汽车针刺地毯吸声性能改进研究

孙晓波

摘 要：在某车型开发过程中针对整车车内噪声较大的问题，使用实验的方法对影响NVH性能的主要声学零件进行了分析，其中地毯作为最大面积的零件，重点研究不同材料、密度及工艺过程对其吸声性能的具体影响，实验结果表明针刺毯面中PE淋膜对地毯正面吸声性能影响较大，毯面克重及背部吸声材料覆盖面积的提升都可有效提升地毯正面的吸声性能，在地毯初始方案上进行的改进，包括更改PE撒粉工艺、增加背部PET成型毡覆盖面积，地毯吸声系数提升超过30%，满足了整车NVH性能需求。

关键词：针刺地毯 车内噪声 吸声系数 工艺

汽车噪声主要分为车内噪声和车外噪声，其中车内噪声严重地影响人们的乘坐舒适性。在整车的开发过程中，各种工况的车内噪声以及语言清晰度是整车的重要性能指标，也是衡量乘坐舒适性及感知质量的重要指标，对于如何提升整车NVH性能以及车内噪声水平显得尤为重要，整车声学包是针对NVH进行控制的一种有效手段，包含很多的组件和零件，主要零部件包括发动机舱隔音垫、前围隔音垫、顶棚、地毯、衣帽架、座椅、阻尼垫等。这些声学包零件在噪声的传播途径上进行隔离，用减振和声学材料进行车身密封、车身结构减振、和车内吸声，地毯作为表面积最大的零件在车内吸声作用较大，对整车的NVH性能影响显著[1]。本文通过对某车型开发过程中针刺地毯的NVH性能提升的研究，分析地毯材料、结构、密度、厚度、以及工艺等方面的分析吸声性能的影响因素，并通过试验验证，优化了地毯的吸声性能，提升并满足整车的NVH性能要求。

1 吸声原理和吸声系数

1.1 吸声原理

吸声指的是当声波在传播中通过媒质时或入射到分界面时造成的能量损失过程，吸声的原理是声能转换成热能。声波在传递过程中，质点的振动速度不同，使得相邻点间产生了相互作用的内摩擦力和粘性力，从而阻碍了质点的运动，另外媒体中的各个质点的疏密程度和温度不一样，使得相邻质点间产生了热交换，声能不断转化成热能。

1.2 吸声系数

吸声系数是用来评价吸声材料或结构的参数，吸声系数的大小除取决于材料的性能和结构外，对于同一种材料，还与声波的入射频率、入射方向有关。各种材料的吸声系数是频率的函数，因此对于不同的频率，同一材料具有不同的吸声系数。吸声系数α等于被材料吸收的声能（包括透射声能在内）与入射到材料的总声能之比，如图1所示，，-入射到材料的总声能，-被材料反射的声能，可知α越大，材料的吸聲性能越好[2]。

2 汽车用针刺地毯主要工艺及吸声原理

汽车用针刺地毯主要是由PET纤维、定型胶、PE（聚乙烯树脂）膜等构成，主要成分是聚酯纤维和涤纶纤维，地毯材料经过加工、针刺、涂胶以及铺层，根据拉升深度以及NVH要求选择不同的材料、厚度及克重等。上胶是地毯加工中重要工序之一，对于地毯强度、尺寸稳定性等性能起着重要的作用[3]。针刺地毯具备天然网状结构以及多孔柔软及弹性特点，非常适合吸声，吸声机理是当声波进入地毯孔隙后，部分声波反射，部分声波透入材料内部微孔内，激发孔内空气与纤维发生振动，空气与纤维之间的摩擦阻力使得声能不断转化为热能而消耗，另外空气与纤维之间的热交换也消耗部分声能，从而起到吸声作用[4]。由于针刺地毯通常需要在背面增加吸音棉毡，以更好的匹配车身地板结构并增强NVH性能，对于毯面和吸音棉中间的胶及PE膜等来说，不同的材料及工艺方式会影响整个地毯的吸声性能。

3 地毯设计方案研究及试验验证

3.1 地毯设计方案

此车型地毯的初始设计方案为毯面采用针刺地毯，具体结构为PET+胶水+PE淋膜，克重为800g/m2，厚度为5mm，毯面背部为PET成型毡，克重为1500g/m2，厚度为20mm，覆盖面积约占整个毯面面积的46%，在使用混响室吸声测试得到的结果中，吸声系数距离目标值相差较多，整车在NVH测试中，车辆怠速以及100km/h匀速工况下测得的车内噪声均未能达到设定目标。

由于PET毯面+PE淋膜的结构是针刺地毯常用结构，为了改善吸声性能，结合成本、地毯成型性以及相关性能可调整毯面克重;PE膜处在毯面及背部结构中间，由于背部结构中吸声材料厚度及密度都较大，对于整个地毯结构中吸声效果作用明显，PE膜对于地毯背面结构是否能充分发挥吸声性能存在较大影响，所以也可通过调整PE膜工艺方式;地毯背面结构中通常使用PET毡或者EVA+PU发泡等，可以相应调整PET毡的形式、克重，或者EVA及PU的密度等改善整个地毯的吸声性能。

3.2 测试方法

根据《GB/T 20247-2006 声学 混响室吸声测量》，数据均由设备Alpha Cabin吸音箱测得，如图2所示，地毯零件在箱内测试状态如图3所示。测试的环境要求：测试样件需放置在合适的测量环境中，温度控制在18～25℃之间，湿度应大于50%。声源要求：用于发声的扬声器应无指向性。声源信号频带噪声的宽度应为1/3倍程。接收设备应包括传声器、放大器、滤波器及记录设备。传声器应尽可能的无指向性。测量频带宽度应为1/3倍频程。测试结果：所出具的吸声系数图或表应给出由100Hz到10000Hz的1/3倍频程序列中各频率的结果。测试时平面样件的边缘采取一定的密封措施，如加反射性框架或黏贴密封胶带，以确保样件只有一面用于吸声。

3.3 测试结果与分析

（1）毯面克重及背部结构对吸声系数的影响

为了研究PET针刺毯面不同克重、地毯背部结构以及不同克重对于地毯吸声系数的影响，按照不同的方案，制作表面积为1.2m2，厚度为25mm的平板样件，共对四种不同的样件进行了测试，方案见表1，测试结果见图4。

从图4中可以看出，在相同PE淋膜工艺及背部吸声结构覆盖率条件下，不同毯面克重及背部结构样件的吸声系数水平较为接近，在人耳敏感的1000-3000Hz范围内样件1表现较好，采用PE淋膜工艺对于背部结构吸声性能影响较大，此时地毯正面的吸声系数水平主要取决于毯面克重。综合400-10000Hz范围内，样件2表现较好，背面采用PET成型毡对于提升吸声系数较为有效。

（2）不同PE膜工艺对吸声系数的影响

为了较大的提升地毯的吸声系数，采用PE撒粉工艺制作表面积为1.2m2，厚度为25mm的平板样件，共对两种不同的样件继进行了测试，方案见表2，测试结果见图5，

从图5中可以看出，在PE膜更改为撒粉工艺，并将背部结构更改为1500g/m2的PET成型毡后，地毯的吸声系数有显著提高，平均提高在1.8倍以上。背部结构覆盖率提升之后，对于地毯吸声系数提升更显著，100%覆盖率比46%覆盖率的样件吸声系数提升平均在1.3倍以上。

（3）地毯零件验证

从平板样件验证结果可知，PE撒粉工艺，针刺毯面克重以及背部结构覆盖区域对于整个地毯的正面吸声系数提升显著，采用PE撒粉工艺、不同毯面克重及不同背部PET成型毡覆盖面积制作某车型地毯零件进行测试，方案见表3，测试结果见图6。

从图6中可以看出，针刺毯面克重从800g/m2增加到1000g/m2，地毯吸聲系数提升约9-10%。背部PET成型毡覆盖面积从46%增加到100%，地毯吸声系数提升约12-13%。

4 结语

研究针刺地毯的毯面克重、PE膜工艺、地毯背部结构及相应的克重对地毯正面吸声性能的影响，不同参数对于地毯吸声系数的变化规律。

（1）针刺地毯毯面PE淋膜工艺对于地毯正面吸声性能影响较大，无法有效发挥地毯背面结构的吸声性能，PE撒粉工艺可显著提升地毯正面吸声性能。

（2）增加毯面克重可有效提升地毯正面吸声性能，从800g/m2增加到1000g/m2，吸声系数约可提升9-10%。

（3）增加地毯背面吸声材料覆盖率对地毯正面吸声性能提升明显，覆盖面积从46%提升到100%，在平板样件中，吸声系数约可提升30%以上，在地毯零件中，由于型面等影响，吸声系数可提升约12-13%。

参考文献：

[1]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[J].汽车材料与涂装，2018（22）.

[2]翟颖.降低车内噪声的声学包优化研究[J].汽车实用技术，2014（06）.

[3]刘桂全.汽车地毯产品设计及成型生产工艺[J].时代汽车，2019（07）.

[4]杨菲，徐山青. 针刺吸声隔音纤维毡材料的应用及研究进展[J].山东纺织科技，2014（01）.