車身板件粘接阻尼材料的方法與實(shí)踐

徐豐辰，繆興和

（柳州市興拓工貿(mào)有限責(zé)任公司，廣西 柳州 545006）

在車身板件上粘接阻尼材料，用于降低車內(nèi)噪聲，是振動(dòng)、噪聲、舒適性（NVH）工程通常采用的方法，也是最有效的方法。

NVH工程的目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)不同檔次、不同類型車內(nèi)噪聲的要求?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)是：國(guó)標(biāo)GB/T 15089—2001（機(jī)動(dòng)車輛及掛車分類）中，將乘用車劃分在M1類，GB 1495—2002（汽車加速行駛車外噪聲限值和測(cè)量方法）中規(guī)定，2005年1月1日以后生產(chǎn)的乘用車，噪聲要小于74 d BA，GB/T 25982—2010（客車車內(nèi)噪聲限值及測(cè)量方法）中規(guī)定，對(duì)于中后置發(fā)動(dòng)機(jī)的客車，乘客區(qū)的噪聲要小于76 d BA，歐洲議會(huì)新的車輛噪聲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：未來12年，普通車輛噪聲標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)在74 d BA降至68 d BA，大型載重車噪聲標(biāo)準(zhǔn)由現(xiàn)在81 d BA降至79 d BA。

直接影響車內(nèi)噪聲的是車身的振動(dòng)響應(yīng)特性。車輛在運(yùn)動(dòng)過程中，主要受到來自3個(gè)方面的激勵(lì)，首先是發(fā)動(dòng)機(jī)，第二是風(fēng)噪，第三是路面輪胎摩擦，行駛中的風(fēng)噪要靠車身的密封來解決，地面與輪胎的摩擦噪聲，要優(yōu)化輪胎的設(shè)計(jì)，而發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)引發(fā)的振動(dòng)噪聲是最主要的噪聲源。

振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲由2方面組成，一個(gè)是激勵(lì)，另一個(gè)是響應(yīng)，激勵(lì)來自發(fā)動(dòng)機(jī)，響應(yīng)來自車身的固有特性。NVH工程解決的問題，是車身的固有特性，在相同的激勵(lì)下，車身的振動(dòng)量級(jí)越小，則響應(yīng)特性越好，工程上同樣希望來自發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)越小越好。

要實(shí)現(xiàn)車內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，需制定車身板件的聲輻射標(biāo)準(zhǔn)、板件的振動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)標(biāo)準(zhǔn)、阻尼材料的性能及粘接方法要求。實(shí)現(xiàn)這些標(biāo)準(zhǔn)及要求的核心，是阻尼材料的粘接方法和實(shí)踐。其中，粘接方法包括車身在什么狀態(tài)下需要粘接，在什么狀態(tài)下不需粘接，在什么狀態(tài)下不能粘接，這些要求的量化組合，形成了阻尼材料粘接的外部條件。

1 阻尼材料粘接方法的外部條件

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力

車內(nèi)噪聲，是板件的聲輻射聲壓級(jí)與發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力的乘積，車內(nèi)噪聲的標(biāo)準(zhǔn)確定后，還要確定發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力，才能確定板件聲輻射特性的要求。發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力與發(fā)動(dòng)機(jī)的性能質(zhì)量相關(guān)，是發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的變量，圖1是國(guó)產(chǎn)某重卡6缸4沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，在測(cè)試路段的轉(zhuǎn)速—噪聲曲線。

圖1 定量描述了該車發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)狀態(tài)下的噪聲特性，表1是部分頻點(diǎn)下的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

將表1上路測(cè)試車內(nèi)噪聲去掉計(jì)權(quán)后，單位由d BA轉(zhuǎn)換為Pa，通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的聲壓級(jí)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)狀態(tài)下的激勵(lì)力，見表2。

在上述測(cè)試的實(shí)際工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力為14～20 N，對(duì)于6缸4沖程的發(fā)動(dòng)機(jī)，主要激勵(lì)力應(yīng)發(fā)生在3階頻率上，對(duì)于4缸4沖程 的發(fā)動(dòng)機(jī)，主要激勵(lì)力應(yīng)發(fā)生在2階頻率上。

表1 上路測(cè)試車內(nèi)噪聲部分頻點(diǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistic results of partial frequency data of vehicle interior noise for on-road test

表2 部分頻點(diǎn)下發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力Tab.2 Excitation force of engine at partial frequency

測(cè)試的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)屬一般性發(fā)動(dòng)機(jī)，分析以往相關(guān)的測(cè)試數(shù)據(jù)，及大量的路試測(cè)試基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力，對(duì)于重卡采用的6缸4沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，取15 N，對(duì)于轎車采用的4缸4沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，取10 N，這2個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)于一般性的NVH工程設(shè)計(jì)，是可以滿足要求的。

1.2 板件的聲輻射標(biāo)準(zhǔn)要求

車身板件的聲輻射特性，也稱板件的聲學(xué)靈敏度分析，是指板件在1 N力的激勵(lì)下產(chǎn)生的噪聲輻射，單位是Pa/N。發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力選定后，即可確定板件的聲學(xué)靈敏度要求。

參照現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和目前市場(chǎng)要求，設(shè)高檔轎車的車內(nèi)噪聲≤65 d BA，經(jīng)濟(jì)型轎車的車內(nèi)噪聲≤70 d BA，重型卡車的車內(nèi)噪聲≤75 d BA，發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)力10～15 N，在此條件下，確定板件的聲學(xué)靈敏度要求，見表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)噪聲下的板件聲學(xué)靈敏度Tab.3 Acoustic sensitivity of sheets under standard noise

表3中，以120 Hz為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)狀態(tài)，高檔轎車：設(shè)計(jì)車內(nèi)噪聲≤65 d BA，要求板件聲學(xué)靈敏度≤61 d B/N；經(jīng)濟(jì)型轎車：設(shè)計(jì)車內(nèi)噪聲≤70 d BA，要求板件聲學(xué)靈敏度≤66 d B/N；重型卡車：設(shè)計(jì)車內(nèi)噪聲≤75 d BA，要求板件聲學(xué)靈敏度≤68 d B/N。

1.3 板件的振動(dòng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求

板件聲學(xué)靈敏度的高低源于板件的振動(dòng)級(jí)，板件的振動(dòng)降低了，相應(yīng)的聲輻射就減少了，要滿足車內(nèi)噪聲的控制要求，最終需控制板件的振動(dòng)級(jí)，即將板件的振動(dòng)級(jí)控制在滿足聲學(xué)靈敏度要求的量級(jí)以下。

圖3是車身板件，通常選擇0.8 mm的鋼板，在掃頻信號(hào)激勵(lì)下的聲輻射效率。

圖2曲線低頻終止的地方，對(duì)應(yīng)的頻率稱臨界頻率，在平面鋼板中，臨界頻率以下是不會(huì)產(chǎn)生噪聲輻射的，對(duì)于臨界頻率～60 Hz的頻率，噪聲輻射的效率最高，這時(shí)，雖然噪聲輻射很高，但因頻率較低，人耳對(duì)其的感覺很低,可查看聲壓級(jí)的A計(jì)權(quán)表，60～90 Hz的頻率，聲輻射效率趨緩；90 Hz以上，聲輻射效率趨于平穩(wěn)，在平穩(wěn)狀態(tài)下，板件輻射的聲壓，只與板件的振動(dòng)級(jí)相關(guān)。與上文同步，選擇120 Hz為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，表4是上述板件，在不同振動(dòng)加速度下的輻射聲壓。

圖2 板件的聲輻射效率Fig.2 Sound radiation efficiency of sheet

表4 板件振動(dòng)加速度與輻射聲壓的關(guān)系Tab.4 Relationship between vibration acceleration of sheet and radiated sound pressure

表4中，當(dāng)板件的振動(dòng)加速度0.17 m/s/s時(shí)，其聲輻射達(dá)61.31 d B，因此，參照表3，高檔轎車的車內(nèi)噪聲可設(shè)計(jì)為≤65 d BA，板件的聲學(xué)靈敏度≤61 d B/N；板件的振動(dòng)級(jí)≤0.17 m/s/s/N；

當(dāng)板件的振動(dòng)加速度0.30 m/s/s時(shí)，其聲輻射達(dá)66.25 d B，因此，參照表3，經(jīng)濟(jì)型轎車的車內(nèi)噪聲可設(shè)計(jì)為≤70 d BA，板件的聲學(xué)靈敏度≤66 d B/N；板件的振動(dòng)級(jí)≤0.30 m/s/s/N；

當(dāng)板件的振動(dòng)加速度0.35 m/s/s時(shí)，其聲輻射達(dá)67.59 d B，因此，參照表3，重型卡車的車內(nèi)噪聲可設(shè)計(jì)為≤75 d BA，板件的聲學(xué)靈敏度≤68 d B/N；板件的振動(dòng)級(jí)≤0.35 m/s/s/N；

上述車內(nèi)噪聲的設(shè)定，是理論數(shù)據(jù)，實(shí)際制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還應(yīng)適當(dāng)放寬。

阻尼材料粘接的外部條件是：當(dāng)高檔轎車，板件的振動(dòng)級(jí)＞0.17 m/s/s/N時(shí)；經(jīng)濟(jì)型轎車，板件的振動(dòng)級(jí)＞0.30 m/s/s/N時(shí)；重型卡車，板件的振動(dòng)級(jí)＞0.35 m/s/s/N時(shí)，需粘接阻尼材料，能不能粘接，還要看阻尼材料的性能和粘接部位的其他狀態(tài)。

2 粘接部位設(shè)計(jì)

2.1 阻尼材料的作用

以高檔轎車為例，當(dāng)車身板件的振動(dòng)級(jí)≤0.17 m/s/s/N時(shí)，車內(nèi)噪聲才能滿足≤65 d BA的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)，在車身的全部測(cè)點(diǎn)中，有大約50%左右的頻點(diǎn)，振動(dòng)級(jí)＞0.17 m/s/s/N，這些頻點(diǎn)包含在測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)設(shè)置在板件上，因此，不經(jīng)阻尼處理的車身板件，是無法滿足設(shè)計(jì)要求的。阻尼材料一般由高分子材料組成，粘接到車身板件后，就形成了阻尼結(jié)構(gòu)，材料的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)η，是衡量阻尼材料減振性的重要指標(biāo)，性能不達(dá)標(biāo)的材料，是不能進(jìn)入粘接程序的。阻尼材料的數(shù)學(xué)模型可表示為式（1）：

式中：ηmax—最大結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)；E—彈性模量；a、b、c、d、e 配方中相關(guān)材料系數(shù)。

最大結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)ηmax是彈性模量E的函數(shù)，調(diào)整配方組成的a、b、c、d、e，使材料的彈性模量處于轉(zhuǎn)變態(tài)，并使材料的最大結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)出現(xiàn)峰值。阻尼材料的阻尼系數(shù)η是隨溫度、頻率變化的量，采用動(dòng)態(tài)阻尼系數(shù)的測(cè)試方法，測(cè)定出工作溫度下、工作頻段下各頻率的阻尼系數(shù)，測(cè)定的結(jié)果是一組各溫度下的η--f曲線。

阻尼材料的性能是能否進(jìn)入粘接程序的重要因素，下面是一組經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

對(duì)于瀝青基的阻尼材料，一般厚度為2 mm時(shí)，阻尼系數(shù)0.2左右，當(dāng)粘接部位的振動(dòng)級(jí)大于1 m/s/s/N時(shí)，粘接后，板件的振動(dòng)級(jí)可下降0.5～0.6 m/s/s/N，聲壓級(jí)降低0.02～0.03 Pa/N，阻尼材料厚度增加1 mm，阻尼系數(shù)可提高0.1。

近幾年新出現(xiàn)的阻尼材料，丁基膠類、樹脂類，還有多功能的復(fù)合型等等，阻尼系數(shù)都有不同的提高，采用這類材料時(shí)，厚度可適當(dāng)?shù)臏p小。

2.2 粘接部位外部條件的判定

粘接部位的振動(dòng)級(jí)要符合設(shè)計(jì)要求，應(yīng)在板件的振動(dòng)級(jí)頻譜上判定，圖3是某車身某測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)級(jí)頻譜。

圖3 某車身某測(cè)點(diǎn)振動(dòng)級(jí)頻譜Fig.3 Vibration level spectrum at a measuring point of a body

圖3 中，最大振動(dòng)級(jí)為3.7 m/s/s/N，對(duì)照各類車型的振動(dòng)級(jí)設(shè)計(jì)要求，可以判定，該部位是需要粘接阻尼材料的。

2.3 與測(cè)點(diǎn)聲壓的相位關(guān)系

測(cè)點(diǎn)聲壓是按測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求安放聲壓傳感器的位置。

關(guān)于粘接阻尼材料，目前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為多粘肯定不會(huì)錯(cuò)，于是，為降低噪聲，所有能粘接的部位都粘接了阻尼材料。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，有的部位，振動(dòng)級(jí)很高，按標(biāo)準(zhǔn)是必須粘接的，但粘接之后發(fā)現(xiàn)，在該點(diǎn)上的噪聲不降反而升高了，出現(xiàn)了反彈，分析其機(jī)理，是車身各板件聲輻射相位的原因。因此，相位關(guān)系，是粘接部位必須考慮的因素。

在車身空間，能感受到的噪聲，是車身各板件振動(dòng)輻射的疊加，是一個(gè)復(fù)雜的混合聲場(chǎng)，各個(gè)板件輻射的噪聲，不但幅度不同，而且相位也是存在差異的。板件輻射噪聲的相位，與測(cè)點(diǎn)相位若同相，粘接阻尼材料后，可降低噪聲，若不同相，就不一定能降低，還有可能增強(qiáng)。這個(gè)現(xiàn)象類似于常見的立體聲廣播設(shè)計(jì)，在立體聲的2路聲道里，在某一時(shí)刻2路的聲波相位若剛好相差180°，將出現(xiàn)靜音現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在立體聲設(shè)計(jì)時(shí)是應(yīng)該避免的，但在減振降噪的設(shè)計(jì)中，卻是希望出現(xiàn)的，在這樣的狀態(tài)下，板件不用粘接阻尼材料，輻射的聲壓級(jí)之間相互頂撞，結(jié)果是使聲壓級(jí)減弱，此時(shí)若在板件上粘接了阻尼材料，使振動(dòng)降低，則頂撞的力度就會(huì)減小，結(jié)果會(huì)增強(qiáng)噪聲的幅度，這類部位是不能粘接的，上面講的聲壓級(jí)發(fā)生了反彈，其原因就在這里，這種現(xiàn)象在實(shí)際工作中經(jīng)常出現(xiàn)，但很難判斷和操作。

本試驗(yàn)希望的是板件的聲輻射相位與車內(nèi)測(cè)點(diǎn)噪聲的相位相同，見圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)相位與板件相位相同F(xiàn)ig.4 Phase of measuring point is the same as sheet phase

在圖4的相位關(guān)系下，在具有較高振動(dòng)級(jí)的板件部位上，粘接阻尼材料才能達(dá)到預(yù)期的效果。因此，阻尼材料的粘接方法是：板件的振動(dòng)級(jí)大于設(shè)計(jì)要求，阻尼材料的結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求，板件輻射的聲壓級(jí)符合相位規(guī)則。

3 實(shí)踐

3.1 阻尼材料的粘接方法和步驟

1）按項(xiàng)目要求，確定測(cè)試對(duì)象的類別、要求，確定車內(nèi)噪聲的目標(biāo)要求；

2）將車身劃分成若干個(gè)板件，板件測(cè)點(diǎn)上設(shè)置加速度傳感器；

3）設(shè)置激勵(lì)點(diǎn)，設(shè)置聲壓傳感器；

4）板件測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)級(jí)分析，數(shù)據(jù)存入“A”文件包；

5）各測(cè)點(diǎn)的相位關(guān)系分析，存入“B”文件包；

6）A、B文件包的軟件處理；

7）設(shè)計(jì)粘接部位，粘接阻尼材料；

8）實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，上路測(cè)試；

9）項(xiàng)目完成。

3.2 測(cè)試文件包的軟件處理

測(cè)試文件包處理軟件《阻尼材料粘接位置設(shè)計(jì)》已開發(fā)成功，軟件采用最新的算法，對(duì)A、B 2個(gè)測(cè)試文件包進(jìn)行識(shí)別，對(duì)于A文件包，要識(shí)別各測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)級(jí)和頻率，對(duì)于B文件包，要識(shí)別板件各測(cè)點(diǎn)的聲輻射相位，與采樣點(diǎn)聲壓的相位關(guān)系，軟件輸出的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，對(duì)應(yīng)板件各測(cè)點(diǎn)的位置。

4 工程案例

某車車身，以地板為例，簡(jiǎn)介項(xiàng)目過程。

1）項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求的確定；

2）劃分板件及測(cè)點(diǎn)（圖5）；

圖5 某車地板測(cè)點(diǎn)Fig.5 Floor measuring points of a car

3）板件各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)級(jí)分析，數(shù)據(jù)文件存“A”文件包；

4）各測(cè)點(diǎn)的聲學(xué)靈敏度相位與采樣點(diǎn)聲壓級(jí)相位關(guān)系分析，數(shù)據(jù)存“B”文件包；

5）用《阻尼材料粘接位置設(shè)計(jì)》軟件，對(duì)A、B文件包進(jìn)行識(shí)別；

表5 軟件輸出的表格文件Tab.5 Form file of software output

6）軟件的輸出文件，見表5。

表5中，共輸出地板12個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，這12個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的板件振動(dòng)級(jí)，都超過了高檔轎車的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)0.17 m/s/s/N，是需要粘接阻尼材料的，引入相位關(guān)系后，應(yīng)以“δ”數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，確定板件是否能夠粘接阻尼材料，該數(shù)據(jù)的定義是：δ＞1時(shí)，粘接；δ＜-1時(shí)，不粘接；δ=-1～1時(shí)，視周邊板件狀態(tài)決定是否粘接。按照δ數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)1、4、5、6、7測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的板件，應(yīng)粘接阻尼材料，見圖6，其他測(cè)點(diǎn)不需粘接，設(shè)計(jì)厚度，參考阻尼系數(shù)，為選擇材料提供方向。

圖6 地板粘接阻尼材料狀態(tài)Fig.6 Bonding state of damping material on floor

5 結(jié)語

車身板件粘接阻尼材料的方法和實(shí)踐，數(shù)據(jù)源于NVH工程項(xiàng)目的多次實(shí)測(cè)，在實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各類車型的特點(diǎn)，逐步完善其要求和實(shí)現(xiàn)要求的路徑及措施。

車內(nèi)噪聲產(chǎn)生的主要因素是振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，用阻尼的方法來處理，是最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的。

本文探討的方法主要為：

1）高檔轎車的板件振動(dòng)級(jí)≤0.17 m/s/s/N、聲學(xué)靈敏度≤61 d B/N；

2）經(jīng)濟(jì)型轎車的板件振動(dòng)級(jí)≤0.30 m/s/s/N、聲學(xué)靈敏度≤66 d B/N；

3）重型卡車的板件振動(dòng)級(jí)≤0.35 m/s/s/N、聲學(xué)靈敏度≤68 d B/N；

4）4缸4沖程的乘用車汽油發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力設(shè)計(jì)選10 N，激勵(lì)頻率第2階次；

5）6缸4沖程的重卡柴油發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)力設(shè)計(jì)選15 N，激勵(lì)頻率第3階次；

6）根據(jù)板件的最高振動(dòng)級(jí)與δ數(shù)據(jù)，確定是否需要和能夠粘接阻尼材料；

7）用測(cè)點(diǎn)的最高振動(dòng)級(jí)，選擇阻尼材料的型號(hào)；

8）阻尼材料的阻尼系數(shù)ηmax應(yīng)采用動(dòng)態(tài)的方法測(cè)定。

本文探討的方法和實(shí)踐，是多年工程實(shí)踐的總結(jié)，部分內(nèi)容還屬經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)成功，開辟了阻尼材料粘接方法的新路徑，實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的新要求。