二、路面振动与声学指标

路面激励源的频率、大小以及路面吸声特征影响到路噪。从路噪角度，路面可以用四个特征来描述：路面纹理、构造深度、硬度、孔隙率。

1.路面纹理

（1）轮廓

路面轮廓是指路面形状的边界或外形面/线，反映了路面的概貌特征。路面轮廓在三维空间呈现，是一个空间面轮廓。但是，在工程中，为了分析路面特征，通常是在二维空间内来展示它的特征，用道路长度和高度两个维度来表征路面轮廓特征，即得到路面轮廓线。图1.19给出了一个二维路面轮廓图。图中的横坐标表示道路长度或距离，纵坐标为实际路面随着距离在垂向的位移变化值，即路面的波动量。

（2）波长与频率

路面不是平面，轮廓不是直线。轮廓线在直线上下波动，即偏离直线。如果取一段轮廓线来分析它的波动情况，它的波动呈现出一定的周期性或准周期性。路面轮廓曲线中周期性重复的距离长度称为波长，如图1.19所示。波长的倒数为空间频率（fs），是指道路周期性重复部分沿着路面长度方向变化的快慢，它与波长的关系是

式中，λ是路面波长。

在频率分析中，通常是对时间域内的数据进行傅里叶变换而得到频率曲线。当汽车行驶在道路上时，路面会以一定频率激励车辆。速度不同，路面激励频率不一样。路面激励频率与纹理波长和汽车行驶速度密切相关，表达如下

式中，u是车速。

从式（1.2）可知，路面对汽车的激励频率与车速成正比，与路面波长成反比。速度越快，汽车所承受的激励频率越高；路面波长越长，激励频率越低。

（3）不平度

当路面波长大于0.5m时，汽车行驶在这样的路面上，乘客感受到路面不平整，即路面具备波动特征。对于这样的路面，用不平度来描述，对应的波长为不平度波长。路面不平度指的是实际路面在大尺寸（波长大于0.5m）范围内与理想路面偏离的程度。

根据式（1.2），可以计算出路面空间波长从0.5m到5m，车速从30km/h到100km/h的路面激励频率、波长和车速数据，见表1.3。

路面轮廓曲线起伏较小，表明不平度小，即道路平整；反之，不平度大。不平度主要影响乘坐舒适性、驾驶性和操控性。不平度大的路面会让汽车承受大的冲击和颠簸，使得振动传递到车内。乘用车悬架垂向跳动振动频率一般在10～20Hz，这与路面不平度激励频率重叠部分很多，因此，不平度波长影响到乘坐舒适性。另外，不平度还影响汽车的可靠性、行驶安全和使用寿命，特别是在有雨水存留的低洼地方。因此，不平度是衡量路面质量的一个重要指标。

（4）纹理

当路面波长小于0.5m时，乘客感受到的是来自路面的振动。从图1.19所示的路面轮廓中截取一小段，再放大，得到路面细微的凹凸特征，如图1.20所示。对波长小于0.5m的路面，用路面纹理来描述路面结构。在路面纹理上，凹凸不平的沟纹也有一定的重复性，将纹理中周期性重复的一段称为纹理波长。

根据纹理波长的长度，世界道路组织（World Road Association）将路面纹理分成三级：微观纹理（microtexture）、宏观纹理（macrotexture）和大纹理（megatexture），并写入国际标准（ISO 13473-1、ISO/FDIS 13473-2）。纹理波长小于0.5mm的纹理为微观纹理，波长在0.5～50mm之间的纹理为宏观纹理，波长在50～500mm之间的纹理为大纹理。表1.4列出了这三级纹理的纹理波长和峰值范围。

不平度和纹理都属于路面轮廓的一部分，区别在于波长的划分。从大波长（大于0.5m）的角度来看轮廓，它表现为不平度，或者说不平度是描述轮廓的大趋势；从小波长（小于0.5m）的角度来分析轮廓，它表现为纹理，或者说纹理描述的是轮廓细微凹凸的变化。图1.21总结了不平度、大纹理、宏观纹理和微观纹理与波长和空间频率的关系。

微观纹理取决于路面的小尺度或细微结构，影响轮胎与路面之间的摩擦。宏观纹理取决于路面混合料的配比和孔隙率，影响汽车高速行驶时的抗滑能力、轮胎的抗冲击性和耐磨性。大纹理通常是由于路面破损产生的，影响乘坐舒适性。不平度取决于路面长距离的轮廓，影响汽车低频垂向振动和乘坐舒适性。本书从路噪角度来描述路面，因此，不涉及路面不平度带来的低频乘坐舒适性问题，而只关注路面纹理激励带来的路噪。

2.路面粗糙度与纹理深度

道路给轮胎与路面之间提供足够的摩擦来传递汽车动力系统的驱动力，并排出轮胎与路面之间的水。光滑平整的路面无法有效地传递驱动力和排水，因此，路面必须有一定的粗糙度。但是，粗糙度过大会使得轮胎的振动和噪声变大。

在纹理波长范围内，粗糙度表示路面表面凹凸不平的程度。表征粗糙度的指标是纹理深度（texture depth，TD），也称为构造深度，定义为在一定面积的路表面凹凸不平的平均深度，即一定面积下道路中的空心体积与面积之比，表达如下

式中，S为路面表面一个区域内的面积；V为这个面积下道路体积中的空气体积。

纹理深度可以通过测量得到，如图1.22所示。首先把路面清理干净，准备好一定体积的沙粒，再把沙粒铺在路面上，然后抹平沙粒使得它与路面平整，最后测量路面上沙粒的面积。用沙的体积除以覆盖路面的面积便是纹理深度（构造深度）。为了精确地得到路面的纹理深度，需要在同一个路面的三块地方做同样的试验。在每一个地方做三组试验，去掉偏差大的一组，保留两组数据，平均后的结果就是这个路面的纹理深度。

纹理深度也可以计算得到。在ISO 13473-1中，通过计算平均轮廓深度（mean prof ile depth，MPD）来计算纹理深度。将宏观纹理路面分成前半段和后半段，分别得到纹理峰值，轮廓深度定义如下

式中，PK1和PK2分别是前、后两个半段的峰值；PA为整段路面的平均值，如图1.23所示。

根据平均轮廓深度可以得到预估纹理深度（estimated texture depth, ETD），表达如下

微观纹理非常细小，眼睛难以识别，它给轮胎带来的振动比较小，乘客能轻微地感知到路面的粗糙，光滑沥青路面属于微观纹理路面，如图1.24a所示。宏观纹理与轮胎花纹块的尺寸相当，粗糙沥青路面属于宏观纹理路面，如图1.24b所示，乘客能明显地感知到路面的粗糙，但是宏观纹理路面使得轮胎的排水功能好及与地面的摩擦大。大纹理与轮胎和路面接触尺寸相当，破损路面属于大纹理路面，如图1.24c所示，大纹理尺寸能反映出路面的破损情况。

图1.25给出了10条不同沥青道路的纹理深度。通过纹理深度客观数据和主观驾驶感受对比分析，可以粗略认为纹理深度小于0.7mm的路面是光滑沥青路，而大于0.7mm的路面是粗糙沥青路。同一辆车在不同纹理深度路面上行驶时，车内噪声不同，有的相差会很大。表1.5列出了5辆车分别在纹理深度为1.25mm的粗糙沥青路面和0.6mm的光滑沥青路面上行驶时的车内噪声对比，分贝差在7.4～10.4dB（A）之间。

图1.26给出了同一辆车以80km/h的速度在两条光滑沥青路面上行驶的车内噪声比较。这两条路的纹理深度都是0.67mm，车内噪声非常接近，特别是100Hz以上中高频段。光滑沥青路面属于微观纹理路面，颗粒细小，因此带来的高频噪声差不多。在100Hz以下的低频段，第一条路面带来的噪声大于第二条路面，这表明第一条路面上除了微观纹理颗粒外，还有少数宏观纹理颗粒。

有些路面虽然名称一样，如都叫粗糙沥青路面，由于其纹理深度不一样，导致路面对车辆的激励不一样，车内噪声也不一样。图1.27为同一辆车分别在纹理深度为1.10mm和1.25mm的两条粗糙沥青路面上以60km/h速度行驶的车内噪声频谱图。可以看出，大的路面激励带来了大的车内噪声。

水泥路面种类多且差别大，有横向刻痕路面、纵向刻痕路面、无刻痕路面等，路面纹理不同和刻痕不同导致它们对轮胎的激励差异非常大。图1.28给出了同一辆车分别在一条普通水泥路面和一条刻痕水泥路面上以50km/h速度行驶的车内噪声对比。普通路面带来的总声压级大于刻痕路面，但是在48Hz处，刻痕路面带来了凸显的峰值，这是由于轮胎与刻痕之间的冲击较大导致了大的结构声传递。

3.道路的硬度

路面硬度影响到它对轮胎的冲击。硬度大的路面对轮胎的冲击力大。一方面，冲击引起的近场路噪大；另一方面，轮胎通过悬架传递到车身的振动大，导致了结构声路噪大。水泥路面的构造深度与光滑沥青路面差不多，甚至更小，但是汽车在水泥路面上行驶的噪声比光滑沥青路面大，其根本原因是水泥路面的硬度比光滑沥青路面大许多。

4.道路孔隙率与吸声

在图1.17a所示的多孔道路中，颗粒之间存在孔隙。孔隙多少可以用孔隙率（δ）来表示，定义为在一定体积道路中，混凝土集料之间的孔隙与整个混凝土体积的比值，表达如下

式中，Vair是间隙的体积；V是混凝土的体积。

孔隙的功能是排水和吸声。近场路噪声波进入孔隙后，其能量在孔隙之间耗散，使得反射到远场的声能减少。为了达到良好的吸声功能，道路中的孔隙应该串通，以便声能更好地被吸收。另外，声波进入孔隙后，声源有了更大的空间传播，这使得近场路噪声波的压缩和扩张效应降低，这降低了泵气噪声和空管噪声。孔隙率越大，对路噪的抑制效果越好，即吸声性能越好。一般认为，只有孔隙率达到15%，路面才有良好的吸声效果。