車身空腔用膨脹膠塊聲學(xué)性能影響因素分析

齊海東　張俊華

摘要：膨脹膠塊作為汽車側(cè)圍空腔填充材料已經(jīng)應(yīng)用多年，用于阻隔空氣噪音和結(jié)構(gòu)噪音的傳播，阻隔水和空氣進(jìn)入汽車內(nèi)部空間。其聲學(xué)性能的傳統(tǒng)量化方法是在整車上分別測量增加和去掉膨脹膠塊之后車內(nèi)噪聲，該方法比較耗時耗成本。本文采用SAE空腔填充材料聲學(xué)性能測試方法，基于現(xiàn)有膨脹膠塊的常規(guī)設(shè)計，分析了膨脹膠塊聲學(xué)性能影響因素。

關(guān)鍵詞：膨脹膠塊；隔音；插入損失；面密度

中圖分類號：TQ437 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）09-0076-04

近年來越來越多的國內(nèi)主機廠以熱反應(yīng)型膨脹膠塊作為重要的汽車隔音降噪產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于車身空腔的密封，以阻斷車身空腔，防止車外的灰塵、水氣、氣流、噪聲、熱量等環(huán)境因素進(jìn)入乘員艙，對提高車身的舒適性具有重要作用。但是對于膨脹膠塊的聲學(xué)效果國內(nèi)尚沒有統(tǒng)一的測試方法。

本文參照美國汽車工程協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)SAE J2846（空腔填充材料聲學(xué)性能的試驗室測量方法），對目前膨脹膠塊比較流行的設(shè)計模式進(jìn)行模擬測試，從設(shè)計、材料方面分析膨脹膠塊聲學(xué)性能影響因素，希望以此來指導(dǎo)膨脹膠塊產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計。

1 膨脹膠塊產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用

目前采用空腔膨脹膠塊密封技術(shù)對汽車空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻斷，防止汽車行駛噪聲和風(fēng)噪聲在空腔的傳播，是汽車廠提高汽車的駕乘舒適性的重要方法。預(yù)成型膨脹膠塊由耐高溫塑料模具件和能高溫膨脹的材料組成，現(xiàn)有的汽車空腔膨脹膠塊支架材料和發(fā)泡材料的設(shè)計方式多種多樣，見圖1。然而隨著汽車車身內(nèi)密封部位的增多，單車應(yīng)用數(shù)量也相應(yīng)增加，因此對于傳統(tǒng)的、復(fù)雜的設(shè)計和制造工藝存在明顯的缺陷[1]。

賽道式設(shè)計由于具有工藝簡單、易于成型、性價比高的特點，國內(nèi)絕大多數(shù)主機廠和零部件生產(chǎn)廠都采用此設(shè)計方式，見圖2。應(yīng)用于汽車車身典型空腔有車身的A柱上部、A柱下部、B柱中部或下部、C柱、門檻、后輪罩等部位。

降噪效果的傳統(tǒng)量化方法是在整車上分別測量增加和去掉膨脹膠塊之后車內(nèi)噪聲，該方法比較耗時、耗成本且影響因素較多，單獨量化每個膨脹膠塊在車身上的效果十分困難。

2 膨脹膠塊隔音性能模擬測試方法

上個世紀(jì)90年代以來，聲音插入損耗測試方法在美國一些OEM已成為公認(rèn)的汽車車身用空腔填充材料聲學(xué)性能測試方法。經(jīng)過長時間的試驗和驗證，2010年，美國汽車工程學(xué)會建立了一個正式的插入損耗測試規(guī)范，即SAE J2846。該方法主要是測定插入損耗（IL：Insersion Loss）。IL指的是在空腔或通道中插入隔聲結(jié)構(gòu)前后接收位置的聲壓水平（SPL：Sound pressure level）的差異（圖3）。IL的測量是設(shè)定測量“之前”和“之后”聲源產(chǎn)生的聲壓級是相同的，需要分別測試填充前后空腔的聲壓水平。IL性能表示為：IL = SPL1-SPL2，圖4為典型的測試設(shè)備圖。

根據(jù)SAE J2846要求，制作如圖5所示的空腔和模擬測試樣件[2]。對于發(fā)泡材料，初始厚度根據(jù)所需要的面密度進(jìn)行控制。烘烤時，樣件用一個易于拆卸的支架支撐，烘烤結(jié)束后取下支架。

將密封后的試樣安裝在聲源室和接收室之間的間壁墻測試洞口的中心位置，安裝時樣品端朝向接收室，空腔朝向聲源室，見圖5，也可朝向接收室。在試件和測試洞口處應(yīng)留出至少10 mm縫隙，縫隙用密封膏填嵌。

聲壓級采用1/3倍頻程濾波器測量，單個中心頻率下的測試噪聲損失MNR（Measured Noise Reduction）計算公式見式（1）。

MNR=SPLs-SPLr （1）

式中：MNR—測試噪聲損失，dB；SPLs—聲源室聲壓級，dB；SPLr—接收室聲壓級，dB。

單個頻率下的插入損失按式（2）計算：

IL=MNRf-MNRb （2）

式中：IL—插入損失，dB；MNRf—填充后裝置的測試噪聲損失，dB；MNRb—無填充材料裝置的測試噪聲損失，dB。

3 膨脹膠塊隔音性能影響因素

理論上，一個膨脹膠塊阻止噪音的能力依賴它的質(zhì)量，質(zhì)量大的障礙比輕障礙更有能力阻止噪音通過。但是很重要的前提是必須為障礙提供一個完整的密封截面，因為甚至較小的泄漏就可以導(dǎo)致大量的噪音傳播[3]。本文結(jié)合完整的模擬密封空腔研究各種因素對膨脹膠塊隔音性能的影響。

3.1 膨脹材料結(jié)構(gòu)

熱反應(yīng)型發(fā)泡材料有多種材質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同，有半開孔和閉孔的，見圖6。材料剛度也有所不同，試驗表明膨脹材料的結(jié)構(gòu)對材料的聲學(xué)性能影響較為顯著，見圖7。

在相同的面密度下，開孔材料和硬質(zhì)材料在中頻下表現(xiàn)出較好的性能，在高頻下軟質(zhì)和閉孔材料則顯示出好的隔音性能。

3.2 膨脹材料的面密度

對于同一種發(fā)泡材料，常規(guī)的理解是膨脹材料厚度越大其隔音性能越好。在本文中也得到了實際驗證，2種材料的試驗結(jié)果對比見圖8。

對于通用的隔音材料，一般遵循質(zhì)量定律。對于給定的頻率，材料的面密度增加一倍，隔音量增加6 dB，從數(shù)據(jù)可看出，所采用的2種膨脹材料基本符合質(zhì)量定律。因此，對于一定的空腔結(jié)構(gòu)，增加膨脹材料可以提高膨脹膠塊的隔音性能。

3.3 膨脹材料的膨脹倍率

對于同一種膨脹材料，常規(guī)的理解是膨脹倍率越高其隔音性能越好。本文對膨脹材料通過加熱溫度不同進(jìn)行處理，使得材料的膨脹倍率控制在500%～800%，然后按照SAE J2846進(jìn)行測試，測試結(jié)果對比見圖9。

總體上，膨脹倍率對材料的隔音性能沒有太大影響，在500～2 000 Hz的頻段，高膨脹倍率則表現(xiàn)出更好的隔音性能，在高頻部分，膨脹倍率高低對隔音性能的影響不大，性能基本接近。

3.4 尼龍材料面密度及剛度

尼龍材料作為膨脹膠塊的另一組成部分，占據(jù)了膨脹膠塊的大部分面積，對于膨脹膠塊的隔音性能起到重要作用。本文對同一種尼龍材料的不同面密度及同一厚度不同韌性的尼龍材料進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見圖10及11。其中，熱穩(wěn)定、改性熱穩(wěn)定、高韌性尼龍的缺口沖擊強度分別為：10 J/m2、45 J/m2、92 kJ/m2，數(shù)據(jù)越大，尼龍的韌性越好，剛度越小。

對于尼龍材料也遵循質(zhì)量定律。因此，對于一定的空腔結(jié)構(gòu)，增加膨脹膠塊的尼龍厚度可以提高膨脹膠塊的隔音性能。在相同的面密度下，熱穩(wěn)定和改性尼龍在中高頻下表現(xiàn)出較好的性能，在高頻下高韌性尼龍則顯示出較好的隔音性能。

3.5 膨脹膠塊成品測試

以上從材料方面分析了材料的選型對膨脹膠塊隔音性能的影響，為了測試成品的隔音性能，本測試選用了在車身空腔中實際使用的兩個零部件，兩個膨脹膠塊采用的材料完全相同，膨脹材料的厚度及尼龍材料的厚度也相同，區(qū)別在于膨脹膠塊所處車身的空腔截面形狀不一致。按照兩種膨脹膠塊的形狀做相應(yīng)的測試通道，樣品1與測試的通道形狀接近，樣品2則為狹長形，經(jīng)高溫加熱膨脹材料反應(yīng)密封住整個空腔。然后按照SAE J2846進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖12。

從圖12可以看出，盡管膨脹膠塊的材料及厚度相同，由于大小及形狀不同，并不能得到一致的隔音性能。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因需要進(jìn)行進(jìn)一步分析。

以上僅是針對零部件進(jìn)行的測試，具體到車身上由于受膨脹膠塊的設(shè)計結(jié)構(gòu)多樣，車身上的布置位置多變，車身空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不一等因素的影響，膨脹膠塊在車身上的綜合效果也不一樣，需要結(jié)合CAE分析工具進(jìn)行不斷分析和優(yōu)化，才能達(dá)到最佳效果。

4 結(jié)論

（1）膨脹膠塊的隔音性能與膨脹材料和尼龍材料面密度、材料結(jié)構(gòu)、膨脹率等有關(guān)。對于同一材料，增加材料的質(zhì)量（面密度），材料的隔音性能增加。增加材料的韌性，在某些頻段，隔音性能會增加。增大膨脹材料的膨脹倍率對隔音性能基本無影響。

（2）對于成品的測試，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、截面形狀多樣，尺寸與標(biāo)準(zhǔn)測試樣板偏差較大，因此并不能得到一致的性能，對于成品的隔音性能需要進(jìn)一步研究。

（3）對于現(xiàn)有材料的組成在中低頻階段的隔音性能數(shù)據(jù)尚欠缺，需要材料供應(yīng)商對材料不斷進(jìn)行改善以適應(yīng)更寬頻率下的隔音效果。

（4）增加膨脹膠塊的質(zhì)量可以提升材料的隔音效果，但同時會增加膨脹膠塊的成本。為平衡成本和隔音性能，需要從材料的選型和膨脹膠塊的設(shè)計方面進(jìn)行綜合考慮。

參考文獻(xiàn)

[1]Kurt M Lilley，Phil E Weber.Vehicle acoustic solutions [R].SAE，2003（01）：1583.

[2]SAE International Surface Vehicle Recommended Practice，Laboratory Measurement of the Acoustical Performance of Body Cavity Filler Materials[S].SAE Standard J2846，Issued May 2010.

[3]Pranab Saha，Robert D Myers.Importance of sealants for interior noise control of automobiles[R].SAE，1992 （01）：920412.