车内噪声分析及车用降噪非织造材料的生产工艺研究

白　媛　　林　娜　　牛灵鹏

陕西省纺织科学研究所， 陕西 西安 710038



车内噪声分析及车用降噪非织造材料的生产工艺研究

白媛林娜牛灵鹏

陕西省纺织科学研究所， 陕西 西安 710038

摘要：分析汽车车内噪声的危害，以及我国在车内噪声控制方面存在的不足，提出车内噪声控制的必要性及紧迫性。通过系统分析车内噪声的组成、产生途径及控制方法，指出降噪非织造材料对车内噪声控制的有效性，并就国内外车用降噪非织造材料所用纤维及其生产工艺的研究现状与发展趋势进行分析。

关键词：车内噪声，控制，降噪，非织造材料，生产工艺

随着现代交通和汽车工业的发展，车内噪声已成为有关高科技和人类协调发展的一项亟待解决的重要课题。车内噪声是指汽车在行驶过程中，驾驶室、乘坐室内存在的各种噪声，其对驾驶员及乘客的影响不容忽视。如何最大限度地降低车内噪声水平、提高乘坐舒适性，是现代汽车产品开发和设计需考虑的重要因素。很多国家和地区都制订了相关法规和标准，以期可以更好地控制车内噪声(表1[1])。

表1　主要国家和地区对汽车加速行驶的噪声限值　[单位：dB(A)]

从表1可以明显看出，我国现行的对汽车加速行驶的噪声限制要求与欧共体国家相比，差距较大。国产汽车在车辆噪声水平的规范方面要求较松，这也是影响我国汽车质量和市场的重要因素之一。因此，对车内噪声加以控制意义重大。

1车内噪声的产生及组成

车内噪声主要源于发动机、传动系统、排气系统、车身振动、轮胎/路面、风扇等车外声源和振动源(图1)[2]。

图1　车内噪声的来源

这些声源的声能和振动源的振动能分别以空气声(由车厢壁板、门、窗等处的孔隙传播)和结构声(车身壁板振动引起)的方式传到车室内部[3]，其传播过程见图2。由图2可知，车内噪声实际是由空气声、结构声和室内混响声共同组成的[4]。其中，室内混响声是指声波经壁面一次或多次反射后形成的噪声。

图2　车内噪声传播示意

2车内噪声的危害及控制

2.1车内噪声的危害

当噪声的强度超过人们正常生活和生产所能承受的范围时，其便构成噪声污染。噪声对人体的危害众所皆知，其影响也是多方面的。近年，随着交通和汽车工业的发展，车速越来越高，车内噪声对驾驶员及乘客的危害也日渐凸显：

(1)损伤听力。造成暂时性听阈上移(也称听觉疲劳)，更有甚者会造成永久性听阈上移(即永久性耳聋)[5-6]。

(2)干扰正常乘坐和行车。通常，当噪声值高于65 dB(A)时便会干扰普通谈话，此时车内乘客需提高嗓门或近距离才能交谈，这样易使人感到疲劳；更有甚者会声嘶力竭，这将影响行车注意力，为行车安全埋下隐患[7]。

(3)影响身体健康。噪声会影响心血管系统，引起胃机能阻滞，还会对视觉器官产生不良影响，导致驾驶者视觉功能障碍、视力清晰度下降、平衡性反应失灵，严重危害汽车驾驶安全[8-9]。

因此，为有效防止和避免噪声对驾驶员健康状况的影响，利用一些降噪措施防止意外发生，很有必要。

2.2车内噪声的控制

进入人耳的声音都需经历三个环节(图3)。因此，噪声的控制需从噪声源、传播途径及保护接收者这三个方面考虑。其中，控制噪声源属主动降噪，此法最根本、最有效，主要用于对低频噪声的控制。

图3声学系统的基本环节

但我国目前车内主动降噪系统尚不成熟，故从噪声源处主动降噪往往受到限制。因此，综合应用车用降噪非织造材料的吸声、隔声与减振性能，从传播途径上实现降噪，是目前降噪的主要手段。

3降噪非织造材料在汽车上应用的性能要求

随着交通和汽车工业的发展，以及人们对健康、环保意识的增强，降噪非织造材料在汽车吸声、隔声等综合特性方面的要求越来越高。这些要求包括：

(1)轻量化[10]。轻量化是整个汽车制造领域发展的一大趋势，这会大大减少因车身质量而引起的油耗。

(2)在宽频范围吸声、隔声性能好且长期稳定，寿命长。

(3)物理、力学性能良好[11]，如具有一定的强度，安装过程中不易破损，且耐磨、耐压，尺寸稳定性好等。

(4)不易老化，耐气候性好。

(5)环保。绿色环保是当今社会的一大主题，任何新型材料的开发都应围绕这一主题而开展。其要求材料对人体无刺激、无异味、无毒、无害，且同种材料可回收利用等。

(6)便于施工，如易于剪裁、粘贴牢固等。

(7)安全可靠，如具备一定的阻燃和抗静电性能等。

4国内外车用降噪非织造材料的研究现状及发展趋势

4.1纤维原料

4.1.1研究现状

降噪非织造材料发展至今，经历了从有机材料到无机材料，再发展到现在高度重视的绿色、健康、环保、舒适材料的过程，形成了目前无机材料、有机材料并存的局面。

早期使用的吸声材料主要是棉、麻、甘蔗等植物类纤维的制品。这些材料在中高频范围内有着良好的吸声性能[12]35-38，如频率为2 000 Hz时，厚度为2 cm 的麻纤维板吸声系数可达0.49；频率为250 Hz时，厚度为2 cm的甘蔗纤维板吸声系数可达0.98。但植物类纤维的制品防火、防腐、防潮性较差，因此，随着无机纤维的问世，植物类纤维吸声材料逐渐淡出了市场。

无机纤维材料具有质轻、不燃、不腐且不易老化等特性，吸声性能良好，但纤维在施工安装过程中易折断，会形成粉尘污染环境，影响人体健康。因此，尽管此类纤维材料性能优异，但从安全和舒适的角度出发，无机纤维也逐渐退出了吸声材料的应用舞台。

合成纤维大多属有机纤维，同时又因其为人造可溶(熔)纤维，易加工和回收，故属健康、环保、舒适材料。合成纤维综合性能优异，如聚丙烯、聚酯和聚酰胺等纤维，质量轻、吸声效果好、加工成型方便、无粉尘污染、防水防潮防虫蛀、使用范围广、安全舒适、可回收，可根据产品用途的要求及非织造材料的加工要求专门定制具有各种特点的合成纤维制品[13]，因此倍受广大汽车制造商青睐，其在降噪用非织造材料中占绝大部分比例，在亚洲市场极为畅销。目前，市面上所用的吸声材料大都以合成纤维为原料。

4.1.2发展趋势

欧盟立法部门规定，车用可回收材料质量所占比例2006年至少达到85%，2015年已增至95%，同时强制性规定了天然纤维所占比例。自此，天然纤维以其比强度与比模量高、价格低廉、可再生等优势，成为汽车内饰降噪材料研发的焦点与热点[14]。南通工学院曾对低熔点聚丙烯纤维和麻纤维进行了复合工艺研究，制成了聚丙烯纤维薄层上下夹心麻纤维的热塑性非织造材料。该材料无污染、成本低，且具有高强、隔声、吸声、防腐、绝缘等优良性能，被广泛应用于吸声、隔声领域[12]35-38。张辉等[15]对汉麻、涤纶和棉等混纺纱线织物进行了吸声性能分析，发现织物紧度、组织结构和化学试剂对吸声性能有影响。

而有关天然纤维复合材料的吸声性能报道却较少，国内对天然纤维在非织造吸声材料中的应用研究为之更少。Thilagavathi等[16]将竹纤维、香蕉纤维、黄麻纤维和聚丙烯纤维分别两两以50∶50的质量配比进行混合针刺，并对针刺后材料的结构性、舒适性指标进行测试，发现竹纤维/聚丙烯纤维针刺非织造材料结构紧凑，强力和吸声性能良好，热导率和断裂伸长率小，十分适合用作汽车内饰吸声材料；竹纤维/黄麻纤维针刺非织造材料在低频吸声系数方面明显优于竹纤维/香蕉纤维针刺非织造材料。

4.2生产工艺

4.2.1研究现状

4.2.1.1针刺工艺

针刺工艺生产成本低、流程短、改变工艺参数可操作性强，可用于生产厚型产品，制成品纤维间存有大量微孔，能很好地满足吸声材料多孔、疏松等要求。因此，针刺加固的非织造材料在吸声材料中应用最为广泛。

Montgomery Elizo最早利用针刺工艺研制出航空器内部贴敷用降噪非织造材料，并分别从吸声系数、孔隙率、加工工艺等三方面对其吸声特性进行分析，结果表明，针刺降噪非织造材料综合吸声性能良好[17]。美国通用公司曾将低熔点聚酯纤维均匀加入线密度为0.440～0.666 tex的普通聚酯纤维网中，再对复合纤维网进行针刺、热黏合，制成的非织造复合材料成本低、质量轻、可回收且吸声效果良好[18]。通常市售的隔声毡大多采用针刺工艺，产品规格为500~800 g/m2，主体原料为废纤维(包括一般纺织厂生产所留下的下脚料)，通过向其中加入部分热熔粉或热熔纤维后加热、模压制成；还有使用浸渍法+化学黏合剂法，经烘干、模压制成；也有采用两层薄型针刺非织造材料或热轧非织造材料，与聚氨酯泡沫塑料经模压后复合而成[19]。

4.2.1.2熔喷工艺

熔喷非织造材料具有纤维细、材料比表面积大、孔隙小、孔隙率大等特点，因而也被用于降噪材料领域，但其厚度有限，只能通过与其他非织造材料复合达到更好的降噪效果。

典型应用便是美国3M公司近年推出的“新雪丽”降噪材料。其在熔融喷丝过程中，从侧面吹入约35%(质量分数)的聚酯短纤，制成的材料具有优良的弹性回复性、吸声隔声性、绝热性、疏水性等，降噪效果显著[20]。南通丽洋新材料开发有限公司生产的SAP系列汽车降噪材料，也是熔喷工艺在降噪非织造材料上应用的典型例证。其利用超声波轧点技术，在熔喷非织造材料的上、下表面各覆盖一层聚丙烯纺黏非织造材料，外层纺黏非织造材料主要用于保护内层熔喷非织造材料不受污染和损坏，整个材料结构稳固、不易变形，吸声性能良好[21]。

4.2.1.3热黏合工艺

日本尼桑公司采用内含异形截面纤维的混合原料，经热黏合法制成纤维线密度不超过0.555 tex的非织造材料，制成品平均密度为0.02～0.20 kg/m3，具有良好的吸声效果，可用作汽车内部衬垫材料。专利CN200410056811.X[22]介绍了一种汽车内部设备用吸声材料，其由纤维毛毡(质量分数为80%~90%)和固化剂(质量分数为10%~20%)两部分组成，其中纤维毛毡由天然纤维、再利用纤维、聚烯烃类原始纤维和无机纤维中的一种或多种组成，固化剂由六游离酚、三聚氰胺、环氧树脂、不饱和聚酯和苯酚环氧树脂中的一种或多种组成。含固化剂的纤维毛毡在一定温度的烘箱中固化成型，最后为保持毛毯形状还对其进行了冷却处理。

4.2.2发展趋势

事实证明，任何材料如果一直走单一的结构模式，其发展必会遇到很大的困难。降噪非织造材料也是如此。

巴黎工业亚麻技术公司利用50%(质量分数)的聚丙烯纤维和50%(质量分数)的亚麻纤维制成了汽车门内饰板。这种内饰板在发生事故时不易受损，且能使最终产品的质量减轻20%，有效降低了油耗，并使汽车更符合生态要求[23]。专利CN200380110744.9[24]中提及的吸声非织造材料由基片和上下两层覆盖片经热压点黏合而成，其中基片为熔喷法制造的超细纤维(聚丙烯超细纤维平均直径为2 μm、聚酯超细短纤维平均直径为25 μm)非织造材料，覆盖片主要由聚酯(即聚对苯二甲酸乙二醇酯、改性聚酯)和少量作为着色材料的炭精块、氧化钛组成。该吸声材料不仅具有传统非织造材料对中高频的吸声性能，且在600～1 800 Hz频段也显示了优异的吸声效果。专利CN200410094205.7[25]对发动机产生的噪声进行了分析，发现当发动机产生的噪声接触到仪表板时，声压在仪表盘的中心处最高，向外逐渐减小，这就要求距发声源越近的材料，其吸声性能应更好。据此，该专利设计了一款由高密度层和低密度层层压而成的吸声材料，其中高密度层由低熔点涤纶(4.5 dtex，质量分数为30%)和常规涤纶(6.7 dtex，质量分数为70%)经针刺而成，低密度层由低熔点涤纶(4.5 dtex，质量分数为30%)、常规涤纶(3.3 dtex，质量分数为50%)和常规涤纶(6.7 dtex，质量分数为20%)经针刺而成。专利CN20071003054.8[26]公开了一种高性能吸声材料的制备方法。该吸声材料每10 mm的厚度由3~8层、面密度为10 g/m2的丙纶纺黏非织造材料和夹在其间的立体网状纤维层构成，而网状纤维层又由1.1 dtex普通涤纶短纤(质量分数为45%~65%)、16.7 dtex普通涤纶短纤(质量分数为20%~40%)和1.7 dtex热熔涤纶短纤(质量分数为5%~20%)共同组成。铺好的材料于烘箱中加热定型，最后再在-10~10 ℃的模具中冷压定型。吸声材料的厚度可根据需要自行调整。由该法制得的吸声材料高频吸声系数优异，厚度10 mm、面密度200 g/m2的材料在5 kHz时吸声系数可达0.92。

5结语

随着交通及汽车工业的蓬勃发展，车用降噪非织造材料的开发和应用得到了极大的推动。开发适合国内道路状况及国产汽车的高附加值非织造降噪产品，以含先进技术的国产非织造材料替代进口产品，打破国外在此领域的长期垄断，彻底改变我国在高效降噪非织造材料领域长期依赖进口的现状，大大降低汽车制造成本，拓宽非织造材料应用领域，意义重大。我国纺织企业应充分发挥后发优势，积极向车用降噪非织造材料领域进军，以满足交通及汽车工业高速发展的需要，为推动我国非织造材料产品结构调整做出贡献。

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防止雾霾人人有责

绿色生活人人共享

Interior noise analysis and production process research of nonwovens for vehicle noise reduction

BaiYuan,LinNa,NiuLingpeng

Textile Science and Technology Institute of Shaanxi Province， Xi’an 710038, China

Abstract:The harm of interior noise and the deficiency existing in interior noise control of China were analyzed, and the necessity and urgency of the interior noise control were proposed. Through systematically analyzing the composition, generation and control methods of the interior noise, the effectiveness of the interior noise control with nonwovens was pointed out, and the present research situation and development trend of fibers and production processes on vehicle noise reduction with nonwovens were analyzed.

Keywords:interior noise, control, noise reduction, nonwovens, production process

中图分类号：TS176.9

文献标志码:A

文章编号：1004-7093(2016)01-0001-05

作者简介：白媛，女，1985年生，助理工程师，主要从事汽车车内降噪非织造材料的研究

收稿日期：2014-12-30修回日期：2015-10-21