[小红猪]谁制造了公路噪音?

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[小红猪]谁制造了公路噪音?译者:北北     校对:Robot     小红花四朵

原文

科学家们知道正是公路和轮胎各自不同的特性导致了轮胎-路面噪音。然而,营造一个安静的驾驶环境仍然是个艰巨的任务。

俗话说,感知即现实,某种程度上,你开车时听到的声音是可以用来界定公路质量的。当然,道路必须平坦安全,但是越安静的道路,体验越愉快——无论是对你还是对那些在路边上生活和工作的人。不过,是什么原因使一些公路安安静静而另一些则震耳欲聋搞得你不得不开大收音机的音量呢?答案并不像你想得那么简单。事实上,路面并不是唯一的因素,轮胎也很重要。

噪声测量

人们通常误认为车辆噪音主要是发动机噪音,以及来往的汽车和卡车制造的“风”声。实际上在大多数情况下,噪音主要来自橡胶轮胎与路面的接触——我们称之为轮胎-路面噪音。许多国家已经制定了法规来限制车产生的噪音总量,以及轮胎产生的噪音。不过,国际政府机构直到最近才关心路面的影响。虽然这可以说是体制惰性的责任,但真正的障碍是缺少相关,准确、重现性好的测量轮胎-路面噪音的方法。

20世纪80年代,通用汽车公司开发的随车声强技术克服了这种技术局限,随后在加利福尼亚州运输部的支持下进行了改良,并由美国国家公路和运输协会标准办公室将其标准化。虽然这个标准在不断变化,不过现今最常见的OBSI(随车声强测试法)版本大多采用两组探测器,分别由两个麦克风组成,如图1所示。每个探测器定位在距离运动中的轮胎只有几英寸的地方,能够测量声音强度(声强)——即压力和声速(少量空气相对整体空气的流速)的乘积。因为声强是向量(矢量),强度测量提供了不能从非向量的压力值得到的有用信息。OBSI技术利用两个探测器是因为,从轮胎-路面接触面前部传出的声音通常和那些从后部传出的不同。

OBSI方法已经测量了数以千计的轮胎-路面组合。为了简化数据的分析,路面工程师采用标准参考测试轮胎(SRTT),以便比较不同的路面。SRTT的标准由ASTM(美国材料实验协会)指定。虽然因为一些原因,SRTT并不完美,但是它有个显著的优势:不久的将来就可供购买。相对地,大多数商用轮胎终将在市场压力下不再继续生产。


噪音来源

研发测量轮胎-路面噪音技术的艰巨任务已经解决,但声音产生的本质仍然是一个谜。对轮胎和路面来说,有三个主要的特性控制着声音的产生:纹理、孔隙率和硬度(见图2)。难题在于这些特性之间的特定关系和因其改变而导致的声音变化。

最重要的特性是纹理。驾驶时,你会遇到既颠簸又很吵的路面。这些糟糕的全方位体验都要怪具有特定振幅的纹理。纹理的波长决定了旅途是否颠簸或者嘈杂。长波长、低频的纹理会制造颠簸,而短波长、高频的纹理制造噪音。

和车内听到的噪音相比,在车外听到的噪音更多是由不同的纹理波长造成的。高速行驶时的噪音是由具有特定振幅,波长约为10-50毫米的纹理引起的,并且很容易向车辆四周辐射;波长在20-200毫米的纹理主要引发车内噪音。这两种情况下,噪音的产生机制都叫做冲击。当轮胎碾过路面,路表面的移动和轮胎花纹都会使轮胎产生振动。反过来,这些振动使声音能量从轮胎踏面基部和侧面辐射开来。在一些越野车和中型商用车中发现的“诺比”轮胎的特有的轰鸣中,这种影响机制最为明显。

建造完全平坦的公路是构建理想公路的答案吗?可惜,不是。由于许多原因,事实上,这是个糟糕的主意。一方面,道路不够安全;没有纹理,摩擦力会很低,并危及制动距离。即使在噪音方面而言,完全平坦的路也并不是那么安静。原因在于轮胎-路面相互作用的机制。纹理能够减少轮胎-路面噪音的事实表明纹理和噪音之间的关系相当复杂。

使得寻求更安静的路面往往很麻烦的另一大类原因是被称为空气动力学机制的纹理噪音机制。这些机制既繁多又复杂,它们的表现是随着轮胎和路面之间的相互作用而定的。当轮胎和路面发生接触,在轮胎-外带和路面沟槽、空腔之间就形成了所谓的几何空隙。这些几何空隙有固有的共振频率,很容易被轮胎自身的变形和振动激发。由于轮胎不断滚动,空隙中的空气会被迅速弹出——这也会产生噪音。

除了冲击和空气动力学机制之外,还有许多其他的噪音来源。各种各样的震动会产生声音,包括那些同轮胎橡胶和纹理之间的摩擦相关的声音。在铺设过的平滑的停车场转弯时会听到典型的尖锐声音,说明摩擦机制有时会主宰全部的轮胎-路面噪音。


有用的洞

纹理是最主要的轮胎-路面噪音制造者,但孔隙率也有影响。使用多孔材料来减少周围的噪音的例子很可能正出现在你的脑海里!在路面上,调整空隙的几何形状和多孔表面的厚度可以降低声音频率,而正是频率产生了大多数能量。路面的声学吸收不仅降低了轮胎-路面交界面处的噪音,在传播过程中还提供了良好的声音衰减。多孔路面的另一个好处是它能提供排水或空气溢出的通道,从而降低噪音,否则水或者空气就会从滚动的轮胎和路面之间的空隙内弹出来。

轮胎硬度是另一个影响道路整体噪音水平的重要因素。其他条件都相同时,软轮胎会使驾驶更加安静。也就是说,噪音是轮胎的一种特性,一定要进行优化;其他需要优化的特性还包括耐用性、燃油经济性和操控性。路面也需要优化,其硬度取决于不同的建筑材料。通常混凝土的硬度比沥青大,但这两种材料都比轮胎硬得多,都不利于减少噪音:只有路面硬度接近轮胎硬度时,噪音衰减才比较明显。不过,在这种情况下,路面的耐用性会降低。尽管如此,由环氧橡胶颗粒组成的,被称为多孔弹性路面(PERSs)的新型材料正在接受评估。这种材料的声学性能相当不错,部分原因是它们的硬度相当低。

像PERS这类概念,说明了工程师是如何寻找新型、安静的路面的。同样,轮胎公司正在寻找新颖、安静的轮胎设计,以便吸引消费者——特别是汽车公司,目前最大的轮胎买家。路面和轮胎设计者都面临同样的挑战:确保产品不仅安静而且安全、耐用、负担得起。

罗布·拉斯姆森(robotto@thetranstecgroup.com)是Transtec集团公司的副总裁和总工程师

保罗·多内万(pdonavan@illingworthrodkin.com)是Illingworth and Rodkin公司的副总裁和总工程师


本文转载自科学松鼠会 文章来源链接

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