轮胎花纹噪声的发声机理

　　汽车在高速行驶中,轮胎胎面与路面相互作用会产生烦人的噪声。这种噪声基本上由两部分组成,一部分是轮胎直接辐射出来的直接噪声,另一部分是轮胎激振车体产生的间接噪声。而轮胎直接辐射的噪声又分为胎面花纹噪声和弹性振动噪声。当车速大于60~7 0km.h^-1时,轮胎花纹噪声为车辆的主要噪声源[1],它的强弱与花纹的结构形式有关。而轮胎花纹结构可以说是五花八门、式样众多,不同的花纹排列结构,其噪声特性也不一样。要对轮胎花纹噪声进行有效控制,首先必须了解轮胎花纹的发声机理,进而建立科学而实用的轮胎噪声数学物理模型。据此编制相关软件程序,通过该仿真程序运行,对所设计的轮胎花纹方案作计算机仿真分析、仿真发声、主客观评价、方案比较和优化设计,最终可设计出低噪声轮胎并投入生产。

　　1 轮胎花纹的发声机理

　　轮胎在滚动时发出的轮胎噪声可以归结为如下几种:花纹块打击地面时所发出的撞击噪声、沟槽腔体中空气被挤压和膨胀而产生的“泵浦效应”噪声、横沟槽内气柱共鸣的噪声、光面胎面作用在地面中大小不等的隙腔时而产生的不规则沙声(随机噪声)、由于道路的凹凸不平和轮胎均匀性不良而激起的轮胎振动噪声(一般频率较低,为80~150Hz)、轮胎滚动时切割空气产生的切割噪声、轮胎与地面相摩擦而产生的摩擦噪声以及车辆行驶时对路面产生的低频路面噪声[2]。

　　所有这些噪声中,花纹块的撞击噪声、花纹沟的泵浦噪声、横沟槽的气柱共鸣噪声和光面胎面的随机沙声是四大主要噪声源。现分别对它们的发声机理进行陈述。

　　1.1 花纹块的发声^[1,2]

　　轮胎行驶时,如图1所示,在轮胎接地区域前沿A点块的矢量速度v突变成v1,但|v1|=|v|,根据平行四边形分析原则,必有指向轮胎中心的v2存在。显然,要突然产生v2,必伴有指向轮胎中心区的力F,形成块撞击地面引起的激振,产生撞击噪声。轮胎接地后沿情况类同,但产生的负压声强度比前者弱。花纹块拍打地面时,块与地面之间的空气被压缩,空气密度增大形成正声压,而随着花纹块离开地面,空气密度变小形成负声压,从而产生气流噪声。两者合成,即为块的发声。实测也证实这一点为上大下小的N形波形。

　　如果两个花纹块面积相同但形状不同,可以认为其发声由许多点声源构成,每一单位面积作为声点[3]。应用声点阵法对花纹块进行分析,显然两花纹块包含相同数目的声点阵数。各点阵撞击地面时发出的声能相同,即具有相等的声压幅值。而相应点阵间的相位十分接近,因而根据声能叠加原理,两花纹块发出的总声能也相同。试验也证实了以上分析结果。