車用多層平板材料吸隔聲特性的測試與計算分析

上官文斌, 熊 冬, 謝新星, 楊杉苗, 張 曲

(1. 華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640； 2. 寧波拓普集團有限公司，浙江 寧波 315800)

NVH是決定汽車品質(zhì)的重要指標之一，控制汽車噪聲是設(shè)計一輛汽車必不可少的環(huán)節(jié)[1-2]。傳遞到車內(nèi)的噪聲源主要有發(fā)動機噪聲、輪胎噪聲、尾管噪聲、風噪等。汽車前圍在發(fā)動機艙與乘客艙之間，它是衰減由發(fā)動機艙傳入乘客艙的噪聲的重要部件[3]。傳統(tǒng)前圍結(jié)構(gòu)一般由PU發(fā)泡和EVA(Ethylene Vinyl Acetate)組成。

為實現(xiàn)汽車前圍部件輕量化，Wentzel等[4]提出耗散性(dissipative)吸聲與隔振結(jié)構(gòu)，其吸隔聲性能與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的吸隔聲性能相差不大，但質(zhì)量減輕48.6%。Siavoshani等提出ABA(Absorber-Barrier-Absorber)結(jié)構(gòu)，基于ABA結(jié)構(gòu)的汽車前圍重量較小。Duval等[5]介紹了幾種ABA前圍結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)前圍相比，這些前圍結(jié)構(gòu)的吸聲與隔聲性能均有提高，并且質(zhì)量更輕?；贏BA結(jié)構(gòu)的汽車前圍，吸聲層(absorber)一般使用棉氈材料。Reis等[6]指出汽車內(nèi)飾件使用棉氈材料時能提高吸聲性能，并且成本低。

近幾年，國外研究人員通過計算分析的方法對多層材料的吸隔聲性能進行了研究。Jain等[7]用一款基于TMM(Transfer Matrix Method)算法的軟件，計算了平板結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)與傳遞損失。計算結(jié)果表明，在聲波垂直入射下，單層材料的吸聲系數(shù)計算值與實驗值吻合較好；在聲波隨機入射下，多層材料傳遞損失計算值與實驗值吻合較好，其中多層材料包括“棉氈+膜+棉氈”、“棉氈+EVA”。 Alexander等[8]研究了在聲波隨機入射下，“膜+纖維材料”結(jié)構(gòu)的吸隔聲性能。在研究的頻段內(nèi)(400～10 000 Hz)，吸聲系數(shù)的計算值均低于實驗值，但插入損失的計算值與實驗值吻合較好。

在聲波垂直入射下，Tian等[9]開展了多層材料的吸隔聲實驗與計算分析，結(jié)果表明，采用基于Biot理論和TMM算法的NOVA軟件計算多層材料的吸隔聲時，雙層棉氈吸隔聲的計算值與實驗值吻合較好；“棉氈+無孔膜+棉氈”的吸聲系數(shù)，在200～2 000 Hz計算值與實驗值吻合較好，在2 000～6 300 Hz計算值大于實驗值，其傳遞損失計算值大于實驗值；“棉氈+帶孔膜+棉氈”的吸聲系數(shù)，在200～1 000 Hz計算值與實驗值吻合較好，在1 000～3 000 Hz計算值大于實驗值，在3 000～6 300 Hz計算值小于實驗值，其傳遞損失計算值大于實驗值。

趙曉丹等[10]計算了三層微穿孔板的吸聲系數(shù)，并應用遺傳算法對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，優(yōu)化后的三層微穿孔板在頻域(200～4 000 Hz)上能夠獲得更好的吸聲系數(shù)曲線，并通過實驗驗證了優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果。藺磊等[11]建立了微穿孔-吸聲復合結(jié)構(gòu)的理論模型，用于計算結(jié)構(gòu)的吸聲系數(shù)，并在阻抗管中測試了材料的吸聲系數(shù)，驗證了所建立模型的正確性。

基于新型ABA及dissipative結(jié)構(gòu)的汽車前圍具有質(zhì)量輕、經(jīng)濟性好、環(huán)保等特性，應用前景廣闊，但是目前對這兩種結(jié)構(gòu)的吸隔聲性能的研究較少。本文研究了ABA及dissipative結(jié)構(gòu)的吸聲與隔聲性能。首先，進行了單層材料的流阻率、孔隙率和聲波垂直入射下的吸聲系數(shù)的測試，進行了多層材料吸隔聲實驗，然后建立了多層材料吸隔聲計算的模型，利用測試的數(shù)據(jù)，對建立的模型進行了驗證。研究結(jié)果將能較好的指導ABA及dissipative結(jié)構(gòu)吸隔聲特性的設(shè)計方法，促進這兩種結(jié)構(gòu)在汽車前圍和其它內(nèi)飾件結(jié)構(gòu)上的應用，同時本文的研究方法和建模方法，也可用于其它聲學結(jié)構(gòu)吸隔聲特性的分析。

1 ABA與dissipative的結(jié)構(gòu)及吸隔聲性能測試

1.1 ABA與dissipative的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)汽車前圍由軟層和硬層組成，軟層一般為PU發(fā)泡，密度小于100 kg/m3，起吸聲作用，較硬的一層為TPO(Thermo Plastic Olefin)或EVA(Ethylene Vinyl Acetate)，密度大于1 000 kg/m3，起隔聲作用。前圍結(jié)構(gòu)的吸聲與隔聲原理見圖1，聲音在傳播過程中，部分能量被PU發(fā)泡吸收，傳播到EVA后，大部分聲音被EVA反射而被PU發(fā)泡繼續(xù)吸收，小部分聲音穿過EVA后傳到駕駛艙。

圖1 PU發(fā)泡+EVA吸隔聲原理圖

ABA結(jié)構(gòu)一般由棉氈+無孔膜+棉氈，或棉氈+無孔膜+PU發(fā)泡組成，如圖2所示。其中棉氈起吸聲作用，膜起隔聲作用。與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，ABA結(jié)構(gòu)隔聲量降低，但結(jié)構(gòu)的吸聲層能不斷吸收傳入駕駛室內(nèi)的噪聲，其結(jié)果是兩種結(jié)構(gòu)總體吸隔聲性能相近，但是ABA質(zhì)量較輕。

圖2 ABA結(jié)構(gòu)吸隔聲原理圖

當ABA結(jié)構(gòu)中膜為穿孔膜時，稱為dissipative結(jié)構(gòu)。與ABA結(jié)構(gòu)相比，dissipative結(jié)構(gòu)隔聲量降低，吸聲性能增強。

為了研究這兩種結(jié)構(gòu)的吸隔聲特性，本文選用表1中的三種樣件作為研究對象。樣件I、II和III的吸隔聲特性可通過吸聲系數(shù)和隔聲量來表征。將樣件I、II和III分別置于Alpha cabin和混響室-全消室，測試分析三種結(jié)構(gòu)樣件的吸聲系數(shù)和隔聲量。

表1 三種樣件結(jié)構(gòu)

1.2 吸隔聲測試的原理

在Alpha cabin中測試吸聲系數(shù)時，傳感器采用B&K2669麥克風，懸掛于艙頂。樣件平放于艙底中央，并用一個等高的金屬框套住樣件，防止樣件邊緣吸聲。測試時環(huán)境溫度為23 °C，相對濕度為60%。在擴散聲場中，當聲源停止后，聲壓從初始聲壓級降低60dB之后所需的時間稱為混響時間[12]。在alpha cabin中，測試樣件的吸聲系數(shù)可由式(1)計算[13]

(1)

式中：V為alpha cabin體積，單位為m3；S為樣件測試面面積，單位為m2；T0、T分別為測試樣件放入alpha cabin之前和之后的混響時間，單位為s。

圖3為在混響室-全消室中測試樣件隔聲量示意圖。混響室聲源由兩個安放在對角的音響組成，用五個B&K2669麥克風測量混響室內(nèi)聲壓。在全消室內(nèi)，用聲強探頭測量聲強?；祉懯液腿抑g的隔聲窗口上有一層厚0.8 mm的鋼板，實驗時將測試樣件固定在該鋼板上。在混響室，聲音隨機入射到樣件上，被測樣件的聲傳遞損失可表示為[14]

1-聲源；2-鋼板；3-實驗樣件；4-聲強探頭

(2)

式中：LP為混響室聲壓級；LI為全消室聲強級。

由于汽車制造商更關(guān)注材料的插入損失，將傳遞損失轉(zhuǎn)化為插入損失，如下式所示[15]

PBIL=Stotal-Ssteel

(3)

式中：Stotal為實驗樣件與鋼板總的傳遞損失；Ssteel為鋼板的傳遞損失。

1.3 雙層棉氈，ABA與dissipative的結(jié)構(gòu)吸隔聲測試結(jié)果

樣件I、II和III的吸聲系數(shù)與插入損失實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖可知，在全頻段，樣件I的吸聲系數(shù)最大，插入損失最?。粯蛹蘒I的吸聲系數(shù)最小，插入損失最大；樣件III的吸聲系數(shù)與插入損失居中。由于結(jié)構(gòu)樣件中使用的膜厚度較薄且?guī)Э啄ど系目讖捷^小，樣件II與樣件III的吸隔聲性能差異較小。

圖4 吸聲系數(shù)實驗值

圖5 插入損失實驗值

實驗結(jié)果表明在雙層棉氈材料之間增加一層無孔膜，得到ABA結(jié)構(gòu)樣件(即樣件II)，會降低吸聲性能，但可明顯提高隔聲量；在ABA結(jié)構(gòu)的膜上適當開孔，得到dissipative結(jié)構(gòu)樣件(即樣件III)，會降低隔聲量，但有利于改善其吸聲性能。

此外，從圖4中可觀察到吸聲系數(shù)的測試曲線有小的波動。由于多層樣件是通過噴膠黏合，黏合時并不能使樣件完全貼合，層與層之間存在不規(guī)則空氣層，引起實驗結(jié)果的波動。在混響室-全消室測試插入損失，聲源發(fā)射白噪聲，用聲強探頭在距樣件表面約6 cm的平面上掃描以測量聲強，再求聲強平均值，故插入損失是一條較平滑的曲線。

在低頻段，材料的吸聲系數(shù)隨頻率的升高而增大，在測試的樣件中有體現(xiàn)。對于多層材料，頻率達到一定值后，其吸聲系數(shù)可能會隨頻率的升高而減小。在1 250～3 000 Hz，樣件I和樣件II的吸聲系數(shù)測試值略大于1，主要因為測試中樣件部分邊緣產(chǎn)生了吸聲作用。

2 材料的吸隔聲特征參數(shù)的測試與計算

計算多層材料吸聲系數(shù)和隔聲量，需要單層棉氈材料的密度、流阻率、孔隙率、曲折因子、黏性特征長度和熱特征長度，無孔膜的面密度，以及帶孔膜的面密度和流阻率等參數(shù)。材料的流阻率和孔隙率可由實驗測試得到，而曲折因子、黏性特征長度和熱特征長度則通過計算得到。

2.1 吸聲系數(shù)的測試

在阻抗管中做單層棉氈在聲波垂直入射下的吸聲實驗。為使吸聲系數(shù)曲線在6 300 Hz之前出現(xiàn)一個波峰，樣件安裝時一般與阻抗管后壁平行并保持適當距離，形成一定厚度空腔。阻抗管測量吸聲系數(shù)示意圖如圖6所示，揚聲器發(fā)射聲音信號，聲波在管道中傳播，到達管末端時，一部分聲波被材料吸收，另一部分被反射形成發(fā)射波。用兩個傳聲器測量管中聲壓級，通過測量得到的聲壓級計算材料的吸聲系數(shù)[16]。實驗時，取兩種厚度棉氈(12 mm厚度和23 mm厚度)進行其吸聲系數(shù)的測試，測試時，每組厚度的樣件取三個，分別測試其吸聲系數(shù)，兩種厚度棉氈的吸聲系數(shù)實驗結(jié)果見圖7和8?？涨坏拈L度不同,測出的吸聲系數(shù)不同,空腔長度越大,吸聲系數(shù)曲線波峰對應的頻率越小。用吸聲系數(shù)計算材料曲折因子和特征長度時，需要用到所有的吸聲系數(shù)測試結(jié)果。

1-傳聲器；2-傳聲器；3-實驗樣件

圖7 12 mm厚度棉氈吸聲系數(shù)的測試結(jié)果

圖8 23 mm厚度棉氈吸聲系數(shù)的測試結(jié)果

2.2 流阻率的測試

流阻是空氣質(zhì)點通過材料空隙中的阻力，單位厚度的流阻稱為材料的流阻率[17]。流阻率的測試原理是控制單向氣流通過圓柱形管或矩形管中的試件，并測量試件表面產(chǎn)生的壓差[18]，圖9為流阻率測試示意圖，流阻率表示為

(4)

式中：ΔP為試件表面壓差，A為試件橫截面積，qV為氣體體積流量，d為試件厚度。

圖9 流阻率測試示意圖

棉氈和帶孔膜的流阻率測試結(jié)果見表2。由測試結(jié)果可知，同一材料流阻率差別大， 這主要是原材料成分不均勻，局部密度、厚度不均勻等引起的。帶孔膜流阻率的大小主要與膜開孔密度和孔徑大小有關(guān)。

表2 流阻率測試值

2.3 孔隙率的測試

孔隙率等于材料內(nèi)部空氣體積與材料總體積之比。圖10為孔隙率測試示意圖，首先進氣閥(2)與排氣閥(7)處于開啟狀態(tài)，設(shè)備中空氣與大氣連通，此時樣件筒系統(tǒng)中的空氣有效體積Ve可由式(5)計算得到

Ve=Vh+Vc-Vm

(5)

式中：Vh為樣件筒體積；Vc為缸筒內(nèi)活塞下表面到樣件筒上表面之間的體積；Vm為樣件骨架體積。

1-絕熱管;2-進氣閥;3-壓差傳感器;4-樣件筒;5-缸筒;6-活塞;7-排氣閥;8-多孔材料

圖10 孔隙率測試示意圖

Fig.10 The schematic diagram of porosity test

關(guān)閉進氣閥(2)與排氣閥(7)，活塞緩慢下移，壓縮樣件筒中空氣，假設(shè)系統(tǒng)中壓強變化為ΔP，體積變化為ΔV。氣體在壓縮前后的狀態(tài)方程為

P0Ve=(P0+ΔP)(Ve-ΔV)

(6)

式中:P0為大氣壓強，左邊為活塞移動之前的氣體狀態(tài)，右邊為活塞移動之后的氣體狀態(tài)。由式(5)、(6)，可以求出Vm。

材料孔隙率φ可由式(7)計算得到[19]

(7)

式中：Vs為標準大氣壓下的樣件體積。

棉氈的孔隙率測試結(jié)果見表3，兩種棉氈的3組孔隙率測試值基本相等。

表3 孔隙率測試值

2.4 曲折因子與特征長度的計算

由測試得到的吸聲系數(shù)、孔隙率和流阻率實驗結(jié)果，利用VA one/FOAM-X軟件可計算得到曲折因子、黏性特征長度和熱特征長度。計算時還需輸入環(huán)境溫度、大氣壓、相對濕度，以及定義材料骨架類型及材料密度。該模塊采用平面波傳播模型，并用Biot理論進行修正[20]。曲折因子、黏性特征長度、熱特征長度計算結(jié)果見表4。

表4 棉氈曲折因子和特征長度計算結(jié)果

3 多層平板樣件吸聲系數(shù)、隔聲量計算

3.1 吸聲系數(shù)、隔聲量計算

利用VA one/NOVA模塊對本文研究的樣件I、II和III進行吸隔聲特性仿真計算。計算步驟為：

(1)輸入流體的狀態(tài)參數(shù)(空氣密度、聲速)和材料特征參數(shù)。

(2)定義材料屬性：棉氈屬于柔性材料，定義密度、孔隙率、流阻率、曲折因子、黏性特征長度和熱特征長度6大參數(shù)；無孔膜選擇“Impervious Screen”模型，定義密度和厚度；帶孔膜選擇“Resistive Screen”模型，定義密度、厚度、流阻率。

(3)定義棉氈厚度、多層結(jié)構(gòu)樣件中的材料前后順序、樣件尺寸。(吸聲樣件尺寸為1 m×1.2 m，隔聲樣件尺寸為0.508 m×0.508 m。樣件尺寸與對應實驗中的樣件尺寸相同，實驗中材料尺寸根據(jù)相關(guān)測試標準而定)。

(4)選擇入射角度為0°～78°的隨機入射波并求解。

(5)求解：采用FTMM(Finite Transfer Matrix Method)算法計算樣件I、II、III的吸聲系數(shù)和隔聲量[21]。

圖11～圖13為三種多層材料吸隔聲特性的仿真計算與實驗結(jié)果的對比圖。由圖11～圖13中的(b)圖可知，插入損失計算值與實驗值吻合較好，樣件I和樣件III的計算值與實驗值基本吻合，樣件II計算值比實驗值低1～2 dB，但兩條曲線趨勢一致。

由圖11～圖13中的(a)圖可知，吸聲系數(shù)計算值與實驗值存在一定差異，400～1 250 Hz計算值大于實驗值，1 250～10 000 Hz計算值小于實驗值。

3.2 計算誤差分析

吸聲系數(shù)計算值與實驗結(jié)果不一致的原因有：

(1) 實驗樣件中多層材料之間存在不規(guī)則空氣層，VA one/NOVA模塊無法建立不規(guī)則空氣層模型。

計算吸聲系數(shù)與插入損失時，棉氈與棉氈、棉氈與空氣層之間的耦合條件不同，膜與棉氈、膜與空氣層之間的耦合條件不同，不同耦合條件計算得到不同的傳遞矩陣，從而得到不同的計算結(jié)果[22]。VA one/NOVA模塊無法建立不規(guī)則空氣層模型，導致計算結(jié)果與實驗結(jié)果存在偏差。測試插入損失時，聲強探頭在距樣件表面約6 cm的平面上掃描以測量聲強，再求聲強平均值，平均值會掩蓋部分實驗誤差，故插入損失計算值與實驗值吻合較好。

將面密度為1 000 kg/m2的棉氈與面密度為1 200 kg/m2的棉氈在蒸汽加熱模具中加工復合，雙層材料緊密貼合。在alpha cabin中測試樣件吸聲系數(shù)，測試結(jié)果見圖14。吸聲系數(shù)測試曲線較平滑，說明圖4中吸聲系數(shù)測試曲線的波動，主要由樣件中材料層之間的不規(guī)則空氣層引起。

(a) 吸聲系數(shù)

(b) 插入損失

Fig.11 The comparison of simulation and experiment of sound absorption and insulation of sample I

(a) 吸聲系數(shù)

(b) 插入損失

Fig.12 The comparison of simulation and experiment of sound absorption and insulation of sample II

(a) 吸聲系數(shù)

(b) 插入損失

Fig.13 The comparison of simulation and experiment of sound absorption and insulation of sample III

圖14 雙層棉氈吸聲系數(shù)計算與實驗對比

Fig.14 The comparison of simulated and experiment of sound absorption of double felt

測試單層棉氈材料的流阻率、孔隙率以及聲波垂直入射下的吸聲系數(shù)，利用VA one/FOAM-X軟件計算材料曲折因子、黏性特征長度和熱特征長度，材料參數(shù)見表5。利用VA one/NOVA軟件計算樣件吸聲系數(shù)，計算結(jié)果見圖14。由圖可見，計算值與實驗值較為吻合，在1 000～3 000 Hz，吸聲系數(shù)的實驗值大于計算值，這是由于實驗中樣件部分邊緣的吸聲作用，使此頻段內(nèi)的實驗值大于1，而此頻段內(nèi)的計算值略小于1，可認為計算值合理。說明引起圖11～13中吸聲系數(shù)計算值與實驗值吻合度低的主要原因是實驗樣件中材料層之間存在不規(guī)則空氣層。

(2) 棉氈材料厚度不均勻：用激光測厚儀測試棉氈材料上任意6個點的厚度，單層棉氈厚度可能存在±2 mm的偏差，而計算分析時，棉氈材料厚度為測試的6個點的平均值。圖15為厚度對12 mm厚的單層棉氈吸隔聲性能的影響，棉氈其他參數(shù)不變，當厚度從10 mm增大到14 mm時，吸聲系數(shù)和插入損失計算值均增大。吸聲系數(shù)最大增加0.3，插入損失在高頻最大增加3 dB左右。

表5 材料參數(shù)

(a)吸聲系數(shù)

(b)插入損失

(3) 材料流阻率的誤差：由表2流阻率測試結(jié)果可知，測試的8個樣件，其材料流阻率變化較大，而計算時材料流阻率取測試值的平均。圖16為流阻率對12 mm厚的單層棉氈吸隔聲性能的影響，棉氈其他參數(shù)恒定，流阻率從55 000增加到85 000時，吸聲系數(shù)計算值在中頻段增大，插入損失計算值在中高頻段增大。吸聲系數(shù)最大增加0.1，插入損失最大增加2 dB左右。

(a)吸聲系數(shù)

(b)插入損失

(4) 理論模型的簡化誤差：Allard指出當膜粘合在多孔材料表面時，模型需要考慮膜與多孔材料之間的力。本文多層材料理論模型把膜的模型簡化為薄板模型，沒有考慮膜與多孔材料之間的作用力。

4 結(jié) 論

(1) 在Alpha cabin和混響室-全消室中測試三種不同結(jié)構(gòu)多層平板樣件的吸隔聲特性，實驗結(jié)果表明雙層棉氈材料之間的膜會降低樣件吸聲性能，但可提高樣件隔聲量；在膜上開孔，可改善樣件吸聲性能。因此，ABA結(jié)構(gòu)吸聲性能遜于dissipative結(jié)構(gòu)，但隔聲量效果較好。

(2) 基于VA one/NOVA模塊對三種多層平板樣件的吸隔聲特性進行了計算分析。結(jié)果表明插入損失計算值與實驗值吻合度較好，而吸聲系數(shù)計算結(jié)果與實驗結(jié)果存在一定差異：在400～1 250 Hz頻率范圍內(nèi)，計算吸聲系數(shù)高于實測值，在1 250～10 000 Hz頻率范圍內(nèi)，計算吸聲系數(shù)低于實驗值。誤差分析為多層材料之間存在不規(guī)則空氣層，材料厚度不均勻，理論模型對膜的簡化等。

(3) 研究結(jié)果將能較好的指導ABA及dissipative結(jié)構(gòu)吸隔聲特性的設(shè)計方法，促進這兩種結(jié)構(gòu)在汽車前圍和其它內(nèi)飾件結(jié)構(gòu)上的應用；同時本文的研究方法和建模方法，也可用于其它聲學結(jié)構(gòu)吸隔聲特性的分析。

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