當(dāng)你開(kāi)車(chē)時(shí)，坐在車(chē)內(nèi)的你所聽(tīng)到的聲音將在一定程度上決定車(chē)輛所行駛過(guò)的道路質(zhì)量。當(dāng)然，你必須有一條平坦且安全的道路，但是道路越安靜，對(duì)你和那些生活與工作在同一條道路上的人來(lái)說(shuō)，就越有樂(lè)趣。但是，是什么讓一些道路安靜，而另一些道路又吵得你必須把車(chē)內(nèi)收音機(jī)音量調(diào)大呢？答案并不像你想象的那么簡(jiǎn)單。其實(shí)，道路并不是唯一的因素，輪胎也很重要。

路噪的來(lái)源

道路噪聲（簡(jiǎn)稱(chēng)路噪）產(chǎn)生的本質(zhì)在一定程度上并未完全弄明白。對(duì)于輪胎和路面來(lái)說(shuō)，三個(gè)主要特征決定著路噪的產(chǎn)生：紋理、孔隙度和剛度(見(jiàn)圖1)。復(fù)雜之處在于這些特征與變化時(shí)產(chǎn)生的聲音之間的具體關(guān)系。



圖1 輪胎和路面對(duì)路噪的產(chǎn)生都有貢獻(xiàn)。沒(méi)有胎面花紋的輪胎會(huì)很安靜。那些幾何形狀簡(jiǎn)單的輪胎產(chǎn)生的聲音會(huì)稍微大一些，但那些胎面花紋大而塊狀的輪胎產(chǎn)生的聲音是最大的。最安靜的道路包括那些具有優(yōu)良紋理和顯著孔隙度的路面。那些沒(méi)有孔隙但紋理優(yōu)良的路面產(chǎn)生的聲音可能會(huì)更大一些。路面有較大或磨損的紋理是最嘈雜的。這三張路面照片顯示的樣本都只有幾厘米寬。

最顯著的特征是道路紋理。開(kāi)車(chē)的時(shí)候，你可能會(huì)遇到既粗糙又嘈雜的道路。具有顯著大小紋理的道路是糟糕駕駛體驗(yàn)的主要原因。但造成顛簸或噪聲的紋理波長(zhǎng)是不同的。長(zhǎng)波長(zhǎng)、低頻的紋理會(huì)造成顛簸。噪聲主要是由短波、高頻紋理引起的。

At highway speeds, texture with significant amplitudes and wavelengths of about 10–50 mm is largely to blame for noise that is readily radiated away from the vehicle; texture with wavelengths of 20–200 mm is responsible for in-vehicle noise. In both cases, the dominant noise-producing mechanism is termed impact.

與車(chē)內(nèi)噪聲相比，車(chē)外噪聲在很大程度上受不同紋理波長(zhǎng)的控制。在高速公路上，具有顯著幅值和波長(zhǎng)約為10~50mm的紋理是噪聲很容易從車(chē)輛輻射出去的主要原因；波長(zhǎng)為20~200mm的紋理導(dǎo)致車(chē)內(nèi)噪聲。在這兩種情況下，主要的噪聲產(chǎn)生機(jī)理稱(chēng)為碰撞。當(dāng)輪胎在路面上滾動(dòng)時(shí)，路面的位移或輪胎胎面花紋會(huì)在輪胎結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生振動(dòng)。這些振動(dòng)，反過(guò)來(lái)，導(dǎo)致從輪胎胎面元件和側(cè)壁輻射聲學(xué)能量。在一些越野或重型商用車(chē)中，發(fā)現(xiàn)碰撞機(jī)理是多節(jié)輪胎產(chǎn)生轟鳴聲最明顯的原因。

那么，造一條完美道路的關(guān)鍵是要造一條完全平坦的道路嗎？不幸的是，事實(shí)并非如此。實(shí)際上，建造平坦的道路不是個(gè)好主意，原因有很多。一方面，道路不安全；如果道路沒(méi)有紋理，摩擦力會(huì)很低，制動(dòng)距離會(huì)受到影響。即使在噪聲方面，工程師們也知道平坦的道路并不安靜。其原因在于輪胎與路面的相互作用機(jī)理。認(rèn)識(shí)到紋理降低輪胎路面噪聲說(shuō)明了紋理與路噪之間關(guān)系的復(fù)雜性。

尋求一個(gè)更安靜的路面往往會(huì)被另一類(lèi)稱(chēng)為空氣動(dòng)力的紋理噪聲機(jī)理復(fù)雜化。這些機(jī)理既多又復(fù)雜，它們的表現(xiàn)取決于輪胎和路面的特殊相互作用。當(dāng)輪胎和路面接觸時(shí)，在胎面塊和路面表面的凹槽與空腔中都會(huì)形成所謂的幾何空洞。這些幾何形狀具有固有的共振特性，很容易被輪胎本身的變形和振動(dòng)所激發(fā)。當(dāng)輪胎滾動(dòng)時(shí)，滯留在空洞中的空氣會(huì)迅速排出，從而產(chǎn)生噪聲。

除了碰撞和空氣動(dòng)力機(jī)理外，還存在許多其他噪聲源。各種振動(dòng)源都會(huì)產(chǎn)生聲音，包括那些與輪胎橡膠和最細(xì)紋理之間的摩擦有關(guān)的噪聲。當(dāng)你在平滑的停車(chē)場(chǎng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，你會(huì)聽(tīng)到典型的尖叫聲，這說(shuō)明了摩擦機(jī)理有時(shí)是如何控制輪胎路面噪聲的。

道路上的孔洞

到目前為止，紋理是造成輪胎路面噪聲最重要的因素，但孔隙度也有影響。使用高滲透性材料來(lái)減少噪聲的例子到處都有，很可能就在你附近！在路面中，孔隙空間的幾何形狀和多孔表面層的厚度可以調(diào)諧到在產(chǎn)生大部分能量的聲波頻率處衰減。路面的聲學(xué)吸收不僅降低了輪胎-路面界面處的噪聲，而且還衰減了噪聲的傳播。多孔路面的另一個(gè)好處是，它為空氣提供了排放溝或逃生通道，否則空氣會(huì)從滾動(dòng)的輪胎和胎面之間的孔洞中噴出。這樣可以減少路噪。

輪胎剛度是影響路噪整體水平的另一個(gè)重要因素。在其他條件相同的情況下，更軟的輪胎會(huì)讓駕駛更加安靜。也就是說(shuō)，噪聲只是輪胎必須優(yōu)化的一個(gè)支柱；其他包括耐久性能、燃油經(jīng)濟(jì)性和操控性等。道路也有不同的剛性，這取決于它們是如何建造的?；炷镣ǔ１葹r青硬，但這兩種材料都比輪胎硬得多。在這兩種情況下，材料的剛度都無(wú)助于降低噪聲：只有當(dāng)路面剛度達(dá)到輪胎的剛度時(shí)，路面剛度才對(duì)降低噪聲有顯著作用。然而，在這種情況下，路面的耐久性將受到損失。盡管如此，被稱(chēng)為多孔彈性路面(PERS)的創(chuàng)新型道路，由環(huán)氧結(jié)合橡膠顆粒建造，目前正在評(píng)估中。他們的聲學(xué)性能看起來(lái)相當(dāng)好，部分原因是他們具有非常低的剛度。

PERS等概念說(shuō)明了工程師們是如何尋求創(chuàng)新的、更安靜的道路的。輪胎公司也在尋找新穎、安靜的輪胎設(shè)計(jì)，以吸引消費(fèi)者，尤其是汽車(chē)公司，而汽車(chē)公司是輪胎的最大買(mǎi)家。路面和輪胎設(shè)計(jì)者面臨的挑戰(zhàn)是確保產(chǎn)品不僅安靜，而且安全、耐用、價(jià)格實(shí)惠。

測(cè)量路噪

一個(gè)常見(jiàn)的誤解是，車(chē)輛噪聲很大程度上是由發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，甚至是路過(guò)的汽車(chē)和卡車(chē)的風(fēng)噪聲造成的。在大多數(shù)情況下，輪胎-路面噪聲的主要來(lái)源實(shí)際上是在橡膠與道路的交匯處。許多國(guó)家都有法規(guī)限制車(chē)輛的整體噪聲，特別是輪胎的噪聲。然而，直到數(shù)年前，國(guó)際政府機(jī)構(gòu)才開(kāi)始考慮道路的影響。制約這個(gè)方面發(fā)展的一個(gè)障礙是缺乏一種準(zhǔn)確的、可重現(xiàn)的方法來(lái)測(cè)量輪胎-路面噪聲。

這種技術(shù)上的限制已經(jīng)被諸如車(chē)載聲強(qiáng)（OBSI）等技術(shù)的采用所克服。車(chē)載聲強(qiáng)是通用汽車(chē)公司在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)的一種方法，在加利福尼亞運(yùn)輸部門(mén)的贊助下得到改進(jìn)，并由美國(guó)國(guó)家公路和運(yùn)輸協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化。盡管標(biāo)準(zhǔn)在不斷發(fā)展，現(xiàn)在OBSI最常見(jiàn)的變體使用兩個(gè)探頭，每個(gè)探頭由兩個(gè)麥克風(fēng)組成，如圖2所示，具體位置見(jiàn)圖3。每個(gè)探頭的位置距離滾動(dòng)的輪胎只有幾英寸，能夠測(cè)量聲強(qiáng)，也就是壓力和聲速的乘積，聲速是一小部分空氣相對(duì)于整個(gè)空氣的速度。因?yàn)槁晱?qiáng)是矢量，所以聲強(qiáng)測(cè)量提供了不能從標(biāo)量聲壓得到的有用信息。OBSI技術(shù)使用兩個(gè)測(cè)量探頭，因?yàn)閺妮喬?路面接觸面前部發(fā)出的聲音通常與從接觸面后部發(fā)出的聲音不同。



圖2 車(chē)載聲強(qiáng)是一種用于評(píng)估由于輪胎和路面相互作用而產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法。測(cè)試通常以每小時(shí)60英里的速度進(jìn)行。OBSI的兩個(gè)探頭每一個(gè)都有一對(duì)被帶有風(fēng)球的麥克風(fēng)。這兩個(gè)探頭可以讓工程師測(cè)量輪胎與路面接觸面前后的噪聲。


圖3 OBSI法探頭具體布置

采用OBSI方法對(duì)數(shù)千種輪胎-路面組合進(jìn)行了評(píng)價(jià)。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)的解釋?zhuān)访婀こ處煵捎昧艘环N標(biāo)準(zhǔn)的參考試驗(yàn)輪胎（SRTT），使不同的路面更容易進(jìn)行比較。SRTT是由ASTM國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的。盡管由于種種原因SRTT并不理想，但它有一個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，即在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)可以購(gòu)買(mǎi)到。

美國(guó)的AASHTO出的用OBSI方法測(cè)試輪胎噪聲的標(biāo)準(zhǔn)如下所示。



我國(guó)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22036 輪胎慣性滑行通過(guò)噪聲測(cè)試方法 用于評(píng)價(jià)輪胎噪聲，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的ISO 標(biāo)準(zhǔn)為 ISO 13325。

除了OBSI方法之外，還有Statistical isolated pass-by method (SIP)和
Continuous-flow traffic time-integrated method(CTIM)方法。

主要來(lái)源：https://physicstoday.scitation.org/doi/full/10.1063/1.3273080