粗糙瀝青路面輪胎滾動噪聲室內(nèi)室外試驗匹配度研究

郭云飛，胡開明，權循宇，曹 誠，張文明

（1.上海交通大學 機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海 200240；2.上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

輪胎滾動噪聲是目前車輛噪聲的主要組成部分[1-3]，且隨著新能源車的普及與應用，傳統(tǒng)發(fā)動機的噪聲占比越來越弱，使得輪胎噪聲的研究意義愈發(fā)明顯[4]。輪胎滾動噪聲的主要振源來自于路面不平度激勵，而不同的路面形貌會產(chǎn)生不同頻段的輪胎噪聲。

中國目前的高速公路中，90%以上屬于瀝青路面，而隨著溫度、濕度、天氣條件的不同，瀝青路面會出現(xiàn)不同種類與不同程度上的損害，從而形成噪聲明顯但并不十分影響駕駛的粗糙瀝青路面，中國仍處于高速公路大發(fā)展建設階段，因此國內(nèi)在瀝青路面養(yǎng)護方面還是以應急性養(yǎng)護為主，從而使得粗糙瀝青路面在中國成為一種典型性路面[5]，已有研究表明，該類路面的輪胎噪聲頻段主要集中分布在中低頻段[6]。

魏建軍[7]從聲學原理的角度出發(fā)，分析了瀝青路面混合料的孔隙率、粒徑以及路面厚度對輪胎噪聲的影響；朱振華等[8]在半消聲室內(nèi)，利用水泥轉鼓鼓面對輪胎噪聲進行了測試，并探究了不同環(huán)境（溫度、濕度）對輪胎噪聲的影響；陳燕等[9]研究了輪胎噪聲室內(nèi)轉鼓法與室外滑行法測試數(shù)據(jù)的相關性，其轉鼓鼓面采用水泥鼓面，室外試驗采用瀝青路面，試驗發(fā)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)頻譜在800 Hz～1 600 Hz頻段內(nèi)有一定的相似性；劉先鋒等[10]在瀝青轉鼓鼓面上對某轎車進行了車內(nèi)低頻噪聲的測試，通過改變車頂橫梁結構改善了車內(nèi)后座存在的低頻轟鳴聲；S.C.C.Jeff等[11]研究表明，在室內(nèi)和室外輪胎噪聲測試中，車速工況為40 km/h、60 km/h、80 km/h時，相同測點位置的噪聲數(shù)據(jù)很接近。

從以上研究可以看出，由于瀝青鼓面的造價較高，對瀝青路面的輪胎噪聲研究中，室內(nèi)外的路面并未達到統(tǒng)一；且針對兩者噪聲數(shù)據(jù)的匹配度有定量研究的較少；其輪胎噪聲測點多為遠場測點或車內(nèi)測點，較難真實還原輪胎滾動噪聲。

本文針對車輛用戶抱怨較多，且在中國較為典型的粗糙瀝青路面，進行了室內(nèi)瀝青轉鼓、室外專用試驗道的輪胎滾動噪聲試驗，其測點位置包括車內(nèi)外共五個測點，并對兩者噪聲頻譜數(shù)據(jù)的匹配度進行了定量的研究，從而獲得了惡劣天氣下，可替代室外試驗的室內(nèi)試驗工況與輪胎噪聲頻譜的匹配頻段。

1 匹配度評價方法

在判定兩條曲線的匹配度時，R2相關系數(shù)是一個重要的判定指標[12]。相關系數(shù)R2=1-，其中是殘差平方和 ，是總偏差平方和。從公式中可以推出，相關系數(shù)即回歸平方在總平方和中所占的比率，它反映了回歸模型所能解釋的因變量變異性的百分比。例如R2=0.785時，則說明變量y的變異中有78.5%是由變量x引起的。當R2=1，表示所有的觀測點全部落在回歸直線上，當R2=0表示自變量與因變量無線性關系。

2 試驗方案設計

2.1 測試方案

試驗車輛為大眾某A級車，整備質(zhì)量為1 650 kg，輪胎尺寸為205/55 R16，其車內(nèi)噪聲狀況良好。試驗前關閉行李箱蓋、天窗、所有的車窗和進排氣的通風裝置，除試驗設備外，車內(nèi)無其他雜物；在輪胎冷態(tài)時，將氣壓調(diào)整到廠定的半載狀態(tài)氣壓；試驗前對所有麥克風進行標定；兩組試驗中車內(nèi)駕駛員、測試員保持一致；試驗開始之前，先將試驗車輛以100 km/h勻速行駛15 min，對車輛進行預熱。試驗工況為30 km/h、40 km/h、50 km/h勻速工況以及50 km/h～20 km/h滑行工況，每組數(shù)據(jù)采集3次，時長為10 s，采樣頻率為44.1 kHz。

室內(nèi)試驗在四驅轉鼓消聲室內(nèi)進行，采用轉鼓倒拖的方式使輪胎轉動，模擬車輛的行駛，此時發(fā)動機處于熄火狀態(tài)并掛空擋。為了保證試驗工況的一致性，轉鼓鼓面采用圖1中的瀝青轉鼓鼓面，可以發(fā)現(xiàn)其表面紋理與圖2中的光鼓鼓面有明顯不同，這也是試驗的創(chuàng)新性所在。

圖1 瀝青轉鼓鼓面

圖2 光鼓鼓面

如圖3所示，驅動轉鼓，根據(jù)車內(nèi)車速記錄儀數(shù)據(jù)采集不同工況下噪聲數(shù)據(jù)。

室外試驗在試車場內(nèi)專用瀝青試驗道進行，如圖4（右側車道）所示。試驗道長200 m，每次試驗時，均保持車輛從南向北行駛，采集路段為試驗道中的固定路段，以此保持試驗的穩(wěn)定性。

試驗中使用KMT車速傳感器測量車輛行駛速度，該設備通過Pulse接口將車速信號輸出給SQuadrigaⅡ8通道數(shù)采測量系統(tǒng)，SQuadrigaⅡ設備將采集信號輸出給計算機，使用Artemis SUITE軟件進行數(shù)據(jù)分析。為保證試驗工況的一致性，在進行室內(nèi)室外試驗時，車外傳聲器均配置風球，以減少周圍空氣流動過大對其產(chǎn)生影響。

圖3 室內(nèi)轉鼓試驗

圖4 室外試驗道試驗

2.2 測點布置

在利用傳聲器進行噪聲測量時，聲源的復雜性、不同測點的位置會使得測量結果大不相同。因此為了保證試驗的準確性，測點的選擇十分重要。

車內(nèi)測點測量結果可以體現(xiàn)駕乘人員最真實的聽覺感受，這也是各主機廠在NVH方面最關切的問題之一，且在該路面工況下，測量結果中輪胎噪聲的比重較大；車外測點結果可以體現(xiàn)輪胎道路噪聲最真實的反應。因此，同時設置車內(nèi)外測點可以全面地對輪胎噪聲進行評估。

在測量設備和測量環(huán)境允許的情況下，主機廠對車內(nèi)噪聲進行測量時，通常在車內(nèi)設置4個測點，可以排除某些位置出現(xiàn)異響對實驗結果進行干擾，即試驗結束后，對比4個測點，若數(shù)據(jù)結果沒有明顯差別，即可判斷車內(nèi)無干擾噪聲；分析時，若發(fā)現(xiàn)4個測點結果差別不大，可僅取一個測點即駕駛員耳側測點進行分析；

為了排除發(fā)動機噪聲對實驗結果的干擾，不宜在前輪布置測點；為了排除排氣噪聲對實驗結果的干擾，不宜在左后輪布置測點；在位置允許的情況下，可在右后輪輪軸左右兩側各布置一個測點，但考慮到室外實驗時，左側測點的固定吸盤桿傾斜方向與汽車行進方向相反，具有一定的危險性，因此車外測點僅設置一個。

本試驗共布置5個測點，其位置示意圖如圖5所示。

圖5 測點位置示意圖

在車內(nèi)布置4個傳聲器，傳聲器的測點位置代表駕駛員和乘客耳部位置的噪聲，可簡單地描述為左前，右前，左后，右后。準確的位置描述為：傳聲器的垂直位置高出空座椅表面和座椅靠背面相交線0.7±0.05 m，并處于相交線的正上方，水平位置離車內(nèi)裝飾距離0.2±0.02 m，使用吸盤將傳聲器固定在所述位置，圖6、圖7分別為左前和左后傳聲器的安裝情況。

圖6 左前測點位置

圖7 左后測點位置

近場布置測點時，一般傳聲器與聲源的相對位置在10 cm～30 cm為宜，距離過遠將使得聲壓變低，噪聲變長，距離過近則由于傳聲器自身存在的“近距效應”，使得低頻聲過高，影響試驗數(shù)據(jù)。輪胎滾動噪聲中的聲源位置在輪胎與地面接觸的前后緣，所以，傳聲器的離地高度應盡量接近聲源位置，出于試驗安全性的考慮，將近場傳聲器布置在離地10 cm，距離車輪側壁20 cm，距離輪軸20 cm處。如圖8、圖9所示。

此傳聲器在試驗中配置風球，以減少周圍空氣流動對測試結果的影響。

圖8 室外車外測點位置

圖9 室內(nèi)車外測點位置

3 試驗結果分析與討論

使用Head公司的Artemis分析軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理，選取3次測試結果的平均值作為最終值，測試結果分為勻速和滑行兩種工況進行討論。

圖10為不同勻速車速工況下，室內(nèi)室外左前測點的噪聲頻譜匹配情況，可以發(fā)現(xiàn)，當車速為20 km/h、30 km/h時，噪聲頻譜的大致趨勢一樣，但匹配度不高，計算其相關系數(shù)分別為R220km/h=0.823 6、R230km/h=0.8129；當車速為40 km/h、50 km/h時，在1 200 Hz以下，其匹配度較高，計算其相關系數(shù)分別為R240km/h=0.958 6、R250km/h=0.9503；而1 200 Hz頻段以下也是該路面的主要噪聲頻段。

圖11為不同勻速車速工況下，車外測點的噪聲頻譜匹配情況，可以發(fā)現(xiàn)，無論是低速還是高速車速下，其匹配情況都要好于車內(nèi)測點，在1 200 Hz以下，計算其相關系數(shù)分別為R220km/h=0.985 6，R230km/h=0.9829，R240km/h=0.9686，R250km/h=0.9003。

圖10 勻速工況下左前測點室內(nèi)外噪聲頻譜對比

圖12(a)為滑行工況下，左前測點的噪聲頻譜匹配情況，在1 200 Hz以下，其匹配度較高，相關系數(shù)為R250-20km/h=0.9739，圖12(b)為滑行工況下車外測點匹配情況，在2 000 Hz以下，其匹配度較高，曲線基本重合，相關系數(shù)為R250-20km/h=0.9869。

圖11 勻速工況下車外測點室內(nèi)外噪聲頻譜對比

圖12 噪聲頻譜匹配情況

4 結語

本文所進行的室內(nèi)外輪胎噪聲匹配度的研究中，創(chuàng)新性地設計了該路面的四驅轉鼓瀝青鼓面輪胎噪聲試驗，試驗中較為全面地覆蓋了車內(nèi)外測點，并將試驗結果與試驗道試驗結果的匹配程度進行了定量的研究；研究發(fā)現(xiàn)，當因惡劣天氣而無法進行粗糙瀝青路面的室外試驗時，在四驅轉鼓實驗室內(nèi)，可布置右后車外測點進行輪胎噪聲的采集，無論是滑行工況還是勻速工況下，其噪聲數(shù)據(jù)都與試驗道數(shù)據(jù)有著較高的匹配程度；如果需要進行車內(nèi)測點的噪聲采集，則建議工況取滑行工況或車速大于40 km/h的勻速工況。獲得了與粗糙瀝青路面室外輪胎噪聲試驗相匹配的多測點的室內(nèi)試驗工況，減少了對環(huán)境的依賴性，提高了重復試驗的準確性與安全性，降低了試驗成本。