第三节 路面结构及声学与振动特征
一、道路结构与分类
道路是连接一个地方到另一个地方的通道。世界上的道路各种各样，有平坦的城市道路、崎岖的山路、坑坑洼洼的乡村道路、杂乱无章的荒野地等。
1.道路结构
道路是由路基（垫层）、基层和面层组成的，如图1.14所示。
图1.14 道路的剖面结构
垫层是基层和土基之间的一层结构。在土壤水温状态不好的地区，水温变化可能带来结冰或土壤湿软，这会导致土基变形和强度不稳定，甚至土基可能挤入基层。为了消除这些不利影响，并分散来自基层的载荷，必须在这些地区增加垫层。
基层是承重层，承受汽车通过面层传递到基层的垂向载荷，并让载荷扩散到垫层，具备足够高的强度和刚度、良好的可靠性和耐久性。有些基层由多层结构组成，以便更加优化承重载荷的分配。基层由水泥、沥青、石灰等稳定混合料，砂、碎石和土等混合料，工业废渣等组成。根据使用的材料不同，基层分为土基层、石头基层和土石基层等。
面层是道路最上面的那一层，也被称为路面，由混凝土、碎石、沙、黏合剂等组成。碎石和沙是路面的主体部分，填充物是非常细的颗粒，黏合剂是指沥青或水泥。沥青或水泥在路面中占的比例并不大，但是却是影响路面性能最关键的材料。它们与混凝土结合，并使得路面与基层和垫层紧密地粘接在一起。面层直接承受车辆的载荷并受到环境的影响，因此它直接决定了路面的性能。
2.路面分类
从路噪的角度出发，可以对路面进行如下分类：
第一种分类是按照路面的力学特性来分，可分为弹性路面和刚性路面。弹性路面是指刚度低和弹性模量小的路面，主要成分是沥青和碎石。弹性路面抗弯和抗拉强度低，在外力作用下，路面变形大，速度响应慢。刚性路面是指刚度大和弹性模量大的路面，主要成分是水泥混凝土。刚性路面抗压强度非常大，在外力作用下，路面变形小，速度响应快。同一辆车行驶在弹性路面和刚性路面上，由于轮胎在弹性路面受到的冲击力比在刚性路面上小，因此在弹性路面上所产生的冲击噪声低，同时传递到悬架和车身上的振动小。
第二种分类是按照路面材料来分，可以分为沥青路面和水泥路面。沥青路面的黏结物是沥青，而水泥路面的黏结物是水泥。沥青路面属于弹性路面，而水泥路面属于刚性路面。通常，汽车行驶在沥青路面上的噪声比在水泥路面上低。
沥青路面可以再分为粗糙沥青路面和光滑沥青路面。粗糙沥青路面的颗粒粗糙，纹理波长长，如图1.15a所示；而光滑路面的颗粒细，波纹长度短，如图1.15b所示。
图1.15 沥青路面
水泥路面包括普通光滑水泥路面、横向刻槽水泥路面、纵向刻槽水泥路面、拉毛水泥路面等。光滑水泥路面比较平整，如图1.16a所示；横向刻槽水泥路面是在垂直于道路的方向拉出规则的刻槽，如图1.16b所示；纵向刻槽水泥路面是沿着道路方向拉出刻槽，如图1.16c所示。为了增加摩擦力和排水能力，很多光滑水泥路面被拉成毛糙，有的毛糙痕迹有规则，有的杂乱无章。
图1.16 水泥路面
除了沥青路面和水泥路面之外，还有很多种其他材料做成的路面，如沙土路面、碎石路面、砖块路面等。
第三种分类是按照路面的孔隙率来分，可以分成多孔路面和密实路面，如图1.17所示。在多孔路面中，孔隙率比较高，水和声波很容易进入道路的孔隙中，排水性和吸声性能比较好。密实路面的孔隙率比较低，排水性能差，而且声波被路面反射。
除了以上描述的路面之外，还有很多专门为NVH开发而建设的路面，例如波纹路面、随机冲击路面、脉冲冲击路面、鹅卵石路面、砖块路面、比利时路面、石块路面、碎砾石路面、减速带路面、破损路面、沙石/沙土路面、坑洼路面、刻槽/拉毛路面等，图1.18给出了一些路面照片。
图1.17 不同孔隙率的路面
图1.18 各种路面图
3.路面的基本功能
路面主要有以下几个功能。
第一个功能是承载汽车的重量。1000多千克的乘用车和几十吨重的大货车压在路面上，路面必须能够均匀地分摊这些重量。汽车运行时的动态重量比静态重量大，而且伴随着动态载荷，因此，路面必须有足够的可靠性来长时间地承载这些动态载荷。
第二个功能是传递动力系统的驱动力。动力系统的功率传递到轮胎，轮胎与路面有足够的摩擦，然后转化成驱动力推动汽车运动。因此，路面必须有良好的摩擦性能，同时必须有足够高的传递效率，即低的摩擦损耗。
第三个功能是排水。地面湿滑或下雨会降低轮胎和路面之间的摩擦，轮胎花纹沟中的水和轮胎周边的水必须尽快地从路面排出，否则，会带来行车安全隐患。
第四个功能是降低近场路噪。近场路噪是轮胎和路面共同作用而产生的，既有轮胎的贡献也有路面的贡献。刚度低、孔隙率高和构造深度小的路面有利于降低近场路噪和减小对轮胎的激励。
在这本书中，我们只关注第四个功能。同一辆车在不同道路上行驶所产生的车内噪声和振动相差甚远，比如以同样的速度在光滑沥青路面和水泥路面上行驶时的车内噪声相差可能超过10dB(A)，而且频率成分不一样，因此，路面结构对路噪至关重要。