赫姆霍茲共振器降噪法在輪胎降噪中的應用分析

高 龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

赫姆霍茲共振器降噪法在輪胎降噪中的應用分析

高 龍

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

建立帶有橫向花紋溝的輪胎滾動模型和單個橫向花紋溝-空氣耦合模型，利用赫姆霍茲共振器降噪法對花紋溝噪聲進行降噪探索。分析結果表明在花紋溝旁添加不同結構尺寸的赫姆霍茲共振器結構可以達到降噪的目的。

輪胎；赫姆霍茲共振器；泵吸噪聲；降噪

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

前言

隨著各國對輪胎噪聲限制法規(guī)的相繼出臺，如何降低輪胎噪聲成為各輪胎企業(yè)必須突破的重點。輪胎噪聲主要包括輪胎振動所產(chǎn)生的噪聲和輪胎花紋溝變形導致的泵吸噪聲[1]。目前輪胎振動噪聲的研究比較充分，而且對于如何降低輪胎噪聲的方式主要集中于改變輪胎花紋節(jié)距[2]、采用不對稱花紋形式、不開橫向溝槽和細長溝槽等，而對于借鑒消聲器消聲理論采用赫姆霍茲共振器抑制花紋溝噪聲在國內(nèi)外論文中鮮有見刊。

赫姆霍茲共振器降噪法是利用共振性能進行消聲，其中赫姆霍茲共振式消聲器在汽車排氣系統(tǒng)上應用比較廣泛。赫姆霍茲共振器結構簡圖如圖1，其中a為共振腔的長度、b為共振腔的寬度、t為小孔通道的長度、d為小孔通道的寬度。消聲降噪原理為：當聲波傳入共振腔時，在聲波的壓力作用下，小孔孔頸中的氣體會像活塞一樣做往返運動，這些氣體都具有一定的質(zhì)量，它會阻礙由于聲波的作用而引起的運動速度的變化；同時，當聲波進入小孔孔頸時，由于孔頸壁面存在摩擦和阻尼的作用，會使一部分聲能轉變成熱能而消耗。當聲波的頻率等于共振腔的固有振動頻率時，便產(chǎn)生共振，此時振動幅度最大，空氣柱在孔頸中的往返速度也就最大，摩擦和阻尼產(chǎn)生的損耗也最多，消耗的聲能最多，消聲量也就最大。它的特性是消聲頻率段比較窄，在共振頻率附近時消聲量很大，偏離時消聲量大大降低。

本文通過在花紋溝旁添加赫姆霍茲共振器結構，然后改變赫姆霍茲共振器對應的結構參數(shù)，分析這些結構參數(shù)對花紋溝噪聲的影響，探索低噪聲輪胎的設計方法。

1、滾動輪胎模型建立

在Abaqus系統(tǒng)中建立的具有橫向花紋的205/50R16型半鋼子午線輪胎有限元分析模型如圖2。模型中路面和輪輞簡化為解析剛體，橡膠部分采用C3D8R單元，橡膠本構模型采用超彈性YEOH 3st模型，鋼絲簾線采用Rebar單元[3]進行模擬。該輪胎標準載荷為4000N、充氣壓力為0.24Mpa。利用Abaqus進行輪胎穩(wěn)定滾動狀態(tài)分析，分析時輪胎與路面之間摩擦系數(shù)為0.8，將穩(wěn)態(tài)分析結果傳到Abaqus/explicit中計算輪胎在標準工況下速度為70km/h的瞬態(tài)滾動分析。

根據(jù)輪胎瞬態(tài)滾動分析提取花紋溝槽壁面接地過程中節(jié)點位移變化的時間歷程。因為輪胎接地過程時間極短，而且花紋溝槽位移變形程度相比花紋溝槽結構尺寸很小，所以本研究提取花紋溝上表面中心處和花紋溝槽兩側壁面中心處的位移并施加在泵吸噪聲分析模型中相應溝槽壁面位置作為滾動輪胎花紋溝槽邊界條件。圖3給出了橫向花紋溝槽上壁面中心和側壁中心在輪胎滾動時的位移時間歷程曲線。從圖中看出，花紋塊在接地和離地的過程中，上表面法向位移變形逐漸增大，然后變??；在整個接地過程中，側壁的切向變形位移逐漸增大，且明顯大于花紋溝上表面位移變化。

2、帶有赫姆霍茲共振器結構的橫向花紋溝槽的噪聲分析

2.1 橫向花紋溝-空氣耦合模型的建立

由文獻[4]可知，對于具有橫向花紋的輪胎，其泵吸效應和氣柱共鳴是主要的噪聲源，這種噪聲主要來源輪胎花紋和地面接觸區(qū)域。為此，建立了接地區(qū)單個花紋溝槽與空氣的耦合模型，如圖4，花紋溝槽的橡膠材料及本構模型的選擇均與滾動分析時的選取相同。根據(jù)分析的需要花紋溝槽尺寸為：長50mm，寬8mm，深4mm；經(jīng)試算，空氣域的尺寸為：長150mm、寬80mm、高30mm。模型中花紋塊與地面接觸處采取固定約束，其余面全部為FSI（Fluid Structure interaction，流固耦合）面；空氣域除接地面采用wall（相當于路面）描述，其余面的邊界條件為Opening。由于LES[5]（大渦模擬）對空間分辨率的要求遠小于直接數(shù)值模擬方法；在現(xiàn)有的計算機條件下，可以模擬較高雷諾數(shù)和較復雜的湍流運動，而且可獲得比雷諾平均模擬更多的湍流信息，所有本研究選擇大渦模擬模擬花紋溝內(nèi)的流場變化信息。采用近場測量輪胎噪聲方式，在空氣域中，取XOZ面上距花紋槽端面外39mm、距接地面2mm的點為噪聲測試點，如圖4中A點所示。為模擬輪胎滾動狀態(tài)，在花紋溝表面施加輪胎滾動過程中的相應位移。

2.2 赫姆霍茲共振器降噪設計

在輪胎滾動接地過程中，花紋溝與地面之間組成的通氣通道就像一條通氣管，為此，在橫向花紋溝旁開如上圖所示的赫姆霍茲共振器，模型如圖5所示。通過改變赫姆霍茲共振器中的不同參數(shù)探索有效的降噪方法。設赫姆霍茲共振器中小孔通道的深度為m，共振腔的深度為n，設計方案如表1，單位為mm。

表1 赫姆霍茲共振器不同方案參數(shù)

在花紋溝長度為50mm，寬度為8mm，深度為4mm的花紋塊上設置以上方案的凹槽，則當花紋塊完全與地面接觸時，花紋溝及凹槽則組成類似赫姆霍茲共振器結構。模擬帶有以上方案的花紋溝的噪聲，分析赫姆霍茲共振器的不同參數(shù)對花紋溝噪聲的影響。

3、噪聲比較分析

3.1 共振腔深度影響

在標準氣壓和載荷、速度70km/h、路面摩擦系數(shù)0.8、胎面膠料為BEQ的條件下對A、B、C三種方案進行噪聲分析，并將這些方案的噪聲大小與長度為50mm、寬度為8mm、深度為4mm的花紋溝在同等條件下的噪聲相比較，得到各方案在噪聲測試點的降噪量曲線如圖6所示。

從圖中可以看出：三種方案均能降噪；在頻率為500Hz左右時，降噪量最大，說明這個頻率是其共振頻率；在共振頻率時，降噪量隨著共振腔深度的增大而增大；在1000Hz以后，降噪量變化不明顯，但深度最大的C方案降噪量最小。

3.2 小孔通道深度影響

在標準氣壓和載荷、速度70km/h、路面摩擦系數(shù)0.8、胎面膠料為BEQ的條件下對C、D、E三種方案進行噪聲分析，并將這些方案的噪聲大小與長度為50mm、寬度為8mm、深度為4mm的花紋溝在同等條件下的噪聲相比較，得到各方案在噪聲測試點的降噪量曲線如圖7所示。

從圖中可以看出：三種方案均能降噪；在頻率為500Hz左右時，降噪量最大，說明這個頻率是其共振頻率；在整個頻率段，三種方案的降噪量變化不明顯，說明小孔通道深度對降噪影響不大，但可以看出對于小孔通道深度最小的方案C，其降噪量是最小的。

3.3 小孔通道長度影響

在標準氣壓和載荷、速度70km/h、路面摩擦系數(shù)0.8、胎面膠料為BEQ的條件下對C、F、G三種方案進行噪聲分析，并將這些方案的噪聲大小與長度為50mm、寬度為8mm、深度為4mm的花紋溝在同等條件下的噪聲相比較，得到各方案在噪聲測試點的降噪量曲線如圖8所示。

從圖中可以看出：三種方案均能降噪；在頻率為500Hz左右時，降噪量最大，說明這個頻率是其共振頻率；在共振頻率時，降噪量隨著小孔通道的長度的增大而增大，在1000Hz以后，降噪量變化不明顯。

4、結論

通過以上分析，可得出：在花紋溝旁添加赫姆霍茲共振器結構可有效降低花紋溝噪聲，而且赫姆霍茲共振器的尺寸對花紋溝降噪有一定的規(guī)律可循。分析結果表明，赫姆霍茲共振器可以用于花紋溝的降噪設計中，為低噪聲輪胎花紋設計提供參考。

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

[2] 陳理君,楊光大,董芹.低噪聲輪胎花紋設計原則[J],橡膠工業(yè).1997；44(3):150-155.

[3] 陳芳，王國林，高先進，張建，應世洲.載重子午線輪胎簾線受力有限元分析[J].橡膠工業(yè)，2008,55(2):80-84.

[4] 葛劍敏, 范俊巖, 王勝發(fā), 隆有明.低噪聲輪胎設計方法與應用[J].輪胎工業(yè),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

高龍，碩士，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事車輛