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一种在滚筒试验设施中在实验室控制条件下评估轮胎/道路噪声的声功率水平的新方法

关键词：轮胎 噪声 声音功率 转鼓

摘要

当时速超过30公里每小时的时候，轮胎跟道路的摩擦是道路交通的噪声辐射的主要来源。近几十年来已经使用好几种方法来测量噪声发射，诸如惯性，近似统计传递或受控传递。然而，由于公布了关于轮胎标签的第1222/2009号条例，只能使用UNECE第117条中关于滚动噪声排放的轮胎审批中描述的方法，以获得轮胎/道路噪声排放许可值。这些常规方法具有一些缺点，例如缺乏重复性，环境因素的影响或取决于测试轨道或进行测试的车辆可获得的不同结果。已经开发了基于鼓试验和ISO 3744：1994的新方法，以避免这些限制。本文介绍了新的方法，包括麦克风的定位，计算校正因子，表征由转鼓引起的背景噪声，并测定轮胎在滚筒上滚动时的声功率水平。

1 介绍

关于道路交通噪声，轮胎和道路之间的噪声车辆行驶超过30公里/小时的主要来源。还存在其他噪声源，例如风湍流，发动机或车辆的变速器，也会造成道路交通噪声。然而，这些其他来源在中速和高速的整体车辆噪声中占据很小比例。如今，速度低于120公里/小时的空气动力学外噪声相当低[1]。同样，未来的动力单元（发动机和变速器）噪声源将由于电动汽车的逐步引入而大大减少。在这种情况下，减少轮胎道路之间噪声将对减少道路交通噪声排放做出最大贡献。

在过去十年中，欧洲联盟出版了一些法规，以减少轮胎和路面的相互作用产生的噪声。 第一个，联合国欧洲经济委员会第117条[2]，于2007年出版，描述了测量轮胎滚动声发射的方法。 该方法基于2003年发布的用于测量轮胎到道路声发射的ISO 13325 [3]惯性测试方法。之后，法规（EC）No. 661/2009 [4]规定了在2012年11月1日之后根据CE标志类型认证销售的轮胎的滚动噪声限制。 最后，法规（EC）第1222/2009号[5]根据其噪声排放值对轮胎进行了分类，可以通过联合国欧洲经济委员会条例117中的前述方法获得。沿岸（CB）法 ，连同关闭近似（CPX），统计传递（SPB）或受控过去（CPB）方法已在标准化工作中考虑。

然而，所有这些用于轮胎关于噪声发射的分类的常规方法具有若干缺点和限制，以下几点是最重要的：

—缺乏重复性。似乎很明显，当不同的测试团队在不同的测试轨道[6]和不同的车辆[7]上进行测试时，很难得到相同的结果。在相同的测试跑道和车辆上由相同测试团队执行的测试甚至相对难以获得相同的结果，因为存在影响结果的不同因素。 尽管诸如温度，风速和方向，背景噪声或随时间变化的其它变量（例如，由于磨损和轮胎在轮胎，轨道或车辆本身上）的校正因子不容易被加权。参考速度，车辆类别和路面年龄和粗糙度的影响的差异可能在最终结果中产生显着差异[9,10]。

—昂贵的方法。在任何之前提到的常规方法（即CB，CPX，SPB或CPB）下进行测试涉及使用装配有需要测试的四个轮胎的车辆，安装四个轮胎的人工成本比仅测试一个轮胎的成本高四倍。这同样发生在轮胎的成本本身，车辆的轮辋必须与轮胎兼容，否则必须在车辆上安装四个新轮辋。此外，至少两个人需要同时在测试上工作，并且在测试期间消耗一定量的燃料。最后，轨道测试需要相当多的时间来执行，并且使得它们更昂贵。所有这些因素使得常规方法比本文中解释的新方法更昂贵。为了得到一个粗略的想法，由认可的汽车测试实验室给Coast-By轨道测试的实际价格是轮胎滚动阻力实验室测试（相当于成本术语，新的方法sug在本文中提出）。

—消耗性试验。在UNECE法规117中描述的方法确定，至少应当在低于参考速度的测试速度下在测试车辆的每一侧进行四次测量，并且在高于参考速度的测试速度下进行至少四次测量。 这意味着测试车辆需要超过40分钟，在使用新方法的8分钟内可以进行相同数量的测量。此外，在滚筒中只装配一个轮胎比在车辆中装配四个轮胎快四倍。

—测量幅度。根据前述规则测量的幅度是声压级。然而，这取决于诸如声波传播的环境，衰减或距离噪声源的距离等因素，这不会发生在声功率电平，这是噪声源固有的幅度，不依赖于其他外部因素[14]。 因此，通过测量声压，除非严格控制和定义环境，否则不可能量化源的声功率。这不会发生在第117条所述的方法或前面提到的任何其他传统方法中。

为了解决这些问题，已经开发了基于鼓试验和国际标准ISO 3744 [11]的新方法。 ISO 3744使用反射平面上的基本自由场中的声压来确定噪声源的声功率水平。这种新方法将ISO方法的专业知识与研究组鼓轮胎测试设施开发的实验程序相结合（见图1）。

虽然一些研究小组使用鼓测试轮胎噪声发射[12]，但没有一个通过标准的特定工程方法来确定声功率水平。 相反，所有以前的测试都考虑了声压。
本文解释了定位麦克风的方法，并根据ISO 3744对背景噪声K1和测试环境K2进行校正。之后，介绍了鼓测试设备和仪器以及如何配置测试。最后，它显示和评论测试结果，并以最终结论结束。

2 基于ISO 3744的声功率级方法在鼓轮胎测试设施

定位麦克风位置的第一步是定义包含噪声源的假设参考盒（参见图2）。

图2：参考箱

特征源尺寸d0通过以下等式计算。（1）：

然后将麦克风放置在必须在参考框中间居中的半球形测量表面上。 半球的半径r应满足以下条件：

如标准所规定的，麦克风根据表1所示的坐标和图1所示的半球上的麦克风阵列分布在图3上展示出来。

图3：半球麦克风阵列

然而，由于轮胎的方向性噪声发射，麦克风1和6对平均声级具有更大的贡献[13]。 为此，为了能够进行未来与通过实验程序获得的结果进行比较以获得在Coast-By条件下的轮胎/道路噪声的声功率水平[14]，上述微电话分布是 沿逆时针方向旋转90°，导致如图6所示的分布，如图4。

图4：旋转90°后新的麦克风阵列

根据ISO 3744，使用CAD软件设计和定位了不同的麦克风支架，以满足1m的前述麦克风阵列要求。 半径半球（参见图5）。然后，组装铝制博世型材以构建支架。 如图1所示，将支架放置在轮胎周围如图6。

图5.使用CAD软件设计麦克风

图6. 轮胎周围的麦克风阵列。

此外，如ISO / CD 11819-2 CPX方法[15]中建立的添加3个麦克风，这也用于将轨迹与如前所述的鼓结果进行比较（参见图7和图8）。

图7：根据ISO / CD 11819-2 CPX方法确定麦克风位置

图8：使用CPX-Method测试轮胎的麦克风阵列

鼓轮胎测试实验室的特点是为了看看声学环境是否满足背景噪声的标准和测试环境的充分性。 此外，有必要测量和记录背景噪声，而整个鼓设备工作在感兴趣的测试速度范围内，没有轮胎旋转对鼓，以表征鼓轮胎测试实验室。

背景噪声的校正K1

ISO 3744规定了3级精度，取决于测试环境和背景噪声的限制。 这些是精密方法1级，工程方法2级和调查方法3级。考虑到我们的测试环境和背景噪声，适用ISO 3744工程方法2级，平均背景噪声水平应至少比声压级低6 dB 以在轮胎旋转时测量。背景噪声校正K1用下面的公式 （3）：

当实现DL在6和15 dB之间时，应使用公式 （3），而如果DL高于15dB，则不进行校正。 如果发生DL低于6 dB，结果的精度降低，并且不满足ISO 3744中建立的背景噪声要求。

测试环境的校正K2

环境校正K2必须低于2dB以满足标准要求。 它可以通过三种不同的方法计算。 第一个是理论方法，其仅考虑测试室的尺寸和墙壁和天花板的声学性质。 第二个被称为混响方法，是经验性的，并且从测量的混响时间计算房间的等效吸收面积，尽管比第一个更精确，这种方法不适合实验室半消声室。 最后一个，即双表面法是一种实验方法，只有当房间的长度和宽度都小于天花板高度的三倍时才能使用。

为了用这种方法获得环境校正K2，必须有两个围绕声源的表面。 第一个是在第2节开始处解释的用于确定声功率级的半球测量表面（参见图4和图5）。第二表面在地理上与第一表面相同，同时其被定位为相对于噪声源更远离并且对称。此外，第二表面上的麦克风位置必须与第一表面上的麦克风位置匹配。 必须满足以下要求：S2 / Sgt; 2，其中S是第一表面的面积，S2是第二表面的面积。 因此，一个2米的设计半径半球形测量表面，并且类似于前面解释的组装所需的支架。 新设计如图9所示。
因此，使用以以下公式（7）计算K2：

其中A是房间的等效吸声面积/m 2，S是测量表面的面积/m 2。

比值A / S由下式计算：

其中数值M可以用下式获得：

2.3从声压级计算声功率级

测量表面上的平均声压级L0可以由每个麦克风使用公式1测量的A加权声压级来计算公式（5）。接下来，表面可以通过使用背景噪声和测试环境校正K1和K2校正L0来获得声压级Lpf ，见公式（10）：

最后，声功率级Lw可以用公式（11）计算得到：

图9：设计半径2m的半球形测量表面。

3 鼓测试设备和仪器，测试配置和测试的轮胎和表征鼓轮胎测试设施

如上一节所述，背景噪声和测试环境都必须超过ISO 3744中确定的声功率水平的最低要求，本节将详细说明如何满足这些要求以及定义测试配置和参数。

3.1 转鼓测试设备和仪器

鼓轮胎测试设备长1700mm，由380V-50Hz-110kW电动机带动旋转，轮胎安装在经过改装的商业轮辋上。同时，螺栓连接到绕其位置自由旋转的测试轴，轮胎 - 轮辋 - 轴组件通过液压油缸推靠在滚筒上，鼓设备可以进行负载速度测试以及轮胎滚动阻力和轮胎噪声排放测试。

测试室的天花板和墙壁均由吸声材料制成，由于这个原因，并且考虑到测试室的尺寸：高度3920mm，长度9350mm，宽度4840mm，满足在2.2节中解释的条件。

测量仪器，如转速计，称重传感器，麦克风，压力表或温度计，由外部实验室进行定期检查和定期校准。此外，整个实验室设施及其活动每年进行一次审核，并由国际认可机构认可，符合检验机构的ISO / IEC 17020 [16]标准和ISO / IEC 17025 [17]标准。

3.2 测试配置和测试轮胎

使用根据用于1m的麦克风阵列的校准的Bosch GLM80激光距离计，将麦克风精确地放置在轮胎周围，半径半球测量表面和在表2中解释的CPX方法。为了在将来的测试中检测重复性，通过钻孔和红色塑料销来设置地板周围的支架的位置，并且标记以在随后的实验中避免任何混合的可能性。

由于这项研究的目的是开发和验证一个替代方法来测量轮胎/道路噪声声功率水平的鼓测试设施，不同的轮胎必须测试，而其他因素，如表面，温度或轮胎负载要保持常数[18]。 该方法的主要优点是获得参数，声功率水平，不受外部因素如衰减，距离或测量环境的影响。因此，在10km / h的步进下，以40至120km / h测试两种不同尺寸的八个不同轮胎，使用轮胎进行了总共144次测试，并且18次额外的测试以相同的速度记录了背景噪声。

将轮胎充气至2巴的标称压力，并且施加到它们的负载是相应的规则117中规定的负载指数的80％。选择进行测试的轮胎是具有相反规格的两个翻新的Insa Turbo轮胎 （eco vs. sport），标准质量的Nexxen轮胎和高级米其林轮胎。 所有关于轮胎的信息可以在表3中看到。由于测试室是空气调节的，温度设置为25℃，同时记录的温度保持在24.2和24.9℃之间。 LMS Scadas Mobile采集系统记录了5 s的信号。 在100Hz和10kHz之间，积分时间为125ms。 所有这些数据在1/3倍频程频带中处理。

3.3 表征转鼓轮胎测试设施

使用1和2m的半径半球形测量表面以及CPX麦克风阵列进行一系列测试，鼓速度设置为80公里/小时，如在规则117的轨道测试中所确定的。使用米其林节能器185 / 65R1588H轮胎。

结果表明，在所有麦克风位置DLgt; 10dB。 这意味着DL超过了针对半消声室规定的ISO 3745 [19]精确方法1级的背景噪声的最小限制，这使我们了解我们正在工作的最佳测试环境。测试结果见表4：

校正背景噪音测试结果

考虑到第2.2节中描述的所有情况，在进行几个测试后，K2计算如下：

结果再次表明，测试环境的适用性的广泛标准为K2 lt;2dB，它不仅满足了这一要求，而且也非常接近于半消声室的ISO 3745精度方法1级，确定了K2的最大值为0.5dB。

4 测试结果

本节中显示的结果是背景噪声和轮胎噪声的A加权声功率电平。

在评估结果时要考虑的一个关键问题是分析和比较不同的麦克风的行为，以便观察它们的噪声接收是否受到测试机器的影响。 例如，框架或保护栅格可能导致噪声反射或屏蔽，然而这些现象没有发生，如图10，其中轮胎噪声谱为1 m，显示出了在第二部分中解释的半径半球麦克风位置（图4和图5）。

图10展示出了由于轮胎胎面花纹和大约1kHz的特征峰值而具有大约315Hz的噪声增量的典型轮胎噪声谱，由于

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