汽车NVH测试中轮胎噪声的影响因素及测试要点

NVH（噪声、振动与声振粗糙度）是衡量汽车乘坐舒适性的核心指标，而轮胎噪声作为车辆行驶中主要的外部噪声源之一，其强度与特性直接影响用户驾乘体验及车型市场竞争力。本文围绕汽车NVH测试中轮胎噪声的核心问题，系统梳理影响轮胎噪声的关键因素，并结合实际测试场景总结操作要点，为工程人员开展轮胎噪声优化及测试验证提供实用参考。

轮胎结构设计对噪声的影响

胎面花纹是轮胎与路面接触的直接部位，其设计参数直接决定噪声产生机制。纵向花纹以排水性为主，花纹沟沿圆周方向延伸，气流在沟内流动较为顺畅，高速行驶时空气泵吸噪声较弱；横向花纹则因花纹沟垂直于行驶方向，花纹块与路面接触时易压缩沟槽内空气，高速下空气快速排出产生明显的“泵气噪声”，是中高速噪声的主要来源。混合花纹通过纵向与横向花纹结合，在排水与噪声间平衡，但需优化花纹块排列避免频率叠加。

花纹块的大小与间距设计同样关键。若花纹块尺寸一致，行驶中会产生固定频率的共振噪声，工程中多采用“变节距”设计，通过调整花纹块长度或间距的随机分布，将噪声能量分散至更宽频率范围，降低峰值噪声强度。此外，花纹沟的形状（如U型、V型）及深度也影响噪声：深沟虽提升排水性，但高速下空气排出速度更快，噪声峰值更高；浅沟则反之，但易因水膜产生滑水噪声。

胎体结构对噪声的影响源于其振动特性。胎体层数越多、帘子线材料刚度越高（如钢丝帘线 vs 尼龙帘线），胎体整体刚度越大，接地时的振动传递效率越高，易激发更高频率的结构噪声。带束层作为轮胎的“刚性骨架”，其刚度匹配直接影响接地压力分布：若带束层过刚，接地面积减小，局部压力集中，花纹块与路面冲击加剧；若过柔，则胎体变形过大，花纹沟泵气过程更剧烈。

橡胶配方是影响轮胎噪声的材料基础。天然橡胶具有良好的弹性与阻尼特性，能吸收部分振动能量，降低噪声辐射；合成橡胶（如丁苯橡胶、顺丁橡胶）则因耐磨或耐热性优被广泛使用，但部分合成胶的高弹性模量会增加振动传递效率。填充剂中，炭黑粒径越小，橡胶材料阻尼越大，噪声越低，但过小粒径会降低耐磨性；白炭黑作为环保填充剂，可通过硅烷偶联剂改善橡胶与填充剂的界面结合，进一步降低滚动噪声。

路面特性对轮胎噪声的作用机制

路面类型是决定轮胎噪声频谱特性的核心因素之一。密级配沥青路面表面密实，轮胎花纹与路面接触时空气泵吸效应较弱，中低频噪声（500-1500Hz）占比高；多孔沥青路面因表面存在大量连通孔隙，能吸收部分空气泵气产生的声波，同时减少花纹块与路面的冲击振动，高频噪声（1500-3000Hz）可降低3-5dB(A)。水泥混凝土路面刚性强，轮胎接地时胎体振动易传递至路面并反射，接缝处的周期性冲击会产生明显的低频共振噪声（200-500Hz）。

路面粗糙度通过改变轮胎与路面的接触状态影响噪声。粗糙度参数中的纹理深度（TD）直接反映路面微观凸起的密集程度：TD值越大（如粗糙沥青路面），轮胎花纹块与路面的接触点越多，局部压力波动加剧，噪声能量向高频（2000-4000Hz）转移；而光滑路面（如新建水泥路面）的TD值小，接触区域压力分布均匀，噪声以中低频为主，但易因水膜产生滑水噪声。

路面温度通过影响橡胶材料特性及接触状态间接改变噪声。当路面温度升高（如夏季正午），轮胎橡胶因热传导变软，阻尼系数增加，花纹块与路面冲击时的振动能量被更多吸收，噪声强度可降低2-3dB(A)；反之，冬季低温环境下橡胶变硬，振动传递效率提升，相同车速下噪声会升高5dB(A)以上。此外，高温路面易使轮胎表面粘附上细小颗粒，改变花纹沟内的气流流动，可能导致高频噪声峰值出现偏移。

特殊路面条件（如冰雪路面、积水路面）对噪声的影响更复杂。冰雪路面上，轮胎花纹与冰雪的摩擦系数低，花纹块易发生“滑擦”，产生高频尖叫噪声；积水路面则因水膜存在，花纹沟内的空气泵吸过程被水替代，形成“水锤效应”，产生低频轰鸣声，同时水膜导致的轮胎振动会激发胎体结构噪声。

行驶条件对轮胎噪声的影响规律

车速是影响轮胎噪声强度的最直接因素。根据声学理论，轮胎噪声中的空气泵吸噪声强度与车速的平方成正比，而胎体振动噪声则与车速的三次方相关，因此随着车速提升，轮胎噪声呈指数级增长。例如，车速从60km/h提升至120km/h时，噪声强度可增加10-15dB(A)，且高频成分（＞2000Hz）占比显著提高——这是因为高速下花纹沟内空气排出速度更快，气流湍流加剧，激发更高频率的噪声。

车辆载荷通过改变轮胎接地状态影响噪声。当车辆满载（如5人加行李），轮胎接地面积较空载时增大15%-20%，花纹块与路面的接触压力升高，泵气噪声和冲击噪声增强；满载时噪声比空载高3-5dB(A)。此外，重载下轮胎橡胶的压缩量增大，花纹沟深度减小，排水性下降，易在湿滑路面产生额外的水噪声。

轮胎胎压的变化直接影响胎体刚度及接地压力分布。胎压高于厂家推荐值（如标准2.5bar增至3.0bar）时，胎体变硬，接地面积减小，局部压力集中，噪声升高2-4dB(A)；若胎压过低（如降至2.0bar），胎体过度变形，花纹块与路面的接触时间延长，花纹沟内的空气泵吸过程更充分，同时胎体帘线的振动加剧，会产生明显的低频隆隆声。

行驶工况的变化（如加速、减速、转弯）也会改变噪声特性。加速工况下，发动机动力传递至轮胎，胎体受到的扭矩增加，花纹块与路面的接触压力出现周期性波动，噪声频谱中会出现与发动机转速相关的调制成分；减速工况（如带挡减速）则因轮胎处于“拖动”状态，花纹块与路面的摩擦方向改变，易产生高频摩擦噪声；转弯时，外侧轮胎载荷增加，接地面积偏移，噪声强度较直线行驶时高3dB(A)左右，且频率分布更分散。

车辆匹配对轮胎噪声传递的影响

悬架系统作为轮胎与车身的连接环节，其特性直接决定轮胎振动及噪声的传递效率。刚性悬架（如运动型车常用的多连杆悬架）虽能提升操控性，但对轮胎振动的衰减能力弱，易将胎体结构噪声传递至车身，导致驾驶舱内中低频噪声升高；而舒适性悬架（如麦弗逊悬架配软弹簧）通过弹簧和减震器的阻尼作用，可将轮胎振动能量衰减50%以上，有效降低结构噪声传递。

悬架衬套的材料与刚度对噪声传递的影响更隐蔽。橡胶衬套具有良好的阻尼特性，能吸收轮胎振动中的高频成分（＞2000Hz），但若衬套老化变硬，阻尼系数下降，高频噪声会直接传递至车身；部分高端车型采用液压衬套，通过内部液体流动进一步衰减低频振动（100-500Hz），可将驾驶舱内的轮胎噪声降低4-5dB(A)。

轮拱设计是控制轮胎空气噪声的关键环节。开放式轮拱（如部分越野车）允许空气自由进出，高速行驶时轮拱内会形成涡流，产生高频气流噪声；而封闭式轮拱通过导流槽将空气引向车身侧面，减少涡流形成，可降低3-4dB(A)的高频噪声。轮拱衬垫的材料选择也很重要：吸音棉（如聚酯纤维）能吸收中高频空气噪声，而隔音垫（如EPDM橡胶）则擅长阻隔低频结构噪声，组合使用可覆盖更宽频率范围。

车身隔音材料的覆盖范围与性能决定了驾驶舱内的噪声水平。底盘地垫中的阻尼片（如沥青基阻尼片）可抑制车身底板的振动，减少胎体结构噪声的辐射；轮拱内侧的吸音棉厚度从10mm增加至20mm时，中高频噪声（1000-3000Hz）可降低5dB(A)；车窗密封胶条的密封性差会导致外部空气噪声渗入，尤其是高速行驶时，密封不良的车门会产生“风哨声”，与轮胎噪声叠加后影响用户体验。

轮胎噪声测试的环境控制要点

测试场地的选择直接决定数据的重复性与可比性。根据ISO 10844《道路车辆 轮胎噪声测试方法》要求，应选择标准平整路面（如混凝土平整路面或密级配沥青路面），路面长度需满足匀速测试的稳定工况（≥200m），宽度≥3.5m以避免边缘效应。场地周边需远离建筑物、树木或其他障碍物（距离≥50m），防止噪声反射形成回声，干扰测试数据。

背景噪声控制是确保测试有效性的关键。根据GB/T 25982《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》要求，测试时背景噪声需低于被测噪声10dB(A)以上，否则需调整测试时间（如清晨或夜间）或选择更安静的场地。测试前需用声级计在测试路线上均匀布置3个点测量背景噪声，平均值符合要求后方可开始测试。

气象条件对测试结果的影响不可忽视。风速需控制在5m/s以下（微风级），否则高速行驶时车辆周围的气流会产生风噪声，叠加至轮胎噪声中；湿度需≤80%，避免传感器（如麦克风）因受潮导致灵敏度下降；环境温度应保持在10-30℃之间，温度波动≤2℃/h，以保证轮胎橡胶特性稳定——若温度超出范围，需延长轮胎预热时间（如行驶10km以上），使轮胎温度达到工作状态。

测试区域的标记需清晰。应在测试路面上标出加速区（≥100m）、稳定测试区（≥50m）和减速区（≥50m），确保车辆进入稳定测试区时车速、载荷等条件一致，减少工况波动对数据的影响。

轮胎噪声测试的设备要求

传感器类型的选择需匹配测试目的。车外轮胎噪声测试通常采用自由场麦克风（如Brüel & Kjær 4189型），其频率响应平坦（20-20000Hz），能准确捕捉空气传播的噪声；车内噪声测试则用压力场麦克风（如4191型），适应封闭空间的声压测量。测量胎体振动需用压电式加速度传感器（如4507B型），其灵敏度高（100mV/g），能捕捉到胎体的微小振动。

传感器的安装位置需严格遵循标准。车外麦克风的安装位置按ISO 10844要求：距车辆行驶中心线7.5m，高度1.2m，麦克风指向车辆前进方向，与地面夹角30°；车内麦克风需安装在驾驶员耳旁位置（头部中心点，高度1.2m），用支架固定，避免与车身接触产生振动干扰。加速度传感器需粘贴在轮胎内壁（胎侧靠近胎肩处）或轮辋上，安装前需清洁表面并涂耦合剂，确保信号传递良好。

设备校准是保证数据准确性的前提。麦克风需每日用活塞式校准器（如4231型）校准，校准频率为1kHz，声压级94dB(A)；加速度传感器需每月用振动台（如9480型）校准，校准频率范围5-2000Hz，灵敏度误差≤1%；数据采集系统需每季度进行线性度检查，确保输入输出信号的线性关系在允许范围内。

辅助设备的选择需配套。车辆速度测量需用非接触式测速仪（如激光测速仪），精度≤0.1km/h，避免因车速误差导致噪声强度计算错误；轮胎温度测量需用红外测温仪，测量点选在胎侧中间位置，精度≤1℃，用于修正橡胶特性对噪声的影响；载荷测量需用轮重仪，精度≤1%，确保测试载荷符合设定要求。

轮胎噪声测试的工况设定

匀速工况是轮胎噪声测试的基础工况，用于评估稳态行驶下的噪声特性。常用车速包括50、60、80、100、120km/h，覆盖日常城市及高速行驶场景。车辆进入稳定测试区前需在加速区将车速提升至目标值，进入测试区后保持匀速行驶至少5s，确保噪声信号稳定。每个车速需重复测试3次，取平均值以减少随机误差。

加速工况用于评估动态行驶下的噪声变化。通常选择全油门加速（从0加速至100km/h）或部分油门加速（如60-120km/h），数据采集需从加速开始到车速稳定的全过程，捕捉噪声随车速上升的瞬态特性。加速工况下需同时记录发动机转速、节气门开度等参数，以便分析噪声与动力系统的相关性。

负载工况需覆盖不同载荷状态。空载工况为车辆仅载驾驶员一人（约75kg）；半载工况为加载至最大载荷的50%（如SUV车型加载300kg）；满载工况为加载至厂家规定的最大载荷（如500kg）。测试时需将载荷均匀分布在后备箱及后排座椅，避免载荷偏移导致轮胎接地压力不均。通过对比不同负载下的噪声数据，可评估载荷对轮胎噪声的影响程度。

特殊工况用于模拟实际使用场景。转弯工况需设定固定转向角（如10°、20°），车辆以恒定车速（如60km/h）沿圆形路线行驶，测量外侧轮胎的噪声——此时外侧轮胎载荷增加，接地面积偏移，噪声特性与直线行驶差异明显。制动工况分为紧急制动（制动踏板踩到底）和缓制动（轻踩踏板），紧急制动时轮胎与路面的摩擦系数骤增，易产生高频尖叫噪声；缓制动则因摩擦能量逐步释放，噪声以中低频为主。

轮胎噪声测试的数据采集与分析要点

数据采集的参数设置需满足分析需求。采样频率应≥44.1kHz（人耳可听频率范围20-20000Hz），确保高频噪声成分不被遗漏；采样时长≥10s，包含车辆进入稳定测试区前的过渡段（2s）、稳定段（5s）和离开后的过渡段（3s），便于后期截取稳定数据；多通道采集时（如麦克风、加速度传感器、车速仪），需确保通道同步误差≤1ms，避免时间偏移导致相关性分析错误。

时域分析用于初步判断噪声的瞬态特性。通过时域波形图可观察噪声的峰值、有效值（RMS）及波形的周期性——若波形存在明显的周期性波动，说明噪声与轮胎转速或发动机转速相关（如花纹节距噪声、发动机调制噪声）；若波形随机无规律，则可能是气流噪声或路面随机激励产生的噪声。

频域分析是轮胎噪声分析的核心方法。通过快速傅里叶变换（FFT）将时域信号转换为频域频谱图，可识别噪声的主要频率成分：如100-500Hz的低频成分多为胎体结构噪声，500-2000Hz的中低频为空气泵吸噪声，2000-5000Hz的高频为花纹块冲击或摩擦噪声。1/3倍频程分析则将频率划分为多个频段（如63Hz、80Hz、100Hz…），直观展示各频段的噪声强度，便于对比不同工况下的噪声分布差异。

特征提取需聚焦关键参数。总声压级（A计权）反映整体噪声水平，是最直观的评价指标；峰值频率（如某车速下噪声最大的频率点）用于识别主要噪声源（如200Hz峰值可能是胎体共振，1500Hz峰值可能是花纹泵气噪声）；频谱斜率（如1000-3000Hz频段内噪声随频率的变化率）可判断噪声类型——斜率为正说明高频噪声占比高（如横向花纹轮胎），斜率为负说明中低频占比高（如纵向花纹轮胎）。

相关性验证用于确认噪声源及影响因素。例如，将轮胎花纹深度（从新胎的8mm磨损至2mm）与噪声总声压级进行相关性分析，若相关系数R²≥0.8，说明花纹深度是影响噪声的显著因素；将悬架衬套刚度与车内噪声进行关联，若衬套刚度增加10%导致噪声升高2dB(A)，则可确定衬套是噪声传递的关键环节。相关性验证需结合多个参数（如车速、胎压、路面粗糙度）进行多元线性回归分析，排除干扰因素。