静かな車のタイヤ：パターンノイズを理解する

静かな車のタイヤ：パターンノイズを理解する

タイヤのパターンノイズとは

車のタイヤは、路面と接することで様々な音を立てます。その中でも、タイヤの模様による音は特に気になります。この音は、タイヤの表面に刻まれた溝（踏み面模様）によって生まれるもので、模様音と呼ばれています。

平坦な道を走るとき、タイヤの溝と路面の間で空気が縮んだり膨らんだりします。この繰り返しが、独特の音を生み出すのです。まるでタイヤがポンプのように空気を出し入れしているような音に聞こえます。また、溝の中の空気の揺れによっても音が発生します。これらの音が合わさって、私たちが耳にする模様音となります。

模様音の大きさは、タイヤの種類によって大きく変わります。例えば、溝が深いタイヤは、溝が浅いタイヤに比べて大きな音を立てます。これは、溝が深いほど空気が大きく縮んだり膨らんだりするためです。また、路面の状況によっても模様音は変化します。滑らかな路面では小さな音ですが、粗い路面では大きな音になります。これは、路面の凹凸によって空気の縮み具合や膨らみ具合が変わるためです。さらに、車の速さも模様音に影響を与えます。速度が速ければ速いほど、タイヤと路面の摩擦が大きくなり、模様音も大きくなります。

静かな車内を実現するためには、この模様音をいかに小さくするかが重要です。タイヤメーカーは、溝の形状や深さを工夫することで模様音を抑える努力をしています。例えば、溝の向きを不規則にすることで、特定の周波数の音の発生を抑える技術などが開発されています。また、吸音材を使うことで、タイヤから発生する音を吸収する方法も研究されています。これらの技術により、近年では、静粛性に優れたタイヤが数多く販売されており、快適な運転環境の実現に貢献しています。

ノイズ発生の仕組み

車の走行中に聞こえるタイヤの騒音、いわゆるタイヤノイズは、路面とタイヤの摩擦によって生まれる様々な音の総称です。その中でも路面の凹凸に起因するものではなく、タイヤの溝の形状によって発生するものをパターンノイズと呼びます。このパターンノイズは大きく分けて二つの仕組みで発生します。

一つ目は、タイヤの溝に閉じ込められた空気が関係する音です。タイヤが回転すると、溝の部分に空気が入り込みます。そして、タイヤが路面に接地する際に、閉じ込められた空気が急激に押しつぶされます。この時、空気は圧縮されて高い圧力になります。その後、タイヤが路面から離れると、圧縮されていた空気は一気に膨張します。この圧縮と膨張の繰り返しが、まるでポンプのように空気を出し入れしている状態を作り出し、音を生み出すのです。これを空気ポンプ音と呼びます。タイヤの回転とともに、この空気の圧縮と膨張が連続的に起こるため、持続的な音として聞こえます。

二つ目は、同じくタイヤの溝に閉じ込められた空気の振動による音です。タイヤの溝は、ちょうど笛のような管の構造をしています。この管の中に入った空気が、タイヤの回転や路面からの振動によって共鳴し、特定の周波数の音を生み出します。これは気柱共鳴音と呼ばれます。気柱共鳴は、管の長さや形状によって共鳴する周波数が決まるため、タイヤの溝の深さや形状によって、発生する音の高さが変わります。

これらの空気ポンプ音と気柱共鳴音が組み合わさり、複雑な音となって聞こえるものがパターンノイズです。タイヤの溝の形状や深さ、配置、そして走行速度など、様々な要因がこれらの音の発生に影響を与えます。そのため、タイヤの種類によってパターンノイズの大きさや音質が異なるのです。静粛性の高いタイヤは、これらのノイズを小さくするように溝の形状や配置が工夫されています。

規則的な配列の問題点

車のタイヤの溝は、路面の水はけをよくしたり、ブレーキの性能を高めたりするために重要な役割を担っています。しかし、もしこの溝が全て同じ間隔で並んでいたら、思わぬ問題が発生します。それは、特定の高さの音が耳につきやすい騒音となることです。

同じ間隔で並んだ溝は、それぞれが同じような音を発生させます。そして、これらの音が重なり合うことで、特定の高さの音が強調されてしまいます。これは、まるで同じ音程を複数の楽器で同時に演奏した際に、その音程だけが大きく聞こえるようなものです。この特定の高さの音が、不快な騒音に感じられてしまうのです。

この問題を解決するために、タイヤの溝は、異なる間隔で配置されています。溝の間隔が不規則になることで、発生する音の高さがばらばらになります。様々な高さの音が混ざり合うことで、特定の音が強調されることを防ぎ、全体として騒音が小さくなるのです。これは、様々な楽器が異なる音程で演奏することで、心地よい音楽となるのと似ています。それぞれの楽器の音色が調和することで、美しいハーモニーが生まれるように、タイヤの溝も様々な間隔にすることで、不快な騒音を抑えることができるのです。

このように、タイヤの溝の配列は、ただ単に水はけのためだけでなく、騒音を抑える上でも重要な役割を果たしているのです。一見単純な溝の配置にも、快適な運転環境を作るための工夫が凝らされていると言えるでしょう。

周波数特性と速度の関係

車の速さと音の高さには、深い関わりがあります。タイヤが路面を転がることで生まれる「パターンノイズ」と呼ばれる音は、速度によってその性質が変化します。この音は、タイヤの溝が路面を叩くことで発生する振動が空気を揺らし、音波として私たちの耳に届くものです。

タイヤの回転数は、車の速度に比例して増加します。速度が上がれば上がるほど、タイヤは速く回転し、路面を叩く回数も増えます。これは、太鼓を速く叩くと音が高くなるのと同じ原理で、タイヤの回転が速くなるほど、パターンノイズの音も高くなります。

パターンノイズの基本的な音の高さは、通常毎秒200回から500回程度の振動数で表されます。これは、比較的小さな音です。しかし、速度が上がるにつれて、この振動数は増加し、より高い音へと変化していきます。さらに、速度の上昇に伴い、様々な高さの音が混ざり合うようになり、音色は複雑になっていきます。まるで、一つの楽器だけでなく、複数の楽器が同時に演奏されているような状態です。

音の大きさも、速度と密接な関係があります。一般的に、速度が速くなればなるほど、パターンノイズの音も大きくなります。これは、タイヤの回転が速くなることで、より強い振動が生まれ、空気を大きく揺らすためです。しかし、ある程度の速度を超えると、音の大きさの増加は緩やかになります。これは、空気抵抗や路面との摩擦など、他の要素の影響が大きくなるためです。これらの要素は、速度の増加を抑える方向に働き、結果としてパターンノイズの増加も抑えられるのです。

このように、車の速度は、パターンノイズの音の高さや大きさに大きく影響します。静かで快適な車内空間を実現するためには、タイヤの設計や路面の状態など、様々な要素を考慮する必要があります。

車内外の騒音への影響

自動車のタイヤが路面を転がる際に発生するパターンノイズは、車内と車外の両方に騒音として影響を及ぼします。車外に漏れる騒音は、周辺の環境に少なからず影響を与えるため、特に住宅地や静かな場所を走行する際には、その大きさを抑えることが重要です。近年、環境への配慮が高まり、騒音に関する規制も強化されていることから、自動車メーカー各社は、タイヤのパターンノイズを小さくするための技術開発に力を入れています。タイヤの溝の形状や深さ、配置などを工夫することで、ノイズの発生を抑える取り組みが盛んに行われています。

一方、車内に伝わるパターンノイズは、乗員の快適性に直結する問題です。静かな車内空間は、同乗者との会話を邪魔することなく楽しむことができ、音楽も心地よく聴くことができます。また、長時間の運転による疲労を軽減する効果も期待できます。騒音が気になる環境では、運転に集中しにくく、疲れも増してしまうからです。そのため、自動車メーカーは、車内への騒音の侵入を抑制するための技術開発にも注力しています。具体的には、吸音材や遮音材を効果的に使用することで、車外から車内に伝わるパターンノイズを小さくする工夫が凝らされています。その他にも、車体の構造を工夫することで、騒音の伝わり方を制御する技術も開発されています。静かで快適な車内空間は、自動車にとって重要な性能の一つであり、自動車メーカー各社は、乗員の快適性を向上させるために、様々な技術開発に取り組んでいます。