CC BY
30
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя № ФС 77 - 305БЭ. Государствен над регистрация №0421100025.155Н 1994-0405_
Прогнозирование акустических показателей автомобильных шин. Алгоритм определения акустических показателей шин в стендовых условиях с заданными характеристиками поверхности барабана.
77-30569/236947
# 10, октябрь 2011 автор: Жеглов Л. Ф.
УДК.629.4.032
МГТУ им. Н.Э. Баумана [email protected]
Для прогнозирования шума шин, как было доказано [1, 2], наиболее оптимальным следует признать метод стендовых испытаний с использованием бегового барабана. При этом важное значение имеет выбор структуры дорожной поверхности. Известно [3, 4, 5], что как уровень шероховатости, так и ее частотный состав неоднозначно оказывают влияние на уровень шума шин. Изменение длины волны структуры дорожной поверхности дает повышение или снижение акустических показателей шин при увеличении уровня шероховатости. Трансформация качества этой зависимости наблюдается на частоте близкой к частоте 1000 Гц. В связи с этим предлагались для тестирования шин по шумовым характеристикам две или три поверхности разной структуры [6, 7, 8].
Учитывая такие особенности генерирования шума шиной, целесообразно проводить приведение уровней звука, измеренных на трех дорожных поверхностях (I, II, III) к эталонной (виртуальной) дорожной поверхности. Такой подход позволяет учесть как возмущение от рисунка протектора, так и от геометрической структуры дорожной поверхности. Следовательно, беговой барабан стенда должен иметь три контрольные поверхности и измерения проводятся в свободном звуковом поле над отражающей поверхностью [7]. Например, стенда ИПС-1 с беговым барабаном [1]. Рассматривается дальнее акустическое поле. Измерительный микрофон устанавливался в продольной плоскости оси колеса на расстоянии 3,1 м от центра беговой дорожки и 0,54 м от дополнительной отражающей поверхности.
В качестве показателя оценки дорожной поверхности используется виброскорость высот ее структуры, т.е. вертикальная скорость перемещения точки, скользящей по продольному профилю дорожной поверхности с горизонтальной скоростью, равной скорости качения автомобильного колеса.
л
Дорожная поверхность характеризуются спектром ^п 0 средних
квадратических отклонений виброскорости при принятой пороговой скорости уг0 качения колеса (80 км/ч - для шин легковых и 70 км/ч - для шин грузовых
л
автомобилей). Вид спектра виброскорости задается его значением Оъпо при частоте 1000 Гц и наклоном участков в дБ/окт. Спектр виброскорости имеет
л
ограничение, которое характеризуется диапазоном в дБ относительно G ьпо, и наклоном, аналогичным базовым спектрам виброскорости. В таблице, как пример, приведены параметры спектров виброскорости для пороговой скорости 80 км/ч. Принято, что эталонная и 111-я контрольная поверхности имеют средние квадратические отклонения высоты шероховатости 3,8 мм и 0,4 мм соответственно [9] .
Параметры спектров виброскорости
Дорожная л ^1уп 0 , м/с Наклон участков спектров виброскорости, дБ/окт Диапазон изменения спектров виброскорости, дБ
поверхность Диапазон частот, Гц
0 - 1000 1000 - 6000 0 - 1000 1000 - 6000
I 0,75 6 0 ± 1,5 ± 1,5
II 0,45 6 0 ± 1,5 ± 1,5
III 0,015 6 6 ± 1,5 ± 1,5
Эталонная 0,6 6 0 0 0
Алгоритм определения оценочных показателей шума шин на основе предложенного способа, основой которого являются принцип энергетического суммирования [10] и метод синхронного усреднения с внешней выборкой на один оборот колеса (барабана) [1], представлен на рис. 1.
1-я, П-я Исходные данные Ш-я и эталонная дорожные поверхности
Временные Временные Спектр Временные Спектр Временные Временные
реализации реализации Л реализации Л реализации реализации
Р(0 СупО <Ук) ц(г) Gv.nO (/к) Р(0
0,11,11) (1,11, III) о, п) (1,11,11) (I, II, II)
I
Синхронное усреднение по шине, С (/¿) (1,п, н)
Синхронное усреднение по барабану,О (/к) (1,11,11)
Спектральная плотность
Спектральное усреднение
суиСО(1,11)
Спектральная плотность
СупэО (/к )
Приведенная к эталонной поверхности ([к) - шина
Приведенная к эталонной поверхности Срт (/к) - барабан
1
Спектральная плотность звукового давления, приведенная к эталонной поверхности ^ы (Iк)
_I_
Приведенный к эталонной поверхности уровень звука ^рАХ
л г
Прогноз акустических качеств автомобильной шины
X
Приведенный к эталонной поверхности уровень звука ^рА2
X
Спектральная плотность звукового давления, приведенная к эталонной поверхности &р)2 (I\ )
Рис. 1. Алгоритм определения уровней шума шины при скорости уг качения
автомобильного колеса
Вычисление акустических показателей шума шин, согласно приведенному алгоритму, осуществляется по следующей методике.
Исходные данные
Временные реализации р(0 звукового давления в точке измерения для каждой скорости заданного диапазона линейной скорости качения автомобильного колеса на трех контрольных дорожных поверхностях.
Временные реализации sш(t) сигнала с датчика оборотов шины для каждой скорости заданного диапазона линейной скорости качения автомобильного колеса на трех контрольных дорожных поверхностях.
Временные реализации £ б сигнала с датчика оборотов барабана для каждой скорости заданного диапазона линейной скорости качения автомобильного колеса на трех контрольных дорожных поверхностях.
Временные реализации q(t) высот структуры контрольных дорожных
поверхностей при скорости уг0 перемещений датчика высот профиля по пройденному пути.
л
Спектр Ошо ([к) средних квадратических отклонений виброскорости структуры эталонной дорожной поверхности.
Приведение к эталонной дорожной поверхности
Определение спектральных характеристик исходных акустических сигналов
Вычисляют по временной реализации р(0 оценку односторонней спектральной плотности Ор (/к) звукового давления, используя метод синхронного
усреднения, следующим образом: подавляются в исходной реализации р(0 составляющие с частотами, превышающими верхнюю частоту анализируемого диапазона ^ частот (Af =89-5612 Гц);
преобразованная реализация р () делится на т смежных отрезков ~ (¿-¡Т) длиной Т каждый, соответствующей времени одного оборота шины при усреднении по шине или одного оборота бегового барабана при усреднении по барабану, где i = 0, 1, ..., т-1.
Деление реализации р () осуществляется с использованием вспомогательного сигнала (синхросигнала), которым является сигнал с датчика оборотов шины
при усреднении по шине или с датчика оборотов бегового барабана £б(^ при усреднении по барабану;
каждый смежный отрезок р1 (¿-1Т) при дискретном временном параметре представляется N значениями временного ряда {рп } (п = 0, 1, ..., N-1);
вычисляются значения усредненного временного ряда {р п} как средние
арифметические значения компонент временных рядов {рг- п } отрезках (усреднение по линейному закону):
__1 т-1
на всех смежных
{ Рп } = — Е {р- п };
т ¡=о
вычисляются для усредненного ряда {р п} оценки коэффициентов финитного дискретного преобразования Фурье [11]:
N-1
р/к) =д*Е Рп ехр
п=0
у 2пкп
N
у
где /к - дискретное значение частоты; /к = к/ ^) , к - номер коэффициента,
к = 0, 1, ..., N/2; Ж - интервал дискретности временного ряда {рiп }; рп - значения
усредненного временного ряда {р п}; у - мнимая единица;
вычисляется оценка односторонней спектральной плотности:
2
^р (/к) =
2
Л t N
Р (/к)
к = 0, 1.....
N 2
Вычисляются по временной реализации д(¿) оценки односторонней спектральной
плотности Оуп (/т) виброскорости структуры контрольных дорожных поверхностей, используя метод спектрального усреднения, следующим образом:
подавляются в исходной реализации ц^) составляющие с частотами, превышающими верхнюю частоту анализируемого диапазона Лf частот; преобразованная реализация д ( t ) разбивается на па перекрывающихся отрезков Р (t ) при перекрытии 75 %, где i = 1, 2, ..., па ;
каждый отрезок р (t) при дискретном временном параметре представляется N значениями временного ряда { Р п } ( п = 0, 1, ..., N-1);
вычисляются для каждого отрезка { Р п } оценки коэффициентов Q1 (/к ) дискретного финитного преобразования Фурье [11]:
г у 2 ппкП
18 N - 1
- е Р п
3 п = 0
Г
2 ПП
1- соб —
V N у
ехр
N
где /к - дискретное значение частоты; /к = к/(ЛtN), к - номер коэффициента,
к = 0, 1, ..., N/2; М - интервал дискретности временного ряда { Р п};
' 1 2 ПП 1
1 " 008 ат - временное окно Ханна;
V N у
вычисляется оценка односторонней спектральной плотности виброперемещений структуры при скорости уг0 (усреднение по линейному закону):
2
^по (/к) = —Ё I & (/к) Г к = 0, 1, ..., N
ndNAt = 1 2 ■
? ?
вычисляется оценка односторонней спектральной плотности виброскорости структуры для скорости V из заданного диапазона линейной скорости качения автомобильного колеса:
^ (/т )=(2Пк )2 Сдп 0 (/к ) — /ш = —/к т = 0, 1, ..., N
^0 , V о , 2 ;
вычисляется оценка односторонней спектральной плотности виброскорости структуры эталонной дорожной поверхности для линейной скорости качения
автомобильного колеса :
-| 2
л
Супэ0 (/к )
к = 0, 1..... N
^И30 (/к) = А / , у ,
где А / - разрешение по частоте, А / = 1 / (N М);
вычисляется оценка односторонней спектральной плотности виброскорости структуры эталонной дорожной поверхности для скорости из заданного диапазона линейной скорости автомобильного колеса:
^пэ (/т ) = ^пэ0 (/к ) /т = /к Ш = 0, 1, ..., ^
Уг0 ^г0 ^ 2
Приведение результатов измерения звукового давления на контрольных дорожных поверхностях к эталонной дорожной поверхности
Контрольные дорожные поверхности 1-я и 11-я
Вычисляется составляющая оценки спектральной плотности звукового давления от протектора шины, приведенная к эталонной поверхности:
С / )=С~ / ) Срш (/к ) Срш11 (к ) \г ( / ) — С ( / )]
Сршэ Ук/ Срш1 ик/~ ~ ~ (1к ) ^ЛЭ (1к )]
(/кЛЧипС'к^ ,
где /к) и СршП /к) - оценки односторонних спектральных плотностей звукового давления, измеренного соответственно для 1-й и 11-й поверхности
(синхронное усреднение по шине); (/к) и Ош11 /к) - оценки односторонних спектральных плотностей виброскорости структуры 1-й и 11-й поверхности (спектральное усреднение);
вычисляется составляющая оценки спектральной плотности звукового давления от микроструктуры поверхности, приведенная к эталонной дорожной поверхности:
~ /Г /Г \ С Рп1 С РП11 ~ (г \ ~ / Српэ и к )=Срп1 и к ) - --7Г- (Л ) - Сшэ (/ )]
(/к)-Суп!1(/к) ,
где СрпI (/к) и СрпП (/к) - оценки односторонних спектральных плотностей
звукового давления, измеренного соответственно для 1-й и 11-й поверхности (синхронное ускорение по барабану);
вычисляется оценка спектральной плотности звукового давления, приведенная к эталонной дорожной поверхности:
Срэ1 (Гк)=С ршэ1 /к) + Српэ1 /к)
Контрольная поверхность Ш-я
Оценкой спектральной плотности Срэ2 /к) звукового давления, приведенной к эталонной дорожной поверхности, является оценка спектральной плотности
Сршш (/к) звукового давления, полученная синхронным усреднением по шине для 111-й поверхности, т.е. Срэ2 /к) = СршIII (/к) при условии, что уровень звука, вычисленный по Сршш (/к ) должен быть не менее чем на 10 дБ (А) выше уровня
звука, вычисленного по оценке спектральной плотности СрпШ([к) звукового давления, полученной синхронным усреднением по барабану.
Определение расчетных уровней звука
Вычисляются по Срэ1 (/к) и Срэ2 (/к) соответствующие спектры дисперсий звукового давления:
Орэ1 (Гк)=ОрЭ1 (/к) х А/ и арэ2 /к)=0рэ2 (/к) х а/;
и
вычисляется по О рэ1 (/к) и О рэ2 (/к) соответствующие третьоктавные спектры дисперсий звукового давления:
__Ут в ____Ут в -
О рэ1 (/тП) = Ё О рэ1 (/к ) О рэ2 Рта) = Ё О рэ2 (/к )
/к = /т н , /к=/т н ,
где /т, /тн, /тв - соответственно центральная, нижняя и верхняя частоты третьоктавных полос;
вычисляются по О рэ1 ( /т ) и О рэ2( /т ^ корректированные согласно с характеристикой А третьоктавные спектры дисперсий звукового давления:
ОАрэ1 (/т ) = О рэ1 ( /т ) X 100,1 * , ОАрэ2 (/т ) = О рэ 2 ( /т ) X 10° 1 * , где а - поправка по характеристике А в дБ;
—А —А
вычисляются по Орэ( /т) и Ор э2( /т) дисперсии звукового давления в заданном диапазоне частот соответственно:
^Аэ1 = Ё Орэ1 (/т ) ^2 = Ё ОАрэ1 (А )
/т = /н /т =/н
где /н и /в - нижняя и верхняя частота заданного диапазона частот соответственно;
вычисляются по рэ1 и ^рэ 2 уровни шума шины, приведенные к эталонной дорожной поверхности по формулам соответственно:
Бр ПА
¿рА1 = Ю^^ ^2 = 10 lg ^ Р0 , р Р0 ,
где Р0 - пороговое среднее квадратическое отклонение звукового давления, р0 = 2 х 10-5 Па.
Вычисленные уровни звука LрА1 и ЬрА2 являются исходными данными для
определения оценочных показателей шума шин, на основании которых строится прогноз акустического качества изделия.
В качестве оценочных показателей предлагается установить уровень
звука 0 (уровень шума) в дБ (А) при пороговой скорости Уг0 и коэффициент
аУ простой линейной регрессии для интервала Ау скорости качения автомобильного колеса [1, 8]. Тогда по значениям ТрА1 и ТрА2 , обозначим их 2, и соответствующим им линейным скоростям уг качения автомобильного колеса определяют уровень звука Тг01,2 при пороговой скорости уго и
коэффициент ау1,2 простой линейной регрессии, уравнение которой имеет вид:
Т = Т - а • Т
^г 01,2 1,2 у1.2
— — 1 п
где Т12 - среднее значение вычисленных уровней шума Тг1,2 , Т1,2 = _ I Тг1,2 ; п -
п г=1
— — 1 п
ту - среднее значение уровня скорости, Ту = ~ I Туг ;
П г=1
количество измерений, - среднее значение уровня скорости
ТУг - уровень скорости, Туг = 20\%(уг /уг0) ; индекс "1,2" относится к уровням звука Т рА1 и ТрА2 соответственно.
Коэффициент простой линейной регрессии рассчитывается по формуле [12]:
I (ТуГ - Т )(г,,2 - Ти)
г=1
ау\,2
1(Тг - Т )2
г=1 .
Таким образом, представленный методический подход дает возможность для автомобильных шин:
- получать комплексную оценку акустических качеств в лабораторных условиях;
- прогнозировать акустические показатели;
- обеспечивать повторяемость результатов при испытаниях на различном оборудовании;
- снижать технические и акустические требования к характеристикам поверхности барабана (дорожной поверхности).
Список литературы
1. Измерение шума автомобильных шин с использованием стендового оборудования ГУП НИИШПа/ Л.Ф.Жеглов, В.А.Сухоруков, В.С.Калинковский, В.А.Щередин. Научно-практическая конференция "Автотранспортный комплекс и экологическая безопасность". Сборник докладов. М.: Прима-Пресс-М, 1999. С.232-233.
2. Tire Noise: Problems, Methods and Results of Tests/ T.V.Ivanova, Yu.B.Galevko, E.N.Nikulnikov, L.F.Zheglov, S.G.Makarov, V.A.Sukhorucov. Fourth International Congress on Sound and Vibration. St.Peterburg. 1996. P. 2021-2024.
3. Sandberg U. Tire/Road Noise - Studies of the Mechanisms of Noise Generation, Methods of Measurement and Road Surface Characterization. Dissertation. No.166. Linkoping University.Linkoping. Sweden. 1987. 162p.
4. Поспелов П.И. Исследование транспортного шума и акустики, оценка методов борьбы с ним при проектировании автомобильных дорог. М.: МАДИ. 1980. С.62.
5. ECE: Test Results of Tire/Road Noise in Japan// TRANS/SC1/WP.29/GBR/R.107. 1990. 24 p.
6. Draft Regulation: Tire/Road Noise Emission // TRANS/SC1/WP.29/GBR/R.100. 1990. 61 p.
7. Methods foe Determination of Car Tire Noise in Project of Russian Standard/ L.F.Zheglov, V.A.Sukhorucov, Yu.B.Galevko, T.V.Ivanova, E.N.Nikulnikov. Proceedings of the International EAA/EEAA Symposium "TRANSPORT NOISE AND VIBRATION". Tallinn. 1998. P.141-144.
8. Standardization Method of Car Tire Noise/ L.F.Zheglov, V.A.Sukhorucov, Yu.B.Galevko, T.V.Ivanova, E.N.Nikulnikov. 27 the GRB. Informal document No.6. 1997. 7 p.
9. Жеглов Л.Ф. Обеспечение экологических характеристик автомобильных шин за счет снижения уровня звукового. Международный симпозиум
«Образование через науку». Сборник докладов. М.: МГТУ, 2006. С. 165171.
10. Жеглов Л.Ф., Комкин А.И., Сухоруков В.А. Стенд как средство оценки шума автомобильных шин// Автомобильная промышленность №1. М.: Машиностроение, 1997. С. 29-32.
11. Дж.Бендат, А.Пирсол. Прикладной анализ случайных данных: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. 544 с.
12. Фёрстер Э., Рёнц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа: Пер. с нем. М.: Финансы и статистика, 1983. 304 с.
