車內(nèi)噪聲分析及車用降噪非織造材料的生產(chǎn)工藝研究

白　媛　　林　娜　　牛靈鵬

陜西省紡織科學(xué)研究所， 陜西 西安 710038

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車內(nèi)噪聲分析及車用降噪非織造材料的生產(chǎn)工藝研究

白媛林娜牛靈鵬

陜西省紡織科學(xué)研究所， 陜西 西安 710038

摘要：分析汽車車內(nèi)噪聲的危害，以及我國在車內(nèi)噪聲控制方面存在的不足，提出車內(nèi)噪聲控制的必要性及緊迫性。通過系統(tǒng)分析車內(nèi)噪聲的組成、產(chǎn)生途徑及控制方法，指出降噪非織造材料對(duì)車內(nèi)噪聲控制的有效性，并就國內(nèi)外車用降噪非織造材料所用纖維及其生產(chǎn)工藝的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：車內(nèi)噪聲，控制，降噪，非織造材料，生產(chǎn)工藝

隨著現(xiàn)代交通和汽車工業(yè)的發(fā)展，車內(nèi)噪聲已成為有關(guān)高科技和人類協(xié)調(diào)發(fā)展的一項(xiàng)亟待解決的重要課題。車內(nèi)噪聲是指汽車在行駛過程中，駕駛室、乘坐室內(nèi)存在的各種噪聲，其對(duì)駕駛員及乘客的影響不容忽視。如何最大限度地降低車內(nèi)噪聲水平、提高乘坐舒適性，是現(xiàn)代汽車產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)需考慮的重要因素。很多國家和地區(qū)都制訂了相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，以期可以更好地控制車內(nèi)噪聲(表1[1])。

表1　主要國家和地區(qū)對(duì)汽車加速行駛的噪聲限值　[單位：dB(A)]

從表1可以明顯看出，我國現(xiàn)行的對(duì)汽車加速行駛的噪聲限制要求與歐共體國家相比，差距較大。國產(chǎn)汽車在車輛噪聲水平的規(guī)范方面要求較松，這也是影響我國汽車質(zhì)量和市場(chǎng)的重要因素之一。因此，對(duì)車內(nèi)噪聲加以控制意義重大。

1車內(nèi)噪聲的產(chǎn)生及組成

車內(nèi)噪聲主要源于發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、車身振動(dòng)、輪胎/路面、風(fēng)扇等車外聲源和振動(dòng)源(圖1)[2]。

圖1　車內(nèi)噪聲的來源

這些聲源的聲能和振動(dòng)源的振動(dòng)能分別以空氣聲(由車廂壁板、門、窗等處的孔隙傳播)和結(jié)構(gòu)聲(車身壁板振動(dòng)引起)的方式傳到車室內(nèi)部[3]，其傳播過程見圖2。由圖2可知，車內(nèi)噪聲實(shí)際是由空氣聲、結(jié)構(gòu)聲和室內(nèi)混響聲共同組成的[4]。其中，室內(nèi)混響聲是指聲波經(jīng)壁面一次或多次反射后形成的噪聲。

圖2　車內(nèi)噪聲傳播示意

2車內(nèi)噪聲的危害及控制

2.1車內(nèi)噪聲的危害

當(dāng)噪聲的強(qiáng)度超過人們正常生活和生產(chǎn)所能承受的范圍時(shí)，其便構(gòu)成噪聲污染。噪聲對(duì)人體的危害眾所皆知，其影響也是多方面的。近年，隨著交通和汽車工業(yè)的發(fā)展，車速越來越高，車內(nèi)噪聲對(duì)駕駛員及乘客的危害也日漸凸顯：

(1)損傷聽力。造成暫時(shí)性聽閾上移(也稱聽覺疲勞)，更有甚者會(huì)造成永久性聽閾上移(即永久性耳聾)[5-6]。

(2)干擾正常乘坐和行車。通常，當(dāng)噪聲值高于65 dB(A)時(shí)便會(huì)干擾普通談話，此時(shí)車內(nèi)乘客需提高嗓門或近距離才能交談，這樣易使人感到疲勞；更有甚者會(huì)聲嘶力竭，這將影響行車注意力，為行車安全埋下隱患[7]。

(3)影響身體健康。噪聲會(huì)影響心血管系統(tǒng)，引起胃機(jī)能阻滯，還會(huì)對(duì)視覺器官產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致駕駛者視覺功能障礙、視力清晰度下降、平衡性反應(yīng)失靈，嚴(yán)重危害汽車駕駛安全[8-9]。

因此，為有效防止和避免噪聲對(duì)駕駛員健康狀況的影響，利用一些降噪措施防止意外發(fā)生，很有必要。

2.2車內(nèi)噪聲的控制

進(jìn)入人耳的聲音都需經(jīng)歷三個(gè)環(huán)節(jié)(圖3)。因此，噪聲的控制需從噪聲源、傳播途徑及保護(hù)接收者這三個(gè)方面考慮。其中，控制噪聲源屬主動(dòng)降噪，此法最根本、最有效，主要用于對(duì)低頻噪聲的控制。

圖3聲學(xué)系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)

但我國目前車內(nèi)主動(dòng)降噪系統(tǒng)尚不成熟，故從噪聲源處主動(dòng)降噪往往受到限制。因此，綜合應(yīng)用車用降噪非織造材料的吸聲、隔聲與減振性能，從傳播途徑上實(shí)現(xiàn)降噪，是目前降噪的主要手段。

3降噪非織造材料在汽車上應(yīng)用的性能要求

隨著交通和汽車工業(yè)的發(fā)展，以及人們對(duì)健康、環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，降噪非織造材料在汽車吸聲、隔聲等綜合特性方面的要求越來越高。這些要求包括：

(1)輕量化[10]。輕量化是整個(gè)汽車制造領(lǐng)域發(fā)展的一大趨勢(shì)，這會(huì)大大減少因車身質(zhì)量而引起的油耗。

(2)在寬頻范圍吸聲、隔聲性能好且長期穩(wěn)定，壽命長。

(3)物理、力學(xué)性能良好[11]，如具有一定的強(qiáng)度，安裝過程中不易破損，且耐磨、耐壓，尺寸穩(wěn)定性好等。

(4)不易老化，耐氣候性好。

(5)環(huán)保。綠色環(huán)保是當(dāng)今社會(huì)的一大主題，任何新型材料的開發(fā)都應(yīng)圍繞這一主題而開展。其要求材料對(duì)人體無刺激、無異味、無毒、無害，且同種材料可回收利用等。

(6)便于施工，如易于剪裁、粘貼牢固等。

(7)安全可靠，如具備一定的阻燃和抗靜電性能等。

4國內(nèi)外車用降噪非織造材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

4.1纖維原料

4.1.1研究現(xiàn)狀

降噪非織造材料發(fā)展至今，經(jīng)歷了從有機(jī)材料到無機(jī)材料，再發(fā)展到現(xiàn)在高度重視的綠色、健康、環(huán)保、舒適材料的過程，形成了目前無機(jī)材料、有機(jī)材料并存的局面。

早期使用的吸聲材料主要是棉、麻、甘蔗等植物類纖維的制品。這些材料在中高頻范圍內(nèi)有著良好的吸聲性能[12]35-38，如頻率為2 000 Hz時(shí)，厚度為2 cm 的麻纖維板吸聲系數(shù)可達(dá)0.49；頻率為250 Hz時(shí)，厚度為2 cm的甘蔗纖維板吸聲系數(shù)可達(dá)0.98。但植物類纖維的制品防火、防腐、防潮性較差，因此，隨著無機(jī)纖維的問世，植物類纖維吸聲材料逐漸淡出了市場(chǎng)。

無機(jī)纖維材料具有質(zhì)輕、不燃、不腐且不易老化等特性，吸聲性能良好，但纖維在施工安裝過程中易折斷，會(huì)形成粉塵污染環(huán)境，影響人體健康。因此，盡管此類纖維材料性能優(yōu)異，但從安全和舒適的角度出發(fā)，無機(jī)纖維也逐漸退出了吸聲材料的應(yīng)用舞臺(tái)。

合成纖維大多屬有機(jī)纖維，同時(shí)又因其為人造可溶(熔)纖維，易加工和回收，故屬健康、環(huán)保、舒適材料。合成纖維綜合性能優(yōu)異，如聚丙烯、聚酯和聚酰胺等纖維，質(zhì)量輕、吸聲效果好、加工成型方便、無粉塵污染、防水防潮防蟲蛀、使用范圍廣、安全舒適、可回收，可根據(jù)產(chǎn)品用途的要求及非織造材料的加工要求專門定制具有各種特點(diǎn)的合成纖維制品[13]，因此倍受廣大汽車制造商青睞，其在降噪用非織造材料中占絕大部分比例，在亞洲市場(chǎng)極為暢銷。目前，市面上所用的吸聲材料大都以合成纖維為原料。

4.1.2發(fā)展趨勢(shì)

歐盟立法部門規(guī)定，車用可回收材料質(zhì)量所占比例2006年至少達(dá)到85%，2015年已增至95%，同時(shí)強(qiáng)制性規(guī)定了天然纖維所占比例。自此，天然纖維以其比強(qiáng)度與比模量高、價(jià)格低廉、可再生等優(yōu)勢(shì)，成為汽車內(nèi)飾降噪材料研發(fā)的焦點(diǎn)與熱點(diǎn)[14]。南通工學(xué)院曾對(duì)低熔點(diǎn)聚丙烯纖維和麻纖維進(jìn)行了復(fù)合工藝研究，制成了聚丙烯纖維薄層上下夾心麻纖維的熱塑性非織造材料。該材料無污染、成本低，且具有高強(qiáng)、隔聲、吸聲、防腐、絕緣等優(yōu)良性能，被廣泛應(yīng)用于吸聲、隔聲領(lǐng)域[12]35-38。張輝等[15]對(duì)漢麻、滌綸和棉等混紡紗線織物進(jìn)行了吸聲性能分析，發(fā)現(xiàn)織物緊度、組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)試劑對(duì)吸聲性能有影響。

而有關(guān)天然纖維復(fù)合材料的吸聲性能報(bào)道卻較少，國內(nèi)對(duì)天然纖維在非織造吸聲材料中的應(yīng)用研究為之更少。Thilagavathi等[16]將竹纖維、香蕉纖維、黃麻纖維和聚丙烯纖維分別兩兩以50∶50的質(zhì)量配比進(jìn)行混合針刺，并對(duì)針刺后材料的結(jié)構(gòu)性、舒適性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)竹纖維/聚丙烯纖維針刺非織造材料結(jié)構(gòu)緊湊，強(qiáng)力和吸聲性能良好，熱導(dǎo)率和斷裂伸長率小，十分適合用作汽車內(nèi)飾吸聲材料；竹纖維/黃麻纖維針刺非織造材料在低頻吸聲系數(shù)方面明顯優(yōu)于竹纖維/香蕉纖維針刺非織造材料。

4.2生產(chǎn)工藝

4.2.1研究現(xiàn)狀

4.2.1.1針刺工藝

針刺工藝生產(chǎn)成本低、流程短、改變工藝參數(shù)可操作性強(qiáng)，可用于生產(chǎn)厚型產(chǎn)品，制成品纖維間存有大量微孔，能很好地滿足吸聲材料多孔、疏松等要求。因此，針刺加固的非織造材料在吸聲材料中應(yīng)用最為廣泛。

Montgomery Elizo最早利用針刺工藝研制出航空器內(nèi)部貼敷用降噪非織造材料，并分別從吸聲系數(shù)、孔隙率、加工工藝等三方面對(duì)其吸聲特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明，針刺降噪非織造材料綜合吸聲性能良好[17]。美國通用公司曾將低熔點(diǎn)聚酯纖維均勻加入線密度為0.440～0.666 tex的普通聚酯纖維網(wǎng)中，再對(duì)復(fù)合纖維網(wǎng)進(jìn)行針刺、熱黏合，制成的非織造復(fù)合材料成本低、質(zhì)量輕、可回收且吸聲效果良好[18]。通常市售的隔聲氈大多采用針刺工藝，產(chǎn)品規(guī)格為500~800 g/m2，主體原料為廢纖維(包括一般紡織廠生產(chǎn)所留下的下腳料)，通過向其中加入部分熱熔粉或熱熔纖維后加熱、模壓制成；還有使用浸漬法+化學(xué)黏合劑法，經(jīng)烘干、模壓制成；也有采用兩層薄型針刺非織造材料或熱軋非織造材料，與聚氨酯泡沫塑料經(jīng)模壓后復(fù)合而成[19]。

4.2.1.2熔噴工藝

熔噴非織造材料具有纖維細(xì)、材料比表面積大、孔隙小、孔隙率大等特點(diǎn)，因而也被用于降噪材料領(lǐng)域，但其厚度有限，只能通過與其他非織造材料復(fù)合達(dá)到更好的降噪效果。

典型應(yīng)用便是美國3M公司近年推出的“新雪麗”降噪材料。其在熔融噴絲過程中，從側(cè)面吹入約35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚酯短纖，制成的材料具有優(yōu)良的彈性回復(fù)性、吸聲隔聲性、絕熱性、疏水性等，降噪效果顯著[20]。南通麗洋新材料開發(fā)有限公司生產(chǎn)的SAP系列汽車降噪材料，也是熔噴工藝在降噪非織造材料上應(yīng)用的典型例證。其利用超聲波軋點(diǎn)技術(shù)，在熔噴非織造材料的上、下表面各覆蓋一層聚丙烯紡黏非織造材料，外層紡黏非織造材料主要用于保護(hù)內(nèi)層熔噴非織造材料不受污染和損壞，整個(gè)材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、不易變形，吸聲性能良好[21]。

4.2.1.3熱黏合工藝

日本尼桑公司采用內(nèi)含異形截面纖維的混合原料，經(jīng)熱黏合法制成纖維線密度不超過0.555 tex的非織造材料，制成品平均密度為0.02～0.20 kg/m3，具有良好的吸聲效果，可用作汽車內(nèi)部襯墊材料。專利CN200410056811.X[22]介紹了一種汽車內(nèi)部設(shè)備用吸聲材料，其由纖維毛氈(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%~90%)和固化劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~20%)兩部分組成，其中纖維毛氈由天然纖維、再利用纖維、聚烯烴類原始纖維和無機(jī)纖維中的一種或多種組成，固化劑由六游離酚、三聚氰胺、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯和苯酚環(huán)氧樹脂中的一種或多種組成。含固化劑的纖維毛氈在一定溫度的烘箱中固化成型，最后為保持毛毯形狀還對(duì)其進(jìn)行了冷卻處理。

4.2.2發(fā)展趨勢(shì)

事實(shí)證明，任何材料如果一直走單一的結(jié)構(gòu)模式，其發(fā)展必會(huì)遇到很大的困難。降噪非織造材料也是如此。

巴黎工業(yè)亞麻技術(shù)公司利用50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的聚丙烯纖維和50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的亞麻纖維制成了汽車門內(nèi)飾板。這種內(nèi)飾板在發(fā)生事故時(shí)不易受損，且能使最終產(chǎn)品的質(zhì)量減輕20%，有效降低了油耗，并使汽車更符合生態(tài)要求[23]。專利CN200380110744.9[24]中提及的吸聲非織造材料由基片和上下兩層覆蓋片經(jīng)熱壓點(diǎn)黏合而成，其中基片為熔噴法制造的超細(xì)纖維(聚丙烯超細(xì)纖維平均直徑為2 μm、聚酯超細(xì)短纖維平均直徑為25 μm)非織造材料，覆蓋片主要由聚酯(即聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、改性聚酯)和少量作為著色材料的炭精塊、氧化鈦組成。該吸聲材料不僅具有傳統(tǒng)非織造材料對(duì)中高頻的吸聲性能，且在600～1 800 Hz頻段也顯示了優(yōu)異的吸聲效果。專利CN200410094205.7[25]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲接觸到儀表板時(shí)，聲壓在儀表盤的中心處最高，向外逐漸減小，這就要求距發(fā)聲源越近的材料，其吸聲性能應(yīng)更好。據(jù)此，該專利設(shè)計(jì)了一款由高密度層和低密度層層壓而成的吸聲材料，其中高密度層由低熔點(diǎn)滌綸(4.5 dtex，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)和常規(guī)滌綸(6.7 dtex，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%)經(jīng)針刺而成，低密度層由低熔點(diǎn)滌綸(4.5 dtex，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%)、常規(guī)滌綸(3.3 dtex，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%)和常規(guī)滌綸(6.7 dtex，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%)經(jīng)針刺而成。專利CN20071003054.8[26]公開了一種高性能吸聲材料的制備方法。該吸聲材料每10 mm的厚度由3~8層、面密度為10 g/m2的丙綸紡黏非織造材料和夾在其間的立體網(wǎng)狀纖維層構(gòu)成，而網(wǎng)狀纖維層又由1.1 dtex普通滌綸短纖(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%~65%)、16.7 dtex普通滌綸短纖(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~40%)和1.7 dtex熱熔滌綸短纖(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~20%)共同組成。鋪好的材料于烘箱中加熱定型，最后再在-10~10 ℃的模具中冷壓定型。吸聲材料的厚度可根據(jù)需要自行調(diào)整。由該法制得的吸聲材料高頻吸聲系數(shù)優(yōu)異，厚度10 mm、面密度200 g/m2的材料在5 kHz時(shí)吸聲系數(shù)可達(dá)0.92。

5結(jié)語

隨著交通及汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，車用降噪非織造材料的開發(fā)和應(yīng)用得到了極大的推動(dòng)。開發(fā)適合國內(nèi)道路狀況及國產(chǎn)汽車的高附加值非織造降噪產(chǎn)品，以含先進(jìn)技術(shù)的國產(chǎn)非織造材料替代進(jìn)口產(chǎn)品，打破國外在此領(lǐng)域的長期壟斷，徹底改變我國在高效降噪非織造材料領(lǐng)域長期依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀，大大降低汽車制造成本，拓寬非織造材料應(yīng)用領(lǐng)域，意義重大。我國紡織企業(yè)應(yīng)充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢(shì)，積極向車用降噪非織造材料領(lǐng)域進(jìn)軍，以滿足交通及汽車工業(yè)高速發(fā)展的需要，為推動(dòng)我國非織造材料產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整做出貢獻(xiàn)。

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防止霧霾人人有責(zé)

綠色生活人人共享

Interior noise analysis and production process research of nonwovens for vehicle noise reduction

BaiYuan,LinNa,NiuLingpeng

Textile Science and Technology Institute of Shaanxi Province， Xi’an 710038, China

Abstract:The harm of interior noise and the deficiency existing in interior noise control of China were analyzed, and the necessity and urgency of the interior noise control were proposed. Through systematically analyzing the composition, generation and control methods of the interior noise, the effectiveness of the interior noise control with nonwovens was pointed out, and the present research situation and development trend of fibers and production processes on vehicle noise reduction with nonwovens were analyzed.

Keywords:interior noise, control, noise reduction, nonwovens, production process

中圖分類號(hào)：TS176.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1004-7093(2016)01-0001-05

作者簡介：白媛，女，1985年生，助理工程師，主要從事汽車車內(nèi)降噪非織造材料的研究

收稿日期：2014-12-30修回日期：2015-10-21