內(nèi)前圍隔音墊隔聲性能研究

羅竹輝， 賀才春， 羅仡科， 周熙盛， 顏 猛， 郭福林

(株洲時代新材料科技股份有限公司, 湖南 株洲 412007)

發(fā)動機(jī)噪聲是汽車主要噪聲源，前圍板總成是發(fā)動機(jī)噪聲向乘員艙傳遞路徑中最重要的子系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)噪聲向乘員艙傳播時，一部分聲能被前圍鈑金靠近發(fā)動機(jī)艙側(cè)的外前圍隔音墊吸收，另一部分聲能會透過前圍鈑金件，為了進(jìn)一步減小發(fā)動機(jī)噪聲向乘員艙內(nèi)的傳播，在前圍鈑金靠近乘員艙側(cè)安裝覆蓋面積更大、具有吸隔聲復(fù)合性能的內(nèi)前圍隔音墊，對透射聲能進(jìn)行吸收和阻隔。因此，內(nèi)前圍隔音墊聲學(xué)性能研究具有重要意義。

眾多學(xué)者對內(nèi)前圍聲學(xué)設(shè)計和聲學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。Jain等[1]通過改變吸聲層材料類型、厚度以及隔聲層面密度來改善傳遞損失，Moritz等[2]通過對大量不同材料進(jìn)行隔聲性能的測試，選取了隔聲性能—重量比大的材料，在保證不減弱內(nèi)前圍隔聲性能的同時，來減輕內(nèi)前圍的質(zhì)量，Musser[3]通過統(tǒng)計能量分析(Statistical Energy Analysis，SEA)方法對內(nèi)前圍等車輛聲學(xué)包進(jìn)行了優(yōu)化，在保證內(nèi)前圍質(zhì)量、成本的前提下，得到了性能最優(yōu)的聲學(xué)包設(shè)計方案，Zhang等[4]設(shè)計了軟硬層毛氈組成的內(nèi)前圍，根據(jù)其吸隔聲綜合性能優(yōu)勢來達(dá)到輕量化的目的，并利用SEA法建立整車簡化模型進(jìn)行了設(shè)計驗證，鄧江華[5]通過理論分析、仿真分析和實驗方法對內(nèi)前圍不同結(jié)構(gòu)形式、不同覆蓋率、不同泄露面積對隔聲性能的影響進(jìn)行了研究，丁政印等[6]針對鎂合金前圍板設(shè)計了兩種內(nèi)前圍，并對其聲學(xué)性能進(jìn)行了試驗。由于內(nèi)前圍為多層材料組成、每一層材料又有多種類型、厚度可供選擇，因此針對不同車輛的不同要求，需要對內(nèi)前圍進(jìn)行聲學(xué)設(shè)計。

內(nèi)前圍隔音墊等汽車聲學(xué)零部件一般都是形狀非常復(fù)雜的異形件，直接對其進(jìn)行性能的研究費(fèi)時費(fèi)力、成本高，因此，對具有相同隔聲結(jié)構(gòu)的平面件進(jìn)行性能研究是常用的手段，本文對某乘用車內(nèi)前圍隔音墊平面件隔聲性能進(jìn)行研究(后文內(nèi)前圍隔音墊性能均指平面件的隔聲性能)，首先對其隔聲性能進(jìn)行仿真分析，并開展測試試驗，最后進(jìn)行隔聲性能的優(yōu)化設(shè)計，確定較優(yōu)的設(shè)計參數(shù)。

1 內(nèi)前圍隔音墊隔聲結(jié)構(gòu)

內(nèi)前圍隔音墊典型隔聲結(jié)構(gòu)分類，如圖1所示。共5種典型的隔聲結(jié)構(gòu)，按材料層數(shù)可以分為兩層、三層以及多層，按是否含隔音片材(如EVA(Ethylene-vinyl Acetate Copolymer)、EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer)、PVC(Polyvinyl Chloride等)可以分為A類和B類。A類隔聲結(jié)構(gòu)中含隔音片材和低密度吸聲材料(PU(Polyurethane)發(fā)泡、毛氈等)，B類隔聲結(jié)構(gòu)中不含隔音片材，但其高密度吸聲材料(高密度硬質(zhì)毛氈)主要起隔聲作用，同時具有一定的吸聲作用。隔音片材層和高密度吸聲材料層也稱為重層或者隔聲層，低密度吸聲材料也稱為吸聲層、軟層或解耦層。根據(jù)類型和層數(shù)，可將圖1中不同的隔聲結(jié)構(gòu)表示為A2、A3、B2、B3、B5等五種類型。

圖1 內(nèi)前圍隔音墊典型隔聲結(jié)構(gòu)分類

EVA+PU發(fā)泡是常見的內(nèi)前圍隔音墊隔聲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。EVA具有優(yōu)良的隔音、耐水、可加工性能。泡沫具有質(zhì)輕、柔軟、回彈性和耐久性優(yōu)良、耐沖擊的特點，具有優(yōu)良的吸聲性能，且PU的充型能力良好，可加工成復(fù)雜形狀的結(jié)構(gòu)。使用EVA+PU隔聲結(jié)構(gòu)，貼附于汽車防火墻鈑金件可組成隔聲性能非常優(yōu)良的隔聲—吸聲—隔聲形式的復(fù)合隔聲結(jié)構(gòu)。本文研究的乘用車內(nèi)前圍隔聲結(jié)構(gòu)均為該種結(jié)構(gòu)。

圖2 EVA+PU隔聲結(jié)構(gòu)

2 仿真分析

隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲性能可以通過理論計算、測試和仿真分析等手段獲得。對于較大面積的隔聲結(jié)構(gòu)，可采用混響室-消聲室法進(jìn)行隔聲性能測試，如圖3所示。相鄰而建的聲學(xué)試驗室，一側(cè)為混響室，另一側(cè)為消聲室(半消聲室)，在兩個房間之間的壁面上開一個窗口，用于安裝被測試件?；祉懯易鳛榘l(fā)聲室，半消聲室作為接收室，發(fā)聲室的無指向聲源發(fā)出穩(wěn)定的白噪聲，在混響室內(nèi)形成均勻的擴(kuò)散聲場，通過測量接收室一側(cè)試件表面的平均聲強(qiáng)級和混響室的平均聲壓級，可計算出試件的隔聲量。

圖3 混響室-消聲室隔聲量測試示意圖

為了模擬混響室-消聲室隔聲性能測試這一過程，在LMS Virtual.lab中建立內(nèi)前圍隔音墊平面件隔聲量計算有限元計算模型?；祉懯液拖暿曳謩e用發(fā)聲側(cè)空氣聲學(xué)網(wǎng)格、接收側(cè)空氣聲學(xué)網(wǎng)格模擬，EVA和鋼板定義為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，尺寸為830 mm×830 mm(與后續(xù)試驗測試一致)，PU采用Johnson-Champoux-Allard等效流體模型。將兩個聲學(xué)網(wǎng)格的外輪廓面定義為AML(Automatically Matched Layer)屬性，混響室一側(cè)的AML面接收聲源，聲音依次通過混響室聲學(xué)網(wǎng)格、內(nèi)前圍隔音墊平面件結(jié)構(gòu)網(wǎng)格到達(dá)半消聲室聲學(xué)網(wǎng)格，最后通過半消聲室聲學(xué)網(wǎng)格外緣的AML面向外輻射，不發(fā)生反射，以模擬消聲室的自由聲場環(huán)境。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的兩側(cè)表面分別與相鄰的聲學(xué)網(wǎng)格表面建立聲振耦合面，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用自由邊界條件。用分散布局在球面上的12個面聲源來模擬混響室的擴(kuò)散聲場，球面半徑為10 m，面聲源聲壓為1 Pa。計算頻率為100～4 000 Hz的1/3倍頻程中心頻率，計算方法為直接聲振耦合法，通過讀取平面件發(fā)聲側(cè)和接收側(cè)兩側(cè)表面聲功率來計算隔聲量。

建立的內(nèi)前圍隔音墊平面件隔聲量計算仿真分析模型，如圖4所示。通過測試、逆向求解等[7-8]方式，得到仿真分析模型使用材料參數(shù)，如表1所示。由于結(jié)構(gòu)網(wǎng)格采用自由邊界條件，因此，仿真分析的精度主要取決于材料參數(shù)特別是吸聲材料參數(shù)的準(zhǔn)確性。

圖4 內(nèi)前圍隔音墊隔聲量計算仿真分析模型

EVA鋼板PU厚度/mm密度楊氏模量泊松比2．516702．1×1090．4厚度密度楊氏模量泊松比0．778002×10110．3厚度/mm密度孔隙率流阻率/(Pas·m-2)曲率黏性特征長度/mm熱效特征長度/mm20550．95167965．40．160．1620500．98123865．20．890．4920600．89196804．10．510．69

3 仿真分析模型校驗

根據(jù)圖2所示的混響室-消聲室隔聲測試原理，對與仿真分析所用的內(nèi)前圍隔音墊平面件的隔聲性能進(jìn)行測試，如圖5所示。測試時，使用專用隔聲工裝對平面件加以密封安裝，鋼板面向混響室側(cè)，EVA面向半消聲室側(cè)。

測試和仿真分析得到內(nèi)前圍隔音墊隔聲量，如圖6所示。由圖6可知，隔聲量曲線測試和仿真值在趨勢上保持一致。在250 Hz頻率處出現(xiàn)隔聲低谷，主要是EVA-PU-鋼板形成了質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)[9]。在250～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)隔聲量隨著頻率的增加而增加。測試和仿真值在315～ 2000 Hz頻率范圍內(nèi)相差0.5～2 dB，在低頻和高頻區(qū)域，由于安裝約束、密封條件等原因，差異稍大。由上述分析可知，仿真分析結(jié)果總體上滿足工程分析要求，仿真分析方法和模型可用于內(nèi)前圍隔音墊隔聲量優(yōu)化設(shè)計。

圖5 內(nèi)前圍隔音墊平面件隔聲量測試

圖6 內(nèi)前圍隔音墊隔聲量測試和仿真結(jié)果

4 優(yōu)化設(shè)計

本文針對的乘用車內(nèi)前圍隔音墊EVA層厚度可在2～3.5 mm范圍內(nèi)可調(diào)，PU密度在50～60 kg/m3范圍內(nèi)可調(diào)，為了確定較優(yōu)的EVA厚度和PU密度，利用前文所述的仿真分析方法，對表2所示的①～共12種內(nèi)前圍隔音墊的隔聲量進(jìn)行仿真分析計算，得到100～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)平均隔聲量，如圖7所示。由于所有隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲量曲線形狀相似，本文用平均隔聲量而非計權(quán)隔聲量作為隔聲性能的單一評價指標(biāo)。

由圖7可知，隨著厚度EVA厚度的增加隔聲量增加，EVA厚度從2 mm增加到2.5 mm時，隔聲量增加較為急劇，EVA厚度從2.5 mm增加到3.5 mm時，隔聲量增加較為平緩。所有EVA厚度下，PU密度為50 kg/m3與55 kg/m3隔聲量相當(dāng)，比PU密度為60 kg/m3隔聲量要大，主要由于密度為60 kg/m3的PU材料相對于其它兩者吸聲性能較差，而由于密度增加引起的隔聲量增加非常小，因此使得隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲量相對較小[10]。

表2 12種內(nèi)前圍隔音墊設(shè)計組合

圖7 12種內(nèi)前圍隔音墊平均隔聲量

為了評價不同內(nèi)前圍隔音墊設(shè)計的綜合效果，引入隔聲效率EM(dB/(kg/m2))作為評價指標(biāo)[11-12]，隔聲效率定義為隔聲量增加量R+與質(zhì)量(也可是面密度)增加量M+之比

(1)

隔聲效率EM越大，表明隔聲性能與質(zhì)量比越大，隔聲效率為負(fù)值表明質(zhì)量增加隔聲量反而降低，隔聲效率可作為性價比評價的重要指標(biāo)。EM計算中R+與M+均為增加量，因此需要選取一組作為參考(參考值的選取對隔聲效率的橫向比較無影響)。本文選取組合①為參考組，計算得到12種內(nèi)前圍隔音墊隔聲效率，如圖8所示。由圖8可知，④號隔音墊設(shè)計組合隔聲效率最高，達(dá)到了10，因此可選取該組聲學(xué)結(jié)構(gòu)作為該乘用車內(nèi)前圍隔音墊的設(shè)計，即EVA厚度為2.5 mm，PU材料密度為50 kg/m3。

圖8 12種內(nèi)前圍隔音墊隔聲效率

圖9所示為④號隔聲結(jié)構(gòu)與參照組①隔聲性能1/3頻譜，從圖9可知，兩種隔聲結(jié)構(gòu)的曲線形狀一致，在250 Hz處均出現(xiàn)了隔聲低谷。<250 Hz頻率段隔聲量相差不大；>250 Hz頻率段，④號隔聲結(jié)構(gòu)隔聲量比①號隔聲結(jié)構(gòu)隔聲量大，平均大3.8 dB。

圖9 ①號與④號隔聲結(jié)構(gòu)隔聲量1/3倍頻譜

5 試驗驗證

為了驗證優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，試制了表 3所示的4種內(nèi)前圍隔音墊零件樣件，由于條件限制，同時由于PU密度為50 kg/m3時吸聲性較好，本文僅試制了PU密度為50 kg/m3，四種不同EVA厚度的樣件。如圖10所示，對其進(jìn)行隔聲量測試。測試得到四種內(nèi)前圍隔音墊隔聲量，如表3所示。隔聲量1/3倍頻譜如圖11所示。由表3和圖11可知，四種隔音墊隔聲量曲線趨勢一致，隨著EVA厚度增加，平均隔聲量隔聲量增加；與平面件仿真分析結(jié)果一致，EVA厚度為2.5 mm時，隔聲效率仍最大。與平面件不同的時，在250 Hz出并未出現(xiàn)隔聲低谷，主要原因在于：對于內(nèi)前圍隔音墊零件的PU材料是不等厚的，最薄部位厚度僅為5 mm，同時零件是異形件，削弱了“質(zhì)量-彈簧-質(zhì)量”共振效應(yīng)。

表3 內(nèi)前圍隔音墊零件樣件

圖10 內(nèi)前圍隔音墊零件隔聲測試

圖11 內(nèi)前圍隔音墊零件隔聲量

6 結(jié) 論

本文針對EVA+PU形式的乘用車內(nèi)前圍隔音墊的隔聲性能進(jìn)行了仿真分析，并開展了隔聲性能的試驗測試驗證，仿真分析與測試結(jié)果在315～2 000 Hz頻率范圍內(nèi)相差0.5～2 dB，總體滿足工程要求。利用仿真分析方法和模型，對12種內(nèi)前圍隔音墊隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲量進(jìn)行了分析計算，并計算了隔聲效率，結(jié)果顯示EVA厚度選取2.5 mm，PU材料密度選取50 kg/m3時，隔聲效率最大，可作為本文乘用車內(nèi)前圍隔音墊隔聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，內(nèi)前圍零件隔聲量測試結(jié)果驗證了這一結(jié)論。

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