CC BY
38
Васильев Юрий Эммануилович
Vasiliev Yuri Emmanuilovich
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ),
кафедра «Дорожно-строительные материалы» Moscow Automobile And Road Construction State Technical University (MADI), «Road building materials» chair
Доцент / Docent / д.т.н. E-Mail: [email protected]
Беляков Александр Борисович
Belyakov Alexander Borisovich
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ),
кафедра «Технологии конструкционных материалов» Moscow Automobile And Road Construction State Technical University (MADI), «Construction materials» chair
Аспирант / Posty-graduate E-Mail: [email protected]
Субботин Игорь Валентинович
Subbotin Igor Valentinovich
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ),
кафедра «Технологии конструкционных материалов» Moscow Automobile And Road Construction State Technical University (MADI), «Construction materials» chair
Научный сотрудник / Research associate E-Mail: [email protected]
Малофеев Александр Сергеевич
Malofeev Alexander Sergeevich
Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ),
кафедра «Технологии конструкционных материалов» Moscow Automobile And Road Construction State Technical University (MADI), «Construction materials» chair Студент / Student / Автомобильные дороги
Исследование шума в ультразвуковом диапазоне при движении шипованной шины на стенде «Карусель»
Studded tire ultrasound noise investigation on “Karusel” test site
Аннотация: В статье рассматривается возможность определения на дороге
транспортных средств с шипованной резиной по наличию шума в ультразвуковом диапазоне. Выполнены исследования шума на стенде «Карусель», приведены результаты измерений шума при использовании обычной и шипованной резины.
The Abstract: There is considered the possibility of studded tires equipped vehicles presence on road with use of ultrasound range noise monitoring. Investigations of noise on “Karusel” test site are performed with standard and studded tires.
Ключевые слова: Шипованные шины, колееобразование, шум, ультразвук,
асфальтобетон, дорожное покрытие.
Keywords: Studded tires, rutting, noise, ultrasound, asphalt concrete, road pavement.
***
Транспортный шум и его эффекты на данный момент является одним из важных направлений исследований по всему миру [1, 2, 3]. Шум, производимый транспортными средствами, во многом зависит от качества и свойств дорожного покрытия, в частности от структуры поверхностного слоя и пористости [4].
Один из основных компонентов транспортного шума производится при контакте колеса с дорожным покрытием. Шум от работы двигателя и аэродинамических процессов также всегда будет присутствовать, однако, при движении на высоких скоростях основным источником является шум, возникающий при взаимодействии автомобильной шины с дорожным покрытием [3].
Исследовательские работы по изучению транспортного шума проводятся в основном в Европе и США. Как правило, главной целью экспериментов является снижением шума за счет разработки новых видов покрытий, но наибольший интерес в данном случае представляют непосредственно методы измерения шума, применяемые на транспортных объектах.
Резкому увеличению уровня шума способствует применение шипованной резины. Шины, оборудованные шипами, начали применяться в 1960-х годах с целью увеличения сцепления в зимний период. Но ряд исследований показал, что применение шипованной резины резко увеличивает износ дорожного покрытия [5].
Наибольшее количество исследований, связанных с использованием шипов, проведено в Финляндии. Также проблема износа изучается в северных штатах США. Расчеты и эксперименты показали, что каждое транспортное средство, оборудованное шипованной резиной, за год способствует износу покрытия на 11 кг.
В 1987 г. дорожно-транспортная лаборатория Финского научно-технического исследовательского центра опубликовала результаты исследований, которые позволили составить модель процесса взаимодействия шипованной шины и дорожного покрытия. Выявлено, что при движении шипованной шины в момент контакта резины с покрытием возникают колебания с частотой, близкой к частоте распространения ультразвука [6]. Создаваемый шипованной резиной шум с ультразвуковой составляющей может быть использован в качестве косвенного индикатора наличия на дороге транспортных средств, оборудованных шипованной резиной.
Для прогнозирования процесса колееобразования необходимо применять методики, наиболее приближенные к условиям эксплуатации покрытия. В Московском автомобильнодорожном государственном техническом университете (МАДИ) был разработан и сконструирован универсальный комплекс для испытаний дорожных покрытий и автомобильных шин КУИДМ-2 «Карусель» (рис. 1), позволяющий проводить следующие испытания:
• Исследование уровень шума при движении колес по покрытиям из различных материалов;
• Испытание нескольких образцов конструкций дорожной одежды в одних и тех же гидрогеологических, климатических и температурных условиях;
• Исследование влияния антигололедных химических реагентов на долговечность
материалов покрытия и скорость колееобразования при воздействии
автотранспорта;
• Исследование влияния воздействия шипов автомобильных покрышек на
материалы дорожного покрытия и их устойчивость к износу и образованию колеи;
• Исследование работы слоев дорожной одежды из различных материалов при различной скорости образовании чаши прогиба;
• Испытание материалов дорожной разметки на устойчивость к истиранию и
долговечность;
Рис. 1. Общий вид комплекса КУЦЦМ-2 «Карусель»
Для проведения исследований по определению шума при движении шипованной резины по асфальтобетонному покрытию, за основу был принят метод измерения шума по ГОСТ 31333-2006 (ИСО 7188:1994) [7]. Данная схема была адаптирована для условий кольцевого стенда (рис. 2, рис. 3). Основным отличием является два варианта расположения микрофонов - на стандартном расстоянии 7,5 м и на расстоянии 0,3 м, это вызвано тем, что ультразвуковые колебания, имея большую частоту, в сравнении со звуковыми колебаниями при одинаковой скорости распространения, характеризуются значительно более короткими длинами волн. Поэтому для того, чтобы в полной мере оценить интенсивность шума в ультразвуковом спектре, целесообразно провести измерение на минимальном расстоянии от колеса.
В экспериментальных работах применялся комплекс оборудования, состоящий из конденсаторного измерительного микрофона Nady CM100, микрофонного предусилителя Art Tube MP, а также комплекса программного обеспечения для записи и анализа звука.
7,5 м
СУ
Рис. 2. Схема расстановки шумомеров на комплексе «Карусель»
Обозначения:
1 - положение микрофона по ИСО 11819-1:1997 2 - положение микрофона, адаптированное под комплекс КУИДМ-2
Рис. 3. Схема расстановки микрофонов по высоте на комплексе «Карусель» а) разница в расположении по высоте по стандартной и предлагаемой схеме б) варианты расположения по предлагаемой схеме
Для того чтобы сопоставить величину шума, измеренную в условиях кольцевого стенда с условиями автомобильной дороги, был принят ряд факторов, от которых может зависеть интенсивность шума (Табл. 1).
Таблица 1
Показатель Г рузовой стенд Легковой стенд
Шипованная резина Стандартная резина Шипованная резина Стандартная резина
V, км/ч 20,40,60,80 20,40,60,80 20,40,60,80,100 20,40,60,80,100
Кол-во проходов, ед 50 50 50 50
Состояние покрытия (влажное, сухое) вл, сух вл, сух вл, сух вл, сух
Темп-ра поверхности, 1:°С 20-25 20-25 20-25 20-25
Темп-ра воздуха, 1:°С 20-30 20-30 20-30 20-30
Влажность воздуха, % 20-60 20-60 20-60 20-60
Давление в шине (стд, выс, низ) стд, выс, низ стд стд, выс, низ стд
Температура в шине, 1:°С (стд, повыш) стд, повыш стд, повыш стд, повыш стд, повыш
Среди рассматриваемых факторов присутствует ряд условий, влияющих на формирование и свойства звуковых волн. В частности это скорость движения, расположение шипованной резины на ведущих или ведомых колесах, температура воздуха и покрытия, влияющие на жесткость резины и пластичность асфальтобетонного покрытия.
Проведенные в Финляндии эксперименты [6] также позволили сделать следующие выводы о влиянии разных факторов на износ дорожных покрытий:
• увеличение скорости движения и величины выступа шипа увеличивают износ;
• относительно малая контактная площадь шипа уменьшает износ;
• температура и влажность покрытия увеличивают износ.
Отмечается, что износ мокрого асфальтобетона в 3-5 раз больше износа сухого покрытия.
Для того чтобы выделить шум, производимый шипами, необходимо учитывать обозначенную ранее особенность работы шипованной резины - основное ударное воздействие создаётся при установившемся движении. Поэтому необходимо измерять шумовые характеристики на всех трёх фазах движения - при старте, во время движения, при остановке, чтобы затем определить границы нужного диапазона шума. Так как с увеличением скорости сила удара шипа по поверхности возрастает, то необходимо рассмотреть диапазон скоростей, что позволит оценить динамику шумовых характеристик.
Также важным фактором является давление в шине, т.к. его изменение приводит к изменению площади контакта шины с покрытием (Рис. 4), а следовательно и на формирование звука. При эксплуатации автомобиля, а также в условиях постоянно изменяющихся суточных (сезонных) температур окружающей среды происходят изменения температурного режима шин с закачанным в них газом (газами). Изученные данные свидетельствуют о больших колебаниях давления в шинах автомобиля при изменении температурного режима в процессе эксплуатации.
Рис. 4. Изменение площади контакта при изменении давления в шине
Температура воздуха в момент испытания также оказывает влияние на распространение звука. Скорость звука меняется в зависимости от температуры воздуха, поэтому, если возникает пространственное изменение температуры воздуха (по высоте и направлению), распространяющийся в нем звук испытывает непрерывное преломление, и его направление распространения изменяется.
Для получения сопоставимых с зарубежными источниками данных, первая серия экспериментов проводилась на легковом стенде при скорости движения 100 км/ч. Измерения шума выполнялись при первом варианте установки микрофона на 7,5 м от середины полосы движения.
Проводились измерения шума при использовании на стенде стандартной резины, затем при неизменных условиях устанавливались шины, оборудованные шипами.
Результаты измерений представлены на рисунках 5 - 12.
Рис. 5. АЧХ шума при использовании стандартной резины (легковой стенд)
Как видно из графического отображения спектра шума при использовании резины без шипов, основной пик наблюдается в интервале 800-1000 Гц, что соответствует изученным источникам [2]. Начиная с 3 кГц наблюдается снижение уровня шума вплоть до границы рабочего диапазона с 22 кГц, что свидетельствует о том, что стандартная резина не способствует формированию ультразвуковой составляющей спектра.
Рис. 6. АЧХ шума при использовании шипованной резины (легковой стенд)
При анализе АЧХ, полученной при использовании шипованной резины, видно, что уровень сигнала в основной части спектра вплоть до пика 800-1000 Гц изменяется незначительно, однако наблюдается некоторое увеличение высокочастотной составляющей спектра. Сделан вывод о том, что применение шипов может способствовать формированию ультразвуковой составляющей шума, но выбранная схема испытания не позволяет в полной мере оценить изменения в области высоких частот и ультразвука из-за большого расстояния до источника шума.
При исследовании спектра шума, полученного на грузовом стенде при скорости 80 км/ч, выявлена в целом аналогичная картина, по сравнению с легковым стендом (Рис. 7).
Рис. 7. АЧХ шума при использовании стандартной резины (грузовой стенд)
При использовании стандартной резины на грузовом стенде наибольшие значения шума получены на частотах до 800-1000 Гц. В отличие от легкового стенда, также наблюдаются повышенные значения в частотном диапазоне 100-500 Гц, что вызвано большей нагрузкой на ось и увеличенной площадью контакта шины с покрытием.
оов Я
-10 ОБ
-ЗО®
t
KflRIIUIJ
HA!f ■ШЛЯ
-40 (Е ЯК im
■IM
’fji
■ІЛ’Т ЩШШ
■JkL’lll ЯП
ІШС7ІІШ1Н
ШШ M/i.
-азов IIі,1
lih IM
-40 dB U'<1 Ik*
ж*
!
-1100В
U
10 № 22 HZ 47 KZ 100 hz 220 № 470 Нг 1IHZ 2XKZ 3HZ к* hz 23 HZ
[ Channel: □ Left С Right □ Max 0 Average Mode: ■] Instant □ Peak □ Filled _^
Рис. 8. АЧХ шума при использовании шипованной резины (грузовой стенд)
В случае оборудования грузового стенда шипованной резиной так же, как и в случае измерений на легковом стенде, возникает подъём в области высоких частот (Рис. 8).
Основываясь на проведенных экспериментах было принято решение о целесообразности измерения шума варианту 2-1 второй схемы (Рис. 3б).
Рис. 9. АЧХ шума по схеме 2-1 при использовании стандартной резины (легковой стенд)
При расположении микрофона по варианту 2-1 на легковом стенде при скорости движения 100 км/ч со стандартной резиной наблюдается увеличение уровня шума, что вызвано расположением микрофона на расстоянии 0,3 м от колеса. Как и при первой схеме измерения, выявлен пик на участке 800-1000 Гц.
При выполнении измерений по варианту 2-1 с использованием шипованной резины значительно увеличилась величина высокочастотной составляющей шума (Рис. 10).
Рис. 10. АЧХ шума по схеме 2-1 при использовании шипованной резины (легковой стенд)
Из анализа АЧХ на рисунке 10 видно, что микрофон фиксирует удар шипов по покрытию, что выражается в виде высокочастотного шума. Таким образом, подтверждается разработанная теория о том, что ультразвуковая составляющая шума может использоваться как косвенный признак наличия на транспортном средстве шипованной резины.
По аналогии с экспериментом по первой схеме, были проведены измерения шума на грузовом стенде с применением схемы 2-1.
Г 006 j=l “'Ч
10 'В
-20 0В
-30 06 ■F чіА fyfl WTM
-40 06 N mwm
Wkl ш
m ЛГЛ
50 СЄ МШДМ
-60 06 • | H HI №41 tm Wi\
Л ■ft, 'Ш
-7006 1SH ■ він Ш ЯШ \km ШШ
Ш1ІІ
-80 06 H> ill Iі s
ftUl
-90 06 ШШ i'm
K1
-10006 H | Щ ■ 1
m\
H H ■ Ш 'ШШ m
110®
-12006 10 H! HI
HZ 22 HZ 47 HZ 100 HZ Channel: □ Left □ Right 220 № 470 HZ 11 HZ 2» HZ □ Max S Average Mode: В Instant □ Peak 5»hz [□ Filled 1QK HZ 22XHZ
Рис. 11. АЧХ шума по схеме 2-1 при использовании стандартной резины (грузовой стенд)
Результаты испытаний показывают рост величины шума в основном диапазоне частот. При этом, как и в случае легкового стенда, выделяется пик в области 1 кГц.
Рис. 12. АЧХ шума по схеме 2-1 при использовании шипованной резины (грузовой стенд)
При анализе измерений шума, производимого грузовым стендом с шипованной резиной, выявлено как общее увеличение шума, так и рост высокочастотной составляющей, возникающей при ударе шипов по покрытию.
Необходимо отметить, что выполненные на данном этапе измерения проводились лишь при одном наборе факторов, влияющих на формирование звуковых волн. Для внедрения предлагаемой методики в практику мониторинга транспортных объектов необходимо рассмотреть различные варианты сочетания факторов и выявить наиболее оптимальную схему измерения шума.
Выводы:
• установлено, что шум, возникающий при движении транспортных средств, оборудованных шипованной резиной, содержит ультразвуковую составляющую;
• в результате выполненных исследований стандартная методика измерения транспортного шума была адаптирована для оценки ультразвуковой составляющей шума;
• анализ полученных результатов подтверждает, что выявление ультразвуковой составляющей шума может быть использовано в качестве одного из косвенных признаков наличия на транспортном средстве шипованной резины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Широкова Т.С. Средство от колеи. / Т.С. Широкова // - Дорожная держава. -2010.- Спецвыпуск. - С. 38-39.
2. Measuring and Reporting Tire-Pavement Noise Using On-Board Sound Intensity (OBSI) / Robert Otto Rasmussen, Richard Sohaney, Paul Wiegand // - Tech Brief -National Concrete Pavement Technology Center, 2011
3 Comparative field measurements of tire/pavement noise of selected Texas pavements.
/ Michael T. McNerney, B. J. Landsberger, Tracy Turen, and Albert Pandelides // -Texas department of transportation, 2000
4. Understanding Pavement Noise: A Pavement Designer’s Primer / M. Alauddin Ahammed, Susan L. Tighe // - Ontario Ministry of Transportation, 2009
5. Use and Effects of Studded Tires on Oregon Pavements. / Bruce E. Brunette and James R. Lundy - Transportation research record 1536 - National Research Council, Washington, 1996
6. Износ дорожного покрытия при взаимодействии его с шипованными шинами. Suvanto Erkki / Nastaisku ja tien kuluminen Trisologia. 1991. 10, N2, с. 4-46, 63. Фин.; рез. Англ.
7. ГОСТ 31333-2006 (ИСО 7188:1994) Шум машин. Измерение шума легковых пассажирских автомобилей в условиях, соответствующих городскому движению: стандарт. - Введ. с 01.04.2007 - М.: Стандартинформ, 2007
Рецензент: Кочетков А.В. д.т.н., профессор кафедры «Транспортное строительство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., председатель Поволжского отделения Российской академии транспорта.
