新型吸聲材料在車輛降噪方面的應(yīng)用

劉坤 陳偉 楊剛 楊葉松 盤江麗

（重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)公司）

車內(nèi)噪聲是評價(jià)整車舒適性的一個(gè)重要指標(biāo)。車內(nèi)噪聲可以分為結(jié)構(gòu)傳播噪聲和空氣傳播噪聲，結(jié)構(gòu)傳播噪聲主要為路面激勵(lì)、發(fā)動機(jī)和傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的動態(tài)作用力引起的車身振動，產(chǎn)生向車內(nèi)輻射的噪聲；空氣傳播噪聲即為車外噪聲經(jīng)過車身透射傳遞到車身內(nèi)部的噪聲。研究發(fā)現(xiàn)，提高車身壁板的隔聲性能，可使聲波不能順利穿透壁板，或在透過壁板時(shí)產(chǎn)生較大的能量損失，從而達(dá)到降低車內(nèi)噪聲目的。文章針對車內(nèi)壁鋪設(shè)阻尼材料和新型吸聲地板，耗散車身振動所產(chǎn)生的能量，從而達(dá)到減振的目的[1]。

1 車內(nèi)壁阻尼吸聲

當(dāng)車內(nèi)存在噪聲時(shí)，車內(nèi)各壁面對入射于其上的聲波進(jìn)行多次反射使車內(nèi)噪聲級升高，這部分噪聲稱為混響噪聲，為了對此部分噪聲進(jìn)行控制，需在車內(nèi)壁加裝阻尼吸聲材料。文獻(xiàn)[2-3]提出在內(nèi)壁上安裝微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。

采用板厚和孔徑均在1 mm以下，穿孔率為1%～3%的薄金屬板（通常用鋁板）與背后空氣層組成微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)。微穿孔板的孔細(xì)而密，因此比穿孔板的聲阻大，而聲質(zhì)量小，從而在吸聲系數(shù)和吸聲頻帶方面優(yōu)于穿孔板。相較于傳統(tǒng)的吸聲結(jié)構(gòu)，微穿孔板結(jié)構(gòu)不需在板后配置多孔吸聲材料，使結(jié)構(gòu)大為簡化，同時(shí)具有衛(wèi)生、美觀及耐高溫等優(yōu)點(diǎn)；另外，微穿孔板還具有寬頻帶吸收性質(zhì)，這是共振吸聲體常見的現(xiàn)象，微穿孔板的吸聲特性與余切函數(shù)有關(guān)，余切函數(shù)是周期型的，這種多頻帶吸收性質(zhì)有利于對噪聲的吸收。

微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)也稱為微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)，其機(jī)理與赫姆霍茲共振吸聲結(jié)構(gòu)類似，但吸聲效果更好。微穿孔板中，微穿孔一般均勻分布在板的表面，孔的大小形狀相同。在相鄰孔間做與板相垂直的假想平面，使它與兩孔中心的距離相等。這些假想平面把微穿孔板連同板后的空氣層分割成許多小塊，各個(gè)穿孔分別占據(jù)相同的多角形空間。每個(gè)穿孔與其對應(yīng)的空氣層組成的系統(tǒng)類似于短管與空腔組成的共振器，微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)可以看成由這些互相獨(dú)立的共振器“并聯(lián)”而成，微穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率也就是單個(gè)共振器的共振頻率。

影響微穿孔板吸聲性能的因素包括穿孔直徑、空氣層厚度及填充物等。由于實(shí)際應(yīng)用空間的限制，空氣層厚度難以無限加大，而填充物的實(shí)現(xiàn)則需要較復(fù)雜的制造工藝，這2種因素均不易實(shí)現(xiàn)可控的變化，因此穿孔直徑成為可控制的主要影響因素。

圖1示出微穿孔板的穿孔直徑對吸聲系數(shù)的影響。從圖1可以看出，微穿孔板的穿孔直徑越小，吸聲效果越好，孔徑變大之后，吸聲效果略有降低，但效果依然比普通吸聲材料要好。當(dāng)微穿孔板的穿孔直徑很小時(shí)，它本身的流阻就足以與周圍空氣的特性阻抗匹配，可以形成良好的寬頻帶共振吸聲原件。此外，微穿孔板的材料也不受限制，從紙板、鋁板到不銹鋼板都可以使用以符合經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的要求。

圖1 微穿孔板的穿孔直徑對吸聲系數(shù)的影響

假設(shè)車內(nèi)噪聲頻率范圍為200～2 500 Hz，根據(jù)噪聲水平特點(diǎn)設(shè)計(jì)了壁面吸聲方案，采用鍍鋅材料，如圖2所示。圖2中，微穿孔直徑d=0.4 mm，微穿孔中心距b=0.6 mm，穿孔率p=60%，微穿孔板厚t=0.7 mm，空氣層厚度D=113 mm。

圖2 微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)示意圖

2 地板吸聲與減振

在車輛內(nèi)部，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的噪聲以及來自懸架和輪胎之間的撞擊激勵(lì)產(chǎn)生的噪聲均會通過能量傳遞傳到車輛地板，從而引起車體振動并向車內(nèi)輻射強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)噪聲，由于是乘員直接感受的結(jié)構(gòu)，故而其引起的振動與噪聲問題非常顯著。另外對于現(xiàn)有的大多數(shù)地板結(jié)構(gòu)，其本身阻尼很小，而聲輻射率很高。傳統(tǒng)上通常采用加筋等措施，提高其剛性，降低噪聲振動。這種方法的實(shí)質(zhì)并不是增加阻尼，而是改變板件結(jié)構(gòu)本身的固有頻率。如果實(shí)際情況允許，該方法是有效的。但是大多數(shù)情況下，移動某一結(jié)構(gòu)的固有頻率是不可行的，或雖然可行但又引起另一部分的振動加大。

本方案中對于車輛地板提出的設(shè)計(jì)方案主要包含2條遞進(jìn)的措施。

2.1 采用高隔聲與高強(qiáng)度的材料

采用高隔聲與高強(qiáng)度的材料作為地板的制作材料，如圖3所示。

圖3 蜂窩地板示意圖

將蜂窩地板[4]作為車輛地板相較于傳統(tǒng)的實(shí)心地板有利于隔絕外界聲音與車體內(nèi)部之間的聯(lián)系，而且蜂窩型的材料對于低頻噪聲有較好的隔聲性能，還可以滿足地板剛度上的需求。本方案中可采用鋁蜂窩地板作為車輛的地板材料，一般情況下，常見鋁蜂窩板的性能參數(shù)為：抗彎強(qiáng)度＞40 MPa，抗壓強(qiáng)度＞4 MPa，抗拉強(qiáng)度＞4 MPa，剝離強(qiáng)度＞40 N/m；隔聲性能：隔聲量＞25 dB；隔熱性能：傳熱系數(shù)＜6 W/(m2·K)。

2.2 鋪設(shè)復(fù)合型阻尼材料

在整車質(zhì)量及空間允許的情況下，在地板上鋪設(shè)復(fù)合型阻尼材料，如圖4所示。

圖4 車輛地板及復(fù)合型阻尼材料設(shè)計(jì)示意圖

由于地板的厚度相對較大，因此阻尼層的厚度也較大，且需要較好的剛度?；诖藛栴}，采用復(fù)合型阻尼鋼板。該材料是將一層粘彈性材料復(fù)合在2層相同厚度的鋼板之間，形成所謂“夾心阻尼結(jié)構(gòu)”，復(fù)合阻尼鋼板的基板可采用普通冷軋板、鍍鋅板、不銹鋼板及不銹鋼和普通板復(fù)合，這樣它不僅具有鋼材強(qiáng)度高的特性，同時(shí)還具有高分子阻尼大及外表美觀等優(yōu)點(diǎn)。在使用過程中，金屬層受彎曲發(fā)生振動，從而引起中間的高分子材料產(chǎn)生變形從而發(fā)揮其阻尼特性，使得振動能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉[5]。阻尼材料厚度一般不低于地板厚度的2倍。

3 結(jié)論

1）綜合以上的改進(jìn)措施，車內(nèi)的環(huán)境會得到有效改善。但是由于車內(nèi)壁阻尼吸聲板和隔聲地板所占用的空間較大，且吸聲板的隔熱效能較差，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還需要進(jìn)一步論證。

2）由于吸聲和消聲的特殊性，在車內(nèi)以吸聲為主，在發(fā)動機(jī)艙以消聲為主。發(fā)動機(jī)艙的消聲可以通過降低發(fā)動機(jī)振動的方式實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到整體降噪的目的。