關于輪胎橡膠吸收噪音性能之研究

王 嵐 編譯

關于輪胎橡膠吸收噪音性能之研究

王 嵐 編譯

輪胎發出噪音也是一個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可行的方法。文章抓住兩個關鍵參數（彈性動態模量和機械損耗角正切）進行了深入的研究和探討。結果發現，輪胎氣密層的吸音系數最大。究其原因，乃是它的動態模量最小，而機械損耗角正切最大。

輪胎橡膠；噪音；動態模量；機械損耗角正切

近年來，人們在降低動力設備噪音及改善汽車輪胎空氣動力學方面，開展了大量的研究工作。然而，輪胎卻成了汽車內外噪音的一大“源泉”。輪胎產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；

——胎面接觸路面時，空氣在花紋溝槽內流動；

——被滾動著的輪胎所吸收的空氣的流動；

——胎面上的花紋塊對路面的沖擊；

——花紋塊與路面接觸時產生的滑移現象。

測定輪胎的噪音，即被輪胎所輻射的聲能，可以在試驗室里于專用的試驗設備上進行，也可以讓汽車在道路上行駛時進行。在這二種情況下都會產生復雜的，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。

決定輪胎噪音強弱的因素，有輪胎滾動的速度，路面狀態和結構，輪胎的內壓及負荷，當然也包括輪胎的結構和材料。在有關文獻中發表了大量的，以數學模型為基礎的研究成果。它們有的采用經驗關系曲線，也有分析計算結果的，但都是旨在分析產生噪音的原由，提出消除噪音的方法。研究人員借助于數學模型，用有限元方法研究了輪胎結構諸參數對噪音輻射的影響。但是，研究輪胎橡膠配方對噪音產生的影響，以及在試驗室里如何測定吸音系數，卻沒有引起足夠的重視。

文中提出了在專用的試驗裝置上測定橡膠吸音系數的方法（見圖1）。

圖1 用于吸音研究的試驗裝置示意圖

試驗裝置安置在外來噪音最低的房間內。裝置構架1由隔音材料制成，以降低外來噪音對試驗的影響。

分析材料的吸音性能，可根據聲音信號的頻率和強弱，通過放大器向電動揚聲器3（25ГДH，該揚聲器能保證高質量地再現低頻信號，再現范圍20～2250 Hz）傳送聲音信號。該信號是一種規定頻率的單色正弦波。在空曠的室內用橡膠吊索8固定的傳聲器7（在20～15 000 Hz范圍內能良好地接受聲頻）可以削弱聲音信號，以減少外來噪音對試驗的影響。把數據從傳聲器傳輸到電腦上，通過專門的程序評估無形的聲音的級別。校準之后，將接受試驗的材料試樣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行試驗。將測得的聲音等級數據，與在空曠室內條件下所得數據進行對比。以此為基礎，采用回歸分析法對下列關系式加以處理，從而計算出材料的吸音系數K。

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

根據試驗結果，在頻率為50～1000 Hz范圍內計算出吸音系數（依據頻譜圖取其平均值），所有試樣的吸音系數的最大值，處于500～750 Hz頻率范圍內。

文中的研究對象是10種類型的橡膠，由它們制成了無內胎輪胎、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強度不同的條件下，兩種橡膠的吸音系數與頻率的相關性曲線。聲音信號強度可用注解里的數字表示。幾種橡膠的譜圖平均吸音系數也列于頻率分布圖（圖4）上。

圖2 在不同強度的聲音信號條件下, 胎面橡膠的吸音系數與頻率的相關性曲線.相關單位:1-10;2-20;3-30

圖3 在不同強度的聲音信號條件下,氣密層的吸音系數與頻率的相關性曲線. 相關單位: 1-10;2-20;3-30

圖4 按頻率計算的輪胎橡膠吸音系數之平均值

在研究吸音系數與頻率及信號強度的各自獨立的相關性曲線時，可以發現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聯。當然，還可以發現，橡膠種類對吸音譜圖的形狀影響不大，但對吸音系數的絕對值的影響頗大。

對幾種輪胎橡膠部件（見圖4）的按譜圖計算的吸音系數平均值進行了比較。結果發現，在不同振幅條件下，氣密層橡膠的吸音系數值最大。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）會影響吸音系數的大小。

由非線性聲學理論得知，當聲波在擴散性的整體介質中傳播時，聲音的衰減系數主要取決于聲音傳播的速度及松弛時間。既然，在堅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其吸音性的影響，選擇了下列二種研究方法。

1 研究松弛時間對吸音性的影響

在帶有應變測量傳感器的功率儀上，研究了在固定應變條件下的應力松弛關系式。用二種暫時性函數形式，模擬了應力與時間的試驗性曲線。

式中，τ1和τ2—分別為長、短二種松弛時間；σ1和σ2—分別為第一、第二松弛時間所貢獻的預指數曲線；σ∞—平衡應力；σ1、σ2、σ∞、τ1和τ2用最小的二次方方法計算。

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

2 在正脈沖儀器-1P上測定動態彈性模量和機械損耗角正切

該儀器的工作原理就是在自由落體狀態下，用錐形壓頭沖擊扁平的橡膠試樣，分析其沖擊動力學。此時，負荷的速度狀態，比任何時候都更符合滾動著的輪胎的負荷動力學狀態。在對黏彈性線性理論范圍內獲得的實驗數據進行整理的基礎上，計算出在該范圍內表征黏彈性能的二個參數：動態模量和機械損耗角正切。所得參數在（-1，1）范圍內，對于所有橡膠部件來說都是標準的。這些橡膠部件的平均（根據譜圖）吸音系數的相互關系為：

式中，x1—彈性動態模量；x2—機械損耗角正切。

通過整理所得實驗數據，用最小二次方方法計算出如下系數的值：b0-75.154 06；b1--12.295 3；b2-19.342 7。系數b1呈現負值表明，隨著橡膠彈性動態模量的增大，吸音系數減小。此時，b2呈現正值證明，隨著機械損耗角正切的增大，吸音性能也隨之提高。從絕對值方面來看，b2比b1大了一些，這反映出這樣的一個事實，即損耗角正切對于所選擇的輪胎橡膠來說，其影響大一些。這些結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發揮作用：橡膠的動態模量最小，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果，都符合聲波在擴散型整體介質中傳播的理論，從而可以對在試驗室試驗中所得到的輪胎橡膠黏彈性參數進行評估，以準確地預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.

[責任編輯：張啟躍]

TQ 336.1+1

B

1671-8232(2017)03-0030-03

2016-01-01