问题，那么轮胎的噪声问题就逐渐凸显出来。在我国，随着纯电动汽车和混合动力汽车的保有量增加，轮胎的噪声问题逐渐成为整车NVH的主要抱怨点。

因产生的机理不同，传递的方式不同，导致轮胎噪声的种类很多。不同的噪声，降噪的方式也会不一样。各轮胎企业，特别是一些知名的公司对于轮胎的NVH研究多年，会根据轮胎噪声产生的机理，制定出不同的静音轮胎产品。

米其林的Acoustic轮胎、德国马牌轮胎的静音技术ContiSilent以及倍耐力的PNCS轮胎等，这些新技术的关键在于胎面内侧附加的聚氨酯海绵隔层。据介绍，这种特殊的隔层能产生强大额阻尼减振效应，阻隔轮胎滚动时所产生的声波。无论车辆的行驶路况如何，传入车内的轮胎噪声可降低最多达9dB，极大地提升了驾乘体验，因此这类轮胎也被称为静音海绵轮胎。

静音海绵轮胎的其他零部件以及轮胎花纹均与普通车胎完全一致，因此在制动性、湿地操控等方面的表现同样卓越。而且，静音海绵轮胎在轮毂装配及车胎安装过程方面，也与同类常规车胎并无差异。

为真正了解静音海绵轮胎的降噪效果，我司对静音海绵轮胎的NVH性能进行了研究和评估。通过静音海绵轮胎和普通轮胎的对比测试，包括整车NVH测试和轮胎的室内噪声台架测试，来分析静音海绵轮胎的降噪原理，确定降噪的实际效果，以为后续整车的NVH优化提供方向。

1轮胎的噪声类别

轮胎的噪声按照产生机理可以分为两大类：一类由振动产生，一类由空气运动产生。振动产生的噪声主要是轮胎在路面的作用下，轮胎的结构和轮胎内的空气产生振动，通过轮辋和车轴将振动传递到车身和方向盘等，然后噪声在车厢内传播。空气运动产生的噪声主要是轮胎在路面的作用下，轮胎的胎冠产生振动，然后通过声学放大，噪声在空气中传播[1]。

1.1振动产生的噪声

通过路面的激励产生噪声的机理主要体现在两方面：一方面是轮胎的结构振动，一方面是轮胎内腔内的空气振动。轮胎的结构振动是轮胎在路面上滚动时，块状凹凸撞击激励胎面产生的振动通过轮胎结构传递。轮胎结构的振动频率在800Hz左右，由此产生的噪声不易察觉，本文不做展开。

而轮胎内腔内的空气振动所产生的噪声（后称空腔噪声）是噪声的主要来源。轮胎内部空气有它自己的固有模态，它的一阶模态称为腔体模态，对于典型的乘用车轮胎来说，一阶腔体模态的频率为200～250Hz，而且频率大小与其体积有关[2-3]。对于一阶腔体模态的频率f估算，我们可以遵循如下公式：

例如选择的轮胎型号为215/55R17，R=0.25m，C=340m/s（声音在空气中传播的速度，可以把空气近似看作流体），那么根据上述公式式可计算轮胎内腔空气的振动频率f约为216Hz。那么在噪声分析时，一般观察频谱曲线在216Hz左右是否有峰值，来确认是否有空腔噪声。同时观察前后两条频谱曲线是否在216Hz左右有明显的差异，来确认降噪的效果是否明显。

1.2空气运动产生的噪声

空气运动产生的噪声主要是花纹噪声，花纹噪声产生的机理主要有如下几种。

泵吸噪声：轮胎接地面前点将沟槽内的空气排出，接地后点将空气吸入，从而胎面花纹和路面凹部内空气的不连续流动形成压力波产生噪声。

空气柱共鸣噪声：空气进入花纹沟槽形成空气柱，当空气柱激励频率与花纹槽固有频率共振时产生空气柱共鸣噪声。

喇叭效应噪声：轮胎与路面形成的楔形口放大轮胎噪声，形成喇叭效应噪声。

轮胎的花纹噪声一般出现在车辆高速行驶时，频率分布很广，一般为800～2000Hz。所以研究中会通过看此频率范围内是否有明显峰值来确认是否有花纹噪声[4-5]。

2轮胎的噪声测试

本研究通过整车的NVH测试和室内噪声台架试验，来确认静音海绵的降噪效果。研究选取的轮胎规格为215/55R17，然后对比静音海绵轮胎和普通轮胎。2种轮胎的区别仅仅是前者有聚氨酯海绵隔层，其他如轮胎花纹、尺寸参数以及结构等完全一样。

2.1整车NVH测试

2.1.1测试方法

在试验车上装配试验轮胎，车辆上面布置采集声音频率的设备。试验员驾驶车辆在不同的工况下，在固定的路线上行驶，以便进行不同工况的频谱数据对比。车辆行驶过程中，通过在车厢内布置的麦克风，记录声音的频谱等数据。具体的测试条件和要求如下。

测试对象：型号为215/55R17的静音海绵轮胎和普通轮胎。

测试工况：车辆换D挡，分别以40km/h、50km/h、60km/h、80km/h、100km/h和120km/h的速度匀速在沥青路面上行驶。

测试路面：公司内的固定跑道。

测点布置：驾驶员的右耳、第二排右座头枕部位布置麦克风（图2），麦克风在座椅上的布置如图3所示。

2.1.2測试数据

本研究一共测试了6个工况，通过麦克风记录了每个工况下的声音频谱数据。50km/h是最常见的工况，通过此行驶速度下的噪声频谱平均值曲线可以看到，在220Hz左右时，无论是汽车的前排还是后排，普通轮胎的噪声都有一个明显的峰值，而静音海绵轮胎的噪声有明显的下降。前排的噪声改善7.17dB（图4），后排噪声改善3.73dB（图5）。

而在40km/h、60km/h、80km/h、100km/h和120km/h速度下的噪声频谱平均值曲线情况相同，在220Hz左右时，无论是汽车的前排还是后排，静音海绵轮胎的噪声有明显的下降。将所有在220Hz左右的噪声测试数据汇总如表1所示。

2.1.3测试结论

根据前文的计算，我们可以知道轮胎的空腔噪声就是在频率220Hz左右，那么根據整车NVH测试中的数据，静音海绵轮胎较普通轮胎在220Hz左右频率段的声音减小很多，而对于其他频率段的声音，没有明显的差异。那就说明静音海绵轮胎对空腔噪声有很大改善。降噪效果明显，从数据中我们发现，最大降幅以达到8.00dB。

2.2轮胎室内台架噪声试验

2.2.1测试方法

在试验台上安装轮胎，台架在噪声试验室内进行测试。对轮胎加载75%胎侧最大负荷，轮胎前面布置了7个麦克风用于采集轮胎的声音数据（图6）。转鼓以80km/h（PCR）的速度带动轮胎转动进行预热，待轮胎稳定后采集轮胎噪声数据。具体的测试条件及方法下。

测点麦克风的位置如图7所示。测试采样频率：25.6kHz;台架转鼓尺寸：直径3m;路面情况（表面粗糙度）：满足ISO10844标准（可以理解为是光滑钢板）。

频带分析：位置4的麦克风离轮胎最近，因此选择位置4的数据进行频带分析，频带按0～200Hz、200～400Hz、400～800Hz、800～1600Hz、1600～3200Hz、0～500Hz、500～1000Hz和1000～1600Hz设置。因为花纹噪声就出现在高频率段，所以频带分析目的是为了看高频率段声音是否有明显差异，进而判断是否能降低花纹噪声。

2.2.2测试数据

各测点在各速度段的噪声总值数据如表2所示，测点4在各速度段不同各频带的噪声数据如表3所示。

2.2.3测试结论

从台架噪声测试值来看，静音轮胎与普通轮胎的总值分析和频带分析差值不大。观察发现，在出现空腔噪声的200Hz左右频段，和出现花纹噪声的800Hz以上频段，声音都没有出现明显的差异。所以在轮胎室内台架测试中，静音海绵的降噪效果不明显。

3原因分析

测试轮胎的型号为215/55R17，经计算，空腔噪声的频率在200Hz（理论值）附近。从室外整车实车测试结果表明，静音海绵轮胎在空腔噪声产生的频率段有明显的降噪作用。从台架结果看，在200Hz附近静音海绵轮胎降噪效果不明显，主要是轮胎室内台架是测试花纹噪声，转鼓表面粗糙度小，导致对轮胎的激励小，引起空腔噪声比较小，故静音海绵降噪效果不明。

所以本研究可以认为，静音海绵轮胎的聚氨酯海绵填充改变了轮胎的空腔模态，对220Hz左右的空腔噪声有很大改善，最大可以达到8.00dB。但是静音海绵轮胎对于花纹噪声的没有改善效果。

4结束语

针对轮胎的胎噪问题，一些轮胎企业推出了静音海绵轮胎。本研究通过对静音海绵轮胎与普通轮胎进行对比测试，结果表明，静音海绵轮胎降低的是220Hz左右的空腔噪声，效果明显，最大可以达到8.00dB。而对于花纹噪声，静音海绵轮胎的胎噪改善效果并没有那么明显。所以如果客户抱怨轮胎空腔噪声太大，那静音海绵轮胎是一个非常有效的改进方案;如果客户抱怨的是高速的花纹噪声，那么静音海绵轮胎并不是一个好的选择。