低噪声轮胎花纹结构故障诊断及其优化研究
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摘要
开始对轮胎噪声进行研究是因为1994年武汉工业大学自动化研究所与上海橡胶集团合作的“轮胎花纹噪声控制”项目，随着我们对轮胎花纹噪声研究的深入，“低噪声轮胎花纹分析与设计系统软件”越来越受到轮胎工业和相关研究部门的关注，他们不仅表示了合作的意愿，也对软件的高度智能化提出了新的要求。
本课题从轮胎花纹噪声控制的基本理论出发，对轮胎噪声测试方法、常用图表和仿真模型进行了阐述；用实测数据对部分分析计算公式进行了推导和验证；还着重从轮胎花纹噪声降噪优化理论、智能优化方法、噪声综合智能诊断等方面，对轮胎花纹噪声控制进行了系统的研究。
首先，论文介绍了轮胎噪声的两种主要测量方法，包括室内转鼓测量和场地测量方法，室内测量便于对轮胎噪声进行研究，场地测量能较好地反映汽车噪声对周围环境的污染。论文还对噪声测量和分析常用图表、各种指标参数进行了介绍，这些内容是后文核心部分必要的铺垫。轮胎花纹噪声仿真分析是导师和前几届学生的研究成果，本文通过实测数据对软件所采用的算法进行了验算和修正。
轮胎花纹结构参数智能降噪优化和噪声综合诊断是本课题重点。论文第四章分析了轮胎花纹优化降噪的基本原理，总结出三条降噪途径：在允许范围内尽量减小单个块或槽的大小、刻刀槽软化花纹块来减小噪声时域波幅度；调整节距排列顺序、花纹条之间的错位值，使各发声单元发出的声压时域波形的同向峰值错开，避免同向峰值叠加；调整花纹块和槽比例、节距比例、节距排列顺序，尽量避免周期性分布，使轮胎所发出的噪声趋于白噪化，避免某些频段的异常高峰值。基于这些理论，我们研究出一种智能优化和综合智能诊断方法，即基于模糊遗传算法(F—GA)的智能优化诊断方法，论文对该方法作了详细介绍：首先介绍了遗传算法的基本理论及方法，接着用模糊推理理论确定优化目标函数，然后根据优化目标函数导出适应度函数，最后介绍了如何用遗传算法对花纹参数进行智能优化和噪声智能诊断的，其中，讲述了各个待优化参数的编码方法、交叉、概率选择复制个体方法等。
论文最后两章介绍了相关软件的设计，并以实际轮胎花纹方案作为优化和噪声故障诊断对象，讲述了智能优化和智能诊断的过程，给出了优化效果图和诊断结果。
本文的研究成果和程序具有较强的工程实用性，其高度的智能化优化和诊断功能为低噪声轮胎设计和生产提供了强有力的高效方法与路径。
Research on tyre noise begins with the cooperative project between Automation Institute of Wuhan University of Technology and Shanghai Rubber Group. With the further research on tyre pattern noise, lower noise tyre pattern analysis and designing software made by us intrigues tyre industry and relative research unit more strongly, and they not only show their cooperative tendency, but make more demands on high intelligence of software.
Based on the basic principle of tyre pattern noise controlling, measurement approach of tyre noise, frequently used charts and simulation model are introduced, some computation formulas are derived and testified. Emphasis is placed on the studying of tyre pattern noise controlling from the following aspects: noise reduction optimization theory, intelligent optimization approaches and comprehensive noise intelligent diagnosis, etc.
Two main approaches to measure tyre noise is introduced, indoor drum-rolling measurement and outdoor yard measurement. The former is eligible to noise research, and the latter could reflect noise pollution to environment. According to the academic fruit of my tutor and his graduated students on tyre pattern noise simulation analysis, the previous algorithms are perfected and testified.
Research on intelligent noise reduction optimization and comprehensive noise diagnosis is the emphases of this paper. After analyzed the basic principle of optimized noise reduction on tyre pattern, summarized three approaches to noise reduction. The first is trying to reduce size of single block or socket to reduce noise amplitude on time domain, the second is to adjust stripes sorting order and their interlace value to avoid noise-made by every single block-peak values on time domain overlayed and the last is to adjust ratio of blocks and sockets, ratio of stripe interval and stripe sorting order to avoid noise periodical distribution and abnormal high peak values in some frequency strip. Based on above, we proposed the intelligently optimized and comprehensive diagnosis approach-genetic algorithm(GA)-based intelligently optimized diagnosis algorithm which is introduced in detail in this paper. Following basic theory and approach about GA, optimized objective function is decided through fuzzy logic theory,
then fitness function is derived and at last how to optimize and diagnose pattern parameters intelligently is discussed with GA, including coding approach, interlace, probability selection and single copy of optimizing parameters.
Based on our cooperative engineer, intelligent optimization and noise diagnosis processes are discussed and diagrammized in the software designing.
The research fruit and software in this paper is strongly applicable to practical engineer, and its highly intelligent optimization and diagnosis ability provide high effective approach for lower noise tyre designing and production.
本课题从轮胎花纹噪声控制的基本理论出发，对轮胎噪声测试方法、常用图表和仿真模型进行了阐述；用实测数据对部分分析计算公式进行了推导和验证；还着重从轮胎花纹噪声降噪优化理论、智能优化方法、噪声综合智能诊断等方面，对轮胎花纹噪声控制进行了系统的研究。
首先，论文介绍了轮胎噪声的两种主要测量方法，包括室内转鼓测量和场地测量方法，室内测量便于对轮胎噪声进行研究，场地测量能较好地反映汽车噪声对周围环境的污染。论文还对噪声测量和分析常用图表、各种指标参数进行了介绍，这些内容是后文核心部分必要的铺垫。轮胎花纹噪声仿真分析是导师和前几届学生的研究成果，本文通过实测数据对软件所采用的算法进行了验算和修正。
轮胎花纹结构参数智能降噪优化和噪声综合诊断是本课题重点。论文第四章分析了轮胎花纹优化降噪的基本原理，总结出三条降噪途径：在允许范围内尽量减小单个块或槽的大小、刻刀槽软化花纹块来减小噪声时域波幅度；调整节距排列顺序、花纹条之间的错位值，使各发声单元发出的声压时域波形的同向峰值错开，避免同向峰值叠加；调整花纹块和槽比例、节距比例、节距排列顺序，尽量避免周期性分布，使轮胎所发出的噪声趋于白噪化，避免某些频段的异常高峰值。基于这些理论，我们研究出一种智能优化和综合智能诊断方法，即基于模糊遗传算法(F—GA)的智能优化诊断方法，论文对该方法作了详细介绍：首先介绍了遗传算法的基本理论及方法，接着用模糊推理理论确定优化目标函数，然后根据优化目标函数导出适应度函数，最后介绍了如何用遗传算法对花纹参数进行智能优化和噪声智能诊断的，其中，讲述了各个待优化参数的编码方法、交叉、概率选择复制个体方法等。
论文最后两章介绍了相关软件的设计，并以实际轮胎花纹方案作为优化和噪声故障诊断对象，讲述了智能优化和智能诊断的过程，给出了优化效果图和诊断结果。
本文的研究成果和程序具有较强的工程实用性，其高度的智能化优化和诊断功能为低噪声轮胎设计和生产提供了强有力的高效方法与路径。
Research on tyre noise begins with the cooperative project between Automation Institute of Wuhan University of Technology and Shanghai Rubber Group. With the further research on tyre pattern noise, lower noise tyre pattern analysis and designing software made by us intrigues tyre industry and relative research unit more strongly, and they not only show their cooperative tendency, but make more demands on high intelligence of software.
Based on the basic principle of tyre pattern noise controlling, measurement approach of tyre noise, frequently used charts and simulation model are introduced, some computation formulas are derived and testified. Emphasis is placed on the studying of tyre pattern noise controlling from the following aspects: noise reduction optimization theory, intelligent optimization approaches and comprehensive noise intelligent diagnosis, etc.
Two main approaches to measure tyre noise is introduced, indoor drum-rolling measurement and outdoor yard measurement. The former is eligible to noise research, and the latter could reflect noise pollution to environment. According to the academic fruit of my tutor and his graduated students on tyre pattern noise simulation analysis, the previous algorithms are perfected and testified.
Research on intelligent noise reduction optimization and comprehensive noise diagnosis is the emphases of this paper. After analyzed the basic principle of optimized noise reduction on tyre pattern, summarized three approaches to noise reduction. The first is trying to reduce size of single block or socket to reduce noise amplitude on time domain, the second is to adjust stripes sorting order and their interlace value to avoid noise-made by every single block-peak values on time domain overlayed and the last is to adjust ratio of blocks and sockets, ratio of stripe interval and stripe sorting order to avoid noise periodical distribution and abnormal high peak values in some frequency strip. Based on above, we proposed the intelligently optimized and comprehensive diagnosis approach-genetic algorithm(GA)-based intelligently optimized diagnosis algorithm which is introduced in detail in this paper. Following basic theory and approach about GA, optimized objective function is decided through fuzzy logic theory,
then fitness function is derived and at last how to optimize and diagnose pattern parameters intelligently is discussed with GA, including coding approach, interlace, probability selection and single copy of optimizing parameters.
Based on our cooperative engineer, intelligent optimization and noise diagnosis processes are discussed and diagrammized in the software designing.
The research fruit and software in this paper is strongly applicable to practical engineer, and its highly intelligent optimization and diagnosis ability provide high effective approach for lower noise tyre designing and production.
引文
【1】 郑长聚，洪宗辉，王鍉贤，章力。环境噪声控制工程。高等教育出版社。1988．5
【2】 庄继德 汽车轮胎学 北京理工大学出版社 1996年2月
【3】 马大猷主编．噪声控制学．科学出版社(1987)
【4】 L．H肖丁尼斯基 声音 人 建筑 中国环境工业出版社 1985年2月
【5】 宗孔德 胡广书 数字信号处理 清华大学出版社 1988年6月
【6】 胡家忠 计算机文字识别技术 气象出版社 1994年7月
【7】 赵容椿 数字图象处理导论 西北工业大学出版社 1996年7月
【8】 黎苏 黄跃欣 朱亚娜 张旭 汽车车外加速噪声的模拟研究 湖南大学学报 1997年第1期
【9】 王登祥 降低轮胎噪声的途径 轮胎工业 1999年第2期
【10】 田中秀行 计算机图象处理 北京工业大学出版社 1997年2月
【11】 杨立 陈理君 林海军 张艳堑 金新航 轮胎花纹噪声的仿声及实测模拟
【12】 陈理君 符健豪 微机模糊控制 武汉工业大学出版社 1992年
【13】 陈理君 杨立 钱业青 轮胎花纹噪声的发声模型 轮胎工业 1999年第19卷第10期
【14】 关元洪 董芹 轮胎恒速行驶噪声机理 轮胎工业 1999年第3期
【15】 孙增圻 张再兴 邓志东 智能控制与理论 清华大学出版社 1997年4月
【16】 董芹，关元洪．轮胎车外噪声测试与评价方法．轮胎工业，1998，19(5)
【17】 董芹，常传贤，关元洪．轮胎降噪设计技术．轮胎工业，1998，18(11)
【18】 陈理君 林海军 陈敏伟 钱业青 轮胎花纹的综合评判方法
【19】 陈理君 杨光大 董芹 低噪声轮胎花纹设计原理 橡胶工业 1997年第3期
【20】 陈理君 杨立 钱业青 轮胎花纹噪声的发声机理 轮胎工业 1999年第19卷 第9期
【21】 陈理君，钟克洪等．基于遗传算法的低噪声轮胎花纹节距排列的优化方法．轮胎工业，2000，20(2)
【22】 陈理君，钟克洪等．轮胎花纹噪声仿真与优化系统软件设计．轮胎工业，2000，20(4)
【23】 杨立 黄向宇 计算机噪声仿真的软硬件设计方法 声学技术 1997年4月
【24】 陈理君，杨立，钱业青等．轮胎花纹噪声的控制．轮胎工业，1999，19(11)
【25】 张宇 苏清祖 汪文国 车辆噪声与控制 机械设计与机械工程 1999年第2期
【26】 靳晓雄 周鋐 陈昌明 现代信号分析技术在轿车噪声源识别中的应用振动，测试与诊断 1997年第3期
【27】 王野平 论轮胎与路面间的摩擦 汽车技术 1999年第2期
【28】 钟国策 噪声自动测量分析系统 环境技术 1997年第4期
【29】 金新航．轮胎花纹噪声仿声系统．武汉工业大学硕士论文，1997
【30】 王俊．轿车轮胎花纹噪声模型研究．武汉工业大学硕士论文，1996
【31】 黄向宇．轮胎花纹噪声仿真仿声系统．武汉工业大学硕士论文，1998
【32】 钱业青．轿车轮胎花纹噪声控制的研究．武汉工业大学硕士论文，1998
【33】 施昱．轿车轮胎花纹低噪优化设计的研究．武汉工业大学硕士论文，1999
【34】 马浩．低噪胎花纹噪声综合评价及其CAD系统．武汉工业大学硕士论文，1999
【35】 钟克洪，轮胎花纹低噪声智能优化方法的研究，武汉工业大学硕士论文，2000
【36】 张艳堃，低噪声轮胎花纹分析与设计系统的研究，武汉工业大学硕士论文，2001
【37】 苏景顺 常用噪声评价量的比较 噪声与振动控制 1999年第2期
【38】 邢文训，谢金星编著．现代优化计算方法．清华大学出版社(1999)
【39】 佚名．轮胎行业的技术进步．苏超译．轮胎工业，1998，18(8)
【40】 中国环境公报2000 网上下载
【41】 Cristo J.Padmos. The Roemer As an Instrument For Control of Noise Production Tires on Highways, Inter-Noise'2001, August 29
【42】 陈理君等．轮胎花纹噪声的综合评判方法．轮胎工业，2000，20(3)
【43】 Tesshin, Sakata, Hiroaki Morimura and Hideyuki Ide "Effects of Tire Cavit Resornance on Vechile Road Noise", Tire Science and Technology, TSTCA, Vol.26, No.3, 1998
【44】 K Tsukui, Y Oshino & H Tachibana, "Road Traffic Noise Simulation Model Taking Account of Vehicle Noise Directivities", November 16-18, 1998
【45】 F Saito, H Suzuki, S Kono, K Takagi and T Sone, "The Effect of Variation in Car Speed on The Prediction of Road Traffic Noise", November 16-18, 1998
【46】 Robert Barti, "Type Noise Particularities", Inter Noise, August 25-27, 1997
【47】 H. Koike, T. Fujikawa, Y. Oshino, and H. Taxhibana, "Generation Mechanism of Tire/Road Noise", December 06-08, 1999
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【50】 Budenhagen, F.E.. Tire Casing with Noiseless Tread. U.S. Patent Document 2,612,928(1952) The Armstrong Rubber Company, October 7,1952.
【51】 R.E. Hayden. Roadside noise from the interaction of a rolling tyre with the road surface. In M.J. Crocker(ed.), Noise and Vibr. Contr. Eng., Pursue, Noise Control Foundation, NY (1971)
【52】 M. Heckl. Tyre Noise Generation. the Seminar on Friction and Contact Noise
【53】 Delft University of Technology, Delft, The Netherlands (June 20-21, 1985) Tire
Review(22) , December 1988
[54] Vinesse E, Nicollet H. Surface Waves on the Rotating Tyre: an Application of Functional Analysis. Journal of Sound and Vibration, 1988,126(1)
[55] Kropp W. Structure-borne Sound on a Smooth Tyre. Applied Acoustics, 1989,26
[56] Nakajima Y, Inoue Y, Ogawa H. Application of the Boundary Element Method and Modal Analysis to Tire Acoustics Problems. Tire Science and Technology, TSTCA, 1992,21(2)
[57] Lee J J, Ni A E . Structure-born Tire Noise Statistical Energy Analysis Model. Tire Science and Technology, TSTCA, 1997,25(3)
[58] Hoffmeister, K.M. and Bernard, J.E "Tread Pitch Optimization Through the Use of a Genetic Algorithm" , Tire Science and Technology, TSTCA, Vol. 26, No3,1998
[59] Yves Meunier. Low-Noise Pavements: The Solutions Offered By The French Road Building Industry, Inter-Noise'2001, August 29
[60] Genuit K, David E. A New Method for Determining the Subjective Effects of Sounds andVibration Using an Objective Procedure. Proceedings of the 1993 Conference Noise & Vibration. Warrendale PA: Society of Automotive Engineers INC., 1993
[61] 王尔贝，New Regno轮胎。橡胶工业(台湾)1995 (12)
[62] F. de Roo, E. Gerretsen and W. G. J. Hoffmans, "Developmeng of Low Noise Type-Road Combinations" , November 16-18,1998
[63] K.Kakumu 等著，刘约翰译，减小轮胎噪声的实验研究
[64] 陈理君，杨光大，董芹.低噪声轮胎花纹设计原则，橡胶工业，1997, 44 (3)
[65] Holland J H. Adaptation in Natural and Artificial Systems. MIT Press, 1975
[66] Goldberg D E . Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning. Addison-Wesley Publishing Company, 1989
[67] CanberraACT. A Critical Review of Some Traffic Noise Prediction Models, Applied Acoustics 62(2001) , pp271-287
[68] Chen Lijun etc.. Designing Method for Optimization of Low Noise Level Tread Pattern. Proceedings International Rubber Conference(IRC) '99 Seoul April 25-29,Seoul Korea
【2】 庄继德 汽车轮胎学 北京理工大学出版社 1996年2月
【3】 马大猷主编．噪声控制学．科学出版社(1987)
【4】 L．H肖丁尼斯基 声音 人 建筑 中国环境工业出版社 1985年2月
【5】 宗孔德 胡广书 数字信号处理 清华大学出版社 1988年6月
【6】 胡家忠 计算机文字识别技术 气象出版社 1994年7月
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【8】 黎苏 黄跃欣 朱亚娜 张旭 汽车车外加速噪声的模拟研究 湖南大学学报 1997年第1期
【9】 王登祥 降低轮胎噪声的途径 轮胎工业 1999年第2期
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【12】 陈理君 符健豪 微机模糊控制 武汉工业大学出版社 1992年
【13】 陈理君 杨立 钱业青 轮胎花纹噪声的发声模型 轮胎工业 1999年第19卷第10期
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【17】 董芹，常传贤，关元洪．轮胎降噪设计技术．轮胎工业，1998，18(11)
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【19】 陈理君 杨光大 董芹 低噪声轮胎花纹设计原理 橡胶工业 1997年第3期
【20】 陈理君 杨立 钱业青 轮胎花纹噪声的发声机理 轮胎工业 1999年第19卷 第9期
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【24】 陈理君，杨立，钱业青等．轮胎花纹噪声的控制．轮胎工业，1999，19(11)
【25】 张宇 苏清祖 汪文国 车辆噪声与控制 机械设计与机械工程 1999年第2期
【26】 靳晓雄 周鋐 陈昌明 现代信号分析技术在轿车噪声源识别中的应用振动，测试与诊断 1997年第3期
【27】 王野平 论轮胎与路面间的摩擦 汽车技术 1999年第2期
【28】 钟国策 噪声自动测量分析系统 环境技术 1997年第4期
【29】 金新航．轮胎花纹噪声仿声系统．武汉工业大学硕士论文，1997
【30】 王俊．轿车轮胎花纹噪声模型研究．武汉工业大学硕士论文，1996
【31】 黄向宇．轮胎花纹噪声仿真仿声系统．武汉工业大学硕士论文，1998
【32】 钱业青．轿车轮胎花纹噪声控制的研究．武汉工业大学硕士论文，1998
【33】 施昱．轿车轮胎花纹低噪优化设计的研究．武汉工业大学硕士论文，1999
【34】 马浩．低噪胎花纹噪声综合评价及其CAD系统．武汉工业大学硕士论文，1999
【35】 钟克洪，轮胎花纹低噪声智能优化方法的研究，武汉工业大学硕士论文，2000
【36】 张艳堃，低噪声轮胎花纹分析与设计系统的研究，武汉工业大学硕士论文，2001
【37】 苏景顺 常用噪声评价量的比较 噪声与振动控制 1999年第2期
【38】 邢文训，谢金星编著．现代优化计算方法．清华大学出版社(1999)
【39】 佚名．轮胎行业的技术进步．苏超译．轮胎工业，1998，18(8)
【40】 中国环境公报2000 网上下载
【41】 Cristo J.Padmos. The Roemer As an Instrument For Control of Noise Production Tires on Highways, Inter-Noise'2001, August 29
【42】 陈理君等．轮胎花纹噪声的综合评判方法．轮胎工业，2000，20(3)
【43】 Tesshin, Sakata, Hiroaki Morimura and Hideyuki Ide "Effects of Tire Cavit Resornance on Vechile Road Noise", Tire Science and Technology, TSTCA, Vol.26, No.3, 1998
【44】 K Tsukui, Y Oshino & H Tachibana, "Road Traffic Noise Simulation Model Taking Account of Vehicle Noise Directivities", November 16-18, 1998
【45】 F Saito, H Suzuki, S Kono, K Takagi and T Sone, "The Effect of Variation in Car Speed on The Prediction of Road Traffic Noise", November 16-18, 1998
【46】 Robert Barti, "Type Noise Particularities", Inter Noise, August 25-27, 1997
【47】 H. Koike, T. Fujikawa, Y. Oshino, and H. Taxhibana, "Generation Mechanism of Tire/Road Noise", December 06-08, 1999
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【50】 Budenhagen, F.E.. Tire Casing with Noiseless Tread. U.S. Patent Document 2,612,928(1952) The Armstrong Rubber Company, October 7,1952.
【51】 R.E. Hayden. Roadside noise from the interaction of a rolling tyre with the road surface. In M.J. Crocker(ed.), Noise and Vibr. Contr. Eng., Pursue, Noise Control Foundation, NY (1971)
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[54] Vinesse E, Nicollet H. Surface Waves on the Rotating Tyre: an Application of Functional Analysis. Journal of Sound and Vibration, 1988,126(1)
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[60] Genuit K, David E. A New Method for Determining the Subjective Effects of Sounds andVibration Using an Objective Procedure. Proceedings of the 1993 Conference Noise & Vibration. Warrendale PA: Society of Automotive Engineers INC., 1993
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