汽車降噪用非織造材料的應(yīng)用及展望

白 媛 錢曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

汽車降噪用非織造材料的應(yīng)用及展望

白 媛 錢曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津，300160)

介紹汽車噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、傳播途徑及控制方法，概述降噪用非織造材料在汽車上的應(yīng)用情況和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出汽車用非織造降噪材料的發(fā)展方向，為汽車用非織造降噪材料的發(fā)展提供參考建議。

汽車降噪材料，應(yīng)用現(xiàn)狀，展望

交通噪聲是城市噪聲的主要組成部分，占城市噪聲的75%左右。由于交通噪聲具有游走性，影響范圍大，干擾時(shí)間長(zhǎng)，因而危害較大。這與強(qiáng)調(diào)人性化、環(huán)保和舒適性的現(xiàn)代社會(huì)理念相左。因此，噪聲污染已成為當(dāng)今世界關(guān)注的問題，引起了各國(guó)的廣泛重視。在噪聲污染防治中，吸聲和隔聲材料的應(yīng)用是不可缺少的技術(shù)環(huán)節(jié)。非織造材料在具有吸聲、隔聲性能的同時(shí)，還具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、質(zhì)量輕、可回收等眾多特點(diǎn)以及較好的可塑性、穩(wěn)定性、減振性、多功能性等優(yōu)良特性，成為汽車降噪領(lǐng)域的首選材料。

1 汽車噪聲的產(chǎn)生、傳播與控制

汽車具有多種聲源，因此在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生多種噪聲，可分為車外噪聲和車內(nèi)噪聲。車外噪聲是交通噪聲的重要公害源，車內(nèi)噪聲則關(guān)系到乘坐舒適性。車內(nèi)噪聲的成因比較復(fù)雜，主要來源于兩個(gè)方面:一是由固體聲傳播形成的，即車身壁板振動(dòng)向車內(nèi)輻射的噪聲在車內(nèi)經(jīng)反射、疊加形成聲場(chǎng);二是空氣聲傳播形成的，即車外噪聲由車身的縫隙或壁板孔隙傳至車內(nèi)，再經(jīng)反射、疊加形成聲場(chǎng)［1-4］。一般來說，從噪聲的形成到接受共經(jīng)歷三個(gè)過程:噪聲源—噪聲的傳播—接受者。由此可以看出，控制噪聲的基本途徑也主要圍繞這三個(gè)方面:一是控制噪聲源，二是控制噪聲的傳播途徑，三是保護(hù)接受者［5］。其中，對(duì)噪聲源的控制屬于主動(dòng)降噪范疇，也是降低噪聲最根本、最有效的途徑，它主要應(yīng)用于車內(nèi)低頻噪聲的控制。但是，目前我國(guó)尚沒有成熟的車內(nèi)主動(dòng)噪聲控制系統(tǒng)，故直接從聲源上治理噪聲往往受到限制。因此，綜合應(yīng)用降噪非織造材料的隔聲、吸聲與減振性能，從噪聲的傳播途徑上實(shí)現(xiàn)降噪就顯得尤為必要。

2 降噪非織造材料在汽車上的應(yīng)用

隨著世界工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車工業(yè)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年我國(guó)生產(chǎn)汽車934.5萬輛 ，超過美國(guó)，居世界第二;截至2009年4月，我國(guó)社會(huì)上的汽車保有量超過1.73億輛，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這一數(shù)字還會(huì)繼續(xù)增加［6］。因此，中國(guó)將成為世界上最具潛力的汽車消費(fèi)市場(chǎng)。中國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展帶動(dòng)了一系列相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也給降噪用非織造材料的發(fā)展帶來了巨大的商機(jī)。

2.1 汽車降噪非織造材料所用纖維

綜合國(guó)內(nèi)外非織造材料的發(fā)展，目前汽車降噪非織造材料所用纖維包括:合成纖維，天然纖維(主要是各類麻纖維，如亞麻、大麻、黃麻和劍麻等)，無機(jī)纖維和金屬纖維等。

隨著人們對(duì)產(chǎn)品環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)型、輕量化、回收性、便于施工等性能的重視，無機(jī)纖維和金屬纖維的使用較少，大多被用在材料的增強(qiáng)復(fù)合上。如美國(guó)開發(fā)的一種POLPRENT產(chǎn)品，其主要成分是聚酯纖維，加少量的聚丙烯纖維，通過熱黏合方法加工成非織造材料。其本身與其他非織造材料沒有任何區(qū)別，但如果在其夾層中加入金屬層或金屬網(wǎng)，就會(huì)顯著增加其隔聲性能。合成纖維如聚丙烯纖維、聚酯纖維和聚酰胺纖維，由于其具有密度小、成本低、產(chǎn)量大、性價(jià)比高、化學(xué)穩(wěn)定性好、易加工成型和回收等特點(diǎn)，備受廣大汽車制造商的關(guān)注，這些材料在降噪用非織造材料中占很大比例，在亞洲市場(chǎng)較為暢銷。天然纖維由于具有比強(qiáng)度高、比模量高、價(jià)格低廉、可回收、可降解、可再生、綠色環(huán)保等特性而作為增強(qiáng)體在復(fù)合材料中得到廣泛應(yīng)用，其織物、非織造材料作為吸聲材料也備受研究者的青睞［7-8］。

2.2 汽車降噪用非織造材料

非織造降噪材料在汽車上的應(yīng)用可分成減振、吸聲、隔聲和密封四大類。其中吸聲和隔聲工程用得最多。吸聲材料著眼于聲源一側(cè)反射聲能的大小，其目標(biāo)是反射聲能要小，這就意味著聲能要很容易進(jìn)入和透過這種材料。所以，吸聲材料大都是多孔、疏松和透氣的，工藝上通常使用纖維狀、顆粒狀或發(fā)泡材料以形成多孔結(jié)構(gòu)。隔聲材料著眼于入射聲源另一側(cè)的透射聲能的大小，其目標(biāo)是透射聲能要小，所以要減弱透射聲能，阻擋聲音的傳播。隔聲材料就不能如同吸聲材料那樣多孔、透氣，相反材質(zhì)應(yīng)該是重而密實(shí)的，如鉛板、鋼板等一類材料。由于這類材料密實(shí)，難于吸收和透過聲能，從而反射聲能強(qiáng)，吸聲性能差。在汽車噪聲問題的處理上，綜合應(yīng)用隔聲和吸聲材料能達(dá)到事半功倍的效果。即經(jīng)過隔聲之后，對(duì)于傳入車內(nèi)的噪聲，可以采用在聲空間的界面上貼附吸聲材料的方法處理，空氣波入射到這些界面時(shí)，利用吸聲材料吸收輻射到達(dá)其上的聲能，減弱反射聲能，從而降低車內(nèi)的噪聲。

系統(tǒng)的降振隔噪工程可通過減振、降噪、密封三個(gè)步驟來完成。汽車上需要做隔聲處理的位置依次是:車門、行李廂 、底盤 、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和車頂。絕大部分的噪聲通過車的懸架系統(tǒng)、底盤、行李廂、車門而傳入車內(nèi)，所以降噪一般要對(duì)車門和行李廂做隔聲處理。行李廂是個(gè)很大的噪聲源，因其內(nèi)部是個(gè)大空腔，會(huì)產(chǎn)生很大的共鳴，采用降噪材料可以減小對(duì)駕乘人員的影響［9］。此外，車主也可以根據(jù)自己的需求對(duì)汽車進(jìn)行進(jìn)一步的完善，以達(dá)到更好的降噪目的［10］。降噪措施有:①加裝引擎蓋防火隔聲氈，它主要是吸收引擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲;②車廂內(nèi)中央底盤、后車廂底盤的消聲墊及防潮吸聲氈，其主要作用是處理中央底盤、行李廂下的底盤，在高速行駛時(shí)鈑件振動(dòng)引起的共鳴，以及由輪胎傳入底盤的路面噪聲和排氣聲導(dǎo)入后廂的共鳴聲壓;③車門飾板專用止振墊與吸聲棉相結(jié)合的方式進(jìn)行處理，要盡可能貼滿車門內(nèi)壁，使其達(dá)到更好的吸聲效果，車門板背面用5 mm標(biāo)準(zhǔn)吸聲棉進(jìn)行整體粘貼，即完成車門隔聲。這樣可有效制止車門因喇叭或車外噪聲所引起的振動(dòng)或噪聲，更可加強(qiáng)音響效果，大大提升傾聽環(huán)境。

3 汽車降噪用非織造材料的研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)汽車降噪用非織造材料的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代中期，上海市紡織科學(xué)研究院在“七五”和“八五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目中，先后研發(fā)了汽車內(nèi)飾非織造材料，如低密度吸聲、隔聲、隔熱、隔振襯墊材料;中高密度內(nèi)飾件，如車頂內(nèi)飾、門內(nèi)飾、后行李廂蓋板等。從此，掀起了國(guó)內(nèi)降噪材料研制的高潮，降噪非織造材料也迎來了井噴式發(fā)展。如:南通工學(xué)院對(duì)新型聚丙烯纖維/麻復(fù)合材料進(jìn)行了研究，利用低熔點(diǎn)聚丙烯纖維和麻纖維進(jìn)行復(fù)合形成典型的“三明治”結(jié)構(gòu)，中間是麻纖維層，上、下表面是聚丙烯纖維薄層，這種熱塑非織造復(fù)合材料具有強(qiáng)度高、隔聲、吸聲、防腐、絕緣等優(yōu)良性能，且無污染、成本低，應(yīng)用十分廣泛［11］。羅以喜等選取聚丙烯纖維為原料，采取非織造成網(wǎng)，以銅、鐵為隔聲材料，采用化學(xué)黏合工藝對(duì)吸聲非織造材料與隔聲片材進(jìn)行復(fù)合制得了新型復(fù)合材料。其復(fù)合材料限氧指數(shù)達(dá)到了27%，有較好的阻燃性，隔聲量達(dá)到19 dB，具有良好的隔聲性能。此外，他還在纖維材料中加入慣性負(fù)載，如金屬粒子鉛、鐵等，在入射聲壓一定的條件下，由于金屬粒子受聲波作用的振動(dòng)幅度因慣性而減小，最終導(dǎo)致振幅減小，所以聲波通過這種纖維材料后聲能有很大的降低。中國(guó)臺(tái)灣一廠家加工普通的非織造材料時(shí)，在其中間層加入錫箔紙，顯著提高了其隔聲性能［12］。

3.2 國(guó)外降噪用非織造材料的研究現(xiàn)狀

英國(guó)科學(xué)家經(jīng)研究后發(fā)現(xiàn)，不規(guī)則截面的纖維可制成高效吸聲材料。他們用80%長(zhǎng)50 mm、線密度約2.2 dtex的矩形聚酯纖維和20%異形截面低熔點(diǎn)聚酯皮芯纖維制成了高效吸聲材料［13］。此外，國(guó)外在汽車內(nèi)部已經(jīng)開始使用一種異形截面金屬纖維吸聲材料。國(guó)內(nèi)“奧迪”、“桑塔納”汽車生產(chǎn)廠家也開始采用該種材料做汽車消聲器的消聲芯。日本豐田汽車公司聯(lián)合一家化纖公司研制成功一種聲學(xué)材料，它通過引進(jìn)改性的異形纖維提高傳統(tǒng)汽車裝飾布的聲學(xué)性能［14］。又如，杰作聲學(xué)工程材料廠生產(chǎn)的商品名為lncide pc的阻燃吸聲環(huán)保材料，是以天然植物纖維為原料，經(jīng)過阻燃及防蟲等化學(xué)處理而制成的一種符合環(huán)保要求的新型功能性吸聲植物纖維材料，3.0 cm厚的lncide pc在頻率為2 000 Hz時(shí)的吸聲系數(shù)高達(dá)0.93，在頻率為500 Hz時(shí)的吸聲系數(shù)高達(dá)1.13。國(guó)外汽車內(nèi)飾非織造材料研發(fā)的趨勢(shì)是:在汽車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)材料方面(如車頂、車門內(nèi)飾板及行李廂蓋板等)，重視采用麻類天然纖維。這已成為歐系轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置，每輛轎車所用的天然纖維高達(dá)5～10 kg［15］。

3.3 汽車降噪用非織造材料的加工工藝

德國(guó)捷高機(jī)械工程(香港)有限公司研究的高端汽車用非織造材料垂直成網(wǎng)技術(shù)，與其他工藝的不同在于其成網(wǎng)方式。垂直成網(wǎng)非織造材料的纖維不是水平排列的，而是垂直排列的，使其可以以最少的纖維包容盡量多的空氣，在提高其抗壓和回彈性的同時(shí)，吸聲隔聲效果也得到了改善。垂直成網(wǎng)非織造材料屬于高蓬松材料，使用熱黏合方法加工而成，成本低，用途廣，主要用作填充材料和隔聲隔熱材料［16］。

目前，在各種轎車中的降噪材料基本上都采用非織造材料，其加工技術(shù)主要采用針刺和熔噴兩種方式。美國(guó)3M公司最近推出的“新雪麗”(Thinsulate)降噪材料，就是熔噴非織造材料的典型應(yīng)用。該材料在噴絲過程中，吹入35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右的聚酯短纖維，使材料具有良好的彈性回復(fù)性、單位重量的優(yōu)良隔聲吸聲性能、高絕熱性、疏水性、可壓縮、易加工等優(yōu)點(diǎn)，因此具有良好的降噪效果［17］。美國(guó)專利5942321采用黃麻、劍麻或洋麻代替玻璃纖維生產(chǎn)汽車車頂呢，其制作方法為:將天然韌皮纖維切斷成38～76 mm長(zhǎng)度，制成70～80 g/m2的纖維網(wǎng);然后噴上膠黏劑，將纖維黏合在一起，形成彈性、多孔的非織造材料，這樣兩層非織造材料與聚氨酯泡沫塑料復(fù)合成“三明治”結(jié)構(gòu)，靠聚氨酯膠黏劑黏合在一起 ，再將裝飾材料層火焰膠合至薄薄的聚氨酯泡沫塑料層上，再靠黏合層將其與“三明治”復(fù)合層黏合在一起，最后以聚酯網(wǎng)作為底布，復(fù)合成良好的汽車車頂呢，這樣的車頂呢具有良好的降噪、熱絕緣、表面柔軟的性能和減少乘客頭部損傷的作用［19］。

4 展望

作為汽車后市場(chǎng)的汽車降噪起步較晚，是一個(gè)新興項(xiàng)目，但正是由于它的這種特性，已成為現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)和制造中必不可少的環(huán)節(jié)，被越來越多的商家看好，如何解決汽車噪聲問題也成為眾多商家關(guān)注的焦點(diǎn)。但與國(guó)際先進(jìn)水平相比，我國(guó)在汽車降噪方面的研究與開發(fā)工作還存在一定差距。為此，我們應(yīng)在以下幾個(gè)方面做出努力:

(1)改進(jìn)并完善汽車噪聲法規(guī)和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)60年代末、70年代初就引入汽車噪聲法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，到目前降噪成效十分顯著。我國(guó)由于在降噪方面起步較晚，技術(shù)不成熟，在噪聲標(biāo)準(zhǔn)的制定上還存在一些漏洞，范圍要求太廣泛，測(cè)量準(zhǔn)確度受到一定影響。因此，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化工作在修改現(xiàn)有汽車噪聲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)認(rèn)真參考國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)和國(guó)際慣例，在積極采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，優(yōu)先制定適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求的標(biāo)準(zhǔn)［19］。

(2)環(huán)保和可回收性已經(jīng)成為時(shí)代主題。歐盟法律要求2006年汽車材料的回收率達(dá)到80%，到2015年這一數(shù)字將達(dá)到95%。這意味著用于汽車降噪的非織造材料也必須是可回收產(chǎn)品。非織造材料的大部分纖維是由合成高分子制成的，如聚酯、聚丙烯和聚酰胺等，可以進(jìn)行回收使用，回收性已經(jīng)成為汽車的一大課題，這一趨勢(shì)將繼續(xù)成為關(guān)注的焦點(diǎn)。此外，天然纖維，如麻類纖維以其獨(dú)特的可再生、可循環(huán)使用性，且能耗少、成本低等特點(diǎn)備受美洲市場(chǎng)的歡迎，這種喜愛在亞洲市場(chǎng)也逐漸顯現(xiàn)。

(3)順應(yīng)市場(chǎng)需求、低能耗、低成本是永遠(yuǎn)不變的努力方向。根據(jù)生活方式的變化和市場(chǎng)需求的不同，開發(fā)便利性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性的非織造降噪材料，開發(fā)具有深度模壓成型、輕量化、薄型化、能耗低等性能的材料也是未來降噪材料研發(fā)的方向。

(4)開發(fā)多功能吸聲材料。在大多數(shù)情況下，人們都希望聲學(xué)材料集多種功能于一體，除吸聲、隔聲、阻尼等聲學(xué)性能外，還需要具有其他功能，如防火、隔熱、阻燃、防蟲、防腐等防護(hù)功能以及美觀等要求。

［1］SAYYAADIH A，BEDI M.Acoustical identification of passenger cabin of vehicles［C］//Proceedings of Third International Conference on Modeling＆Experimental Measurements in Acoustics.Cadiz，Espagne，2003:339-348.

［2］NEFSKE J D，WOLF J A，HOWELL L J.Structuralacoustic finite element analysis of the automobile passenger compartment:a review of current practice［J］.Journal of Sound and Vibration，1982，80(2):247-266.

［3］李世巖，宮鎮(zhèn)，蔡超.輕型客車內(nèi)部聲場(chǎng)的貢獻(xiàn)度分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1994，25(4):76-80.

［4］李舜酩，儀垂杰，趙玉成，等.車輛內(nèi)腔噪聲分析及控制研究的發(fā)展［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1998，29(2):165-170.

［5］張紅軍.客車內(nèi)外噪聲控制的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2006.

［6］朱柳坤.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噪音分析及降噪措施［J］.裝備制造技術(shù)，2010(3):92-94.

［7］MUELLER D H，KROBJILOWSKI A.New discovery in the properties of composites reinforced with natural fibers［J］.Journal of Industrial Textiles，2003，332:111-130.

［8］張輝，徐凡，張新安.大麻織物吸聲性能研究［J］.青島大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24(1):66-70.

［9］黨相文，梁超.降振隔噪材料在汽車中的應(yīng)用［J］.新材料及應(yīng)用，2009(4):35-37.

［10］李曉靜，李曉蕾.淺析汽車噪聲的防止［J］.科技信息，2007(16):441-443.

［11］羅以喜.吸聲隔音用纖維與非織造布復(fù)合材料［J］.非織造布，2003，11(4):35-38.

［12］趙淼淼，杜兆芳.汽車內(nèi)飾材料吸音隔音性能的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2009(11):6-8.

［13］楊文娟，焦曉寧.非織造布汽車吸音隔音材料的研制［J］.紡織導(dǎo)報(bào)，2005(11):92-94.

［14］朱曉娜，左保齊.紡織品吸聲隔音材料研究進(jìn)展［J］.現(xiàn)代絲綢科學(xué)與技術(shù)，2010(2):34-37.

［15］向陽(yáng).中國(guó)汽車用非織造材料的發(fā)展前景［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，26(1):1-7.

［16］徐孝平.高端汽車用非織造布的制造技術(shù)［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2008，26(7):19-25.

［17］齊燁.汽車降噪非織造材料的研發(fā)與測(cè)試［D］.上海:東華大學(xué)紡織學(xué)院，2009.

［18］曲麗君.麻纖維在汽車用裝飾材料中的應(yīng)用［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2002，20(8):36-39.

［19］劉春敏，李洪亮，顧燦松，等.某微車低速轟鳴聲的降噪設(shè)計(jì)［J］.汽車工程師，2010(4):53-55.

The applications and prospects of nonwovens for automotive noise reduction

Bai Yuan，Qian Xiaoming
(School of Textiles，Tianjin Polytechnic University)

The mechanism，transmission and control methods of automobile noise were introduced.The application of nonwoven acoustic damping material on automobile and the studying status at home and abroad have also been discussed.The developing trend of automobile nonwoven acoustic damping material was indicated，and some referential suggestions accordingly was pointed out.

acoustic damping materials on automobile，application status，outlook

TS176.9

A

1004－7093(2011)05－0008－04

2011－02－23

白媛，女，1985年生，在讀碩士研究生。主要從事汽車車內(nèi)降噪非織造材料的研究。

錢曉明，E-mail:qianxiaoming@tjpu.edu.cn