汽车用吸声非织造材料的研究进展

彭 敏，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

汽车用吸声非织造材料的研究进展

彭 敏，赵晓明

(天津工业大学纺织学部，天津 300387)

介绍了汽车噪音的产生机理、传播途径以及汽车噪音的危害，概述了汽车用吸声非织造材料的性能要求、原料选择、生产工艺、研究现状及发展趋势，为汽车用吸声非织造材料的发展提供参考。

车内噪音 吸声材料 非织造材料 控制

随着人们生活水平的不断提高，人们对于汽车的需求已不仅仅局限于一种代步工具了，而是一个生活空间[1]，很多消费者更是将汽车当成自己的第二个家。因此，汽车自身的安全性及乘坐的舒适性就成为了评价一辆汽车品质的重要标准，其中汽车噪音就是一个重要的标准。

1 车内噪音

当车辆高速行驶时，汽车轮胎与地面产生的摩擦、汽车的鸣笛声以及发动机的转动等都会产生噪音。总的来说，汽车噪声是一个包括了各种性质噪声的综合噪声源，分为车外噪声和车内噪声两大类[2]。其中车外噪音是造成交通噪音的主要公害源，也是城市噪音的主要来源，它指的是由汽车的各系统在工作时所产生的声音传播到车外空间的那部分噪音，主要包括发动机噪声、排气噪声、轮胎噪声、制动噪声和传动系统噪声等[3，4]。车内噪音则指的是车厢外的汽车各部分噪声通过各种途径传入车内的那部分噪声以及汽车各部分振动传递路径激发车身各部件的结构振动向车厢内辐射的噪声[5，6]，这些噪声声波在车内空间声学特性的制约下，生成较为复杂的混响声场，从而形成车内噪声。

1.1 车内噪音的产生及组成

车内噪声主要是由于汽车的发动机运转、汽车的传动系统、排气系统、车行驶过程中车身的振动、轮胎/路面之间的摩擦及风扇等车外声源和振动源产生的。

这些由汽车自身或行驶过程中产生的噪声将会通过空气声(如汽车的门窗等处的孔隙及车厢的壁板)和结构声( 如汽车车身壁板振动而产生的声音) 传入汽车内部。因此，车内噪声实际是由空气声、结构声和室内混响声共同组成[7]。而当该声音超过一定的分贝就会干扰驾驶人员及车厢内其他人员，使其产生烦躁、心慌的现象。

1.2 车内噪音的危害

人与人之间的沟通交流离不开声音，人们通过声音来获取信息，但当声音的强度超过人们正常生活和生产所能承受的范围后，声音就成为了一种噪音，它不仅对人而言是无用的，甚至会对人体及周围的建筑等造成危害，并且其影响是巨大的。

近年来，随着交通和汽车工业的发展，车辆数量越来越多，车辆的行驶速度也越来越高，车内噪音对驾驶员及车内其他人员的危害也越加明显。车内噪音对人的影响是多方面的，研究表明，当人处在噪音环境下一段时间，听力会开始有所下降，但如果及时离开，一段时间后听力会得到恢复，但如果长期处在噪音环境下，其听觉系统长期受到刺激和损害，就会出现永久性的听力受损。除此之外，通常当噪声值高于65dB时便会干扰到车内人员的正常谈话，此时如果车内的人员想要交流就必须提高自己的声音或拉近交谈者之间的距离才能交谈[8]，而这一举动则极有可能分散驾驶人员的注意力，为行车安全埋下隐患。而当车内噪音过大时，也会使人感觉到心烦、精神难以集中，更有甚至会影响到车内人员的心血管系统，对视觉器官等造成不良的影响，导致驾驶人员视力清晰度下降、平衡性反应失灵，严重危害汽车驾驶安全。因此，为了有效地减小车内噪音对车内人员的安全状况造成影响，消除安全隐患，减少或消除车内噪音是很有必要的。

1.3 车内噪音的控制

声音进入人耳需要经过三个环节，即发声体的振动产生声音(声源)经介质(气体、液体、固体)传播并被人或动物的听力器官所感知。因此，对于车内噪音的降噪也要从噪音源、传播途径及保护接收者这三个方面来考虑。通常情况下降噪的方式有两种，一是对噪音源进行治理，即对汽车本身的性能及装备进行改良，这是最彻底最有效的措施，但这就目前而言我国车内主动降噪系统尚不成熟，因此这种从噪音源降噪的方式受到了工艺技术上的限制，不能达到预期的防噪效果；二是利用声音的特性在声波传播过程中通过不同的“障碍物”损耗声波的能量，即利用汽车内饰材料的吸声、隔声及减振的性能，从噪音传播的途径上实现降噪，这种方法是目前车内降噪的主要手段[9]，也是本文论述的重点。

2 吸声非织造材料在汽车上的应用

2.1 吸声材料

通常情况下，任何材料都具有一定的吸声效果，评价材料吸声性能好坏的指标有很多，但最常用的是以材料的吸声系数作为评价一个材料吸声性能是否优良的指标[10]。吸声系数是指当声波入射到材料时，被材料所吸收的声能与入射声能的百分率，吸声系数的范围在0到1之间，吸声系数的值越大，代表该材料的吸声性能越优异。通常将吸声系数大于0.20的材料称为吸声材料[11-13]。

2.2 吸声非织造材料在汽车上的应用

汽车工业的不断发展为纤维材料的使用带来了一个具有巨大潜力的市场。据统计，过去生产一辆轿车平均仅需1平方米非织造材料，而在2007年时则需20多平方米非织造材料[14]，并且这一用量一直呈现增长的趋势。如今在汽车中应用的基于非织造材料的零件已超过40种[15]，这些非织造材料被用在汽车制造的各方面，包括用在汽车的车顶、车厢衬垫、座椅靠背、行李舱盖板及汽车装饰件等，起到吸声、隔声、减震、热绝缘及汽车装饰的作用。随着需求的不断增大，巨大的市场需求将为汽车用吸声非织造材料的发展带来了巨大的商机，同时也将促进其材料性能的不断进步。

2.3 汽车用吸声非织造材料的性能要求

对于汽车用非织造材料，在选择时除了要考虑该材料是否具有良好的吸声性能，能否有效的降低车内噪音的水平，还要从汽车的舒适性及乘坐者的安全性出发[16]，这也是在现如今进行汽车产品的研制与开发过程中需要考虑的重要因素。这些要求主要包括：

(1)安全环保性

任何产品在进行研制和开发的过程中，首先要考虑该产品的安全性，如果不能保障使用安全，那么再好性能的产品也不能投入生产和使用。因此，作为汽车内使用的吸声非织造材料，其首要要求就是在任何的环境下该吸声材料都必须是对于人体无刺激、无毒、无害，安全可靠的。随着人们环保意识的不断增强，越来越重视对环境的保护，在对吸声非织造材料进行研制和开发时更需要注重其环保性，即所使用的原料及加工过程是对环境没有影响或影响较小的，且材料可以回收再利用[17]。

(2)吸声、隔声性能优良

作为汽车内的降噪材料，其吸声性能及隔音性能是评价该材料性能的最主要的因素之一，没有良好吸声隔声性能的非织造布只能作为汽车内饰的装饰而不能真正的发挥它的效用，因此在选择材料时要求该降噪非织造材料拥有良好的吸声隔声性能，且吸声隔声的频率范围较广，以便吸收各频段的噪音。

(3)良好的力学性能[18]

拥有良好的力学性能，这是材料使用的基础要求，良好的力学性能包括具有一定的强度，且耐磨、耐压、尺寸稳定性好等。

(4)良好的耐热性、阻燃性及抗静电性等

在较炎热的夏季，汽车内的温度最高可以达到60℃以上，这就要求在汽车内使用的降噪非织造材料具有一定的耐热性及阻燃性。

(5)寿命长，不易老化，耐气候性好

汽车的寿命相对较长，一般小汽车的寿命可以达到15年左右，因此作为汽车内饰材料，其寿命也需要较长，且不易老化，在使用的过程中其吸声隔声性能不能随时间和环境的改变变化太大。

(6)轻量化，高性价比

汽车的轻量化是汽车制造领域的一大发展趋势，汽车自身质量的减少可以有效的减少油耗，使得车主在使用过程中能节省开销。同时，与机织针织物等相比，非织造材料的成本更加低廉，这也是非织造材料作为汽车吸声材料的一个重要的原因。

(7)便于剪裁、装饰。

汽车中对于降噪材料的选择并不仅仅是起到吸声隔声的功能，更是一种汽车内饰的装饰，因此需要材料便于剪裁以便于进行汽车装饰，营造出一种温馨、舒适的环境且具有可观赏性[19]。

2.4 吸声非织造材料原料的选择

吸声非织造材料原料的选择主要从其吸隔声性能、安全性及舒适性几个方面进行考察，其原料的选择也从最初的天然有机材料到无机材料，再到现在综合绿色环保、安全舒适于一身的复合型材料。各种吸声非织造材料各有其优缺点，因此在选择的过程中需要根据实际情况进行取舍。

早期的吸声材料主要是以天然纤维如棉、毛、麻等纤维制品为主，这一类的纤维材料在中高频范围内具有良好的吸声隔声性能[20,21]。这一类纤维原料取材方便，并且可降解，对环境无危害，因此在早期时应用较广泛，但天然的动植物纤维作为吸声隔声材料的原料也具有很多缺点，由其加工而成的材料通常防火、抗酸碱、抗腐蚀性差，且易蛀虫、易老化，不适宜长期使用，因此，随着无机纤维的面世，这一类吸声材料开始渐渐淡出市场。

无机纤维具有不易燃、不易蛀虫、不易老化、不易腐蚀并且强度高、成本较为低廉、制品较为轻薄等优点，但这类纤维虽然强力较高但性脆，因此在施工安装过程中易折断，产生粉尘污染环境[22]，影响人的健康，并且从安全和舒适性出发，这类纤维材料也存在着一定的缺陷，故也慢慢退出吸声材料的舞台。

目前车用吸声非织造材料的原材料中使用最广泛的是合成纤维。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，由其为原材料制成的吸声非织造材料具有质量轻、吸声效果好、无污染、安全舒适且寿命长、性能稳定等优点，符合现在社会绿色环保、轻量化、节约型的要求，同时由于其成型方便，故可以根据产品的实际需要而制成具有不同特点的纤维制品，因此倍受广大汽车制造商青睐。

2.5 吸声非织造材料的生产工艺

对于汽车用非织造材料的生产方式有很多，如针刺工艺、熔喷工艺及热黏合工艺等，但针刺工艺是使用最为广泛的，与其他工艺相比，针刺工艺具有生产成本低、流程短等特点，并且由于其工艺参数可以进行改变，因此具有更高的灵活性及可操作性，由这种工艺生产的非织造材料具有大量的孔隙，拥有良好的吸声效果。因此，这种针刺加固非织造材料的方法是在吸声材料中运用最广泛的。Montgomery Elizo最早利用针刺工艺研制出航空器内部贴敷用吸声非织造材料，并对其性能进行测试，发现这种由针刺工艺所得到的材料拥有良好的吸声效果[23]。

3 汽车用吸声材料发展历程及发展趋势

3.1 汽车用吸声材料的发展历程

最早期使用的汽车用吸声材料通常是橡胶类的材料，直到20世纪60年代末，汽车用的吸声材料才开始使用一些多孔吸声材料，如多孔硬板、发泡材料等，其中主要使用的是由玻璃纤维为原料制成的吸声材料，但由于玻璃纤维性脆，因此为了防止纤维飞散，需要用网或布将其包裹起来。

非织造材料在汽车上被作为吸声材料使用是在20世纪70年代末，吸声非织造材料开始在汽车上使用。研究人员发现与其他结构的吸声材料相比，非织造材料不仅具有良好的吸声性能，同时还具有质量轻、透气性好、耐气候性好、经济环保等优点，因此被广泛用作汽车用吸声材料[24]。据调查，目前汽车用的吸声材料中，非织造材料占百分之八十以上。

目前，传统单一的原材料与制作工艺已难以满足人们的需求，众多研究人员与相关的公司纷纷致力于研究出成本较低、性能良好的新型吸声材料。通常中高档车更将注重汽车的整体性能，特别是汽车的舒适性等附加性能，因此对于中高档车辆的生产商而言更加看重新型高效吸声材料的开发与研制。

(1)新型纤维的开发与应用

①异形纤维

异形纤维是相较横截面为圆形的纤维而言的，是受蚕丝纤维的结构的启发研制而成的，它是通过不同形状的喷丝孔挤压喷丝出具有特殊横截面结构的化学纤维[25]。

异形纤维与普通的化学纤维相比，除了具有良好的光学效应外，由于其比表面积大、纤维之间的抱合力强，纤维与纱线之间的空隙多等特点，使得这类纤维具有很好的吸声性能，适合用作吸声材料。日本尼桑公司在原材料纤维中混入线密度小于 0.555 tex 的异形截面纤维，经热黏合法制成非织造布，发现其具有良好的吸音效果，可用于汽车内部衬垫材料[26]。日本丰田公司在对吸声材料进行研究中发现，通过运用改性的异形纤维成功研究出一种声学材料，可以有效地提高汽车内饰吸声材料的吸声性能[26,27]。2011年，Abdelfattah A M等[28]在研究中空纤维是否适合用作汽车用吸声非织造材料原料时发现，将相同线密度的普通PET 纤维和中空纤维经热黏合加固所得到的非织造材料，与同等条件下有普PET纤维单独制成的非织造材料相比该复合材料的吸声性能得到了大幅的提升。

②金属纤维

金属纤维具有强度高、不易燃、不易老化、防潮、抗氧化等，并且由其制成的吸声隔声材料较为环保。美国开发的一种POLPRENT产品，这种产品的主要原料是聚酯纤维，但在制作的过程中在其夹层加入了金属层，其吸声隔声性能特别是其低频段的吸声性能得到了明显的提升[29]。

③合成纤维

除单一原料的合成纤维的使用外，很多汽车制造公司也将合成纤维与其他纤维进行混纺，以提升其综合性能。如美国通用公司在对汽车用非织造布进行研究时发现，在纤维细度为0.44tex～0.666tex聚酯纤维网中加入低熔点聚酯纤维，经针刺工艺制成的非织造材料具有良好的吸声效果，并且可以降低材料所需要的成本，具有质量轻、可回收利用等特点。德国Wcrke公司采用亚麻纤维与聚丙烯纤维混合，经针刺固结后模压成型的材料具有优良的硬挺度、抗拉强度和吸音效果，而且价格低廉，适用于车门板衬垫、坐垫、行李厢衬里[30]。

④超细纤维及纳米纤维

步入21世纪，超细纤维开始被用作一些中高档汽车的吸声非织造材料的原料。2003 年，Emirze等[31]研发橘瓣形超细纤维非织造材料，该非织造材料具有良好的吸声性能及透气性。2007 年，捷克Elmarco公司联合奥地利Oerlikon Neumag公司开发出纳米/非织造复合材料，经测试发现该复合材料的吸声性能较普通非织造材料有大幅提高，特别是对频率1000Hz以下的噪声其吸收效果尤为明显[32]。2009年，Asmatulu R等[33]研究了静电纺纳米纤维的吸声性能，发现静电纺纳米纤维因纳米尺寸和较高的比表面积而具有优良的低频吸声效果和稳定的高频吸收能力。2011年，Kalinova K[34]研究了静电纺纳米纤维对低频噪声的吸收性能，发现其效果明显。

(2)天然纤维的使用

随着人们环保意识的不断增强，天然纤维作为降噪非织造材料的使用也渐渐回归到人们的视野，如何在保持天然纤维优异的性能的同时降低其缺点成为热点。欧盟立法部门还规定，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，天然纤维优良的性能、较低的成本、可再生等优势，成为汽车内饰降噪材料研发的焦点与热点[35]。目前在汽车内饰非织造布原材料中使用较多的天然纤维是麻类，如亚麻等，但天然纤维普遍具有易虫蛀易燃等缺点，因此在实际生产过程中，通常将天然纤维与其他纤维复合，使其性能得到提升[36,37]。南通工学院为了改善材料的性能，将低熔点聚丙烯纤维和麻纤维进行了复合，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。通过测试发现，该材料无污染、成本低，且具有高强、良好的吸声性能、防腐蚀、防虫蛀、且绝缘性优良等特点，被广泛应用于吸声、隔声领域。

3.2 汽车用吸声材料的发展趋势

吸声非织造材料能有效地降低汽车内的噪音，给车内的乘坐营造一个安静舒适的乘坐环境。随着不断地发展，未来汽车用吸声非织造材料的发展也将向着以下几个方向进行努力：

(1) 改进并完善汽车噪声法规和测量标准

与国外相比，我国在噪声标准的制定上仍不够完善，范围要求太广泛，测量准确度受到一定的影响。因此，完善我国汽车噪音的法规和标准，制定出符合社会发展需求的标准是必要的。

(2)环保性

任何材料的开发与使用均不能以环境作为代价，随着各国对环境的重视以及相关法规的规定，开发出可回收且安全环保的材料是未来发展的趋势。

(3)低成本性

一个新材料无论性能多么优异，但如果成本太高，无法满足社会需求，也是不能进入工业化生产的，因此在保证材料性能的同时，降低成本是未来汽车用吸声非织造材料的发展需要。

(4)开发多功能吸声材料

作为产业用纺织品，只具有吸声性能是无法满足人们的需求的。因此，对于汽车用吸声非织造材料除了要具备良好的吸声性能外，还需要具备其他的功能，如防火、防虫、隔热及美观等。

4 结语

随着汽车行业的蓬勃发展，对汽车用降噪非织造材料的需求也将与日俱增，但就目前而言，我国在高效吸声非织造材料领域仍是长期依赖进口的现状。如何开发出高性能的车用吸声非织造材料取代进口产品，降低汽车制造的成本，拓宽非织造材料应用领域，是我们需要努力的方向。

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2016-12-02

国家自然科学基金项目(51206122)

彭敏(1993-)，女，硕士研究生，研究方向：纺织材料的吸声隔声机理。

赵晓明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生导师。

TS102

A

1008-5580(2017)01-0230-06