轮胎泵气噪声介绍

2019-03-29 16:34

轮胎噪声的发声机理较为复杂,并且多种噪声相互交织,是现阶段轮胎研究的一大难点,也是一大热点。一般说来,正常行驶状况下,轮胎噪声主要有花纹沟槽变形诱发的流体发声和轮胎振动向外辐射的振动噪声。

、轮胎泵气噪声原理

    轮胎在平直路面行驶时,轮胎与路面的相互作用使得花纹沟槽发生压缩变形,沟槽内的空气也随之被压缩,被迫从沟槽端口排出,于是造成了局部空气的不稳定流动;离开路面时,受压缩的花纹块变形恢复,容积突然增大而形成一定的真空度,外部空气急速吸入沟槽内部。这种空气泵吸作用,导致了汽车行驶过程中轮胎产生一种喷射噪声,即气流从管口高速喷射造成周围空气剧烈振动产生的噪声,这种噪声称为轮胎的泵气噪声。

轮胎的空气噪声产生的机理为:轮胎横向花纹沟的泵气效应噪声,当轮胎花纹随着轮胎的转动进入到轮胎的接地印迹区域时,由于存在一定的载荷,必然会导致轮胎在接地印迹区域产生变形,轮胎的胎面变形必然会导致轮胎花纹沟体积变化,花纹沟的体积变化导致花纹沟中的空气量的变化,导致轮胎接地印迹两侧横向花纹出口处的空气气压变化,从而产生泵气噪声,如图1.1所示;纵向花纹的管柱共鸣噪声,在轮胎的接地印迹区内的纵向花纹与路面构成了管柱状的结构,而轮胎在滚动的过程中必然会有空气流入该柱状结构,当这种柱状结构有空气流动时,就会产生声音,当空气流速达到某一值时,会引起该管柱结构的共振,此时的噪声值最大,如图1.2所示。

1.1   轮胎花纹泵气噪声

  图1.2   轮胎管柱噪声


泵气噪声分析方法

目前,气动噪声的数值计算方法有以下三种计算气动声学方法(Computational Aeor-Acoustic)、混合计算方法(Hybrid Method)以及莱特希尔声类比方法(Lighthills Acoustic Analogy)

计算气动声学方法不依赖于任何声学模型,但在具体计算气动声学时往往忽略流体的粘性和高阶小量。该方法是对整个计算域进行模拟,包括了声源区、接收区和声音的传播区,通过规整的瞬态计算得到整个计算区域的压力分布。但是,由于流场和声场的特性存在内在差异,声能量与涡能量、声波波长与瑞流尺度以及声压与流场宏观压力的量级差异,导致该种方法对网格尺度、计算时间及离散格式均有非常高的要求。

混合计算方法则是主要利用计算流体动力学软件和声学软件联合对工程中的气动噪声进行联合仿真计算,其本质采用的是莱特希尔声类比方法。该方法最大优势在于能够从物理属性和空间分布上真实模拟实际工程中气动噪声问题。但是,混合计算方法是将流场和声场单独分离计算,不能考虑声场对流场的反作用,声场的计算结果精度也完全依赖于流场结果的科学性。此外,受限于声学计算中网格的特殊要求,该方法不适合计算高频的气动噪声。

莱特希尔声类比方法是根据纳维一斯托克斯(N~S)方程导出的,它符合流体流动基本控制方程中的质量守恒和动量守恒定律,并通过与静止介质中的声传播公式类比,建立能够反映流场中声传播与流场参数之间的关系。莱特希尔声类比方法的优点是将声音的产生和声音的传播分别计算,相比计算气动声学方法,计算量和计算格式要求较低。设置的时问步长能方便的计算气动噪声对应的最高计算频率。

但传统声学类比方程中往往假设固体边界是固定的,一定程度上不能很好地解释某些现象。考虑固体边界是运动的,FfowcsHawkings提出了 FW-H方程[2],并逐渐成为研究气动声学的理论基础。因此本文采用Lighthill声类比方法中,适用于动网格边界条件的FW-H方程。

、泵气噪声分析流程

泵气噪声是由轮胎花纹沟槽的体积变化引起的,因此提取轮胎花纹沟槽的变化特征是分析泵气噪声的关键。首先对轮胎建立有限元模型,在轮胎自由滚动的基础上,提取不同胎面花纹结构接地过程中体积变化特征,提取花纹沟槽底部的位移曲线,并将研究结果作为花纹沟噪声模型的边界条件。建立接地部分的胎面花纹中空气以及外部大气的三维模型,将模型导入中运用动网格技术,进行相关参数设定,分析花纹沟槽内部及外部空气的流场,并且运用气动噪声模块预测远场声压,其逻辑思路如1.3所示。

  图1.3 泵气噪声分析流程




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