多孔沥青路面降噪效能分析

多孔沥青路面降噪效能分析葛剑敏王佐民(同济大学声学研究所，上海200092)摘要通过轮胎噪声试验、轮胎模态试验和多孔沥青路面车辆通过噪声测试，分析了产生轮胎噪声的机理和多孔沥青路面减振降噪效能。为轮胎与多孔沥青路面结构的动态优化设计和防治城市交通噪声提供了参考数据。关键词：轮胎多孔沥青路面噪声振动1引言随着高速公路、高架道路及车流量的不断增加，城市交通噪声污染日益严重，影响了居住在这些区域的居民生活质量。要对交通噪声进行控制，最积极有效的方法就是从声源上根治噪声。交通噪声的声源有：动力系统的噪声、汽车的喇叭声、轮胎与路面的接触噪声。随着车速的提高及汽车载重量的提高，轮胎与路面接触噪声成为主要噪声源。轮胎与路面噪声所涉及的学科领域较广，有数学、声学、力学及工程科学，有必要对多孔沥青路面降噪机理进行深入系统研究[1]。从20世纪70年代开始，为了有效解决轮胎与路面的噪声问题，国内外学者开始了低噪声路面的研究，1979年维也纳国际道路会议上首次提出了轮胎与路面的噪声问题。多孔沥青路面是具有代表性的低噪声路面种类之一，该类路面由于在沥青混合料层的内部有连续的空隙，与普通的沥青路面相比，其噪声可降低2～8dB(A)，在雨天由于路表孔隙能有效地减少水膜厚度而使其降噪量更大。多孔沥青路面主要用于高速公路，可有效降低高速行驶车辆的轮胎与路面的噪声，既能降低轮胎花纹泵浦噪声，又有较好的吸声性能[2,3]。露石混凝土路面比一般混凝土路面降低约3dB(A)噪声，从而有效地改善了一般混凝土路面噪声比沥青路面大的缺点。但由于受各种因素限制，露石混凝土路面的铺筑里程甚少。因此，研究多孔沥青路面的降噪机理，对于防治城市交通噪声有很大的理论和实际意义。本文结合上海市科委项目，分析了轮胎噪声产生机理、多孔沥青路面的降噪机理及降噪效果。2主要噪声源分析2.1噪声源分析一般轮胎噪声分成2种：一是从轮胎直接放射出来的直接噪声；二是轮胎直接或间接成为激振源，振动通过悬架和车架传至车身，成为车厢内外的噪声，这样的噪声叫做间接噪声。用于大型、中型载重车的轮胎，直接噪声占汽车噪声的比例很大，对沿道居民产生污染。直接噪声分为轮胎花纹噪声、道路凹凸噪声、弹性振动噪声和自激振动噪声。其中道路凹凸噪声是指轮胎在道路上滚动时，由于路面小的凹凸内的空气被压缩而产生的排气噪声。一般来说，对沥青和水泥铺筑的道路，由于道路表面的凹凸小，由此产生的噪声很小。自激振动噪声是指当汽车急速启动和急刹车、急转弯时轮胎胎面元素相对于道路表面发生局部自激振动，由此而产生的刺耳的尖叫声。2.2轮胎花纹噪声为了保证汽车的湿滑性、牵引性和操纵稳定性，要求汽车轮胎表面必须有各种不同形状的花纹沟槽，然而沟槽又使轮胎的噪声增加。为了研究轮胎花纹噪声，在上海轮胎橡胶股份公司轮胎噪声试验室内，对同型号光面轮胎与有花纹轮胎噪声进行了测试。试验条件为：P215/70R15轮胎，胎压250kPa，速度80km/h，负荷700kg。测试结果为：光面轮胎噪声为65.8dB(A)，响度为22.9宋；有花纹轮胎噪声为75.7dB(A)，响度为37.1宋。由此可见，轮胎花纹使轮胎噪声增加9.9dB(A)，响度增加14.2宋。对于光面轮胎，随机沙声是它们的“花纹”噪声；对于有花纹轮胎，沟槽内空气被挤压和膨胀而产生的泵浦噪声、横沟槽内的气柱共鸣噪声、花纹块打击地面的撞击噪声相互叠加，所以轮胎花纹使轮胎噪声明显增加。图1轮胎泵浦噪声形成示意由于轮胎的转动，在接地时胎面花纹沟部的容积缩小，沟内包含的空气被挤出；而当胎面离地时沟部的容积恢复，空气又被吸入沟内。在接地过程中，由于花纹块受到地面摩擦力和垂直动态载荷的影响，使沟槽的容积发生变化，表现为沟槽内的气体被挤出和吸入，从而形成气流噪声，这种由沟槽内空气流出与流入所产生的噪声就是为泵浦噪声，也被称为空气泵噪声（见如图1）。由于轮胎花纹的种类较多，所以轮胎花纹噪声的大小和频率特性的差异较大。试验研究表明，胎面花纹噪声的频率大约在800~5000Hz这个比较宽的范围内变化。综上所述，通过轮胎花纹结构的优化设计，可以有效地降低轮胎噪声。如果城市汽车都换上低噪声轮胎，则可以较大地改善城市环境噪声。2.3振动辐射噪声轮胎弹性振动噪声：轮胎的弹性振动噪声包括胎面和胎侧的振动噪声、胎面打击路面发生的振动噪声以及胎面相对于路面滑动所发生的强制振动噪声等。此外，由于道路表面的凹凸不平和轮胎的均匀性不良等也会引起胎面和胎侧弹性振动噪声。由轮胎作为激励源引起的间接噪声，向车厢内外辐射。3多孔沥青路面降噪机理分析路面材料试件的吸声系数表征了路面材料的吸声性能。为了研究不同种类沥青路面材料的吸声性能，我们用驻波管法(GBJ88-85)对大批的路面材料试件进行了垂直入射吸声系数αP的测量。图2给出了不同路面材料试件的吸声系数曲线。由图2可见，多孔沥青路面试件最大吸声系数可达0.68，故多孔沥青路面有较好的吸声降噪效果。00.10.20.30.40.50.60.70.83154005006308001000125016002000频率(Hz)吸声系数ACOGFCAC—自制一般沥青路面试件；OGFC—自制多孔沥青路面试件图22种沥青路面试件的吸声系数国内外的试验表明，在多孔沥青路面上的噪声明显比普通路面要低：对于小汽车可以降低4~8dB(A)，对于载重汽车可以降低3~4dB(A)；即使载重汽车静止不动而发动机怠速运转时，也有2dB(A)的降噪量。这说明在汽车静止不动而发动机怠速运转时，轮胎噪声为零，只有发动机怠速运转噪声，而通过多孔沥青路面孔隙的吸声作用，可使发动机噪声降低2dB(A)，故吸声降噪是多孔沥青路面降噪的主要原因之一。当轮胎在路面上滚动时，由于地面相互连通的孔隙迫使轮胎沟槽内空气泄压，从而使在轮胎沟槽中流出、流入的气流所产生的噪声降低，即多孔沥青路面降低轮胎花纹沟槽内空气产生的泵浦噪声是其另一个主要降噪机理。英国从1984年以来铺筑这种多孔沥青路面，噪声可降低4~5.5dB(A)。经过4a使用后，孔隙的堵塞降噪效果虽然有所降低，但仍可达到4dB(A)的降噪量。在我国，由于公路周围环境较差（沙尘较多）以及汽车本身的尘土和油污，使多孔沥青路面的孔隙过早堵塞，影响其降噪效果。另外，该类路面的使用寿命较短也是影响其广泛推广的主要原因之一。4多孔沥青路面降噪效果分析影响降噪效果的因素有轮胎花纹、车速、车辆载荷、路面孔隙结构和孔隙率。图3为试验车辆所用2种轮胎的固有频率曲线。根据振动分析理论知，对于一个有阻尼振动系统，随着系统阻尼的增加，该振动系统的振动幅值减小。轮胎是一个有阻尼振动系统，随着轮胎内摩擦阻尼的增加，轮胎径向振动幅值降低，可以大大改善轮胎和整车系统的平顺性。由图3可以看出，由于低噪声轮胎内摩擦阻尼较大，低噪声轮胎固有频率曲线变化比较平缓，即径向振动幅值较小，说明其轮胎振动较小。图3试验车辆所用2种轮胎的固有频率曲线表1实际铺设路面雨天车辆通过噪声的测试结果【dB(A)】试验车型车速（km/h）普通沥青路面噪声多孔沥青路面噪声降噪量桑塔纳轿车8085.478.56.910092.680.612.0GM旅行车8082.579.33.210085.382.03.3表1为实际铺设路面雨天车辆通过噪声的测试结果。由表1可以看出，由于桑塔纳轿车配套的是一般的普通轮胎，而GM旅行车配套的是低噪声轮胎，而且振动特性较好，使轮胎的花纹噪声和由于振动（振动辐射、动态载荷变化使轮胎花纹沟槽内气流被挤出或吸入）产生的噪声较小，因此GM旅行车随着车速的增加，噪声增加较小，其降噪量随车速变化不大；对于安装普通轮胎的桑塔纳轿车，其多孔沥青路面的降噪量较明显，而且随着车速的增加，降噪效果也更明显。图4低噪声轮胎与多孔沥青路面优化通过噪声测试结果图4为不同车型、轮胎和路面材料组合的通过噪声试验结果[3]。对于轿车，普通沥青路面和普通轮胎通过噪声为74.3dB(A)，多孔沥青路面和低噪声轮胎通过噪声为68.8dB(A)，降噪量为5.5dB(A)。对于卡车，普通沥青路面和普通轮胎通过噪声为82.6dB(A)，多孔沥青路面和低噪声轮胎通过噪声为76.9dB(A)，降噪量为5.7dB(A)。因此，对于不同轮胎和多孔沥青路面结构，其车辆的通过噪声降噪量不同。60708090100通过噪声/[dB(A)]轿车卡车普通沥青路面和轮胎多孔路面和低噪声轮胎图4低噪声轮胎与多孔沥青路面优化通过噪声5结论轮胎花纹噪声的降低和路面的吸声降噪作用是多孔沥青路面的降噪机理。不同类型轮胎、多孔沥青路面结构和汽车载重量，其降噪效果不同。安装低噪声轮胎的GM旅行车降噪量大约为3.3dB(A)，而安装普通轮胎的桑塔纳轿车降噪量为6.5～12dB(A)。多孔沥青路面对怠速车辆噪声有一定的吸收作用。通过多孔沥青路面和低噪声轮胎的使用，可以有效地防治城市的交通噪声。6参考文献1葛剑敏.轮胎振动与噪声试验和理论研究,[博士后工作报告].上海:同济大学和上海华谊集团,2001,42WangZuomin,LuWeimin.Theacousticalcharacteroflownoiseasphaltpavements.ChineseJournalofAcoustics,1999,18(2):136-141.3Gijs-JanvanBlokland，AlexvonMeler.ReducingTire/RoadNoisewithPorousRoadSurfacesandEffectofTireChoice.SAE931279:131~138.第一作者葛剑敏，男，1963年生，1999年毕业于吉林工业大学汽车工程学院，博士。责任编辑翟霁月（收稿日期：2003-03-04）《上海环境科学》©版权所有