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文章编号:1006-1355(2004)01-0010-04

轮胎花纹噪声及其降噪方法

陈理君1,李晓辉1,杨立1,杨光大2

(1.武汉理工大南唐后主李煜的诗 学,武汉430070;2.上海米其林回力轮胎股份有限公司,上海200082)

摘要:从动力学观点阐述了花纹块和花纹槽的发生机理,对花纹块宽度和长度、花纹槽宽度、长度与走向、花纹

条数、基本节距数、节距排列次序以及错位参数进行了分析,得出降低轮胎噪声的原理和方法。根据结构参数分析并

结合模糊控制理论和遗传算法,提出了一种轮胎花纹结构参数进行优化的设计方法)))模糊遗传算法。利用轮胎噪

声仿真分析软件(TNS2002)和仿真优化软件(ODS2002)进行轮胎花纹结构设计,达到了降低轮胎噪声的目的,同时也

得到低噪声轮胎花纹结构方案。研究成果为低噪声轮胎花纹设计规范与方法提供了路径。

关键词:声学;轮胎花纹噪声;发声机理;模糊遗传算法;优化方法

中图分类号:TB52文献标识码:A

TreadPatternsNoiseandMethodofNoise-Reduction

CHENLi-jun1,LIXiao-hui1,YANGLi1,YANGGuang-da2

(niversityofTechnology,Wuhan430070,China;

aiMichelinWarriorTireCo.,Ltd.,Shanghai200082,China)

Abstract:Inthispaper古文翻译现代文 ,thesoundgeneratingmechanismsofthetiretreadpatternsnoisewasdescribedby

thandlengthofpatternblock,thewidthlengthanddirectionofpat-

ternslot,thenumberofpatternstripthebasicnumberofpatternpitch,thepitcharrayandthepatternmis-

placementwereinvestigatey

zygeneticarithmeticwasproposedbased

ontheanalyticresultofpatternparameters,thefuzzytheoryandthegeneticprinciple,whichmayoptimizethe

softhesoftwareofTNT2002andODS2002simulation,the

treadpatternsnoiseshouldbereduced,earch

wassuccessfullyappliedtothedesignofwayforthelow-noisetreadpatterns.

Keywords:acoustics;treadpatternsnoise;soundgeneratingmechanism;fuzzygeneticarithmetic;optimize

收稿日期:2003-04-30

作者简介:陈理君(1938-),男,上海人,现任武汉理工大学应用技术研

究所所长,教授。长期从事噪声控制和自动控制科研与教学工作。

引言

经多年研究,得出轮胎花纹噪声主要由花纹块

击地噪声,它跟花纹块面积大小有关,与其形状基本

无关;花纹槽泵浦喷吸噪声,它只跟花纹槽宽度、长

度及走向有关,与其深度基本无关;因噪声波互相

干涉产生声波增强或抵消现象,合成的噪声强度大小

跟花纹结构参数及花纹排列有极大关联。这三个原

则[1][4][6]是轮胎花纹降噪的理论依据。

1轮胎花纹结构参数

参数主要包括:花纹块的宽度Wb和长度Hb、

花纹槽的宽度W

s

与长度D

s

(等于H

b

)、花纹条数、

基本节距数、节距排列次序以及错位。

图1轮胎花纹方案简化图

如图1所示,花纹条数为3,基本节距数为2的

简易花纹图案,整圈轮胎就是由基本节距A和B组

合拼接而成的。变化这些花纹参数会改变各自噪声

波互干涉程度,使合成噪声波增强或减弱。

1.1花纹块参数

轮胎以_v

0

速度行驶时(如图2(a)所示),在花纹块

接触地面处的矢量速度_v

0

突变成_v

1

,而|_v

1

|U|_v

0

|,

依据平行四边形分析原则必有指向胎中心附近的矢

量速度_v

2

存在。若要突然产生_v

2

必伴有指向胎中

心区的力_F

,形成块撞击地面产生撞击噪声。胎痕后

沿情况类同,产生的负压声强度比前者弱。

图2(a)中轮胎半径为r,胎痕长为l,块面积为

2004年2月噪声与振动控制第1期

图2花纹块槽发声机理示意图

s,块高度为

h,块的密度

为Qb,则花纹

块的等效质量

为:m

b

=

Q

b

shG

b

,G

b

为

转换系数。由

图知道_v

2

方

向的加速度

为:a=

$v2

$t

=

v2-0

$t

,因$t=

d

|v0|

,d为花纹

块完全接地的宽度。由动力学F=ma求花纹块撞

击地面产生的力[16]为

|F|=

Q

b

shG

b

d

2-4-

r

l

2

|v0|2(1)

又有效声压P

b

与_F

大小成正比,故P

b

与花纹块面

积s成正比。因而,在确保轮胎的其他力学性能的

前提下,应尽量使用较小花纹块,由于轮胎花纹条排

列比较整齐,一般同一条的花纹块具有同样的高度,

因此可取其宽度比不等且不成整数比的花纹块,这

样取舍可以使噪声能量分散在各频段上,从而可使

噪声谱峰值声压级降低,理论上也证明了同行的花

纹块的宽度比取无理数比最好、素数比次之、倍数比

最差的[1][3]。由式(1)得出声强度I与_v

4

0

成正比。

1.2花纹槽参数

如图2(b),车速v

c

,在槽接触地面时,喷射气团

质量可等效为m

g

=Q

g

c

g

G

g

的空气团(吸入同理),Q

g

为空气密度,c

g

为喷出气团的体积,G

g

为转换系数。

此空气团喷出速度为v

g

,但由于车前进的速度v

c

影响气体喷出的速度,由动能公式W=

mv2

2

可求

出气团喷出产生的动能,若有部分动能转为声能量,

则声能量为

W

d

=

QgcgGgFd(vg+vc*cosB)2

2

(2)

F

d

为动能与声能量的转换系数,B为槽开口角,可

见噪声能量与气团等效质量m

g

和槽的走向(B为

锐角时是逆向,B为钝角时是顺向)有关。

当空气团刚喷出时,气团是被压缩的,除具有动

能外,还有势能。我们可求出势能E,设气团喷出

瞬间体积变化V,则势能E=V2C,C为一系数常

量[16]。若部分转化成声能量W

s

=F

s

V2C,F

s

为势

能与声能量的转换系数。故槽产生的总声能量W

g

=W

d

+W

s

。

实际上槽的深度有一定要求,变化较少,可认为

是一常数。花纹槽的发声与槽的长山雨古诗视频 度和槽的宽度以

及槽的走向有关,而与深度基本无关。因此取各槽

的宽度比为不接近整数比的无理数比为好。顺逆向

槽数要搭配好,否则实测噪声会高出5~7dB。

1.3花纹条数

轮胎花纹块和花纹槽按照一定的比例排列组合

成为花纹条,花纹条数的多少影响到了轮胎花纹块的

面积变化,从而会引起轮胎噪声的变化。根据实验,

轮胎花纹条数越多,降噪效果天上白玉京小说 越好。(注意,其他力学

性能会下降,诸如耐磨、抓着力等,故要折衷处理)。

1.4节距

轮胎花纹噪声频谱按FFT变换知若以轮胎基

本频率的整数倍分布,噪声频谱线上峰值会集中即

声能量集中,使人听起来烦躁程度提高。所以节距

划分时,应采用多种节距来构成轮胎花纹。轮胎花

纹的节距比例取不接近整数比的无理数比最好,素

数比次之,倍数比最差[7][15]。

1.5节距排列顺序

轮胎花纹就是由基本节距进行排列组合构成。

如果轮胎花纹的节距以固定的规律重复出现,伴随

着的是这些节距的波形的有周期地重复出现,使得

频谱峰值将会有规律地在某些频率处叠加,导致产

生很大的噪声。为了降低噪声,给轮胎花纹的重复

出现部分赋以不同的宽度来使之不规则化,从而减

少相同频率的集中,通过合理安排布置节距,减少在

相同频率上发生叠加性加强的现象

[7]

。

用随机化抽取节距尺寸和分布的无序化技术,

可把轮胎花纹噪声产生的噪声能量分布到一个较宽

的频率区域上,使之接近于白噪化噪声。

1.6错位

设计组合完整的轮胎花纹一般应有错位,错位

有两种:一种为各花纹条之间的错位,另一种为左半

节距序列花纹与右半节距序列花纹之间的错位与夏十二登岳阳楼和杜甫登岳阳楼比较 。轮

胎花纹的合理错位会使时域声中心能量分布趋于较

均衡,从而降低轮胎花纹的总噪声峰值,合适的错位

可降噪5~7dB。

图3M曲线与实测

轮胎噪声N曲线

2轮胎花纹结构参数优化方法

2.1低噪声胎M曲线目标函数

按照美国某测试中心

噪声容许标准线(M曲

线)来确定优化目标函数,

该测试中心要求送检轮胎

在规定的测试条件下的噪

声谱在M曲线以下,否则

判被测轮胎不满足低噪声

要求。如图3所示,图中

11轮胎花纹噪声及其降噪方法

粗线代表M曲线,细线代表不合格轮胎噪声曲线

(N曲线)。在对轮胎进行优化时,着重考虑超出M

曲线的频段和低于M曲线的频段,下面用超出部分

与M曲线围成的面积来制定目标评价函数。

用模糊控制理论[10]将M和N曲线用模糊集表

示,模糊化方法如下:令声压级L的分贝(dB)数除

以100(轮胎噪声一般在100dB以内)视为隶属度

L,除人耳能够感知的频段分为若干级,频率fi对

应元素n

i

,其中i=1,2,,,k,这样可使原声级L=

G(f),变换成模糊(Fuzzy)集。

N曲线模糊集

N=

Ln1

n1

+

Ln2

n2

+,+

Lnk

nk

(3)

简写为N=(L

n1

,L

n2

,,L

nk

)(4)

M曲线模糊集

M=

L

m1

n

1

+

L

m2

n

2

+,+

L

mk

n

k

(5)

简写为M=(L

m1

,L

m2

,,L

mk

)(6)

M曲线与N曲线的模糊交集

X=MHN=(L

x1

,L

x2

,,L

xk

)(7)

式中:L

xi

=L

mi

CL

ni

求超出部分与M曲线所围成的面积D

k

D

k

=6k

i=1

[(L

ni

-L

xi

)$n]@100(8)

上式中$n=1。

2.2确定适应度函数

提出了一种基于模糊遗传算法(F-

GA)[10][12][14]的优化方法。采用低噪声胎M曲线

目标函数[15]来确定适应度函数D,下面是两种适应

度函数公式

D

a

=

1

1刘义庆简介 +D

p

(9)和D

b

=

1

210D

p

(10)

其中:D

p

为低噪声胎谱曲线超过M曲线有效量值。

2.3遗传算法编码及遗传操作

我们以节距比例值选取来说明遗传算法的过

程。

2.3.1编码

对比例因子染色体初始群体其比例因子用素数

和无理数,最大值与最小值之比受工艺设计要求限

制在一定范围(一般取7以内)

[1][3]

。若Bmax最大

比值,并设定最小节距值为Pmin,随机产生基本节

距个数的正整数(256以内),按从小到大的顺序建

立比例因子串,这样减少了计算量。可按如下方式

进行编码:

某一个轮胎花纹方案由A、B、C、D、E五个基本

节距组成,随机产生小于等于256的五个正整数N

i

(i=1~5,排序后若为4、23、111、200、248),节距值

可由

P

i

=P

min

+P

min

*(B

max

-1)*N

i

/256(11)

求得,从而可求出节距中秋节赏月的寓意和象征 比例R

i

=P

i

/P

1

。N

i

对应十

六进制编码为04、17、6F、C8、F8。

2.3.2复制

按q#Qi/2Qi决定第i个个体在下一代中应复

制其自身的数目,q为种群数目,Q

i

为第i个个体的

适应度值。再生意味着适应度越高的个体,在下一

代中复制自身的个数越多

[14][15]

。

2.3.3交叉

以上述五个节距花纹为例,由这五种节距比例

因子的编码组成染色体,例如下面两个方案的染色

体:

A1:B1:C1:D1:E1]4B230C2EDF

A2:B2:C2:D2:E2]49B5CA7E5B

在初始比例群体中两两配对形成双亲染色体,

选择一个交叉点,交叉后产生两个子染色体,配对和

交叉点的选择都采用随机方式。还是以上面的两个

染色体为例,说明如下:

4B230C

49B5CA@2EDF

7E5B

经交叉后产生的子染色体:

子染色体1:4B230C2EDF

子染色体2:49B5CA7E5B

2.3.4变异

变异是防止群体过早陷入局部最优解而采取的

操作,也是保证群体多样性的关键。变异的概率根

据问题的具体特性而定。在犹组词语 算法中变异是按2%-

5%的概率进行的,产生变异的位也是按概率随机选

择,取变异位的十六进制反码,如原子染色体1中的

第6位C产生变异后变成3,子染色体2中的第4

位A产生变异后变成5。

2.3.5倒序

倒序操作的目的是为了扩大遗传操作的搜索空

间,避免遗传操作出现早熟,倒序要按概率进行,概

率一般取5%-15%。如原子染色体1中的第1、2、

3位(4B2)产生倒序后变成(2B4),子染色体2中的

第7、8位(7E)产生倒序后变成(E7)[15]。

遗传算法流程如图4,其迭代的结束条件有两

个:群体的最优个体适应度函数值趋于一稳态值;

迭代次数已满。

对于轮胎花纹其他结构参数节距排列、错位、花

纹条数等的F-GA法优化具体过程与花纹节距比例

优化相同,可参见参考文献

[5][15]

。

2004年2月噪声与振动控制第1期

图4F-GA优化寻优流程图

3优化实例分析比例

在用遗传算法对轮胎花纹节距比例进行寻优

中,为了提高灵敏度,对两种适应度值D

a

(方法1)和

D

b

(方法2)分析比较,其适应度值见表1。

表1经过十代后的适应度值

方法五个好方案的适应度值

D

a

0.720.750.690.730.71

D

b0.570.640.730.690.61

可见方法1经过十代后五个方案的适应度值很

接近,难以区分好坏,而方法2则可以很好的加以判

断。图5(a)和图5(b)分别是上述两个方法优化后

较好的轮胎方案噪声仿真曲线,图中粗曲线为M曲

线,细曲线为优化方案噪声仿真曲线。

4结论

用F-GA法进行轮胎花纹结构参数优化,方法

有效可行,可节约人力物力,开发周期短、费用低,有

较大的推广价值,降噪优化效果显著,可信度高,工

程实用性强。

(a)方法1优化仿真图

(b)方法2优化仿真图

图5优化方案噪声仿真曲线图

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13轮胎花纹噪声及其降噪方法