王 嵐 編譯

關(guān)于輪胎橡膠吸收噪音性能之研究

王 嵐 編譯

輪胎發(fā)出噪音也是一個(gè)令人十分頭痛的問題。文中就這一命題展開了敘述，分析了輪胎噪音的幾大組成部分，提出了降低輪胎噪音的切實(shí)可行的方法。文章抓住兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)（彈性動(dòng)態(tài)模量和機(jī)械損耗角正切）進(jìn)行了深入的研究和探討。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輪胎氣密層的吸音系數(shù)最大。究其原因，乃是它的動(dòng)態(tài)模量最小，而機(jī)械損耗角正切最大。

輪胎橡膠；噪音；動(dòng)態(tài)模量；機(jī)械損耗角正切

近年來，人們在降低動(dòng)力設(shè)備噪音及改善汽車輪胎空氣動(dòng)力學(xué)方面，開展了大量的研究工作。然而，輪胎卻成了汽車內(nèi)外噪音的一大“源泉”。輪胎產(chǎn)生噪音的途徑不是單一的，但可以把它劃分成幾大類型：

——輪胎胎體高頻振動(dòng)；

——胎面接觸路面時(shí)，空氣在花紋溝槽內(nèi)流動(dòng)；

——被滾動(dòng)著的輪胎所吸收的空氣的流動(dòng)；

——胎面上的花紋塊對(duì)路面的沖擊；

——花紋塊與路面接觸時(shí)產(chǎn)生的滑移現(xiàn)象。

測定輪胎的噪音，即被輪胎所輻射的聲能，可以在試驗(yàn)室里于專用的試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，也可以讓汽車在道路上行駛時(shí)進(jìn)行。在這二種情況下都會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的，但完全可以解決的問題，這就是以其他噪音（如車架、汽車整體甚至回聲）為背景，釋放出輪胎本身的噪音。

決定輪胎噪音強(qiáng)弱的因素，有輪胎滾動(dòng)的速度，路面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，輪胎的內(nèi)壓及負(fù)荷，當(dāng)然也包括輪胎的結(jié)構(gòu)和材料。在有關(guān)文獻(xiàn)中發(fā)表了大量的，以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的研究成果。它們有的采用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線，也有分析計(jì)算結(jié)果的，但都是旨在分析產(chǎn)生噪音的原由，提出消除噪音的方法。研究人員借助于數(shù)學(xué)模型，用有限元方法研究了輪胎結(jié)構(gòu)諸參數(shù)對(duì)噪音輻射的影響。但是，研究輪胎橡膠配方對(duì)噪音產(chǎn)生的影響，以及在試驗(yàn)室里如何測定吸音系數(shù)，卻沒有引起足夠的重視。

文中提出了在專用的試驗(yàn)裝置上測定橡膠吸音系數(shù)的方法（見圖1）。

圖1 用于吸音研究的試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)裝置安置在外來噪音最低的房間內(nèi)。裝置構(gòu)架1由隔音材料制成，以降低外來噪音對(duì)試驗(yàn)的影響。

分析材料的吸音性能，可根據(jù)聲音信號(hào)的頻率和強(qiáng)弱，通過放大器向電動(dòng)揚(yáng)聲器3（25ГДH，該揚(yáng)聲器能保證高質(zhì)量地再現(xiàn)低頻信號(hào)，再現(xiàn)范圍20～2250 Hz）傳送聲音信號(hào)。該信號(hào)是一種規(guī)定頻率的單色正弦波。在空曠的室內(nèi)用橡膠吊索8固定的傳聲器7（在20～15 000 Hz范圍內(nèi)能良好地接受聲頻）可以削弱聲音信號(hào)，以減少外來噪音對(duì)試驗(yàn)的影響。把數(shù)據(jù)從傳聲器傳輸?shù)诫娔X上，通過專門的程序評(píng)估無形的聲音的級(jí)別。校準(zhǔn)之后，將接受試驗(yàn)的材料試樣5（135×115 mm）安裝在固定框架6（可通過的口徑為115×95 mm）上，用夾具4固定住。然后，再在選定的聲音頻率條件下進(jìn)行試驗(yàn)。將測得的聲音等級(jí)數(shù)據(jù)，與在空曠室內(nèi)條件下所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。以此為基礎(chǔ)，采用回歸分析法對(duì)下列關(guān)系式加以處理，從而計(jì)算出材料的吸音系數(shù)K。

式中，l—放置試樣的室內(nèi)規(guī)定頻率的信號(hào)振幅；l0—在空曠室內(nèi)的條件下規(guī)定頻率的信號(hào)振幅；x—試樣厚度（m）。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在頻率為50～1000 Hz范圍內(nèi)計(jì)算出吸音系數(shù)（依據(jù)頻譜圖取其平均值），所有試樣的吸音系數(shù)的最大值，處于500～750 Hz頻率范圍內(nèi)。

文中的研究對(duì)象是10種類型的橡膠，由它們制成了無內(nèi)胎輪胎、轎車輪胎及輕型載重汽車輪胎的主要部件。這些輪胎中都含有金屬簾線緩沖層和織物簾線骨架層。圖2，圖3上列示了在聲音信號(hào)強(qiáng)度不同的條件下，兩種橡膠的吸音系數(shù)與頻率的相關(guān)性曲線。聲音信號(hào)強(qiáng)度可用注解里的數(shù)字表示。幾種橡膠的譜圖平均吸音系數(shù)也列于頻率分布圖（圖4）上。

圖2 在不同強(qiáng)度的聲音信號(hào)條件下, 胎面橡膠的吸音系數(shù)與頻率的相關(guān)性曲線.相關(guān)單位:1-10;2-20;3-30

圖3 在不同強(qiáng)度的聲音信號(hào)條件下,氣密層的吸音系數(shù)與頻率的相關(guān)性曲線. 相關(guān)單位: 1-10;2-20;3-30

圖4 按頻率計(jì)算的輪胎橡膠吸音系數(shù)之平均值

在研究吸音系數(shù)與頻率及信號(hào)強(qiáng)度的各自獨(dú)立的相關(guān)性曲線時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)它們鮮明的非線性特征，該特征與橡膠彈性性能的非線性有關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，還可以發(fā)現(xiàn)，橡膠種類對(duì)吸音譜圖的形狀影響不大，但對(duì)吸音系數(shù)的絕對(duì)值的影響頗大。

對(duì)幾種輪胎橡膠部件（見圖4）的按譜圖計(jì)算的吸音系數(shù)平均值進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同振幅條件下，氣密層橡膠的吸音系數(shù)值最大。該氣密層由分子鏈不活潑的氯化丁基橡膠制成。其他輪胎橡膠部件的吸音系數(shù)很接近，差別不大，但膠料中生膠本身以及其他配合劑（如炭黑、硫磺等）會(huì)影響吸音系數(shù)的大小。

由非線性聲學(xué)理論得知，當(dāng)聲波在擴(kuò)散性的整體介質(zhì)中傳播時(shí)，聲音的衰減系數(shù)主要取決于聲音傳播的速度及松弛時(shí)間。既然，在堅(jiān)硬物體中聲音傳播的速度由彈性模量所決定，那么很顯然，決定橡膠吸音性的主要因素是它的黏彈性。為了研究輪胎橡膠的黏彈性對(duì)其吸音性的影響，選擇了下列二種研究方法。

1 研究松弛時(shí)間對(duì)吸音性的影響

在帶有應(yīng)變測量傳感器的功率儀上，研究了在固定應(yīng)變條件下的應(yīng)力松弛關(guān)系式。用二種暫時(shí)性函數(shù)形式，模擬了應(yīng)力與時(shí)間的試驗(yàn)性曲線。

式中，τ1和τ2—分別為長、短二種松弛時(shí)間；σ1和σ2—分別為第一、第二松弛時(shí)間所貢獻(xiàn)的預(yù)指數(shù)曲線；σ∞—平衡應(yīng)力；σ1、σ2、σ∞、τ1和τ2用最小的二次方方法計(jì)算。

為了研究對(duì)吸音性的影響，選擇更加接近于聲音振蕩頻率的短時(shí)間τ1作為黏彈性參數(shù)。在分析所研究的橡膠譜圖中吸音系數(shù)最大值和松弛時(shí)間之間的相關(guān)性曲線時(shí)發(fā)現(xiàn)，它們之間產(chǎn)生了正相關(guān)性（相關(guān)性系數(shù)的計(jì)算值為0.76），也就是說，隨著松弛時(shí)間的延長，出現(xiàn)了吸音系數(shù)的最大值有所增大的趨勢。

2 在正脈沖儀器-1P上測定動(dòng)態(tài)彈性模量和機(jī)械損耗角正切

該儀器的工作原理就是在自由落體狀態(tài)下，用錐形壓頭沖擊扁平的橡膠試樣，分析其沖擊動(dòng)力學(xué)。此時(shí)，負(fù)荷的速度狀態(tài)，比任何時(shí)候都更符合滾動(dòng)著的輪胎的負(fù)荷動(dòng)力學(xué)狀態(tài)。在對(duì)黏彈性線性理論范圍內(nèi)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理的基礎(chǔ)上，計(jì)算出在該范圍內(nèi)表征黏彈性能的二個(gè)參數(shù)：動(dòng)態(tài)模量和機(jī)械損耗角正切。所得參數(shù)在（-1，1）范圍內(nèi)，對(duì)于所有橡膠部件來說都是標(biāo)準(zhǔn)的。這些橡膠部件的平均（根據(jù)譜圖）吸音系數(shù)的相互關(guān)系為：

式中，x1—彈性動(dòng)態(tài)模量；x2—機(jī)械損耗角正切。

通過整理所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用最小二次方方法計(jì)算出如下系數(shù)的值：b0-75.154 06；b1--12.295 3；b2-19.342 7。系數(shù)b1呈現(xiàn)負(fù)值表明，隨著橡膠彈性動(dòng)態(tài)模量的增大，吸音系數(shù)減小。此時(shí)，b2呈現(xiàn)正值證明，隨著機(jī)械損耗角正切的增大，吸音性能也隨之提高。從絕對(duì)值方面來看，b2比b1大了一些，這反映出這樣的一個(gè)事實(shí)，即損耗角正切對(duì)于所選擇的輪胎橡膠來說，其影響大一些。這些結(jié)論說明了這樣一種情況，與其他輪胎零部件相比，氣密層橡膠的吸音系數(shù)最大（見圖4）。與其他橡膠不同，該輪胎橡膠有二大因素在同時(shí)發(fā)揮作用：橡膠的動(dòng)態(tài)模量最小，而損耗角正切最大。

總之，可以這樣說，用兩種研究方法得出的結(jié)果，都符合聲波在擴(kuò)散型整體介質(zhì)中傳播的理論，從而可以對(duì)在試驗(yàn)室試驗(yàn)中所得到的輪胎橡膠黏彈性參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，以準(zhǔn)確地預(yù)測輪胎橡膠的吸音性能。

[1] Кapaнeц A O. Иecлeдoвaниe Звyкoпoглoщeния шинныx peзин[J]. кayчyки peзинa, 2015(01):30-32.

[責(zé)任編輯：張啟躍]

TQ 336.1+1

B

1671-8232(2017)03-0030-03

2016-01-01