等體密度吸音棉在前圍隔音墊上的應(yīng)用

劉國杰，鐘廣亮

（1.北京汽車股份有限公司，北京 101300；2.北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

1 緒論

1.1 研究背景

隨著人們消費(fèi)意識(shí)的不斷提高，客戶丟整車NVH和輕量化等方面的要求越來越高，對(duì)乘客艙內(nèi)飾材料的要求也更嚴(yán)格。聲學(xué)包是由一些特殊設(shè)計(jì)的吸聲或隔聲材料制成的，裝配在車輛的一些關(guān)鍵部位，目的是減少傳遞到車輛乘客艙內(nèi)的噪聲，同時(shí)也吸收車內(nèi)混響和鈑金的振動(dòng)噪聲，最終調(diào)節(jié)用戶關(guān)心的聲音品質(zhì)。同時(shí)對(duì)于整車廠來說，在保證NVH性能不降低的前提下，適當(dāng)降低聲學(xué)包零件的重量和成本顯的尤為迫切。

1.2 研究意義

據(jù)統(tǒng)計(jì)，整車重量每降低 100kg，百公里油耗就可以降低1升油。因此降重是整車車企永恒的課題。同時(shí)整車車企為了規(guī)模效益，盡量壓縮單車成本，也是車企追求的目標(biāo)。追求輕量化，低成本，NVH性能也要保證，為了達(dá)到聲學(xué)包零件的重量、成本、性能三者均衡，需要研究一種低成本、輕量化、NVH性能良好的材料及成型工藝。等體密度吸音棉，它的基本材料是PET纖維，它采用蒸汽模吸附成型，體密度相同，吸聲較普通棉氈好，重量低，因此稱其為等密度吸音棉。

本文對(duì)比了等體密度吸音棉和傳統(tǒng)的吸音棉（普通成型PET氈和PU發(fā)泡材料）后發(fā)現(xiàn)等體密度吸音棉吸聲系數(shù)好于傳統(tǒng)吸音材料。本研究以等體密度吸音棉在乘客艙前圍內(nèi)隔音墊的應(yīng)用為例，驗(yàn)證了等體密度吸音棉的優(yōu)點(diǎn)，是一種兼顧輕量化、低成本、性能良好的吸音棉。

2 等體密度吸音棉介紹

2.1 等體密度吸音棉成型工藝

等體密度吸音棉的生產(chǎn)工藝是將 PET原材纖維打散成粉末狀，把粉末吹進(jìn)真空吸附模內(nèi)，待吸附足夠的粉末后，轉(zhuǎn)移到蒸汽模中保壓成型，然后轉(zhuǎn)入冷卻模固化定型，最后再?zèng)_切成型。

如此生產(chǎn)出來的吸音棉雖然成型后薄厚不均，但能保證不同厚度的地方體密度一致。并且區(qū)域體密度可變，厚度最大可以做到50-100mm。邊角料減少，可100%回收利用。

而傳統(tǒng)成型的PET吸音棉，原材料是等厚的，加厚后在冷模中成型，成型后薄的地方由于壓縮，體密度非常大，而厚的地方由于壓縮量比較少，體密度很小。聲學(xué)性能相對(duì)于等體密度吸音棉差了許多。

同時(shí)由于是吸附成型，沒有使用膠類粘接，等體密度吸音棉VOC含量低，是一種很好的聲學(xué)包材料。

2.2 吸聲材料工作原理

多孔吸聲材料要對(duì)聲波有吸收作用，需要具備兩個(gè)條件：其一是聲波能傳透到材料中去；其二是材料中的空隙使聲波的振動(dòng)轉(zhuǎn)化成熱能被消耗。材料的空隙率(材料內(nèi)空氣所占的體積與材料體積之比)約為 80%以上，所以聲波能傳人吸音棉內(nèi)，而吸音棉空隙的等效直徑也在微米和幾十微米的數(shù)量級(jí)，這就好像聲波傳播到了細(xì)管或毛細(xì)管中，這時(shí)聲波的振動(dòng)速度在“管”中央與“管壁”存在顯著的速度梯度，從而產(chǎn)生內(nèi)摩擦而轉(zhuǎn)化成熱能被消耗。不僅是吸音棉，像棉花、麻線、氣孔連通的海綿、特制的金屬纖維等，稱之為多孔性材料，都可以有高的吸聲系數(shù)。但用于實(shí)際場所，還要考慮防潮、防霉、防火等其他因素，多孔性吸聲材料有個(gè)明顯的吸聲頻率特性，就是低頻吸聲差，高頻吸聲好，并且與材料厚度有關(guān)。吸聲系數(shù)是描述吸聲材料吸收聲能本領(lǐng)的物理量，它的定義是：被吸聲材料所吸收的聲能和入射聲能之比。吸聲系數(shù)值介于0～1之間。0代表無聲吸收，1表示100%表面聲吸收?？諝庵胁牧衔曄禂?shù)測量方法主要有兩種：混響室法和駐波管法?；祉懯曳ㄖ饕迷诖蠹悠飞希瑴y量結(jié)果為隨機(jī)入射吸聲系數(shù)。駐波管法主要運(yùn)用在小件樣品上，所測為正入射吸聲系數(shù)，其測試方法簡單，成本低廉，因此駐波管法是最為普遍的材料級(jí)別的吸聲系數(shù)測試方法。

2.3 吸聲系數(shù)比較

本文選擇面密度 1600g/m2的 PET棉氈、等體密度80kg/m3的吸音棉（18mm厚）和60kg/m3（18mm厚）的PU發(fā)泡材料進(jìn)行駐波管試驗(yàn)，檢測標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 18696.2-2002《聲學(xué)阻抗管中吸聲系數(shù)和聲阻抗的測量第2部分：傳遞函數(shù)法》。數(shù)據(jù)顯示，等體密度吸音棉的吸聲系數(shù)高于PET棉氈和PU發(fā)泡材料，其中在4000HZ以上等體密度吸音棉的吸聲系數(shù)略有下降，這是由于這種材料的吸聲系數(shù)較大，低階共振峰較早出現(xiàn)，而 PET氈和 PU發(fā)泡材料共振峰在6000HZ以上出現(xiàn)。結(jié)果表明，等體密度吸音棉的吸聲性能最好，其次是1600g/m2的PET棉氈，60kg/m3PU發(fā)泡材料吸聲系能最差。這三種材料的吸聲曲線如下圖1：

圖1 不同材料的吸聲曲線

3 等體密度吸音棉在前圍內(nèi)隔音墊上的應(yīng)用

乘客艙前圍內(nèi)隔音墊安裝在乘客艙和發(fā)動(dòng)機(jī)艙之間，即前圍鈑金上，能夠有效的衰減動(dòng)力總成和傳動(dòng)系統(tǒng)、前輪胎等聲源傳遞到車內(nèi)的噪聲強(qiáng)度，其對(duì)車內(nèi)噪聲和聲音品質(zhì)水平起著重要作用，是內(nèi)外飾聲學(xué)包 NVH性能開發(fā)中最核心和關(guān)鍵的聲學(xué)零件。乘客艙前圍內(nèi)隔音墊和前圍外隔音墊的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙前圍板隔音墊零件結(jié)構(gòu)示意圖

乘用車的實(shí)際行駛過程中，來自發(fā)動(dòng)機(jī)艙的噪聲對(duì)車內(nèi)駕駛員和副駕駛的人員有直接的影響，所以在設(shè)計(jì)前圍內(nèi)隔音墊時(shí)，除了要采用高密度的隔聲材料層對(duì)噪聲進(jìn)行隔離外，還需要布置一定厚度的吸聲材料輔助吸收噪音，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)艙的噪聲隔離在乘客艙外。目前國內(nèi)大部分車型的前圍內(nèi)隔音墊設(shè)計(jì)通過增加EVA隔聲層的面密度來提高隔聲性能，忽略了吸聲材料的貢獻(xiàn)。而從聲學(xué)方面來看，吸音層能夠有效的填充前圍鈑金和隔聲層之間的空腔，并保持他們之間的相互距離，可以同時(shí)起到減震，隔聲和吸聲的作用。由于等體密度吸音棉自身的特性，它是吸附成型的吸音材料，能與前圍鈑金的幾何形狀吻合，有效避免空腔。因此選擇合適的前圍內(nèi)隔音墊的吸音材料，可以加強(qiáng)吸聲性能，從而提高整體的隔聲量，達(dá)到平衡整車的 NVH性能、成本、和輕量化三者目標(biāo)。

3.1 零部件消聲室-混響室檢測乘客艙前圍內(nèi)隔音墊

該方法由相鄰的一間混響室和消聲室組成，在其間留有開孔試件窗用于安裝被測件。乘客艙前圍內(nèi)隔音墊安裝在混響室和消聲室之間的試驗(yàn)窗上，混響室作為測試發(fā)聲室，消聲室作為測試受聲室。在發(fā)聲室內(nèi)聲波隨機(jī)向樣件發(fā)射，導(dǎo)致樣件振動(dòng)并向消聲室輻射聲音，混響室和消聲室的平均聲壓級(jí)之差就是隔聲墊的隔聲量。

乘客艙前圍內(nèi)隔音墊的隔聲性能是由隔音墊兩側(cè)的聲壓級(jí)決定的。公式表示如下：TL=(L1-L2)，其中 TL為隔音墊的隔聲量，L1為混響室平均聲壓級(jí)，L2為消聲室平均聲壓級(jí)。

本研究對(duì)比了EVA(6kg/m2)+PU發(fā)泡（60kg/m3) 和PET氈(800 g/m2)+ EVA(2 kg/m2)+等體密度吸音棉(80 kg/m3) 兩個(gè)方案得出，性能、重量、成本最佳的是PET氈(800 g/m2)+EVA(2 kg/m2)+等體密度吸音棉(80 kg/m3)方案組合（表1）。

表1 不同材料組合前圍內(nèi)隔音墊的隔聲性能、重量、成本矩陣圖

對(duì)粘附于防火墻鈑金件的兩種內(nèi)前圍材料進(jìn)行隔聲性能比較。兩種內(nèi)前圍分別為PET氈(800 g/m2)+ EVA(2 kg/m2)+等體密度吸音棉(80 kg/m3)與EVA(6kg/m2)＋PUR(60kg/m3)。圖 3所示為對(duì)兩種前圍內(nèi)隔音墊平板樣件進(jìn)行插入損失測試。由圖3可見，EVA+PUR的隔聲性能明顯優(yōu)于軟硬毛氈組合材料。將兩種材料制成的前圍內(nèi)隔音墊成形件貼附于防火墻鈑金件上，進(jìn)行防火墻總成的隔聲量測試，測試中，將防火墻上開孔采用鉛皮進(jìn)行密封。由于孔洞密封及鈑金搭接工藝，在鈑金件上仍存在一些小的泄漏。

由于設(shè)計(jì)原因，防火墻上還存在一些臺(tái)階孔及部件安裝支架等，造成內(nèi)前圍在安裝過程中，存在與防火墻貼合不嚴(yán)及不能全覆蓋的問題。在此前提下，測得兩種材料內(nèi)前圍成形件插入損失如圖4 所示。圖4可以看出，存在泄漏的情況下，兩種內(nèi)前圍內(nèi)隔聲性能相當(dāng)，1000 Hz以下頻率時(shí)，EVA＋PUR內(nèi)前圍隔聲性能略高，但在1000 Hz以上頻率時(shí)，該內(nèi)前圍隔聲性能反而有所下降，略差于軟硬毛氈層前圍內(nèi)隔音墊，測試結(jié)果與兩種材料平板樣件結(jié)果明顯不同。造成此問題的主要原因即是由于前圍內(nèi)隔音墊在安裝于防火墻上后，由于泄漏及覆蓋率的原因而大大削減了隔聲性能，而由于軟硬毛氈層結(jié)構(gòu)前圍內(nèi)隔音墊的吸聲水平優(yōu)于 EVA+PUR前圍內(nèi)隔音墊，一定程度上彌補(bǔ)了隔聲性能降低的問題，從而造成了兩種內(nèi)前圍隔聲性能出現(xiàn)圖4所示的現(xiàn)象。

圖3 兩種前圍內(nèi)隔音墊材料插入損失比較

圖4 兩種前圍內(nèi)隔音墊隔聲性能比較

3.2 乘客艙前圍內(nèi)隔音墊整車試驗(yàn)驗(yàn)證

本研究用EVA(6kg/m2)+PU發(fā)泡（60kg/m3)和PET氈(800/㎡)+ EVA(2㎏/㎡)+等體密度吸音棉(80㎏/m3)兩個(gè)方案分別試制乘客艙那個(gè)前圍內(nèi)隔音墊零件，并安裝在某車型上研究前圍內(nèi)隔音墊對(duì)整車 NVH性能的影響。試驗(yàn)選擇在平直道路上進(jìn)行，工況為三種：50km/h,80km/h,100km/h，勻速時(shí)噪聲穩(wěn)定，便于比較。同時(shí)在車內(nèi)布置4個(gè)傳感器的位置如下：FR(前排乘客位置右耳處)、FL(駕駛員位置右耳處)、RR(后排右乘客位置右耳處)、RL(后排左乘客位置右耳處)分別測試和對(duì)比車內(nèi)噪聲情況。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在 50km/h工況下，聲壓級(jí)方面，材質(zhì)為“PET+EVA+等體密度吸音棉”的前圍內(nèi)隔音墊較材質(zhì)為“EVA+PUR”的前圍隔音墊聲壓級(jí)略低。語音清晰度方面，材質(zhì)為“PET+EVA+等體密度吸音棉”的前圍內(nèi)隔音墊較材質(zhì)為“EVA+PUR”的前圍隔音墊更高。等體密度吸音棉的高吸聲性能彌補(bǔ)了隔聲方面的不足，并且在語音清晰度方面有了4%左右的提升。如下圖5和圖6所示。

圖5 兩種前圍內(nèi)隔音墊50km/h聲壓級(jí)比較

圖6 兩種前圍內(nèi)隔音墊50km/h語音清晰度比較

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在 80km/h工況下，聲壓級(jí)方面，材質(zhì)為“PET+EVA+等體密度吸音棉”的前圍內(nèi)隔音墊較材質(zhì)為“EVA+PUR”的前圍隔音墊，前排聲壓級(jí)略好，而后排聲壓級(jí)略差，基本相當(dāng)。語音清晰度方面，材質(zhì)為“PET+EVA+等體密度吸音棉”的前圍內(nèi)隔音墊較材質(zhì)為“EVA+PUR”的前圍隔音墊，前排略好，而后排略差，基本相當(dāng)。等體密度吸音棉的高吸聲性能彌補(bǔ)了隔聲方面的不足，并且在語音清晰度方面有了4%左右的提升。如下圖7和圖8所示。

圖7 兩種前圍內(nèi)隔音墊80km/h聲壓級(jí)比較

圖8 兩種前圍內(nèi)隔音墊80km/h語音清晰度比較

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在100km/h工況下，聲壓級(jí)方面，材質(zhì)為“PET+EVA+等體密度吸音棉”的前圍內(nèi)隔音墊較材質(zhì)為“EVA+PUR”的前圍隔音墊聲壓級(jí)低。語音清晰度方面，材質(zhì)為“PET+EVA+等體密度吸音棉”的前圍內(nèi)隔音墊較材質(zhì)為“EVA+PUR”的前圍隔音墊，前排稍好，而后排聲壓級(jí)略低，基本相當(dāng)。等體密度吸音棉的高吸聲性能彌補(bǔ)了隔聲方面的不足，并且在語音清晰度方面有了 4%左右的提升。如下圖9和圖10所示。

圖9 兩種前圍內(nèi)隔音墊100km/h聲壓級(jí)比較

圖10 兩種前圍內(nèi)隔音墊100km/h語音清晰度比較

3.3 等體密度吸音棉在汽車聲學(xué)包領(lǐng)域的應(yīng)用

以上案例表明吸聲處理是控制車內(nèi)高頻噪聲的一種有效途徑，是提高車內(nèi)聲音品質(zhì)的一種重要手段。除了乘客艙前圍內(nèi)隔音墊外，在車上很多位置都可以使用這種吸聲材料，如地毯、行李箱護(hù)板、備胎蓋板等。當(dāng)然處于不同工況下的汽車零部件，除了對(duì)吸聲材料的吸聲系數(shù)有比較高的要求之外，還有其他的一些特殊性能要求。例如內(nèi)飾吸聲部件更關(guān)注材料的環(huán)保性，比如霧化指數(shù)、氣味性和VOC。等體密度吸音棉同時(shí)具有這些特性，因此是一種理想的聲學(xué)包材料。

4 總結(jié)與建議

運(yùn)用駐波管法測試面密度1600g/m2的 PET棉氈、等體密度80kg/m3的吸音棉（18mm厚）和60kg/m3（18mm厚）的PU發(fā)泡材料，結(jié)果顯示，等體密度吸音棉吸聲系數(shù)優(yōu)于普通PET氈，也優(yōu)于PU發(fā)泡材料，由此可知等體密度吸音棉質(zhì)量輕、吸聲性能好，對(duì)汽車車內(nèi)噪音的控制和汽車輕量化都有很好的作用。

在某款車型上以等體密度吸音棉制作的前圍內(nèi)隔音墊為例測試分析了等體密度吸音棉對(duì)車內(nèi)高頻噪音控制的影響。整車試驗(yàn)表明，采用等體密度吸音棉的前圍內(nèi)隔音墊可以提高整車車內(nèi)語言清晰度，優(yōu)化車內(nèi)噪聲聲音品質(zhì)。

通過自主品牌乘用車乘客艙前圍內(nèi)隔音墊聲學(xué)包設(shè)計(jì)驗(yàn)證，提出了一種輕量化的吸音材料的 NVH性能正向開發(fā)流程。

[1] 劉宏玉,章曉軒,等.輕質(zhì)吸聲材料在汽車高頻噪聲控制中的應(yīng)用[C].2014中國汽車工程學(xué)會(huì)論文集,2014:1310-1313.

[2] 龐劍,何華.汽車振動(dòng)與噪聲[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.

[3] 劉宏玉,張軍,等.基于汽車內(nèi)飾輕量化的NVH性能開發(fā)及應(yīng)用[J].汽車工藝與材料,2014（10）:25-27.

[4] 石騰龍,黃江玲,等.雙組份吸聲棉在汽車聲學(xué)包中的應(yīng)用[C].2015中國汽車工程學(xué)會(huì)論文集,2015CG-NV003.