汽车用吸声非织造材料的应用现状及发展趋势

周锦涛 焦晓宁,2 胡炳辉

1. 天津工业大学纺织学院，天津 300387；2. 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387



汽车用吸声非织造材料的应用现状及发展趋势

周锦涛1焦晓宁1,2胡炳辉1

1. 天津工业大学纺织学院，天津 300387；2. 天津工业大学先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387

阐述汽车车厢内噪声的来源、危害及控制方法，详述非织造材料的吸声原理及其在汽车控声领域的具体应用，以及国内外吸声非织造材料的发展历程，介绍目前国外汽车用吸声非织造材料的开发情况，并对国内汽车用吸声非织造材料发展趋势进行预测。

吸声，隔声，非织造材料，现状，趋势

汽车现已成为人们出行必不可少的一种交通工具。阻止车体及外部噪声进入车厢，这对创造足够舒适的车内乘坐环境来讲非常重要。欧盟、日本和美国等发达经济体每隔6年就会修订相关法规和测试标准[1-2]，控制汽车内外噪声水平；我国虽已制定了相关标准，并取得了良好的效果，但与发达国家相比仍有一定差距。表1为世界主要经济体在汽车噪声控制方面的相关法律、法规及强制标准。对车内噪声的稳定控制是汽车制造商追求的一项重要目标，优异的静音效果能显著提升汽车产品的市场竞争力[3]28。大量使用吸声材料有利于降低车内噪声水平，其中，非织造材料以其特有的良好吸声性、适应性及成本优势，现已广泛应用于汽车产品中。

1 车内噪声污染及控制

1.1 噪声的来源和危害

车内噪声主要由发动机、传动系统、排气系统，以及轮胎与路面接触、车身与空气摩擦及其他车辆因素等产生。图1显示了车内噪声的来源，它们通过空气(空气声)和车身振动(结构声)传播到车内，形成噪声。因此，可通过控制两种传播方式来显著降低车内噪声。

图1 车内噪声的来源

声级高、持续时间长的噪声会降低乘坐者的舒适度，影响注意力，令乘坐者倍感疲劳和困倦，甚至会埋下严重的健康隐患[4]61，特别是驾驶员，长时间处于噪声环境中将对他们的健康造成很大影响。随着汽车的普及，更多的人将处于车内噪声环境中，身心健康必将受到一定影响。表2列出了人体对声音的感知程度。

表2 人体对声音的感知程度

为降低噪声对驾乘人员的危害，GB 7258—2012《机动车运行安全技术条件》规定，驾驶员耳旁噪声声级应不超过90dB；交通部JT/T 325—2006《营运客车类型划分及等级评定》规定，根据客车大小和等级的不同，匀速行驶(50km/h)的客车内噪声声级应不超过66～79dB。目前，普通汽车行驶时车内噪声可控制在60～70dB，高档汽车静音效果更好，能达到60dB以下[5]。

1.2 噪声的控制

目前，利用声学原理降低车内噪声的方法有两种：一是被动消噪法[6]，主要利用吸声、隔声材料[7]将噪声源与乘员舱隔开，以降低车内噪声水平；二是主动消噪法[8]，即利用声波干涉原理，通过智能系统控制扬声器发出与噪声源振幅相同、相位相反的声波，与之抵消，以降低人体接收的噪声水平。前者对高频(≥500Hz)噪声的隔离效果较为理想，对低频(<500Hz)噪声的降噪效果不佳；后者对车内低频噪声的消噪效果较理想，但技术尚不成熟，成本较高。

当前汽车主要采用被动消噪法[4]61-62，包括对噪声源的控制、对传播途径的控制和对噪声接收者的保护等，且一般是在噪声传播途径上采取措施。常见的有，在各种汽车部件(如发动机舱和行李舱盖板、仪表板、地毯、门板、顶棚、轮舱、A/B/C柱等)中使用隔声、吸声材料。其中，仪表板周边吸声材料使用量最大、要求最高。

2 汽车用吸声非织造材料的应用

2.1 汽车用控声材料

控制噪声传播的方法主要有密封、减振、隔声和吸声等。如在减振的基础上再进行隔声、吸声和密封处理，可获得安静舒适的环境[9]。所有材料都不同程度地具有减振、隔声和吸声的能力，因此，材料性能的优劣将直接影响其降噪水平。传统的隔声、吸声材料主要有金属板、橡塑板、沥青板、玻璃纤维棉、矿岩棉、工业毛毡、硅酸铝棉、发泡硅胶板、吸声涂料、海绵、聚氨酯泡沫塑料等，但这些材料都不同程度地存在质量重、不耐水、阻燃性差等缺点。

汽车用控声材料的选材原则是使用密实材料进行低频隔声、使用多孔材料进行高频吸声。多数材料都具有吸声作用，其以吸声系数为评价指标。吸声系数大于0.20的材料即为吸声材料，大于0.56的材料即为高效吸声材料[10]。非织造材料吸声系数范围宽[11]，同时具有质量轻、对温度稳定、可循环使用、经济环保等其他材料不可比拟的优点，对高频噪声吸收效果好，现已被广泛用作汽车用吸声材料。目前在汽车所用的控声材料中，非织造材料的使用可达到总控声材料面积的82%。

2.2 非织造材料吸声机理

图2 声波在多孔材料中的传播示意

吸声材料根据吸声机理的不同可分为共振吸声、多孔吸声和复合吸声三类[12],[13]9，其中多孔吸声材料目前应用范围最广。非织造材料孔多、质轻、比表面积大，其内部还有大量相互贯通、由表及里的微孔，是一种重要的多孔吸声材料。其吸声机理是声波深入三维杂乱材料孔隙中，引起空气和细小纤维发生机械振动，加之因空气分子摩擦、黏滞阻力及热交换等作用，相当一部分声能被转变为热能(图2)。

2.3 汽车用吸声非织造材料的应用

吸声非织造材料遍布整个车身，从车顶到地毯内衬，从发动机舱盖板到行李舱盖板，其为舒适的乘车环境做出了贡献，即便在高速行驶中[14]24，驾驶员和乘坐者也能在车内像平常一样聊天不受干扰。表3列出了吸声非织造材料在汽车中的具体应用，图3为车顶和地板用吸声非织造材料的结构示意。

表3 主要吸声部件对噪声的吸收作用

2.4 汽车用吸声非织造材料的发展历程

目前，汽车用吸声非织造材料的生产工艺主要有针刺、熔喷、热黏合、纺黏、水刺等[4]69, [15]26-28，纤维原材料主要是化纤(常规PET、PP纤维，异形截面纤维等)、天然纤维(主要是麻类纤维)、无机纤维(矿物棉、玻璃纤维等)及金属纤维等，其部分发展历程如表4所示。

2.5 国外汽车用吸声非织造材料的开发

汽车用吸声非织造材料在我国还处于发展阶段，但国外已进行了较多的开发与应用。

Texel公司[30],[31]128-129是加拿大一家知名的针刺吸声非织造材料生产商，代表性产品ThermoFit不仅具有优良的吸声性能，而且能满足客户对颜色的特殊要求。该产品使用独特的工艺将热塑性纤维和非热塑性纤维混合，再经针刺模压制造而成。ThermoFit产品在汽车上的应用涉及车厢衬垫、行李舱盖板、车门衬垫、仪表板衬垫及轮舱衬垫等，其中轮舱衬垫已应用在福特、日产、本田、奔驰、奥迪、宝马和大众等汽车产品中[32]40-41。此外，Texel公司还生产面密度100～300g/m2的非织造材料，用于取代顶棚表层和底层上的泡沫材料。

图3 车顶和地板用吸声非织造材料示意

表4 国内外吸声非织造材料的发展历程

Foss Manufacturing公司[14]41,[32]36是美国一家生产具有降噪功能的针刺非织造材料生产商，其生产的Mudguard衬垫经注塑模压成型，可安装在轿车轮舱内，大大降低车轮与路面、石子及碎片等摩擦与撞击产生的噪声。

德国Sandler公司[14]26, [31]129, [32]38生产的Sawawsorb系列高级非织造吸声产品(图4)以细旦纤维为原料，利用针刺或热黏合工艺生产，不仅适合于狭小空间的安装，还具有阻燃功能。该产品可迅速吸收发动机和轮胎部位产生的噪声，既可用作汽车吸声内饰件，也可用于外部的发动机盖板和轮罩。Sandler公司的非织造产品全球现有40多款汽车车型在使用，几乎涵盖所有汽车吸声、隔声部件。

图4 Sawawsorb(Sandler公司)

德国Freudenberg公司生产的SoundTex[13]11,[33]吸声非织造材料于20世纪90年代进入中国市场，产品质量轻(60～70g/m2)、厚度薄(仅0.2mm)、防火性能好、易于运输和安装，目前主要在工程上使用。该公司生产的另一种吸声材料Evolon[32]41主要用作汽车仪表板内衬、车身侧板内衬及轮舱衬垫等。

德国Ziegler公司[3]28-38,[31]126的代表性产品Hacoloft是一种PET细纤维非织造材料，其不仅吸声性能良好，而且质量仅为其他吸声材料的1/3，能大幅降低油耗，可用于汽车门板、仪表板、车身、发动机舱盖板及车厢厢体等部件中(图5)。目前在欧洲，使用PET纤维非织造材料代替传统纺织类吸声材料的过程已基本完成，几乎所有新车型都在使用非织造吸声材料。

图5 Hacoloft(Ziegler公司)

德国Textilgruppe Hof公司[32]37于20世纪80年代进入汽车用非织造材料市场，其Zetajet系列水刺吸声产品面密度为35～250g/m2，产品中特殊的纤维取向提升了吸声性能。其在纵横方向上均具有较高的拉伸强力和较大的伸长，这是较大尺寸和复杂几何形状的模压成型部件所具有的优势。Zetajet现已用于发动机舱盖板、仪表板内外饰、汽车隔热层、阻燃层、车底防护板、车顶内饰及其他注塑部件(图6)。

图6 Zetajet(Textilgruppe Hof公司)

瑞士Rieter集团开发的100%由PET纤维制造的Ultra SilentTM非织造护板，可用于车身地板和发动机舱底部。

日本Teijin公司[14]26开发的V-LAP是具有垂直取向结构的PET短纤湿法非织造产品，其纤维沿厚度方向排列(图7)。V-LAP质轻，同样的吸声效果其质量仅为普通吸声材料的一半，这提高了车辆的燃油效率。V-LAP和Teijin公司的另一款衬垫产品ELK相似，100%由可再生PET纤维制成，阻燃、绝热，是替代聚氨基甲酸酯的一种理想的环保材料(聚氨基甲酸酯燃烧时会产生乙二腈气体)。目前，V-LAP已用于生产Mitsubishi公司旗下Outlander汽车地毯的背衬，且Teijin公司一直都在寻求扩大其应用领域，未来有望在汽车吸声材料领域大量应用。

图7 V-LAP(Teijin公司)

日本Nissan公司开发的含异形截面纤维的热黏合非织造材料，所用纤维线密度低于0.555tex，吸声效果良好。

日本Toyobo公司将聚酯长丝纺黏非织造材料与短纤维非织造材料复合，制成的Sound Block产品吸声性能优良。

3 汽车用吸声非织造材料发展趋势

吸声非织造材料能够明显降低汽车内部噪声水平，很好满足人们对车内舒适环境的需求。发达国家对汽车用吸声材料的开发和应用经验，为我国汽车吸声非织造材料的开发带来了启示，未来的发展趋势表现在：

(1) 注重成本优势。目前，制约汽车用吸声非织造材料普遍使用的因素还是成本。从长远看，聚合物原料价格将不断上涨，只有开发成本更低的材料才能够实现大规模的应用。

(2) 符合环保要求。法律法规的制定使汽车制造发生了改变。因此，为满足日益严苛的环保法律规定，吸声材料也需做到可回收再利用。如，不使用石棉、玻璃纤维；不采用含铅等重金属有害物质；纤维原材料种类单一化，以降低回收难度；采用可降解天然纤维，减少垃圾填埋。

(3) 符合轻量化趋势。为降低能源消耗，轻量化是汽车发展的一大趋势。非织造材料之所以在汽车用吸声材料市场保持旺盛的需求，优势在于其比其他材料更轻，吸声效果更好。垂直铺网、气流成网等工艺可以明显降低非织造材料面密度，但垂直成网工艺目前在我国仍属空白。

(4) 多功能。汽车用吸声非织造材料除了具有吸声功能外，还可具备阻燃、隔热、保温、防水、拒油、抗菌消臭、负离子释放等功能。

(5) 吸声频段宽。为进一步减少材料使用量，需设计开发高效吸声材料，即一个部件能够吸收频率范围尽量宽的噪声。

(6) 多用途。同一款吸声材料不仅可用在汽车上，而且可用于其他控声领域，如家庭装饰、建筑、电器等。

(7) 新挑战。随着电动汽车时代的到来，汽车没有了发动机和排气系统，噪声较低，对噪声吸收材料的需求将减少，但电池变频器会发出高频声波，这将是吸声非织造材料需要关注的新的应用领域。

4 结语

汽车噪声污染问题已越来越受到广泛关注。为了降低车厢内噪声，采用改善机械结构的方法已不能满足日益提高的控声目标要求，汽车生产商需大量使用吸声材料来应对消费者对车内舒适环境的需求。非织造材料具有质量轻、对温度稳定、可回收再利用等特点，是汽车控声材料的极佳选择。目前，吸声非织造材料在国内的应用与发达国家相比存在一定差距，因此可以预见，未来有关车内噪声水平控制的法律法规会不断完善，吸声非织造材料在我国汽车生产制造领域也会获得极大的发展。

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Application status and trends of acoustic nonwovens in automobiles

ZhouJintao1，JiaoXiaoning2,HuBinghui1

1. Schoool of Textiles,Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China；2. Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China

The source, harmfulness and control solutions of noise in automobiles were elaborated. The principle of noise absorption for nonwovens and its specific application in the field of automobile noise control, as well as the research progresses in acoustic nonwovens at home and abroad, were described. And the current development of foreign automobile acoustic nonwovens were introduced. The future tendencies of nonwovens in domestic automobile acoustic fields were forecasted.

sound absorption，sound insulation，nonwovens，current situation，tendency

2015-06-30

周锦涛，男，1991年生，在读硕士研究生，研究方向为功能非织造材料

焦晓宁，E-mail: xiaoningj@tjpu.edu.cn

TS176+.9

A

1004-7093(2016)03-0001-07