铺面工程学：轮胎与路面噪声特性分析

噪声指在工业生产、建筑施工、交通运输和社会生活中所产生的干扰周围生活环境的声音，泛指人们不需要的并希望利用一定措施消除的声音。车辆在道路上行驶时产生的噪声称为道路噪声或交通噪声，其主要来源包括汽车的发动机噪声、排气噪声、传动机构噪声以及振动噪声和轮胎-路面噪声等，其中振动噪声以及轮胎-路面噪声与路面状况之间具有密切的关系。道路噪声一般都采用A声级来测量和评价，单位是分贝（dB）。

噪声可以造成人体暂时性或持久性的听力损伤。一般来说，85 dB（A）以下的噪声不至于危害听觉，而超过100 dB（A）时，将有近一半的人会产生耳聋症状。另外，噪声会影响人的睡眠质量，从而影响工作效率和损害身体健康。70 dB（A）的连续噪声可使50%的人睡眠受到影响，而突发的噪声在达到60 dB（A）时就可使70%的人惊醒。噪声会对人体的视觉器官、神经系统、消化系统以及心血管系统产生危害。长期的噪声污染可引起头痛、惊慌、神经过敏，甚至引起神经官能症等疾病。噪声也能导致人体出现心跳加速、血管痉挛等症状，从而引发高血压、冠心病等。极强的噪声［如170 dB（A）］还会致人死亡。

目前，我国的道路噪声问题比较严重。据《2017中国环境噪声污染防治报告》报道，2016年所监测的全国320个市（镇）中，昼间道路交通噪声平均等效声级≤68.0 dB（A）的有220个城市（占68.8%）；68.1～70.0 dB（A）的有84个城市（占26.2%）；70.1～72.0 dB（A）的有11个城市（占3.4%）；72.1～74.0 dB（A）的有5个城市（占1.6%）如图7-41所示。

图7-41　2016年全国城市昼间道路交通噪声强度等级比例

1.轮胎-路面滚动接触噪声的产生机理［14，17，18］

轮胎-路面滚动接触所产生的噪声主要来源于车辆行驶时空气的泵吸作用和轮胎的振动作用。前者是由于轮胎前沿和后缘的空气压力差所产生的涡流，发出长长的嘶嘶声；后者则是轮胎胎面花纹与不规则路表面间的相互撞击所产生的声音，是低沉的隆隆声。

在路面方面，影响轮胎-路面噪声声学特性的因素包括表面构造和声阻抗（或声吸收）两方面。路表面的力学阻抗，对于目前常用的道路材料来说，差异很小，一般可以忽略不计。

对于空隙率小于8%的密实型路面，可高度反射噪声，其声阻抗接近于无穷大（声吸收接近于零），其噪声生成仅取决于其表面构造。波长处于1～100 mm范围内的表面构造（粗构造和部分宏构造）将产生噪声。设置粗构造是为了增加路面在高速行驶时的抗滑能力，宏构造则是路面施工所产生的。由于施工方法和集料粒径大的原因，水泥混凝土路面的宏构造深度要大于沥青路面的，因而其噪声也较大。降低路面噪声的基本方案，一方面是改进施工工艺和采用小粒径的集料，以减小宏构造；另一方面则是使路面上那些大于10 mm波长的表面构造的深度（波幅）尽可能小、小于10 mm波长的表面构造深度尽可能大。如图7-42所示，当波长与轮胎印迹尺寸处于相同数量级时，波幅大将使轮胎的变形相应增大，从而造成轮胎的高振幅和高噪声；而波长小的路表面，由于轮胎变形小，胎面与表面构造间的空隙可以消散空气压力，降低空气泵吸噪声，所以应尽量增大该波长范围内的路表构造深度。

图7-42　三种不同表面构造波长时的轮胎变形

a—轮迹长；b—构造波长；h—构造半波幅；d—轮胎变形

对于多空隙的路表面，噪声不仅同表面构造有关，也与其声吸收性能有关，而且后者对路表面的声学性能更为重要。声吸收一方面可以很有效地降低空气泵吸和轮胎振动产生的噪声，另一方面可以减弱声音在路表面的传播。

多空隙路面的声吸收效果主要取决于路面的空隙率（连通空隙的含量）、渗透性（气流阻抗）、空隙结构（声音在表层中的速度低于在空气中的程度）和厚度，其中主要是路面层的空隙率和厚度两项参数。空隙率应尽可能高，一般可达20%，最好达到25%，从而高度吸收高频带的噪声；层厚度则应按照最大限度吸收所要求频率范围内的噪声来确定，薄层宜于吸收高频噪声，厚层则对于吸收低频噪声更为有效。

2.实测的路面噪声示例

2004—2006年间，同济大学交通运输工程学院结合崇明岛生态道路研究，对路面噪声特点进行了实地测试［19］。本次测试主要包括平整度测量和噪声测量这两项工作。在所选取的路段上，采用车载式激光断面仪对路面国际平整度指数IRI进行了测定。噪声测量则采用了AWA6218B型噪声统计分析仪，按照国家标准《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》（GB 1495—2002）进行。测得的结果如图7-43所示，由图中趋势线可以看出以下几个特点：

图7-43　路面平整度-车外匀速行驶噪声级关系图

（1）不论是沥青路面还是水泥路面，在各个速度值下，车辆匀速行驶最大噪声级Lmax都随着IRI值的增加而增加。

（2）从整体趋势看来，水泥路面上的车匀速行驶噪声要高于相同平整度的沥青路面。

从20世纪20年代开始，公路工程师与汽车工程师就意识到了路面的不平整是引起车辆振动的主要原因，而这种振动会引起相应的车内、外噪声。不论是沥青路面还是水泥路面，随着IRI值的增加，路面不平整的程度增加，引起轮胎和车体更剧烈的振动，从而产生更大的噪声。

水泥路面的结构连续性较差，接缝的设置以及脱空等损坏现象的存在，使得路面状况经常在局部发生较大的变化，这种突变会使轮胎和车体产生比在正常路面情况下更强的振动和更大的噪声。水泥路面被称为刚性路面，其模量值较高，通常在30 000 MPa左右，甚至更高；而被称为柔性路面的沥青路面，其模量值则较低。因此，水泥路面上会有更多的能量以声能的形式释放出来。然而，沥青路面的材料均匀性和结构连续性都较之水泥路面要高，这就使得轮胎和车体在沥青路面上受到的振动相对于水泥路面要低，因此噪声也就更小。(www.xing528.com)

参考文献

［1］PATERSON W D O.Pavement behaviour and performance:highlights-part I［C］//Proceedings of the 7th International Conference on Asphalt Pavements，Nottingham:ISAP，1992.

［2］孙立军等.沥青路面结构行为理论［M］.上海：同济大学出版社，2002.

［3］孙立军等.沥青路面结构行为理论［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［4］CRONEY D，CRONEY P.The design and performance of road pavements［M］.New York:Mcgrawhill Book Company，1991.

［5］DAWLEY C B，HOGEWIEDE B L，ANDERSON K O.Mitigation of instability rutting of asphalt concrete pavements in lethbridge，alberta，canada［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，1990，59:481-508.

［6］张宏超.沥青路面的初期损坏机理分析及对策研究［D］.上海：同济大学，2002.

［7］SUN Lijun，LIU Xiping，XU Zhijun.Long-term performance studies for asphalt pavements［C］//8th International Conference on Asphalt Pavement Structural Design，1997.

［8］孙立军，刘黎萍.沥青路面结构行为方程中材料影响系数的确定方法［J］.公路交通科技，2006，23（12）：6-9.

［9］中华人民共和国交通运输部.公路沥青路面设计规范：JTGD50—2017［S］.北京：人民交通出版社，2017.

［10］CAREY W N，IRICK P E.The pavement serviceability performance concept［J］.Highway Research Board Bulletin，1960:40-58.

［11］孙立军等.道路与机场设施管理学［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［12］庄继德.汽车轮胎学［M］.北京：理工大学出版社，1996.

［13］PIARC.Technical committee report on surface characteristics［C］.18thWorld Congress，Brussels，1987.

［14］姚祖康.公路设计手册：路面［M］.北京：人民交通出版社，1999.

［15］SHAHIN M Y.Pavement management for airports，roads，and parking lots［M］.Second Edition.Spinger，USA，2004.

［16］HRB.Skid Resistance［R］.NCHRP Synthesis of Highway Practice 14，1972.

［17］PIARC.Technical committee report on surface characteristics［C］.20thWorld Road Congress，Montreal，1995a.

［18］PIARC.Technical committee report on concrete roads［C］.20thWorld Road Congress，Montreal，1995b.

［19］孙立军，杜豫川等.崇明岛生态道路建设关键技术研究及其工程示范［R］.上海：同济大学交通运输工程学院，2007.