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[摘 要]随着汽车数量的快速增加，车辆噪声已成为城市噪声最主要的来源，而且车辆噪声危害很大。车辆噪声主要由动力噪声和轮胎/路面噪声两部分构成。汽车制造工艺的飞速进步使得动力噪声尤其是车内噪声已得到较好的降低， 而车外噪声尤其是轮胎/路面噪声的降低仍然没有取得理想的效果。为了降低车辆噪声，基于轮胎与路面的耦合性，研究轮胎/路面噪声机理与特性对降低车辆噪声非常必要。
[关键词]花纹噪声；道路噪声； 轮胎/路面噪声； 发声模型
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0004-01
1 轮胎/ 路面噪声的产生机理
1.1 花纹块撞击
轮胎在地面滚动时， 其胎面的块状花纹会产生轮胎噪声并用P1（t）表示。该噪声的产生可分为两个过程： 其一是轮胎/路面接触区域花纹块在与地面碰撞的瞬间垂直速度的突然减小而引起的噪声即撞击引起的胎体振动噪声[1]。二是轮胎滚动时其前沿下压导致空气被快速压缩，并将其排出车轮滚动区域所产生的噪声。两者共同形成花纹块噪声。如果花纹块材质及设计合理，可以有效减小花纹块所引起的噪声。
1.2 空气泵作用
当轮胎在路面上滚动时， 由于压力作用与地面接触的轮胎花纹沟的容积会减小，花纹沟内的空气被迅速排出，形成局部气流。同样当轮胎通过路面上凹坑时，凹坑中的空气也会被急速排出。而当轮胎离开凹坑时， 空气又会快速补充回轮胎的花纹槽和道路的凹坑处 [2]。这种空气体积流往返的运动形成单极子噪声源。所以路面越是光滑和密实时，泵浦效应引起的轮胎/路面噪声就越明显。泵气噪声以P2（t）表示。
1.3 滑- 粘产生噪声
当轮胎在路面上滚动时，由于轮胎径向不断变形，轮胎与路面之间产生的摩擦力即切向力会产生噪声。当切向力大于摩擦力时，花纹块将出现滑动之后又粘在路面上。这种现象与篮球场上运动员鞋底与木地板摩擦噪声相似。这种现象在轮胎具有相对高的切向力时（如汽车加速、 刹车等） 发生[3]。滑粘噪声以P3（t）表示。
1.4 随机沙声
光面轮胎胎面与路面之间存在着大小不等的隙腔，各隙腔的发声与槽发声类同，叠加各隙腔的发声波形，可得随机沙声，以P4（t）表示。
1.5 切割噪声
轮胎滚动时对空气扰动和切割可产生切割噪声其时域波形以 P5（t）表示。
2 噪声的放大
由上述分析可知轮胎与路面产生噪声的各种主要原因，但是大多情况下，轮胎/路面接触面上产生的能量不能有效地辐射。由于花纹块较小，其产生的噪声不会是我们平时感受的那样强烈并且空气泵效应本身并不是重要的声能量源，轮胎/路面导致的噪声很大是因为它们共同作用下的噪声被显著地放大了。
2.1 号筒效应
轮胎前沿区域和其对应的路面构类似号筒的结构，位于号筒底部的任何噪声源声都会被放大， 这种放大是由于声波在轮胎和路面之间的多重反射所导致。较显著的放大频率范围在2 000 Hz 附近，这个频域上测量的放大噪声级可达到22 dB（ A）。多孔性路面由于可以明显降低声波的反射作用，而有助于降低号筒效应产生的放大作用[4]。
2.2 管柱腔体共振（沟槽内气柱共鸣）
轮胎表面花纹槽与路面接触时容易形成空气管，空气是弹性体，每个管对应着不同长度和开口，其固有频率也有上述特性不同而不同。当轮胎噪声频率与空气管固有频率相同时，空气急速吹过槽口在管内形成谐振引发共振导致轮胎噪声被放大[5]。
在接触区内， 轮胎花纹间的沟槽与路面形成充气的管柱腔体，其共振产生噪声放大作用。该共振没有号筒效应那样显著，但路面如果很光滑，在0. 8～ 3kHz 的频率范围内，放大作用能达到10 dB 左右。
3 轮胎/路面噪声特性
上述轮胎与路面对噪声的作用是同时产生的，但根据噪声的频率范围、道路状况、车辆运行工况、 轮胎种类的不同，起主导作用的机理不同。通常在 700～ 1 300Hz 频率范围内振动较显著。其中花纹块与路面撞击产生振动所激发的噪声集中在低频范围，通常小于1000 Hz ；泵浦效应，频率范围为 1～ 3 kHz。切向花纹块引起的共振频率范围约为800～ 3 000 Hz。纵向花纹沟产生的管腔共鸣频率范围大约为900～2 000 Hz ；号筒效应的频率范围约为600～ 2 000 Hz。500 Hz 以下的低频噪声主要是由胎侧振动引起的。
4 轮胎/路面噪声影响因素
轮胎/路面噪声与轮胎、路面、汽车、环境等因素有关，其主要影响因素为：
轮胎： 轮胎结构，花纹，材料，沟槽的深度，轮胎尺寸及气压。
路面： 路面的纹理，路面材质，空隙性，路面湿度，路面厚度。
汽车： 运行车速，发动机功率，驱动力大小，车辆荷载。
环境： 温度，风速，路面是否有雨雪等。
其中最主要的影响因素是胎面花纹特性、轮胎材料特性、车速、路面状况、车辆荷载、发动机功率及轮胎气压等。
5 轮胎发声模型
5.1 花纹块的撞击噪声
轮胎花纹块所产生的噪声谱与花纹块的面积有关， 而与其的形状无关。 噪声波与N形 波相似，所以通常用准正弦函数来描述[6]
在计算时，认为花纹块是由点声源组成而成，噪声是由这些点声源叠加产生。
5.2 花纹槽噪声
考虑顺逆向后应该考虑一个系数，顺向取1，逆向取1.3-1.5与地面刚度有关。可以通过调整槽面积和槽走向来降噪。
5.3 花纹沟内气柱共鸣声
类似于音叉实验，花纹沟与路面接触时形成管子，管内空气为弹性体，有其固有频率。如果管子一端开放、一端封闭，管长为 l ，则基频和谐振频率fn[7] 如果管子两端开放，则基频和谐振频率为[7]。综上轮胎花纹噪声用PT（t）表示。
6 道路噪声模型
6.1 理想平面路面噪声
理想平面路面产生的时域波用 P6（t）表示
6.2 路面粗糙度引起的摩擦噪声
此时摩擦噪声时域波用P7（t）表示
6.3 路面振动（凹凸不平度）噪声
振动（凹凸不平度）噪声时域波用P8（t）表示
6.4 路面粒子引起的噪声
粒子引起的噪声用P9（t）表示。
7.轮胎/道路噪声综合模型
（1）
（2）
其中，为时域耦合因子行阵， PT（t）表示轮胎噪声，PR（t）表示轮胎噪声。
8.结语
通过对道路/ 轮胎振动噪声产生机理及其噪声模型的总结分析，使我们对轮胎产生噪声及路面产生噪声的机理有了较深刻的理解。但是降低道路/ 轮胎的振动噪声要想有更大的成效不能只从一方面进行考虑，必须综合考虑其耦合效应。但目前研究对如何通过胎/路耦合来降低胎/路噪声 ，怎样量化耦合关系仍然是研究的难点。虽然可以得出路面与轮胎的耦合关系矩阵但耦合矩阵是怎样影响噪声产生这一问题仍然有待继续深入研究。
参考文献：
[1]肖旺新，魏显威，王彦琴.基于胎/路纹理耦合的交通噪声控制新方法[J]. 中外公路. 2010（01）
[2]陈霞，池宏军，陈理君，肖旺新.基于CPX方法的轮胎/路面噪声测试系统设计[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版）. 2009（01）
[3]陈理君，姚忠杰，肖旺新，严新平，陈弘.轮胎/道路噪声耦合预测模型[J]. 轮胎工业. 2008（01）
[4]陈理君，杨光大，董芹.低噪声轮胎花纹设计原则[J]. 橡胶工业. 1997（03）
[5]王华，严新平，曹平，肖旺新，袁成清.轮胎花纹与路面纹理耦合对轮胎噪声的影响[J]. 轮胎工业. 2007（02）
[6]王万英，靳晓雄，彭为，华春雷，张强.轿车轮胎噪声测试与评价方法研究[J]. 汽车技术. 2008（09）
[7]葛志伟，李炳辉.汽车的轮胎噪声[J]. 世界汽车. 1999（11）
作者简介
张超（1986—），男，长安大学汽车学院博士研究生，车辆工程专业。
[关键词]花纹噪声；道路噪声； 轮胎/路面噪声； 发声模型
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）45-0004-01
1 轮胎/ 路面噪声的产生机理
1.1 花纹块撞击
轮胎在地面滚动时， 其胎面的块状花纹会产生轮胎噪声并用P1（t）表示。该噪声的产生可分为两个过程： 其一是轮胎/路面接触区域花纹块在与地面碰撞的瞬间垂直速度的突然减小而引起的噪声即撞击引起的胎体振动噪声[1]。二是轮胎滚动时其前沿下压导致空气被快速压缩，并将其排出车轮滚动区域所产生的噪声。两者共同形成花纹块噪声。如果花纹块材质及设计合理，可以有效减小花纹块所引起的噪声。
1.2 空气泵作用
当轮胎在路面上滚动时， 由于压力作用与地面接触的轮胎花纹沟的容积会减小，花纹沟内的空气被迅速排出，形成局部气流。同样当轮胎通过路面上凹坑时，凹坑中的空气也会被急速排出。而当轮胎离开凹坑时， 空气又会快速补充回轮胎的花纹槽和道路的凹坑处 [2]。这种空气体积流往返的运动形成单极子噪声源。所以路面越是光滑和密实时，泵浦效应引起的轮胎/路面噪声就越明显。泵气噪声以P2（t）表示。
1.3 滑- 粘产生噪声
当轮胎在路面上滚动时，由于轮胎径向不断变形，轮胎与路面之间产生的摩擦力即切向力会产生噪声。当切向力大于摩擦力时，花纹块将出现滑动之后又粘在路面上。这种现象与篮球场上运动员鞋底与木地板摩擦噪声相似。这种现象在轮胎具有相对高的切向力时（如汽车加速、 刹车等） 发生[3]。滑粘噪声以P3（t）表示。
1.4 随机沙声
光面轮胎胎面与路面之间存在着大小不等的隙腔，各隙腔的发声与槽发声类同，叠加各隙腔的发声波形，可得随机沙声，以P4（t）表示。
1.5 切割噪声
轮胎滚动时对空气扰动和切割可产生切割噪声其时域波形以 P5（t）表示。
2 噪声的放大
由上述分析可知轮胎与路面产生噪声的各种主要原因，但是大多情况下，轮胎/路面接触面上产生的能量不能有效地辐射。由于花纹块较小，其产生的噪声不会是我们平时感受的那样强烈并且空气泵效应本身并不是重要的声能量源，轮胎/路面导致的噪声很大是因为它们共同作用下的噪声被显著地放大了。
2.1 号筒效应
轮胎前沿区域和其对应的路面构类似号筒的结构，位于号筒底部的任何噪声源声都会被放大， 这种放大是由于声波在轮胎和路面之间的多重反射所导致。较显著的放大频率范围在2 000 Hz 附近，这个频域上测量的放大噪声级可达到22 dB（ A）。多孔性路面由于可以明显降低声波的反射作用，而有助于降低号筒效应产生的放大作用[4]。
2.2 管柱腔体共振（沟槽内气柱共鸣）
轮胎表面花纹槽与路面接触时容易形成空气管，空气是弹性体，每个管对应着不同长度和开口，其固有频率也有上述特性不同而不同。当轮胎噪声频率与空气管固有频率相同时，空气急速吹过槽口在管内形成谐振引发共振导致轮胎噪声被放大[5]。
在接触区内， 轮胎花纹间的沟槽与路面形成充气的管柱腔体，其共振产生噪声放大作用。该共振没有号筒效应那样显著，但路面如果很光滑，在0. 8～ 3kHz 的频率范围内，放大作用能达到10 dB 左右。
3 轮胎/路面噪声特性
上述轮胎与路面对噪声的作用是同时产生的，但根据噪声的频率范围、道路状况、车辆运行工况、 轮胎种类的不同，起主导作用的机理不同。通常在 700～ 1 300Hz 频率范围内振动较显著。其中花纹块与路面撞击产生振动所激发的噪声集中在低频范围，通常小于1000 Hz ；泵浦效应，频率范围为 1～ 3 kHz。切向花纹块引起的共振频率范围约为800～ 3 000 Hz。纵向花纹沟产生的管腔共鸣频率范围大约为900～2 000 Hz ；号筒效应的频率范围约为600～ 2 000 Hz。500 Hz 以下的低频噪声主要是由胎侧振动引起的。
4 轮胎/路面噪声影响因素
轮胎/路面噪声与轮胎、路面、汽车、环境等因素有关，其主要影响因素为：
轮胎： 轮胎结构，花纹，材料，沟槽的深度，轮胎尺寸及气压。
路面： 路面的纹理，路面材质，空隙性，路面湿度，路面厚度。
汽车： 运行车速，发动机功率，驱动力大小，车辆荷载。
环境： 温度，风速，路面是否有雨雪等。
其中最主要的影响因素是胎面花纹特性、轮胎材料特性、车速、路面状况、车辆荷载、发动机功率及轮胎气压等。
5 轮胎发声模型
5.1 花纹块的撞击噪声
轮胎花纹块所产生的噪声谱与花纹块的面积有关， 而与其的形状无关。 噪声波与N形 波相似，所以通常用准正弦函数来描述[6]
在计算时，认为花纹块是由点声源组成而成，噪声是由这些点声源叠加产生。
5.2 花纹槽噪声
考虑顺逆向后应该考虑一个系数，顺向取1，逆向取1.3-1.5与地面刚度有关。可以通过调整槽面积和槽走向来降噪。
5.3 花纹沟内气柱共鸣声
类似于音叉实验，花纹沟与路面接触时形成管子，管内空气为弹性体，有其固有频率。如果管子一端开放、一端封闭，管长为 l ，则基频和谐振频率fn[7] 如果管子两端开放，则基频和谐振频率为[7]。综上轮胎花纹噪声用PT（t）表示。
6 道路噪声模型
6.1 理想平面路面噪声
理想平面路面产生的时域波用 P6（t）表示
6.2 路面粗糙度引起的摩擦噪声
此时摩擦噪声时域波用P7（t）表示
6.3 路面振动（凹凸不平度）噪声
振动（凹凸不平度）噪声时域波用P8（t）表示
6.4 路面粒子引起的噪声
粒子引起的噪声用P9（t）表示。
7.轮胎/道路噪声综合模型
（1）
（2）
其中，为时域耦合因子行阵， PT（t）表示轮胎噪声，PR（t）表示轮胎噪声。
8.结语
通过对道路/ 轮胎振动噪声产生机理及其噪声模型的总结分析，使我们对轮胎产生噪声及路面产生噪声的机理有了较深刻的理解。但是降低道路/ 轮胎的振动噪声要想有更大的成效不能只从一方面进行考虑，必须综合考虑其耦合效应。但目前研究对如何通过胎/路耦合来降低胎/路噪声 ，怎样量化耦合关系仍然是研究的难点。虽然可以得出路面与轮胎的耦合关系矩阵但耦合矩阵是怎样影响噪声产生这一问题仍然有待继续深入研究。
参考文献：
[1]肖旺新，魏显威，王彦琴.基于胎/路纹理耦合的交通噪声控制新方法[J]. 中外公路. 2010（01）
[2]陈霞，池宏军，陈理君，肖旺新.基于CPX方法的轮胎/路面噪声测试系统设计[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版）. 2009（01）
[3]陈理君，姚忠杰，肖旺新，严新平，陈弘.轮胎/道路噪声耦合预测模型[J]. 轮胎工业. 2008（01）
[4]陈理君，杨光大，董芹.低噪声轮胎花纹设计原则[J]. 橡胶工业. 1997（03）
[5]王华，严新平，曹平，肖旺新，袁成清.轮胎花纹与路面纹理耦合对轮胎噪声的影响[J]. 轮胎工业. 2007（02）
[6]王万英，靳晓雄，彭为，华春雷，张强.轿车轮胎噪声测试与评价方法研究[J]. 汽车技术. 2008（09）
[7]葛志伟，李炳辉.汽车的轮胎噪声[J]. 世界汽车. 1999（11）
作者简介
张超（1986—），男，长安大学汽车学院博士研究生，车辆工程专业。