新型吸声材料在车辆降噪方面的应用

2017-08-17刘坤陈伟杨刚杨叶松盘江丽

汽车工程师 2017年1期

刘坤陈伟杨刚杨叶松盘江丽

（重庆铁马工业集团公司）

车内噪声是评价整车舒适性的一个重要指标。车内噪声可以分为结构传播噪声和空气传播噪声，结构传播噪声主要为路面激励、发动机和传动系统产生的动态作用力引起的车身振动，产生向车内辐射的噪声；空气传播噪声即为车外噪声经过车身透射传递到车身内部的噪声。研究发现，提高车身壁板的隔声性能，可使声波不能顺利穿透壁板，或在透过壁板时产生较大的能量损失，从而达到降低车内噪声目的。文章针对车内壁铺设阻尼材料和新型吸声地板，耗散车身振动所产生的能量，从而达到减振的目的[1]。

1 车内壁阻尼吸声

当车内存在噪声时，车内各壁面对入射于其上的声波进行多次反射使车内噪声级升高，这部分噪声称为混响噪声，为了对此部分噪声进行控制，需在车内壁加装阻尼吸声材料。文献[2-3]提出在内壁上安装微穿孔板吸声结构。

采用板厚和孔径均在1 mm以下，穿孔率为1%～3%的薄金属板（通常用铝板）与背后空气层组成微穿孔板吸声结构。微穿孔板的孔细而密，因此比穿孔板的声阻大，而声质量小，从而在吸声系数和吸声频带方面优于穿孔板。相较于传统的吸声结构，微穿孔板结构不需在板后配置多孔吸声材料，使结构大为简化，同时具有卫生、美观及耐高温等优点；另外，微穿孔板还具有宽频带吸收性质，这是共振吸声体常见的现象，微穿孔板的吸声特性与余切函数有关，余切函数是周期型的，这种多频带吸收性质有利于对噪声的吸收。

微穿孔板吸声结构也称为微穿孔板共振吸声结构，其机理与赫姆霍兹共振吸声结构类似，但吸声效果更好。微穿孔板中，微穿孔一般均匀分布在板的表面，孔的大小形状相同。在相邻孔间做与板相垂直的假想平面，使它与两孔中心的距离相等。这些假想平面把微穿孔板连同板后的空气层分割成许多小块，各个穿孔分别占据相同的多角形空间。每个穿孔与其对应的空气层组成的系统类似于短管与空腔组成的共振器，微穿孔板共振吸声结构可以看成由这些互相独立的共振器“并联”而成，微穿孔板共振吸声结构的共振频率也就是单个共振器的共振频率。

影响微穿孔板吸声性能的因素包括穿孔直径、空气层厚度及填充物等。由于实际应用空间的限制，空气层厚度难以无限加大，而填充物的实现则需要较复杂的制造工艺，这2种因素均不易实现可控的变化，因此穿孔直径成为可控制的主要影响因素。

图1示出微穿孔板的穿孔直径对吸声系数的影响。从图1可以看出，微穿孔板的穿孔直径越小，吸声效果越好，孔径变大之后，吸声效果略有降低，但效果依然比普通吸声材料要好。当微穿孔板的穿孔直径很小时，它本身的流阻就足以与周围空气的特性阻抗匹配，可以形成良好的宽频带共振吸声原件。此外，微穿孔板的材料也不受限制，从纸板、铝板到不锈钢板都可以使用以符合经济和环境的要求。

图1 微穿孔板的穿孔直径对吸声系数的影响

假设车内噪声频率范围为200～2 500 Hz，根据噪声水平特点设计了壁面吸声方案，采用镀锌材料，如图2所示。图2中，微穿孔直径d=0.4 mm，微穿孔中心距b=0.6 mm，穿孔率p=60%，微穿孔板厚t=0.7 mm，空气层厚度D=113 mm。

图2 微穿孔板吸声结构示意图

2 地板吸声与减振

在车辆内部，发动机产生的噪声以及来自悬架和轮胎之间的撞击激励产生的噪声均会通过能量传递传到车辆地板，从而引起车体振动并向车内辐射强烈的结构噪声，由于是乘员直接感受的结构，故而其引起的振动与噪声问题非常显著。另外对于现有的大多数地板结构，其本身阻尼很小，而声辐射率很高。传统上通常采用加筋等措施，提高其刚性，降低噪声振动。这种方法的实质并不是增加阻尼，而是改变板件结构本身的固有频率。如果实际情况允许，该方法是有效的。但是大多数情况下，移动某一结构的固有频率是不可行的，或虽然可行但又引起另一部分的振动加大。

本方案中对于车辆地板提出的设计方案主要包含2条递进的措施。

2.1 采用高隔声与高强度的材料

采用高隔声与高强度的材料作为地板的制作材料，如图3所示。

图3 蜂窝地板示意图

将蜂窝地板[4]作为车辆地板相较于传统的实心地板有利于隔绝外界声音与车体内部之间的联系，而且蜂窝型的材料对于低频噪声有较好的隔声性能，还可以满足地板刚度上的需求。本方案中可采用铝蜂窝地板作为车辆的地板材料，一般情况下，常见铝蜂窝板的性能参数为：抗弯强度＞40 MPa，抗压强度＞4 MPa，抗拉强度＞4 MPa，剥离强度＞40 N/m；隔声性能：隔声量＞25 dB；隔热性能：传热系数＜6 W/(m2·K)。

2.2 铺设复合型阻尼材料

在整车质量及空间允许的情况下，在地板上铺设复合型阻尼材料，如图4所示。

图4 车辆地板及复合型阻尼材料设计示意图

由于地板的厚度相对较大，因此阻尼层的厚度也较大，且需要较好的刚度。基于此问题，采用复合型阻尼钢板。该材料是将一层粘弹性材料复合在2层相同厚度的钢板之间，形成所谓“夹心阻尼结构”，复合阻尼钢板的基板可采用普通冷轧板、镀锌板、不锈钢板及不锈钢和普通板复合，这样它不仅具有钢材强度高的特性，同时还具有高分子阻尼大及外表美观等优点。在使用过程中，金属层受弯曲发生振动，从而引起中间的高分子材料产生变形从而发挥其阻尼特性，使得振动能量转化为热能消耗掉[5]。阻尼材料厚度一般不低于地板厚度的2倍。