汽车用纤维吸音材料性能研究✳

岳 洋,赵福全,金建伟,杨 豪,刘 强

(浙江吉利汽车研究院有限公司,浙江 杭州 311228)

引 言

对车辆 NVH性能的改进研究中,应用具有声学作用的材料(如吸音、隔音、减振、密封材料等)对整车进行声学处理,是降低车内振动和噪声,提升车辆NVH性能的重要手段[1,2]。关于材料对车内噪声的改进作用,国内外已有相关文献进行研究[3～7]。为降低车内的中高频噪声,通常在车身相关部位使用吸音材料进行声学封装。常用的吸音类材料主要包括纤维类、发泡树脂类、聚氨酯类等[8,9]。聚酯+聚丙烯(PET+PP)纤维作为一种特殊工艺成型的材料,目前已经逐渐作为整车吸音材料取代普通纤维类材料进行使用。它是将结构纤维和吹熔丝两种不同类型的材料通过无纺技术结合而成:结构纤维为人造短纤维,用于控制材料的厚度,平均纤维直径为 25 μm,成分是聚酯(PET);吹熔丝是采用吹熔技术成网,平均纤维直径为2μm,成分是聚丙烯(PP)。整体材料通过两种纤维组成的特殊分子结构达到吸音的作用。本文重点研究了聚酯+聚丙烯双组分纤维吸音材料的理化性能和声学性能,以及对车内噪声的改进作用。

1 材料性能

1.1 材料理化性能

对 PET+PP双组分纤维材料的热阻系数和耐久性进行了测试,并与普通纤维类材料进行对比,以研究此材料的性能水平。

1.1.1 热阻系数

用热传导系数测试仪(RAPID-K)对 PET+PP纤维材料和再生纤维材料分别进行了热阻系数的测试。试验样品规格:

1.PET+ PP纤维 (面密度 200 g/m2,厚度 10 mm);

2.再生纤维 (面密度 400 g/m2,厚度 10 mm)。两种纤维材料热阻系数的测试结果如图1所示。

图1 两种纤维材料热阻系数的比较

材料的热阻系数衡量了材料本身阻隔热量的能力,数值越大,在相同的环境条件下,隔绝的能量就越多,材料的隔热性能越好。从图 1中 PET+PP纤维和再生纤维热阻系数的比较来看,PET+PP纤维的热阻系数较高,达到1.51,为再生纤维热阻系数的2倍。当这种材料在车辆中使用时,更利于对发动机、排气系统和车外环境产生热量的隔绝,对车内的保温效果要优于普通纤维类材料。

1.1.2 耐久性

结合纤维类吸音材料在实际车辆中的应用环境,材料本身的抗霉性、疏水性、抗压回复性是衡量材料耐久性的 3个重要因素,如果材料本身易发霉、易吸水、抗压回复性差,将严重影响材料的耐久性。对于声学材料来说,发霉、吸水、压缩会破坏材料本身的物理结构,从而导致材料声学性能下降。通过测试分别考察了PET+PP纤维材料和其他纤维材料的抗霉性、疏水性和抗压回复性,并进行了对比分析。

(1)抗霉性

为考察PET+PP纤维、再生纤维、聚酯纤维、聚氨酯泡沫4种材料的抗霉性能,按 ASTM G21所规定的方法对 4种材料进行了抗霉试验。

试验样品规格:

1.PET+PP纤维 (面密度 200 g/m2,厚度 10 mm,尺寸 50 mm×50 mm);

2.再生纤维 (面密度 400 g/m2,厚度 10 mm,尺寸 50 mm×50 mm);

3.PET纤维 (面密度 400 g/m2,厚度 10 mm,尺寸 50 mm×50 mm);

4.聚氨酯泡沫(面密度 40 g/m3,厚度 10 mm,尺寸 50 mm× 50 mm)。

4种材料抗霉性的测试结果如图2所示。

通过图 2可以看出,除 PET+PP纤维外,其他材料均出现了不同程度的发霉现象,PET+PP纤维材料的抗霉性能要优于其他材料。

(2)疏水性

按GM 9146P标准规定的方法对PET+PP纤维和再生纤维两种材料的疏水性进行考察。取两种材料的质量均为 10 g,在水中浸泡5 min后,定时称量材料的质量,材料的质量随时间的变化曲线如图 3所示。

由图 3中曲线可以看出,PET+PP纤维材料在水中浸泡后的质量增长倍率小于再生纤维的质量增长倍率,由此可见前者的分子结构对水份的吸收能力更小。随着时间的增长,PET+PP纤维可以在20 h后回复到自身吸水前的质量,而再生纤维的疏水性相对较差,20 h过后,材料的自重仍为原来的5倍左右。

(3)压缩回复性

对 PET+PP纤维和聚氨酯泡沫两种材料受外力压缩后的回复性进行了考察。

样品规格及试样条件如下:

1.PET+PP纤维 (面密度 400 g/m2,厚度 20 mm,尺寸 150 mm×150 mm);

图2 4种材料抗霉性的比较

图3 两种材料疏水性的比较

2.聚氨酯泡沫(面密度 40 g/m3,厚度 20 mm,尺寸 150 mm× 150 mm)。

试验机压头为圆盘型,可提供0.06 Pa的压强。试验时,在室温和 65℃两组温度条件下将压头整体压在材料表面上,保持 0.06 Pa的压力 2 h,撤掉压力,将受压后的材料在室温下调节 2小时后,进行材料厚度的测量。

测试结果如图 4和 5所示。

图4 室温下两种材料压缩回复性的比较

图5 65°C下两种材料压缩回复性的比较

通过两种材料压缩回复性的比较可以看出,在室温条件下,PET+PP纤维材料的压缩回复性要略好于聚氨酯泡沫材料;在 65°C条件下,PET+PP纤维材料的压缩回复性与室温条件下的变化不大,而聚氨酯泡沫在 65°C条件下的压缩回复性与室温下差别很大,性能只有原来的50%左右。车辆在实际使用过程中,乘员舱会受到日光的照射,内部温度可能会在80°C甚至更高。材料的压缩回复性好,材料耐久性能也相应的提高。在车辆中使用PET+PP纤维作为吸音材料,更利于吸音作用的长久保持。

1.2 材料声学性能

对 PET+PP双组分纤维材料的吸音系数进行了测试,考察材料的吸音性能水平,并与普通纤维类材料进行对比。

试验仪器:B&K Model 4206(2探头全阻抗测试管)

试验标准:ASTM E1050

试验样品的尺寸为直径为 99和 29 mm的圆盘型试样各一块。直径99 mm的试样用于测试材料对低频率段(125～1 600 Hz)噪声的吸音曲线,直径 29 mm的试样用于测试材料对高频率段(500～ 6 300 Hz)噪声的吸音曲线,材料的全频率段吸音曲线由两条曲线拟合而成。

1.2.1 不同面密度纤维的吸音性能

为比较不同面密度 PET+PP纤维材料吸音性能,对 3组材料的吸音系数进行了测试。

试验样品:

1.PET+ PP纤维 (面密度 200 g/m2,厚度 13 mm);

2.PET+ PP纤维 (面密度 300 g/m2,厚度 21 mm);

3.PET+ PP纤维 (面密度 400 g/m2,厚度 28 mm)。

材料吸音系数的测试结果如图 6所示。

图6 不同面密度 PET+PP纤维材料吸音曲线

PET+PP纤维材料吸音系数随频率的变化曲线与普通多孔吸音材料的变化趋势一致[10]:材料吸音系数随着频率的增大而逐渐升高,材料对中高频,尤其是1 500 Hz以上的声波具有良好的吸收作用。另外,随着材料面密度的增加,材料总体的吸音性能增强,但是面密度为 300和400 g/m2的 PET+PP纤维材料的系数在 2 500 Hz以后略有下降。

1.2.2 不同种类纤维的吸音性能

为比较相同面密度、不同厚度 PET+PP纤维,PET+PP纤维、PET纤维材料和再生纤维材料的吸音性能,对4组材料的吸音系数进行了测试。

试验样品:

1.PET+ PP纤维 (面密度 200 g/m2,厚度 26 mm);

2.PET+PP纤维 (面密度 200 g/m2,厚度 13 mm);

3.PET纤维(面密度 350 g/m2,厚度 10 mm);

4.再生纤维 (面密度 400 g/m2,厚度 10 mm)。

材料吸音系数的测试结果如图7所示。

图7 不同种类纤维材料吸音曲线

通过图 7的材料吸音系数曲线分析,相同面密度的PET+PP纤维,在相同频率下的吸音系数随材料厚度的增大而增大。其原因是由于厚度增大使声波透过材料的阻碍增强,材料对声波能量的消耗增大,故材料的吸音性能增强。另外,通过 PET+PP纤维和 PET纤维、再生纤维吸音曲线的比较来看,PET+PP纤维在较小的面密度下表现了更强的吸音效果,面密度 200 g/m2的 PET+ PP材料在 200～6 300 Hz频率段的吸音系数均高于面密度350g/m2的PET纤维和面密度400 g/m2的再生纤维。在整车中应用 PET+PP纤维材料在保证良好吸音效果的同时,有利于整车声学内饰的轻量化;而面密度为350 g/m2的 PET纤维和面密度为400 g/m2的再生纤维相比,吸音曲线基本相近,PET纤维的吸音性能略好于再生纤维。

1.2.3 纤维热老化后吸音性能

为考察 PET+PP纤维材料热老化前后吸音性能的保持情况,对两组材料进行测试。

试验样品:

1.PET+PP纤维 (面密度 200 g/m2,厚度 26 mm,室温条件 );

2.PET+PP纤维 (面密度 200 g/m2,厚度 26 mm,经 65°C 2h热老化 ,在室温下调节 2 h)。

材料吸音系数的测试结果如图8所示。

由图8曲线分析,PET+PP纤维材料经65°C热老化前后,材料的吸音性能略有下降,这是由于材料受热回复后,材料的分子结构发生了一定变化影响

图8 PET+PP纤维材料热老化前后吸音曲线

了对声波能量的消耗作用。从下降数值上来说,基本都在 0.05以内,所以材料整体的吸音性能变化不大。

2 材料对整车噪声的改进

2.1 测量

2.1.1 测试车辆和材料方案

为研究 PET+PP纤维材料对整车噪声的改进效果,选取某工装样车作为测试车辆,将 3组材料方案在同一样车上进行实施。每实施一组方案后,将样车恢复到初始状态,进行测试,然后再进行下一套材料方案的实施。每次恢复车辆后,对车辆的密封性进行检查,以保证车辆在实施材料方案前后状态的一致性,使测试结果具有可比较性。

测试样车信息如下:SUV车型,手动挡,发动机排量 1.8 L,两轮前驱。

PET+PP纤维材料应用方案内容包括:

方案一:在 4个车门、后背门内饰板上粘贴 PET+PP纤维材料,面密度 600 g/m2,厚度为 42 mm,材料覆盖面积为整个车门、背门大小。

方案二:在轮罩部位的翼子板衬板上粘贴 PET+PP纤维材料,面密度 600 g/m2,厚度为 42 mm,材料覆盖面积为整个轮罩。

方案三:在 4个车门内饰板上粘贴 PET+PP纤维材料,材料覆盖面积为整个车门大小;在轮罩部位的翼子板衬板上粘贴 PET+PP纤维材料,材料覆盖面积为整个轮罩;在 A,B和 C柱的上下装饰板内侧粘贴PET+PP纤维材料,材料覆盖面积为整个内饰板大小。材料面密度 600 g/m2,厚度为 42 mm。

2.1.2 测试工况

为考察 PET+PP纤维材料对中高频噪声的吸收效果,对整车车内噪声进行测试,具体测试工况如下:

1.在平滑的沥青路面上进行车辆匀速噪声的测试,测试车辆的速度分别为 60,80和100 km/h;

2.在空旷的场地上进行车辆怠速噪声的测试,发动机转速为 3 000 r/min。

2.1.3 数据采集

测量设备为 LMS移动噪声测试仪、LMS Test.Lab8A软件。在车内前排主驾驶座右耳位置放置麦克风来进行测试数据的采集,采样频率为 1.25 Hz,每次测试时,确保每个麦克风放置的位置和方向相同。测试的声学信号被放大后,由数码记录器进行记录以备后续进行分析和解码。在车内噪声的测试过程中,关闭空调、音响设备和所有的车窗玻璃,以尽可能降低其他因素对车内噪声的影响。每种工况下,均采集4段独立的数据,每次采集时间为15 s。如在数据采集的过程中,出现其他噪声干扰,则此采集数据作废,重新进行数据采集。采集的数据信号经频谱分析后得出频率和分贝数值的曲线,所有的声学测量所得的声压级数值均以 A级计权。

2.2 测试结果与分析

表 1显示了原状态车和实施材料方案的样车驾驶员右耳的噪声情况。

表 1样车驾驶员右耳的噪声数值 /d B(A)

图9为分别实施 3组方案后,试验样车在怠速3 000 r/min工况下,驾驶员右耳噪声与原车噪声的一组测试对比频谱。

通过3组材料方案实施前后样车怠速 3 000 r/min噪声数值的对比可以看出,在车门、轮罩、A/B/C柱加装 PET+PP纤维材料,对整车怠速噪声均有一定的降低作用。发动机在怠速3 000 r/min时产生噪声主要以中高频为主,所以PET+PP纤维在车辆怠速 3 000 r/min时对车内噪声的降低效果比较明显。方案1与方案2相比,前者对怠速噪声的降低更为显著,降低幅度为5 d B(A)左右,这说明样车的车门声学作用较差。对于方案2,在样车的轮罩部位加装 PET+PP材料对于怠速噪声的降低幅度低于车门加装方案,主要原因是轮罩部位面积小于车门部位面积,另外轮罩部位吸音材料对胎噪作用更大,而测试工况为车辆怠速静置状态的原因。对于方案3,材料的应用部位较前两个方案增多,应用面积增大后,车辆怠速噪声的降低幅度并没有增大,A/B/C柱装饰板加装吸音材料对车辆怠速噪声降低的贡献量不明显。

图9 3组材料方案实施前后样车怠速 3 000 r/min噪声对比

图10为分别实施 3组方案后,试验样车在匀速工况下,驾驶员右耳噪声与原车噪声对比情况。

图10 3组材料方案实施前后样车匀速噪声对比

由图10曲线可以看出,实施3组材料方案后,车内噪声数值有显著下降,其中方案 3的降噪效果最为明显。与原车相比,实施方案3后,样车在匀速60,80和 100 km/h工况下的驾驶员右耳噪声分别降低了 1.20,4.06和 2.74 d B(A),这说明了在车辆匀速行驶时,车门部位、轮罩部位和立柱装饰板部位上应用的PET+PP纤维材料对轮胎噪声、风噪声起到了优良的吸收作用。从PET+PP材料对不同车速下车内噪声的吸收效果来看,在车速为80 km/h时,实施材料方案前后,车内噪声的下降幅度最为明显,方案1,方案 2和方案 3分别使试验样车 80 km/h的车内噪声下降了 2.42,2.87和4.05 d B(A),这说明了材料对样车匀速80 km/h时车内噪声频率段的吸收性能较为优异。

3 结 论

PET+PP双组分纤维材料的理化性能和声学性能较为优异,与普通纤维材料相比,材料具有更好地隔热性、耐久性和声学稳定性。用此材料对车辆进行整车声学封装处理,可明显降低车内噪声。另外,PET+PP双组分纤维在环保和轻量化方面都具有优势,材料在乘用车上的逐渐应用也代表了整车降噪处理用材的发展趋势,即在轻质、环保、可回收的基础上体现优异的声学性能。由于材料的工艺特殊,生产技术垄断等因素导致材料的价格要高于普通的纤维材料,目前材料在经济型轿车上的使用还不广泛。但是,相信随着国内技术的发展,材料的国产化会使其成本降低,PET+PP纤维材料在乘用车上的应用前景会更加广阔。

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