汽車用地毯復(fù)合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)性能分析

張俊

摘 要：汽車用地毯在整車上直接與車內(nèi)鈑金接觸，且覆蓋面積較大，對(duì)整車聲學(xué)性能起著非常重要的作用，因此對(duì)地毯材料的分析有著必要性。通過對(duì)不同復(fù)合結(jié)構(gòu)的吸音型地毯、隔音型地毯、兼顧吸隔聲型地毯進(jìn)行吸隔聲性能分析，綜合得出不同結(jié)構(gòu)類型的地毯所具備的吸隔聲性能特性，并針對(duì)不同類型的地毯提出聲學(xué)性能改良方案，以期為整車地毯設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考意義。

關(guān)鍵詞：汽車地毯；吸聲性能；隔聲性能；復(fù)合結(jié)構(gòu)

1 引言

汽車在行駛過程中，會(huì)有許多噪聲直接傳遞到車內(nèi)，如發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎、車身等產(chǎn)生的噪音。而地毯是聲學(xué)包的重要組成部分，對(duì)聲音的阻隔和吸收起著非常重要的作用。不同的車型開發(fā)，對(duì)地毯會(huì)有不同的吸聲和隔聲要求。有偏重于隔聲的地毯，阻隔外界聲音進(jìn)入車內(nèi)進(jìn)行降噪；有偏重于吸音的地毯，對(duì)車內(nèi)聲音進(jìn)行吸收減小混響而降噪；也有在考慮其他性能的基礎(chǔ)上，兼顧吸隔聲性能的地毯。而不同層積復(fù)合結(jié)構(gòu)地毯，它的吸、隔聲性能有不同的特性，聲音在不同介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)有不同程度的反射和透射。所以層積結(jié)構(gòu)間的合理設(shè)計(jì)可提高地毯的聲學(xué)性能。

2 層積復(fù)合結(jié)構(gòu)吸聲、隔聲原理

聲音在空氣傳播到材料中，遇到材料界面，會(huì)發(fā)生反射、吸收和透射，材料吸聲主要分為多孔材料的吸聲和結(jié)構(gòu)吸聲。多孔材料的吸聲：一是當(dāng)聲波入射到多孔材料表面時(shí)激發(fā)起微孔內(nèi)的空氣振動(dòng)，空氣與固體筋絡(luò)間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于空氣的黏滯性，在微孔內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的黏滯阻力，使振動(dòng)空氣的動(dòng)能不斷轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲能衰減；二是在空氣絕熱壓縮時(shí)，空氣與孔壁間不斷發(fā)生熱交換，由于熱傳導(dǎo)的作用，也會(huì)使聲能轉(zhuǎn)化為熱能。結(jié)構(gòu)吸聲主要是通過共振而消耗聲能，對(duì)低頻有一定的吸聲作用，主要的吸音結(jié)構(gòu)有穿孔板共振吸音、微穿孔板吸音和薄膜共振吸音。層復(fù)合結(jié)構(gòu)可綜合利用兩種吸聲方式設(shè)計(jì)吸音體，在滿足高頻吸音性能時(shí)，能夠改善低頻的吸音。

隔聲是隔絕外界的聲音傳入到室內(nèi)，隔聲性能的好壞，取決于反射聲能的比值，稱為反射系數(shù)，系數(shù)越大，說明隔聲性能越好。聲音的反射聲能取決于相鄰介質(zhì)的特性阻抗（特性阻抗為介質(zhì)密度ρ與其聲速c的乘積），特性阻抗相差大，反射能力強(qiáng)，特性阻抗相差小，反射能力弱[1]。反射系數(shù)計(jì)算如式（1）。

（1）

ρ1、ρ2—分別為兩種介質(zhì)的密度；c1、c2—分別為聲音在兩種介質(zhì)中的傳播速度。

對(duì)于層積復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，在相鄰的兩層材料選擇上盡量使其的阻抗特性相差大，利用聲音的反射原理，減少透射，提升隔聲能力。

3 三種不同復(fù)合結(jié)構(gòu)地毯與聲學(xué)性能分析

針對(duì)不同層積的搭配，我們特設(shè)計(jì)了三種不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合地毯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

①取尺寸為1.2m×1.0m的第一類地毯分別進(jìn)行吸隔音測(cè)試，結(jié)構(gòu)：表皮PET+PE粉+吸音層PET+底層棉墊。

②取尺寸為1.2m×1.0m的第二類地毯分別進(jìn)行吸隔音測(cè)試，結(jié)構(gòu)：表皮PET+背涂PE+重涂層EVA+底層棉墊。

③取尺寸為1.2m×1.0m的第三類地毯分別進(jìn)行吸隔音測(cè)試，結(jié)構(gòu)：表皮PET+吸音層PET+不透氣PE膜+底層棉墊。

3.2 測(cè)試方法

吸音：采用Alpha cabin混響室測(cè)量平板樣件的吸聲系數(shù)，樣件尺寸1.2m×1.0m，計(jì)算頻率范圍：400Hz～6300Hz。

隔音：采用ISOKELL測(cè)量平板樣件的插入損失，樣件尺寸1.2m×1.0m，計(jì)算頻率范圍：400Hz～6300Hz。

3.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)這三種結(jié)構(gòu)的地毯進(jìn)行吸隔聲性能分析，地毯吸音性和隔音性能對(duì)比如圖1、圖2所示：

綜合分析圖1、2可知：①第一類地毯吸音性能是三種地毯中最好的，屬于吸音型地毯，因它的整體透氣性很好，聲音很容易進(jìn)入地毯內(nèi)部，通過粘滯力和熱傳導(dǎo)消耗聲能，特別是對(duì)聲音的中高頻有很好的吸收作用[2]，但正因?yàn)樗耐笟庑院?、反射能力弱而使得它的隔音性能最差；②第二類地毯，因表層是蓬松的PET材料，具有一定的吸音作用，而大部分聲能被重涂層阻隔，無法進(jìn)入材料內(nèi)部進(jìn)行消耗，使得其隔聲性能最好，屬于隔聲地毯；③第三類地毯具有較好的吸音性同時(shí)具備一定的隔聲性能，屬于兼顧型地毯，在中高頻的吸音主要靠表層和吸音層吸收，在低頻段，由于PE膜的存在，形成共振薄膜結(jié)構(gòu)，通過共振吸收聲能，相反，共振會(huì)導(dǎo)致聲音的透過性增大，在低頻段的隔聲有個(gè)低谷，在中高頻，PE具備一定的阻隔作用，隨著頻率遞增，隔聲性能增強(qiáng)。

3.4 地毯聲學(xué)性能改進(jìn)

由上述實(shí)驗(yàn)已知吸音型地毯透氣性好，具有高性能的吸音性，可以與吸音棉媲美，但隔音性能較差，如單純的增加材料厚度、密度等參數(shù)，對(duì)隔聲性能的提升用處不大。要改變隔聲性能，需改變復(fù)合構(gòu)成，且犧牲吸音性能。重涂層對(duì)隔音地毯的隔聲性能起主要作用，但吸音性能差。面對(duì)如何平衡吸隔音性能這個(gè)問題，我們將調(diào)整進(jìn)一步研究的方案為：

①在3.1中第二類隔聲型地毯結(jié)構(gòu)的PE層下增加一層薄的吸音層PET，且原有的PE層針孔，保證一定的透氣性。同時(shí)減小重涂層克重，按3.2方法進(jìn)行測(cè)試后的結(jié)果如下，見圖3，圖4：

對(duì)比調(diào)整前后地毯的吸隔聲性能，隔聲性能下降很小，而吸音性能有顯著提高，尤其中高頻段，這類地毯可以很好的阻隔外界聲，同時(shí)也能吸收車內(nèi)的混響聲，提升語言清晰度，EVA克重減少，符合車輛輕量化的發(fā)展趨勢(shì)。

②增大3.1中第三類兼顧型地毯PE層的克重，研究其對(duì)地毯的吸隔聲性能的影響，按3.2方法進(jìn)行測(cè)試后的結(jié)果如圖5和圖6所示。

由圖5和6可知，增大PE層克重，地毯在低頻段吸音率有所降低，中高頻基本不變，但在400～6300Hz頻域內(nèi)，隔聲性能都有提升。

4 結(jié)論

4.1 不同的層積材料復(fù)合結(jié)構(gòu)地毯，有不同的吸隔聲特性，根據(jù)三種不同類型的地毯，分析吸隔聲特性，為地毯的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考；

4.2 調(diào)整重涂層克重，可以改變地毯隔聲性能，在重涂層上添加吸音層，可以顯著提高地毯吸音性能。

4.3 增加PE層克重，可以改變地毯低頻段的吸音性能，增強(qiáng)地毯的隔音性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒欣曄，袁櫻，梁彬等.單向聲傳播結(jié)構(gòu)研究[J].應(yīng)用聲學(xué)，2013，32（03）：169-181.

[2]段翠云，崔光，劉培生等.多孔吸聲材料的研究現(xiàn)狀與展望[J].金屬功能材料，2011，18（1）：60-65.