汽車聲學(xué)包設(shè)計

張洪磊，靳干，曹維福

（江淮汽車技術(shù)中心，安徽合肥230601）

汽車聲學(xué)包設(shè)計

張洪磊，靳干，曹維福

（江淮汽車技術(shù)中心，安徽合肥230601）

對汽車聲學(xué)包材料的選取做了系統(tǒng)的說明，同時介紹了汽車聲學(xué)包的吸音隔音部件與鈑金之間的配合關(guān)系，說明了運(yùn)用聲學(xué)包降低嗓聲手段的重要性和可行性。

汽車聲學(xué)包；材料；聲學(xué)處理

0 引言

隨著汽車市場競爭的日益激烈和市場對汽車產(chǎn)品要求的日趨多樣化，汽車噪聲危害逐漸被人們所認(rèn)識，要求降噪的呼聲日益高漲。掌握整車噪聲性能優(yōu)化技術(shù)，是汽車正向設(shè)計技術(shù)的核心競爭力之一，也是現(xiàn)有車型振動噪聲性能改進(jìn)的重要關(guān)鍵內(nèi)容。振動噪聲控制和研究更加受到重視，汽車降噪必須從源頭著手進(jìn)行 “主動降噪”。其方法包括：優(yōu)化發(fā)動機(jī)和車身結(jié)構(gòu)、提高車身剛度、改進(jìn)懸置系統(tǒng)，以及提高零部件的加工精度和裝配質(zhì)量等，以將噪聲源和噪聲傳播路徑最小化。然而，主動降噪措施很難做到盡善盡美。作為主動降噪的必要補(bǔ)充，被動降噪不可或缺。因此運(yùn)用聲學(xué)包降噪就應(yīng)運(yùn)而生。文中主要介紹了汽車聲學(xué)包的常用材料選擇及車身的聲學(xué)處理。

1 汽車聲學(xué)包定義

汽車聲學(xué)包是指和汽車NVH有關(guān)的各類吸音隔音部件的總和，如前圍隔音隔熱墊、頂棚、地毯等。圖1所示為某高級轎車的整車聲學(xué)包零部件的示意圖。

2 材料選用及遵循原則

對于聲學(xué)包零部件，最為重要的性能就是其吸隔音性能，即要求材料在寬頻帶范圍內(nèi)隔音性能和吸音性能好，且隔音吸音性能長期穩(wěn)定可靠。但是往往材料的吸隔音性能與其價格成正比，因此在選取優(yōu)良的吸隔音材料的同時，也要考慮整車的價格定位。

2.1 材料選用及遵循原則

（1）材料的輕量化。輕量化是整個汽車制造領(lǐng)域發(fā)展的大趨勢，采用輕量化材料施工后不會使車身自重增加太多。

（2）環(huán)保特性。車廂內(nèi)的聲學(xué)包材料當(dāng)中不應(yīng)含石棉、玻璃纖維、酚醛樹脂、重金屬鉛等對人體有害的物質(zhì)，最大限度地保證乘駕人員的身體健康。

（3）氣味性。由于聲學(xué)包中的地毯、頂棚、隔音墊等部件位于乘客艙內(nèi)，因此要求聲學(xué)包所用的材料應(yīng)該滿足相應(yīng)的氣味性要求。

（4）防霉性。由于外前圍隔音墊、輪罩、翼子板密封件等聲學(xué)包部件位于車廂外部，在汽車的行駛過程中極易吸附雨水霧氣等，且地毯等部件在人為的作用下吸附水分之后，容易發(fā)生霉變，故對聲學(xué)包部件的防霉性提出一定的要求。

（5）阻燃性。汽車的內(nèi)飾件必須滿足阻燃性國標(biāo)，不易燃燒，最好能防止燃燒。標(biāo)準(zhǔn)：GB 8410-2006《汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性》［1］。

除此以外聲學(xué)包還具有量身定做性：不同的車輛有不同的聲場特性和噪聲特點(diǎn)，要達(dá)到理想的降噪效果，就需要有針對性的解決方案，體現(xiàn)在用料類型、數(shù)量和施工部位上，都會因車型不同而有所區(qū)別，故可稱之為量身定做。

2.2 聲學(xué)包的常用材料選擇

阻隔噪聲傳播的有效途徑主要是：密封、止震、隔音、吸音。在減震基礎(chǔ)上再進(jìn)行隔音、吸音以及密封處理，就可以達(dá)到安靜舒適的效果。在對全車進(jìn)行隔音降噪的過程中，使用的隔吸音材料本身所具有的吸音性能好壞也會直接影響到降噪的效果。

理論上說來，任何一種材料 （物質(zhì)）都不同程度的具有減震、隔音、吸音的能力。通過對常用的材料加以歸類，設(shè)計人員在進(jìn)行聲學(xué)包設(shè)計之初就能夠選擇合適的吸隔音材料使聲學(xué)包達(dá)到最好的吸隔音優(yōu)化效果。同時所選擇的材料必須滿足上述的特性［2］。

3 車身的聲學(xué)處理

入射到車身各個部位的車外噪聲，一部分被反射回去，一部分被車體和隔層吸收，一部分通過車體傳遞到車身內(nèi)部。在多數(shù)情況下，車身壁板的隔聲量不夠，還需要車身多處附加聲學(xué)處理。這些聲學(xué)處理一部分是附加在車身結(jié)構(gòu)壁板上，有些是附加在內(nèi)飾件上。因此，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計之初就必須對車身的前圍板、地板、發(fā)動機(jī)艙等關(guān)鍵噪聲傳遞路徑進(jìn)行分析，并加以聲學(xué)設(shè)計［3］。

3.1 前圍板的聲學(xué)處理及噪聲分析

一般說來，車身前圍板的外前圍隔音隔熱墊由于處于發(fā)動機(jī)艙，應(yīng)該是吸聲為主；而內(nèi)前圍應(yīng)該以隔聲為主、吸聲為輔。

圖2中的前圍板內(nèi)外均有均有較厚的吸音層，但鑒于外前圍有較多的固定螺栓，往往外前圍的厚度受到很大的限制。而內(nèi)前圍的吸音層5的厚度通常在5～25mm之間。從聲學(xué)角度，吸音層5有效地保持車身鋼板與第6層質(zhì)量層構(gòu)成的雙層板隔聲結(jié)構(gòu)的相互距離并同時起隔振和吸聲的作用。另外，吸音層設(shè)計的另一個要點(diǎn)就是盡量充滿可利用的空間，不留空腔。模塑的吸音層能夠與車身結(jié)構(gòu)幾何形狀吻合，有效避免空腔，因此大部分中高級轎車均使用模塑的PU發(fā)泡層配以EVA或是TPO等。相比之下，由標(biāo)準(zhǔn)平板吸音墊裁剪拼成的內(nèi)前圍隔音墊，由于空腔較多，其隔聲性能就受到很大的影響，但是其材料成本較低，仍被廣泛使用。

吸音層材料通常為發(fā)泡層、熱塑性纖維、樹脂纖維和針刺纖維。發(fā)泡層和熱塑性纖維吸音性能較好，但制造成本比泡沫墊塊和針刺纖維高。

從圖2穿通元件的聲學(xué)設(shè)計可以看出，圖 （b）是一種改進(jìn)了的穿通元件密封設(shè)計。首先，穿通元件附件的吸音層和質(zhì)量隔層被盡量地保留，發(fā)動機(jī)艙傳入駕駛室的噪聲受到了極大的控制。相比普通設(shè)計，穿通元件附件的隔聲效果明顯提高。

3.2 內(nèi)飾件的聲學(xué)處理

汽車的車廂、行李艙等部位一般是采用雙層隔板的型式，這些部位一般由外圍板和內(nèi)飾板組成，雙層之間是空氣層，利用這些雙層隔板，可以起到很好的隔音作用。

雙層隔板之間的密封性能對隔音效果也起了至關(guān)重要的作用，同時，空氣層的厚度并非越大越好，從隔音角度分析，就汽車車門來說，10cm的厚度是最理想的，高于這個厚度，隔音效果不會有明顯改善；而低于這個厚度，隔音效果及乘坐的舒適性就會大打折扣。此外，當(dāng)雙入射聲波頻率處于雙層板的共振頻率時會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時隔聲量大大降低。如果在兩層板間的空氣層中填以吸聲材料 （泡沫或纖維），由于材料的流阻特性，阻礙空氣的振動，就可以減弱共振的影響［4］。內(nèi)飾件的聲學(xué)處理如圖3所示。

3.3 車身頂棚的聲學(xué)處理

從吸聲性能角度，頂棚的聲學(xué)處理的主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

成型頂棚一般由三層組成，即表面裝飾層 （飾面）、泡沫層 （海綿襯底）及基材 （結(jié)構(gòu)襯底）。頂棚的表面裝飾層很薄，空氣流阻很小，通常只起表面裝飾的作用；裝飾層后面的的海綿襯底一般厚2～4mm，對高頻噪聲有一定的吸收作用。真正影響頂棚內(nèi)飾結(jié)構(gòu)吸聲性能的是基材和其后面的空氣層。如果結(jié)構(gòu)設(shè)計得當(dāng)，基材本身的吸聲性能加上其后面的空氣層一起產(chǎn)生良好的吸聲效果。通常玻璃纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)的基材的聲學(xué)性能較好。表1為常用的基材材料和其聲學(xué)性能的比較［5］。

表1 常用的基材材料和其聲學(xué)性能的比較

一般情況下，為了增強(qiáng)及改善頂棚的聲學(xué)性能，往往在頂棚基材后面的空腔附加一層吸聲材料。同時頂棚背部的吸音棉可以給車頂鈑金提高阻尼減振的效果。

3.4 發(fā)動機(jī)艙的聲學(xué)處理

發(fā)動機(jī)艙包含有汽車最主要的幾個噪聲源，不僅有發(fā)動機(jī)噪聲，還有風(fēng)扇噪聲、進(jìn)氣系統(tǒng)噪聲等，因此對于發(fā)動機(jī)艙的聲學(xué)處理，往往要采用高吸聲系數(shù)的吸聲材料。

對于發(fā)動機(jī)艙的吸聲處理，首先采用的就是在發(fā)動機(jī)艙蓋后面以及在發(fā)動機(jī)后面 （前圍外板外部）附加一吸隔音墊，通常發(fā)動機(jī)蓋吸隔音墊由耐高溫、高吸聲性能的玻璃纖維材料制成，又或是用輕質(zhì)的泡棉、棉氈材料制成，其厚度在15～35mm之間。通常為了方便安裝及固定吸音墊，往往將其外邊緣和開口處以及內(nèi)邊緣局部壓平，但是邊緣壓平會對吸聲不利，所以應(yīng)該盡量減少邊緣壓平的面積。

發(fā)動機(jī)艙吸聲處理的另一區(qū)域就是在發(fā)動機(jī)下部和前圍板上部附加吸音墊，其設(shè)計與艙蓋相近。

3.5 對于胎噪的聲學(xué)處理

輪胎噪聲是構(gòu)成底盤噪聲的主要因素，是由輪胎與路面摩擦所引起的。一般的胎噪主要由三部分組成：（1）輪胎花紋間隙的空氣流動和輪胎四周空氣擾動構(gòu)成的空氣噪聲；（2）胎體和花紋部分震動引起的輪胎震動噪聲；（3）路面不平造成的路面噪聲。

當(dāng)汽車在高速運(yùn)行時，輪胎空氣噪聲已經(jīng)占了輪胎噪聲的絕大部分，因此對輪胎的空氣噪聲進(jìn)行聲學(xué)處理顯得尤為重要。

對于輪胎的聲學(xué)處理，首先采用的是在輪胎上部使用一定聲學(xué)性能的輪罩，比如可以使用織物輪罩代替常用的塑料輪罩?？椢镙喺侄嘤赡透g的PET和PP熱塑成型而成，厚度在3mm上下。另一種方法就是在輪罩背部粘貼一層吸聲材料。

在胎面及胎紋的設(shè)計無法自主改變的前提之下，為了防止較多的輪胎空氣噪聲傳入車廂，通過在車廂內(nèi)的輪包上附加吸聲材料也可以在一定程度上改善減少傳入車內(nèi)的輪胎空氣噪聲。對于此時的吸音處理，可采用鈑金＋吸音層＋基材的雙層隔吸音結(jié)構(gòu)。例如瑞風(fēng)和暢在前輪罩使用了織物輪罩，而在后輪包上采用了 “發(fā)泡層＋硬質(zhì)棉”的隔吸音結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上隔絕了輪胎空氣噪聲傳入車廂內(nèi)部。

3.6 地板的聲學(xué)處理

地板的聲學(xué)處理主要結(jié)構(gòu)見圖5。

地板與前圍板的聲學(xué)處理相似，對于其吸音層也要求具有較好的吸收性能，同時能夠使車廂具有較好的保溫效果。常見的吸音層有幾種：一種是通過在回收的服裝加工廢料中加入樹脂，最后模塑成型，制成復(fù)雜的形狀，而與地板型面有良好的匹配；一種是在合成纖維中添加熱塑性材料 （如PP、酚醛樹脂），使其具有熱塑性能，可以模塑成復(fù)雜的形狀；還有一種就是將一定厚度的普通棉氈直接粘貼在質(zhì)量隔層4下面，避免了熱塑成型，其加工成本低，但連通的空腔多，吸隔音效果受到很大的影響。

因地毯與內(nèi)前圍的聲學(xué)處理類似，都是以隔聲為主、吸聲為輔，故第4層質(zhì)量隔層常采用EVA、EPDM、PVC、TPO等高分子材料，以提高地毯的隔聲性能。有時從整車的成本考慮，也往往使用硬質(zhì)棉氈或酚醛樹脂替代，但其隔聲吸聲會受到較大的影響。

第5層的地毯植絨是地毯的毯面，植絨厚度一般在6～8mm，且具有一定的吸聲性能。植絨層的吸聲系數(shù)雖然低于很多吸聲材料，但是由于地毯的毯面面積大，它對車廂內(nèi)的噪聲也有很大的影響［6］。

此外，地板雖然沒有前圍板那樣的穿通元件，但是地毯在多處還是有局部開口，如座椅的四腳固定點(diǎn)，變速操縱臺等。這些局部區(qū)域也需要特殊的密封級聲學(xué)處理，使其隔聲效果不亞于地板的其他區(qū)域。

3.7 側(cè)圍空腔聲學(xué)處理

焊接完成后的白車身側(cè)圍上存在一些封閉的箱體加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)，即所謂的 “旁路空腔結(jié)構(gòu)”，如A、B、C柱，門檻，前圍和側(cè)圍等?？涨怀藭鬟f車外噪聲，如發(fā)動機(jī)噪聲、排氣管噪聲、風(fēng)噪和胎噪外，當(dāng)汽車高速行駛時，這些空腔中還會產(chǎn)生高速氣流。高速氣流通常會引發(fā)兩大問題：首先，由于空腔不均勻，管阻大，導(dǎo)致高速氣流與空腔障礙物之間發(fā)生摩擦，從而在空腔壁處形成渦流，最終產(chǎn)生湍動氣流噪聲；其次，湍動氣流會引起空腔板金件共振，從而產(chǎn)生共振噪聲。同時，旁路空腔就象樂器的共鳴箱，會引起空腔噪聲的共鳴，有放大噪聲的作用。因此，由空腔引發(fā)的 “旁路噪聲”必須引起重視。目前，采用密封技術(shù)來封堵空腔是解決旁路噪聲問題較理想的方法。

有時，出于成本的考慮，也采用填充泡綿的方法對側(cè)位空腔進(jìn)行處理。具體做法就是人工在A、B、C處的空腔開口處放入吸音海綿，使其充滿整個空腔，從而阻止氣流的高速流動，兼具一定的吸聲效果。往往這種方式對于后部存在較大空腔的兩廂車型具有較大的意義，比如和悅RS在側(cè)圍后部空腔就使用方塊海綿填充，對從空腔傳入的車外噪聲有一定的吸收作用［7］。

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和汽車用戶對車輛要求的不斷提高，整車噪聲性能優(yōu)化技術(shù)在汽車工程開發(fā)中正顯現(xiàn)出越來越重要的地位。合理運(yùn)用汽車聲學(xué)包可以有效降低汽車駕駛室內(nèi)的嗓聲，汽車聲學(xué)包的設(shè)計在汽車開發(fā)中是不可缺少的一部分。

【1】全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB 8410-2006汽車內(nèi)飾材料的燃燒特性［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：1－7.

【2】泛亞內(nèi)飾教材編寫組.汽車內(nèi)飾設(shè)計概論［M］.北京：人民交通出版社，2012：139.

【3】彭華勇.汽車車內(nèi)噪聲分析與控制方法研究［J］.科技資訊，2011（11）：113.

【4】婁潔.淺談汽車噪聲及其控制技術(shù)［J］.蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2009（4）：4－7.

【5】馬迎麗.探討汽車內(nèi)飾材料、工藝的應(yīng)用及發(fā)展趨勢［J］.華東科技：學(xué)術(shù)版，2013（7）：484.

【6】丁華生.汽車噪聲及車內(nèi)噪聲控制［J］.世界汽車，2000（11）：11－13.

【7】李新霞，宋國智，范曉龍，等.空腔噪聲測量技術(shù)探討［J］.噪聲與振動控制，2013（4）：223－226.

Design of Acoustics Package for Automobile

ZHANG Honglei，JIN Gan，CAOWeifu
（Technical Center，Jianghuai Automotive Co.，Ltd.，Hefei Anhui230601，China）

A systematic description on materials selection of automotive acoustics packagewas done.The relationship between sound insulation components ofautomotive acoustics package and sheetmetalwas introduced.The importance and feasibility of using acoustics package to reduce vibrations and voice was illustrated.

Acoustic package；Material；Acoustic treatment

2014－01－27

張洪磊（1987—），男，學(xué)士，助理工程師，研究方向是汽車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：zhl69532585＠163.com。