CC BY
115
УДК 625.7/.8
Субботин Игорь Валентинович
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет»
Россия, Москва1 Старший научный сотрудник Кандидат технических наук E-Mail: subbotin-iv@rambler.ru
Расширенная методика измерения шума для контроля
Аннотация. В статье рассмотрена возможность получения широкого диапазона данных при измерении шума автомобильной резины. Описаны негативные эффекты воздействия транспортного шума на человека. Изучен механизм формирования шума при взаимодействии протектора шины с дорожным покрытием. Изучены особенности методик измерения шума при контроле качества автомобильной резины, показаны их преимущества и недостатки. Рассмотрена возможность применения разработанной в Московском автомобильно-дорожном техническом университете методики измерения шума для получения расширенных данных об автомобильной резине. Описаны условия проводимых экспериментов. Выполнены экспериментальные работы по измерению шума по нормативной и предлагаемой методикам на комплексе для ускоренных испытаний дорожно-строительных материалов. В ходе исследований выявлен схожий характер зависимости шума от скорости движения при измерениях как по нормативной методике, так и по разработанной. Также проведен анализ амплитудно-частотной характеристики измеренного шума. Установлено, что предлагаемая методика позволяет зафиксировать больше отличий между типами резины по сравнению с нормативной методикой. Сделан вывод о возможности эффективного применения разработанной методики наряду с нормативной при контроле качества автомобильных шин по критерию шумности.
Ключевые слова: транспортный шум; измерение шума; автомобильная резина; дорожное покрытие; контроль качества; амплитудно-частотная характеристика; сравнительные испытания.
Идентификационный номер статьи в журнале 11TVN414
1 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64, комната 133.
На данный момент в странах Европейского Союза и США формируется расширенный перечень технических требований к автомобильным шинам. Например, регулировочный норматив ЕС NO. 1222/2009 устанавливает правила по маркировке шин касательно отображения информации об экономии топлива (сопротивления качению), сцепления на влажной поверхности и уровня внешнего шума шин. Целью является увеличение безопасности и эффективности дорожных транспортных средств, а также стимуляция производства автомобильных шин с низким уровнем шума. Таким образом, к автомобильной резине были применены специальные санкции и нормативы, требующие соответствия новым требованиям и наличия дополнительной маркировки при распространении на территории ЕС.
Шум транспортных средств является одной из наиболее распространенных проблем окружающей среды в ЕС, обладающей негативными последствиями для общества [1]. Согласно исследованиям всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), шум вызывает нарушения сна, увеличивает риск высокого кровяного давления и кардиоваскулярных заболеваний [2]. Шумовое загрязнение влияет на качество жизни человека и стоит на втором месте после проблемы загрязнения воздуха [3]. На данный момент, по данным ВОЗ около 210 миллионов людей в ЕС регулярно подвергаются транспортному шуму свыше 55 децибел, что находится на уровне, когда шум оказывает негативное воздействие на человека.
Согласно требованиям к маркировке шин, на данный момент существует три класса шумности (рисунок 1, пример маркировки Goodyear). Ограничение уровня общего шума является первым, но далеко не решающим шагом к снижению воздействия транспортных средств на окружающую среду и человека, т.к. ограничивается только общий уровень звука, без учета его амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) [4].
.1 WAVE : <14: DOUBLE THE NOSE »8 WAVES • »6 OB . FOUH TIMES TK NOISE
Рис. 1. Классы шумности 1 черная волна: тихая шина (как минимум на 3 дБ ниже предельного значения для Европы) 2 черные волны: умеренно шумная шина (между предельным значением и -3 дБ) 3 черные волны: шумная шина (превышает предельное значение для Европы)
Известно, что шум, генерируемый системой «шина-дорога», зависит главным образом от структуры опорной поверхности и конструктивных параметров шины [5, 6, 7]. Находясь в постоянном контакте с дорожным полотном, протектор колеса формирует шум, превышающий по силе шум от двигателя при достижении скорости 30 км/ч для легковых машин, в случае грузовых - начиная со скорости 50 км/ч.
Количество децибел измеряется по логарифмической шкале. Дополнительные несколько децибел приводят к значительному увеличению уровня шума. Фактически разница в 3 дБ в два раза увеличивает уровень шума, производимого шиной.
Как было изучено ранее [8], на формирование шума при контакте шины с дорожным покрытием оказывает влияние ряд факторов. При этом необходимо рассмотреть, какое
влияние на шум оказывает сама автомобильная шина в зоне контакта с поверхностью дороги (рисунок 2).
Рис. 2. Механизм возникновения шума при движении колеса а - передняя кромка, б - зона пятна контакта, в - задняя кромка
В зоне передней кромки наблюдается ударное воздействие блока протектора, что вызывает его вибрацию. Частота данных ударов совпадает с частотой расположения блоков протектора на шине. На ровном покрытии будет преобладать шум от блоков протектора, в то время как покрытие с неровностями вносит дополнительный шум. Также происходит сжатие воздуха, находящегося между блоками. В зоне пятна контакта происходит некоторое движение компонентов протектора относительно поверхности дороги, что вызывает шум при проскальзывании. На этот механизм также будет влиять дорожное покрытие, в частности, чем выше шероховатость, тем ниже шум от эффекта проскальзывания. Кроме того, в процессе продвижения элементов протектора в зоне пятна контакта, отдельные блоки сжимаются, что вызывает рост давления воздуха, находящегося между блоками. Эти колебания давления воздуха также создают шум. В зоне задней кромки шины возникает радиальная вибрация, вызванная резким срывом элементов протектора с поверхности покрытия, что также вызывает шум. Тангенциальные силы, присутствующие в области пятна контакта, способствуют
значительным отклонениям блоков проектора, таким образом, когда эти силы перестают действовать, освобожденный блок начинает вибрировать.
Установлено также [9], что значительное влияние на структуру шума оказывает дорожное покрытие и его характеристики - материал, плотность, шероховатость. При этом в общем виде по уровню шума покрытия можно разделить на три группы:
• наибольший уровень шума, цементобетонные покрытия
• высокий/средний уровень шума, асфальтобетонные покрытия на основе плотных смесей
• средний/низкий уровень шума, асфальтобетонные покрытия на основе пористых смесей
Для измерения шума, возникающего при контакте шины с дорожным покрытием в процессе контроля качества автомобильных шин, применяют методику по ГОСТ Р 528002007. Среди недостатков данной методики нужно отметить следующие пункты:
• для измерений используется транспортное средство, оборудованное 4 испытуемыми шинами, что затрудняет измерение шума каждой из шин по отдельности
• для того чтобы исключить шум двигателя и трансмиссии необходимо выполнять разгон с последующим отключением двигателя и установкой нейтральной передачи, что усложняет обеспечение точного значения скорости в момент прохода перед микрофоном
• кузов транспортного средства может создавать воздушные потоки, шум которых снижает точность измерений
Кроме того, известно, что на результаты измерений по ГОСТ Р 52800-2007 влияет сочетание процессов формирования и распространения звука [10]. Это вызвано тем, что от точки образования звука при взаимодействии шины с покрытием, до момента попадания волны на мембрану измерительного микрофона, звук подвергается отражению от поверхности покрытия. Кроме того, на больших расстояниях усиливается влияние эффекта Доплера [11]. Поэтому для исследований по определению шума взаимодействия шины с покрытием, применяются методики, разрабатываемые при поддержке Американской ассоциации должностных лиц, отвечающих за дорожный транспорт (AASHTO).
Для измерения шума автомобильной резины может быть использована разработанная в МАДИ с учетом опыта AASHTO методика определения шума на комплексе для ускоренных испытаний дорожно-строительных материалов (КУИДМ-2) [8, 9, 12]. Известно, что методика измерения шума по методу OBSI (on board sound intensity) обладает важными преимуществами, по сравнению с нормативным методом. Шум от взаимодействия шины с покрытием измеряется на близком расстоянии практически изолированно от остальных шумов, что отражается на более объективной оценке шума шин и его АЧХ. Однако размещение микрофона над движущимся колесом в условиях комплекса КУИДМ-2 является трудоёмким и не всегда оправданным способом, так как решающим фактором эффективности измерения шума является расстояние от источника до микрофона. Кроме того, в отличие от реальных транспортных средств, тележка стенда не создаёт таких значительных шумов, как полная конструкция автомобиля, основным источником звука является процесс контакта колеса и дорожного покрытия. Поэтому микрофон располагается статически на расстоянии 30 см от колеса и на высоте 10 см.
Для полевых экспериментов применяется комплекс оборудования, состоящий из измерительного микрофона, микрофонного предварительного усилителя и ноутбука.
Чтобы при испытаниях по разработанной методике гарантировать получение значений, сопоставимых с получаемыми по нормативной методике, необходимо провести экспериментальные исследования на стенде КУИДМ-2 с применением обеих методик (рисунок 3).
Измерительный
Рис. 3. Схемы измерения шума по нормативной и предлагаемой методикам
Сначала микрофон размещается согласно ГОСТ Р 52800-2007 на расстоянии 7,5 м от колеса (т.к. на стенде КУИДМ-2 отсутствует транспортное средство, измерение ведётся от колеса) и высоте 1,2 м (рисунок 4 а). Для измерения шума производят запуск стенда и разгон до требуемой скорости, затем выполняют измерение шума при 10 проходах колеса с испытуемой шиной через измерительный створ. Контроль температурных характеристик и ветра выполняют в соответствие с ГОСТ. После выполнения испытаний по ГОСТ выполняются измерения по разработанной методике (рисунок 4 б). Порядок измерений не отличается от нормативной методики.
Рис. 4. Расположение микрофона при экспериментах на комплексе КУИДМ-2: а) стандартная методика б) разработанная методика
Целью сравнительных испытаний, проводимых по нормативной и разработанной методикам, является определение взаимосвязи между получаемыми результатами. Это необходимо для того чтобы обеспечить возможность сопоставления результатов, полученных на комплексе КУИДМ и по нормативной методике. Для выполнения сравнительных испытаний выбран диапазон скоростей по ГОСТ Р 52800-2007 - 60, 70, 80 км/ч. Результаты измерений максимального звукового давления при различных скоростях движения представлены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты измерений шума при различных скоростях
Уровень шума, dB Скорость, км/ч
60 70 80
методика МАДИ 63 71 90
методика ГОСТ 52 60 68
Как видно из результатов (рисунок 5), характер зависимости шума от скорости движения в обеих методиках схожий. Однако необходимо также оценить амплитудно-частотную характеристику измеряемого шума.
т
ТЗ
03 >
3 .0
I
ф
т
о
а.
>
100 90 80 70 60 50 40
60
65
70
ГОСТ
МАДИ
75 80
Скорость, км/ч
Рис. 5. Зависимость шума от скорости при измерении по различным методикам
Для сравнения выбрана максимальная скорость 80 км/ч. Оценивается разница в показаниях, получаемых по стандартной и разработанной методиках для внешнего и внутреннего колеса комплекса КУИДМ-2, а также для шипованной и стандартной резины.
Рис. 6. Амплитудно-частотная характеристика шума стандартной резины по внешнему
радиусу, методика по ГОСТ
Рис. 7. Амплитудно-частотная характеристика шума шипованной резины по внешнему
радиусу, методика по ГОСТ
Рис. 8. Амплитудно-частотная характеристика шума стандартной резины по внутреннему
радиусу, методика по ГОСТ
Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика шума шипованной резины по внутреннему
радиусу, методика по ГОСТ
Обработка результатов (рисунки 5 - 9) показывает, что при измерениях согласно ГОСТ общий уровень шума при одинаковой скорости изменяется незначительно при сравнении стандартной резины и шипованной. Это связано с тем, что на расстоянии 7,5 м микрофон позволяет зафиксировать суммарный шум, создаваемый всеми колесами стенда, как внешнего, так и внутреннего радиуса. Кроме того, как было отмечено в исследованиях [10, 13], при таком расположении микрофона неизбежно влияние отражений и стоячих волн. Таким образом, в условиях комплекса КУИДМ-2 нормативная методика измерения шума позволяет получить только ограниченные данные, в частности - общий уровень шума, создаваемого автомобильной резиной.
Была выполнена оценка АЧХ шума, измеряемого по разработанной в МАДИ методике. Результаты представлены на рисунках 10 - 13.
( I >
UOO
-10 (В
-20 ОБ
-30®
-40«
-50« ШЛ В
Hri «
-60« uAV L__
Vi» r«yii
-70« Wl ГШ
im ran
-80« mm UV, я m
ШЛ KULI ни
-90« 3 Iii',
Ш iJl
-100« ЯЯ Mk" H^E
M ■i .r*
-11035
-120« 10 f
HZ 22 HZ 47 HZ 100 Hz 220 HZ 470 HZ 1tHZ 3 HZ 3HZ 1<»HZ 22k Hz
L rfode: dl Instant □ Peak II Filled
Рис. 10. Амплитудно-частотная характеристика шума стандартной резины по внешнему
радиусу, методика МАДИ
Рис. 11. Амплитудно-частотная характеристика шума шипованной резины по внешнему
радиусу, методика МАДИ
Рис. 12. Амплитудно-частотная характеристика шума стандартной резины по внутреннему радиусу, методика МАДИ
Рис. 13. Амплитудно-частотная характеристика шума шипованной резины по внутреннему
радиусу, методика МАДИ
Из графиков видно, что разница между стандартной и шипованной резиной выражается не только в общем уровне, но и в отдельных участках АЧХ. В частности, шипованная резина показывает больший пик в диапазоне 800 - 1000 Гц, а также в области ультразвука - свыше 21 кГц. Разница между типами резина прослеживается как на внешнем, так и на внутреннем радиусе комплекса.
На основании выполненных исследований и проведенных экспериментальных работ сделаны следующие выводы:
• необходимость регулирования транспортного шума вызвана его негативными воздействиями на окружающую среду и человека, в частности данные эффекты наблюдаются с ростом автомобилизации и скоростей движения;
• наибольшее влияние на транспортный шум оказывает контакт автомобильного колеса с дорожным покрытием, рассмотрен механизм взаимодействия протектора с покрытием;
• контроль качества автомобильных шин по критерию шумности на данный момент проводится в соответствие ГОСТ Р 52800-2007, однако такая методика обладает рядом недостатков;
• на комплексе КУИДМ-2 выполнены экспериментальные работы по сравнению результатов измерений шума, полученных по нормативной и разработанной в МАДИ методикам;
• обработка результатов экспериментальных работ показывает, что зависимость шума от скорости транспортного средства при измерении как по нормативной, так и по стандартной методикам, носит схожий характер;
• установлено, что расположение микрофона по разработанной в МАДИ методике позволяет не только получить сопоставимые с нормативной методикой значения, но и оценить АЧХ шума, что позволяет более объективно оценить разницу между различными моделями автомобильной резины.
ЛИТЕРАТУРА
1. Goines, L., and L. Hagler. Noise Pollution: A Modern Plague, Southern Medical Journal, Volume 100, March 2007, pp. 287-294.
2. WHO press release, New evidence from WHO on health effects of traffic-related noise in Europe, Bonn and Copenhagen (30 March 2011): www.euro.who.int/en/what-we-do/health-topics/environmental-health/noise
3. CE Delft (2007): Traffic Noise Reduction in Europe: Health effects, social costs and technical and policy options to reduce road and rail traffic noise: www.transportenvironment.org/Publications/prep_hand_out/lid:495
4. Jos Dings (T&E), Genon Jensen (HEAL), "Quiet Please, Better health through strong EU regulation", T&E - European Federation for Transport and Environment, May 2011
5. EU regulations on external rolling noise of passenger car tyres, Makram Zebian, Ernst-Ulrich Saemann, Christoph Bederna, Acoustics in Practice, Vol. 1, No. 2, October 2013
6. Шум на транспорте/ Пер. с англ. К.Г.Бомштейна. Под ред. В.Е. Тольского, Г.В. Бутакова, Б.Н. Мельникова. - М.: Транспорт, 1995.-368 с.
7. Римонди Дж. Роль шин в создании шумов автомобиля// 2-я Международная конференция АТА "Комфортабельность автомобиля". Болонья. Италия. 1995. С. 957-975. (Перевод ОНТИ АО "АВТОВАЗ",1995. 25 с.)
8. Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Субботин И.В., Малофеев А.С. Исследование шума в ультразвуковом диапазоне при движении шипованной шины на стенде «Карусель». // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/40tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.
9. Васильев Ю.Э., Беляков А.Б., Субботин И.В., Малофеев А.С. Шум, как показатель сцепных свойств дорожного покрытия // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №6 (19) [Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/74TVN613.pdf, свободный - Загл. с экрана.
10. Donavan, P.R., Schumacher, R. F. and Stott, J.R., "Assessment of Tire/Pavement Interaction Noise under Vehicle Passby Test Conditions Using Sound Intensity Measurement Methods", 135st Meeting of the Acoustical Society of America and the 16th International Congress on Acoustics, Seattle, WA, June 24, 1998.
11. Кочетков А. В., Федотов П. В. Новое в эффекте Доплера: принцип зеркальности и общие уравнения (в порядке дискуссии) // Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №4 (13) [Электронный ресурс].-М. 2012. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/47tvn412.pdf, свободный - Загл. с экрана.
12. Штефан Ю. В., Васильев Ю. Э., Беляков А. Б., Панарин Г. А. Модернизация кольцевого стенда «КУИДМ-2» для расширения спектра измеряемых параметров и ускорения испытаний // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №3 (19) [Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/108TVN613.pdf, свободный - Загл. с экрана.
13. Donavan, P.R., "Tire-Pavement Interaction Noise Measurement under Vehicle Operating Conditions of Cruise and Acceleration", SAE Paper 931276, Society of Automotive Engineers Noise and Vibration Conference Proceedings, Traverse City, MI, May 1993.
Рецензент: Кочетков Андрей Викторович, профессор, доктор технических наук, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Igor Subbotin
Moscow Automobile And Road Construction State Technical University (MADI)
Russia, Moscow E-Mail: subbotin-iv@rambler.ru
Expanded noise measurement method for tires quality control
Abstract. Wide range data obtaining during tire noise measurement possibility is considered in article. Noise impact negative effects on human are described. There is studied noise generating mechanism during tire and pavement contact. Noise measurement methods for tire quality control and its advantages and disadvantages are shown. There is considered usage possibility of developed in Moscow Automobile And Road Construction State Technical University noise measurement method for expanded data obtaining. Experiments conditions are described. Noise measurement experiments with use of standard and proposed methods are performed on road building materials accelerated testing complex. Similar noise and speed relation when measured with use of standard and proposed methods is identified during experiments. Frequency response function analysis is also conducted. There is revealed that more differences between tire types could be found with use of proposed method compared to standard. Proposed method effective usage possibility in combination with standard method for tire quality control is concluded.
Keywords: traffic noise; noise measurement; automobile tires; road pavement; quality control; frequency response function; comparative tests.
Identification number of article 11TVN414
REFERENCES
1. Goines, L., and L. Hagler. Noise Pollution: A Modern Plague, Southern Medical Journal, Volume 100, March 2007, pp. 287-294.
2. WHO press release, New evidence from WHO on health effects of traffic-related noise in Europe, Bonn and Copenhagen (30 March 2011): www.euro.who.int/en/what-we-do/health-topics/environmental-health/noise
3. CE Delft (2007): Traffic Noise Reduction in Europe: Health effects, social costs and technical and policy options to reduce road and rail traffic noise: www.transportenvironment.org/Publications/prep_hand_out/lid:495
4. Jos Dings (T&E), Genon Jensen (HEAL), "Quiet Please, Better health through strong EU regulation", T&E - European Federation for Transport and Environment, May 2011
5. EU regulations on external rolling noise of passenger car tyres, Makram Zebian, Ernst-Ulrich Saemann, Christoph Bederna, Acoustics in Practice, Vol. 1, No. 2, October 2013
6. Shum na transporte/ Per. s angl. K.G.Bomshtejna. Pod red. V.E. Tol'skogo, G.V. Butakova, B.N. Mel'nikova. - M.: Transport, 1995.-368 s.
7. Rimondi Dzh. Rol' shin v sozdanii shumov avtomobilja// 2-ja Mezhdunarodnaja konferencija ATA "Komfortabel'nost' avtomobilja". Bolon'ja. Italija. 1995. S. 957975. (Perevod ONTI AO "AVTOVAZ",1995. 25 s.)
8. Vasil'ev Ju.Je., Beljakov A.B., Subbotin I.V., Malofeev A.S. Issledovanie shuma v ul'trazvukovom diapazone pri dvizhenii shipovannoj shiny na stende «Karusel'». // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013 №4 (17) [Jelektronnyj resurs].-M. 2013. -Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/40tvn413.pdf, svobodnyj - Zagl. s jekrana.
9. Vasil'ev Ju.Je., Beljakov A.B., Subbotin I.V., Malofeev A.S. Shum, kak pokazatel' scepnyh svojstv dorozhnogo pokrytija // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013 №6 (19) [Jelektronnyj resurs].-M. 2013. - Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/74TVN613.pdf, svobodnyj - Zagl. s jekrana.
10. Donavan, P.R., Schumacher, R. F. and Stott, J.R., "Assessment of Tire/Pavement Interaction Noise under Vehicle Passby Test Conditions Using Sound Intensity Measurement Methods", 135st Meeting of the Acoustical Society of America and the 16th International Congress on Acoustics, Seattle, WA, June 24, 1998.
11. Kochetkov A. V., Fedotov P. V. Novoe v jeffekte Doplera: princip zerkal'nosti i obshhie uravnenija (v porjadke diskussii) // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2012 №4 (13) [Jelektronnyj resurs].-M. 2012. - Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/47tvn412.pdf, svobodnyj - Zagl. s jekrana.
12. Shtefan Ju. V., Vasil'ev Ju. Je., Beljakov A. B., Panarin G. A. Modernizacija kol'cevogo stenda «KUIDM-2» dlja rasshirenija spektra izmerjaemyh parametrov i uskorenija ispytanij // Internet-zhurnal «Naukovedenie». 2013 №3 (19) [Jelektronnyj resurs].-M. 2013. - Rezhim dostupa: http://naukovedenie.ru/PDF/108TVN613.pdf, svobodnyj - Zagl. s jekrana.
13. Donavan, P.R., "Tire-Pavement Interaction Noise Measurement under Vehicle Operating Conditions of Cruise and Acceleration", SAE Paper 931276, Society of Automotive Engineers Noise and Vibration Conference Proceedings, Traverse City, MI, May 1993.
