基于前围内隔音垫NVH性能的材料及结构优化方案研究

刘国杰，王旭初



基于前围内隔音垫NVH性能的材料及结构优化方案研究

刘国杰，王旭初

（北京汽车股份有限公司汽车研究院，北京 101300）

汽车前围内隔音垫、前围板钣金、前围外隔音垫组成了防火墙总成。前围内隔音垫是整车声学包中最主要的内饰件之一，主要用于隔绝和吸收发动机中高频噪声传递。前围内隔音垫需要具有足够高的隔声性能，以隔绝发动机噪声的传递及减小车内混响时间。不同的前围内隔音垫结构形式和材料特性会对其吸隔声性能起到重要的作用，防火墙过孔及前围内隔音垫安装工艺特征会直接影响到前围内隔音垫的隔声性能，其结果是质量大（理论上具有较高隔声性能）的前围内隔音垫在实际状态下并不能起到好的效果。结合理论和仿真分析前围内隔音垫不同结构形式、不同覆盖面积、不同泄漏水平对声学包性能的影响，并通过防火墙隔声量测试验证分析结果。该结论可为防火墙总成设计及整车声学包设计优化提供指导与参考。

防火墙；声学；隔声；泄漏；声学包

1 吸隔声基础理论

1.1 吸声原理及吸声系数

吸声指的就是当声波在传播中通过媒质时或入射到分界面时造成能量损失的过程。材料吸声的主要原理就是将声波中的能量转化为热能或者机械能，从而降低声能，起到吸收声音的作用。而吸声材料之所以能够转化声能是因为：一般的吸声材料为多孔材料，材料内部存在大量并且连续的孔洞，材料的孔隙率一般能达到70%到90%左右，并且微孔向外敞开，使声波容易进入材料内部孔洞。当声波进入材料内部时，由于声波引起空气振动，从而使空气与材料表面孔壁之间产生相对运动，空气的粘滞阻力促使声能逐渐转变为热能。另外，空气与空隙内壁之间的摩擦也会使声能损失，产生热能。还有一个转化声能的主要方面是，材料产生的热交换与热传导也会使声能减弱。简单的说就是使声波传入狭长的空隙，除了反射的一部分外，其余的在材料内部冲撞反射，发生的一系列物理变化促使声能衰减[1]。

吸声系数是用来评价吸声材料或吸声结构的参数，其物理意义为吸收的声能占总

入射声能的百分比。通常用符号α表示：

式中Sr为入射声能量，Si为反射声能量。并且可知α越大，材料的吸声效果就越好。

1.2 隔声特性

材料、结构或构件阻隔空气中传播的噪声，获得比较安静的环境称为隔声。从材料或构件一侧的入射声能量与另一侧的透射声能量的差值就是该材料或构件的隔声量，又叫做传声损失。隔声量一般用TL表示：

公式中，TL 是隔声量，r为结构传递函数，Wi是入射声能量，Wt是透射声能量。同一种材料，隔声量也是频率的函数，对于不同的频率隔声量也不同[1]。

1.3 材料密度和隔声性能的关系

材料的隔声性能可用透声系数τ表示为透射声功率Wt与入射声功率W的比值，即：

式中It为透射声强；I为入射声强；Pt为透射声压；P为入射声压。

通常为了直观反映材料隔声量的大小，通常定义隔声量R为：

当不考虑材料的第一共振频率和临界吻合频率时，基于隔声量公式假设，由透声系数的定义及平面声波理论，可导出单层材料的隔声量简化计算公式为：

即单层材料隔声性能满足质量定律，隔声量的大小与材料密度和声波频率成正比[1]。故在汽车结构中，可通过增加钣金件厚度、提高内饰件克重等方式来提高整车隔声性能。如防火墙钣金件由0.8 mm提高至1.0 mm，前围内隔音垫由4000g/m2的EVA材料更换为6000g/m2的EVA材料等，均为增加材料密度以提高隔声量的例子。如图1所示，比较两个材料密度不同的前围内隔音垫隔声曲线，样件1：EVA：4kg/m2+PUR；样件2：EVA:6kg/m2+PUR；样件2的EVA 克重比样件1的重2kg/m2，隔声量也相应的比样件1大。

图1 不同EVA克重样件隔声曲线

如图2示，比较两个软硬毡类型的前围内隔音垫隔声曲线，样件2总材料密度比样件1大。样件2的EVA 克重比样件1的重390g/m2，隔声量也相应的比样件1大。

样件1：PET：1200g/m2+PE：40g/m2+PUR:60kg/m3total: 1240g/m2；

样件2：PET:1200 g/m2+EVA:400g/m2+ PE:30g/m2+PUR: 60kg/m3total:1630g/m2。

图2 总克重不同隔声曲线

1.4 泄露面积对隔声性能的影响

在汽车内饰结构中，由于设计及工艺的问题，常会存在一些泄漏与内饰覆盖面不严的问题，如由于焊接质量和涂胶工艺控制不严引起的泄漏，由于零部件安装、工艺孔洞、工艺台阶等引起的内饰件与钣金件粘合不严或覆盖面积不足等，而这些问题在汽车防火墙结构中又更为常见。存在泄漏或覆盖率不足的内饰结构，可以看作由不同隔声材料组合而成的隔声体。而对于组合材料，其隔声量可由透射系数推导得：

假设结构总面积为1 m2，当不存在泄漏时，其平均透射系数为0.000 001，即隔声量R＝60 dB。如结构存在1 mm2泄漏，则泄漏位置平均透射系数为1，由式1.6 可得，当存在此泄漏时，结构的隔声量为：

1.5 覆盖率、材料厚度和隔声性能的关系

汽车内饰件由于由于结构过孔、结构造型及结构工艺等的影响，往往不能完全覆盖或贴合整个钣金结构件，从而造成内饰件覆盖率低或内饰与钣金件间形成不闭合空腔等情况。以汽车防火墙为例，假设结构总面积为1m2，当内饰覆盖率为100 %时，其平均透射系数为0.000 001，即隔声量R＝60dB；防火墙钣金件透射系数为0.001。当内饰覆盖率为99 %时，由式1.6可得结构的隔声量为：

由式1.8 可知，当内饰件覆盖面积为99 %时，隔声量降低了10 dB，同理，可得出当覆盖面积为98 %时，隔声量为46.78 dB，降低了约13dB；覆盖面积为95%时，隔声量为42.93 dB，降低了约17dB；覆盖面积为90%时，隔声量为39.96dB，已不足40dB。可见，当覆盖率不足时，结构隔声性能急剧下降。由式1.8可计算出，当覆盖率低于99%时，即使再增大覆盖内饰件位置的隔声性能，结构整体的隔声量也不会超过50 dB[2]。

2 分析及优化结果研究

子系统模型建立的整体思路是根据有限元模型进行SEA模型建模，再在前围SEA模型上进行声学曲线建模（即NCT）。

首先建立前围钣金有限元模型。根据前围钣金有限元模型建立前围板子系统模型；再者在前围子系统模型上进行声学曲线建模，建立前围板声腔模型。

输入的前围内隔音垫和前围外隔音垫材料吸隔声曲线，完成后对前围板模型施加单位载荷。本论文进行的前围板子系统仿真分析，假定前围外隔音垫厚度、覆盖率、材料不变，来仿真分析前围内隔音垫材料、材料克重和厚度、覆盖率等变化引起的隔声量变化。

2.1 优化材料密度

在前面章节中，已经从理论上进行了隔声量的运算，并测试了两种不同材质的隔声量对比。单层材料隔声性能满足质量定律，隔声量的大小与材料密度和声波频率成正比。因此在前围板子系统模型中，通过模型分析，调整前围内隔音垫表皮材料的克重，表皮EVA分为2kg/m2；4kg/m2；5kg/m2。分析结果如图3所示，符合质量定律，隔声量的大小与材料密度成正比。

图3 EVA+PUR 前围内隔音垫模拟结果

2.2 减少泄露面积

按照整车状态下，防火墙上可能存在泄漏位置（如线束过孔处）施加不同大小的泄漏，得出不同泄漏量下防火墙的隔声性能曲线，如下图4所示。

可见，当泄漏量从1mm2增大至10mm2时，防火墙隔声性能明显降低，尤其是高频隔声性能，8000Hz时，隔声量降低量由5dB升至10dB。由此说明泄漏量越大，高频隔声性能下降越严重，并随泄漏量的增大，隔声性能的衰减向中频扩展[2]。

图4 不同泄露量对防火墙隔声性能的影响

2.3 增加覆盖率和材料厚度

适当改变前围内隔音垫在防火墙上的覆盖面积，以模拟前围内隔音垫与防火墙贴合不严而造成的开放空腔，及由于工艺引起的实际覆盖率不足等情况。当前围内隔音垫采用不同覆盖率时（分别取99 %、95 %、90 %），可得出防火墙的隔声性能曲线，如图2-3所示（99%为原状态）。由图5可以看出，随着前围内隔音垫覆盖率的减小，防火墙隔声性能明显降低，尤其是高频隔声性能。由此说明覆盖率越小，高频隔声性能下降越严重，并随覆盖率的减小，隔声性能的衰减逐渐向中频扩展[2]。

图5 不同覆盖率对防火墙隔声性能的影响

在实际车型开发中，对防火墙总成一般是综合性要求，对前围内隔音垫厚度及厚度比例方案进行对比优化分析，共进行三种不同的优化分析，如下表1所示。对厚度和调整后的厚度比例进行模型分析，得出调整厚度及厚度比例后，三种不同方案的隔声曲线差别，如下表2和下图6所示。

表1 调整厚度及厚度比例

表2 三种方案的模拟结果

图6 调整厚度及厚度比例对防火墙隔声性能的影响

经过优化分析，发现方案三对前围内隔音垫的隔声性能提升更为明显，因此采用方案三进行后续结构设计。

2.4 验证对比分析

对粘附于防火墙钣金件的两种内前围材料进行隔声性能比较。两种内前围分别为软层毛毡＋薄膜＋硬层毛毡（20 mm厚，2800g/m2）与EVA＋PUR（20mm厚，4000g/m2）。图7所示为对两种前围内隔音垫平板样件进行插入损失测试。由图7可见，EVA+PUR的隔声性能明显优于软硬毛毡组合材料。将两种材料制成的前围内隔音垫成形件贴附于防火墙钣金件上，进行防火墙总成的隔声量测试，测试中，将防火墙上开孔采用铅皮进行密封。由于孔洞密封及钣金搭接工艺，在钣金件上仍存在一些小的泄漏。

由于设计原因，防火墙上还存在一些台阶孔及部件安装支架等，造成内前围在安装过程中，存在与防火墙贴合不严及不能全覆盖的问题。在此前提下，测得两种材料内前围成形件插入损失如图8所示。图8可以看出，存在泄漏的情况下，两种内前围内隔声性能相当，1600 Hz以下频率时，EVA＋PUR内前围隔声性能略高，但在1 600 Hz以上频率时，该内前围隔声性能反而有所下降，略差于软硬毛毡层前围内隔音垫，测试结果与两种材料平板样件结果明显不同。造成此问题的主要原因即是由于前围内隔音垫在安装于防火墙上后，由于泄漏及覆盖率的原因而大大削减了隔声性能，而由于软硬毛毡层结构前围内隔音垫的吸声水平优于EVA+PUR前围内隔音垫，一定程度上弥补了隔声性能降低的问题，从而造成了两种内前围隔声性能出现图8所示的现象。

图7 两种前围内隔音垫材料插入损失比较

图8 两种前围内隔音垫隔声性能比较

3 前围内隔音垫结构设计

前围内隔音垫结构设计包括过孔密封设计、厚度和覆盖率设计两部分。

3.1 过孔设计

防火墙系统中，前围内隔音垫在乘客舱里装配，其隔声量大小，直接决定了车辆乘客舱噪音的大小，而泄露量大小关键在于过孔设计，过孔密封设计的好，前围内隔音垫隔音量就大，从而乘客舱噪音就相应的小。

图9 前围内隔音垫 关键过孔

过孔设计思路：配合结构制作思路：保证装配及配合的情况下，减小前围内隔音垫开孔尺寸，保证提升NVH性能，如图9列出了前围内隔音垫关键过孔。

（1）与离合踏板踏板、车身钣金

离合踏板基座4个安装点增加10mm-15mm的套管以减小与前围板金贴合面积，增加前围密封性，前围内隔音垫按边界开孔避让。踏板安装面周圈与隔音垫搭接量≥5mm最佳。断面图中留5mm间隙是为了保证装配方便性。如图10：

图10 离合踏板过孔

（2）制动踏板踏板、车身钣金

制动踏板基座4个安装点增加10mm-15mm的套管以减小与前围板金贴合面积，增加前围密封性，前围内隔音垫按边界开孔避让。踏板安装面周圈与隔音垫过孔搭接量≥5mm最佳。断面图中留5mm间隙是为了保证装配方便性。如图11：

图11 制动踏板过孔

（3）油门踏板、车身钣金

制动踏板基座与车身螺柱配合，为减小与前围板金贴合面积，增加前围密封性，采用“8”字型结构。油门踏板安装面周圈与隔音垫过孔搭接量≥5mm最佳。断面图中留5mm间隙是为了保证装配方便性。如图12：

图12 油门踏板过孔

（4）空调、车身钣金

空调管路基座和空调进风口周圈翻边10mm，隔音垫配合开孔，空调翻边压接在隔音垫上5mm。空调风口安装面周圈与隔音垫过孔搭接量≥5mm最佳。断面图中留5mm间隙是为了保证装配方便性。如图13：

图13 空调过孔

（5）转向管柱、车身钣金

隔音垫包覆转向管柱处车身位置，加大包覆率，此处位置可以做薄，厚度可以做到5mm，与转向管柱做干涉校核并距离≥8mm。如图14：

图14 转向管柱过孔

（6）换挡拉线、车身钣金

换挡拉线基座周圈翻边10mm，隔音垫配合开孔，基座翻边压接在隔音垫上5mm。换挡拉线基座安装面周圈与隔音垫过孔搭接量≥5mm最佳。断面图中留5mm间隙是为了保证装配方便性。如图15：

图15 转向管柱过孔

（7）线束胶堵、车身钣金

隔音垫配合开十字或梅花槽，线束穿过后隔音垫“自动”覆盖线束胶堵。隔音垫下部避空，给线束胶堵留空间，下表面搭接在线束胶堵上。如图16：

图16 线束过孔

3.2 厚度及覆盖率

根据实际工作的开发经验总结，优化后的前围内隔音垫厚度比例如表3：

表3 前围内隔音垫厚度比例

4 总结

汽车防火墙关键零件前围内隔音垫在设计过程中，选用重质层+吸音棉结构时，泄露量对隔声量起着至关重要的作用，重质层对泄露量非常敏感。而选用双层阻抗类的结构时，前围内隔音垫对泄露量不敏感，但是相应隔声量比重质层结构差。而不论是重质层+吸音棉结构，还是双层阻抗类结构，增加覆盖率，都能增加前围内隔音垫的隔声量。因此控制泄漏、保证覆盖率时，采用更高隔声性能的材料（更重）可以起到良好的隔声效果，反之则会适得起反，还会大大增加材料成本。

[1] 潘殿龙.应用声学包方法改善某轿车车内噪声的研究.2014.

[2] 邓江华.防火墙总成特性对汽车声学包性能影响.2014.

Optimization of material and structure of cowl insulation based on NVH performance

Liu Guojie, Wang Xuchu

( Beijing Automotive Technology Center, BAIC MOTOR Co., Ltd, Beijing 101300 )

The firewall assembly consists of sheet-metal part, inner dash and outer dash. As one of the most important parts of the sound package, the inner dash insulates and absorbs the exterior mid-and-high frequency noise of the engine.The inner dash must have good sound insulation and absorption performance so as to reduce sound energy transmission and interior reverberation time of the engine noise. Different structure and material of the inner dash, throughput hole of wiring harness and inner dash assembly process have important influence on the sound insulation and absorption performance of the inner dash. It is found that the heavy inner dash, which has better sound insulation theoretically, does not necessarily have good sound insulation performance actually. This paper studies the effect of different structure, coverage and leakage of the inner dash on vehicle sound package performance according to theoretical analysis and numerical simulation analysis. The results are verified by the sound transmission loss measurement of the firewall assembly. This work may provide some reference and guidance for firewall assembly structure design and vehicle sound package development and optimization.

Acoustics; firewall assembly; sound insulation; leakage; sound package

B

1671-7988(2018)22-229-06

U467

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1671-7988(2018)22-229-06

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刘国杰，男，硕士，现工作于北京汽车股份有限公司汽车研究院，任职内饰工程师。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.081