車用聲學(xué)材料隔聲性能測試方法研究

侯兆平 莫天石 付年 郭名權(quán)

摘要：混響室一消聲室法是衡量聲學(xué)隔聲性能的重要方法，但聲學(xué)實驗室造價昂貴，且移動不便，所以可移動式的小型聲學(xué)實驗室的研發(fā)以及其測試能力的驗證是非常必要的。本文使用混響室一消聲室法與基于混響室一消聲室原理設(shè)計的的Alpha艙法分別測試汽車地毯總成樣件插入損失，并通過SEA法仿真計算該樣件的插入損失，對這三種結(jié)果進行對比分析。結(jié)果表明，Alph艙法測試結(jié)果與仿真結(jié)果更為接近，在800-4000Hz的中高頻段內(nèi)能較準確反映材料的隔聲性能。結(jié)論可為相關(guān)企業(yè)選擇檢測材料聲學(xué)性能的方法提供參考。

關(guān)鍵詞：混響室-消聲室;Alpha;SEA法;插入損失

中圖分類號：U467.493 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）05-0050-04

侯兆平

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，碩士學(xué)歷，高級工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，研究方向為汽車聲學(xué)包裝及整車風(fēng)噪。

混響室-消聲室法測量聲學(xué)零件的插入損失在國內(nèi)外學(xué)者對聲學(xué)包零件隔聲性能分析上得到了廣泛的應(yīng)用。相比于阻抗管隔聲測試的聲源垂直人射，混響室-消聲室法的聲源無規(guī)人射，能夠?qū)⒈粶y樣件的結(jié)構(gòu)特性和材料不均勻性的影響考慮進去，更符合聲學(xué)零件的實際使用情況。PengCheng[1]、鄧江華[2]侯兆平[3]姜東明[4]等使用混響室-消聲室法對整車前圍隔聲性能進行研究，測試結(jié)果與仿真計算值誤差均在3dB以內(nèi)，且趨勢一致。李鴻順[5]、王志瑾[6]等使用混響室-消聲室法對材料級平板件的隔聲性能進行研究，得到平板件的隔聲性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，周曉琴[7]利用混響室-消聲室方法對小試件進行隔聲量測試，并將隔聲量高的材料用于發(fā)動機隔聲罩，在整車降噪上取得較滿意的效果。

混響室-消聲室法雖然有許多優(yōu)勢，但混響室和消聲室造價高，體積大，移動不便，同時對測試樣件要求較高，對不同的樣件需要做不同的工裝，而且整車上的很多零件很難做到滿足混響室標準的樣件，如汽車的座椅、儀表板等。基于混響室-消聲室原理設(shè)計的Alpha艙則能較好地解決上述問題，但由于其應(yīng)用尚未普及，也沒有統(tǒng)一的測試標準，對于其測試結(jié)果能否準確反映材料的聲學(xué)性能有待進一步的論證。

本次研究借助的Alpha艙是基于混響室-消聲室原理開發(fā)的一款設(shè)備，內(nèi)部開辟兩個聲學(xué)艙一混響艙和消聲艙，成本比修建兩個聲學(xué)實驗室要低廉許多，且移動方便，可以測量聲學(xué)材料的吸聲系數(shù)和插入損失。對混響室-消聲室法與Alpha艙法測試地毯總成平板件的插入損失做比較，并結(jié)合SEA仿真計算值，對Alpha艙法測試結(jié)果做系統(tǒng)的分析，結(jié)果表明Alpha艙法在800-4000Hz的中高頻段內(nèi)能較準確反映材料的隔聲性能。

1 測試機理

聲學(xué)包的插入損失IL是指一個系統(tǒng)中放入被測樣件前后聲傳遞損失的差值[8]，見式（1）。聲傳遞損失STL指人射到被測樣件的聲功率級減去透射過被測樣件的聲功率級[9]，見式（2）。

IL=STL₂-STL₁（1）

STL=101gW_i-101gW_t（2）

其中，STL₁為放人被測樣件前的聲傳遞損失，STL₂為放人被測試件后的聲傳遞損失，W_i為人射聲功率，W_t為透射聲功率。

混響室-消聲室法是將測試樣件安裝在混響室和消聲室之間的隔墻窗口上，以混響室作為發(fā)聲室，聲源放置其中，消聲室作為受聲室[9]。在混響室中，聲場近似于混響聲場，聲音隨機人射到被測樣件中，可以通過混響聲場的平均聲壓來計算入射聲功率：

W_i=p²S/（4pc）（3）

其中p²是混響室的多點聲壓均方根值，S是被測樣件面積，ρ空氣密度，c是聲速。

在受聲室中可以通過聲強來計算透射聲功率：

W_t=IS（4）

其中，I為被測樣件在受聲室側(cè)的聲強，通過聲強計用掃描法或固定測點法測出。

將（3）和（4）式代入（2）式，將空氣密度ρ=1.18kg/m³和聲速c=344m/s代入，得到混響室-消聲室中被測試件的聲傳遞損失：

STL=L_P-L_I-6（5）

其中L_p=101g（p²/P⁰²）是混響室的平均聲壓級，L₁=101g（I/I⁰）是消聲室的平均聲強級，參考聲壓p⁰=2×10⁵Pa，參考聲強I⁰=10^-12W/m²。

為了研究方便，減少不必要的誤差，本文研究采用的實驗樣件是與地毯總成同樣材質(zhì)的平板件，面積為1.2m²，組成平板件的EVA和PU材料都是典型的汽車聲學(xué)包材料，有利于切合生產(chǎn)實際，材料具體參數(shù)見表2。

2 測驗設(shè)備和方法

2.1 混響室-消聲室法

實驗參考SAE J1400-1990[10]，測試使用BK傳聲器和無指向體積聲源，超聲波測漏儀（檢測邊緣是否有泄漏）和BK-LANXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用工裝將樣件固定在混響室和消聲室之間的墻體試件窗口，如圖1所示。使用超聲波測漏儀對工裝與窗口搭接處進行掃描，使用阻尼板對泄漏處進行密封處理，直到?jīng)]有泄漏為止;同時為了消除高頻聲在樣件搭接處的反射和折射影響，在消聲室側(cè)搭接處加上吸聲體。處理后的樣件如圖2f}示。測試樣件面積較小且規(guī)則，故采用逐點掃描法測試消聲室側(cè)的聲強。

2.2 Alpha艙法

本實驗與上一實驗使用的樣本為同一樣本。實驗參考GB/T 19889.3-2005[11]。本實驗使用的Alpha艙，內(nèi)部分兩個艙（混響艙和消聲艙），中間有一個窗口用于放置試件，類似于一個縮小版的混響室-消聲室。將樣件放置在中間窗口，用密封膏填充樣件與窗口的間隙，如圖3所示：

3 SEA法仿真分析

整車聲學(xué)包吸隔音材料主要用于改善車內(nèi)中高頻噪聲環(huán)境，SEA法在90年代開始在分析汽車的中高頻噪聲上廣泛應(yīng)用，至今仍然是指導(dǎo)整車聲學(xué)包開發(fā)設(shè)計的重要工具[12]。對于平板件的插入損失，VA One軟件利用SEA法仿真計算的結(jié)果在理論控制區(qū)與質(zhì)量定律計算值比較一致、在高頻區(qū)域與試驗值比較一致[13]，所以本文利用VA One軟件建立相應(yīng)的平板件模型，計算模型的插入損失，并分析仿真值與兩種實驗值的差異。仿真所需的材料參數(shù)，經(jīng)專業(yè)機構(gòu)檢測，如下表2：

在VA One軟件中直接建立模型，使用上表的參數(shù)在軟件定義每層材料的物理特性。在模型兩側(cè)分別創(chuàng)建兩個聲腔，模擬混響場和自由場，分別作為聲源室和接收室，并對這兩個聲腔進行仿真分析，計算出中間樣件的插入損失，分析模型如圖4所示：

4 結(jié)果分析

將實驗插入損失值和仿真插入損失值做對比，如圖5所示：

從圖中可以看出，兩種實驗方法和仿真計算所得結(jié)果趨勢一致，得到的平板件吻合頻率基本一致，混響室一消聲室法測試值在630Hz之前的1/3倍頻帶，插入損失較高，與Alpha艙法測試值和仿真值的誤差較大。

混響室一消聲室法與Alpha艙法測插入損失，測試結(jié)果在800-4000Hz頻段內(nèi)誤差小于3dB的點占63%，800Hz以下的低頻區(qū)誤差較大。這主要是因為Alpha艙體積小，低頻混響場的擴散效果較差，但體積小更容易激發(fā)更多中高頻模式波，使得中高頻聲場的傳播和相位無規(guī)性加大，更加符合擴散聲場的特性，所以理論上Alpha艙中高頻的測試結(jié)果較準確。

混響室一消聲室法測試值在4000Hz后大于仿真值，主要是因為樣件PU發(fā)泡厚度過大，樣件在4000Hz后的隔聲性能超出了混響室的測試范圍，故該頻段后的測試結(jié)果誤差較大，僅作參考。

相比于混響室一消聲室法測試值，Alpha艙法測試值更接近SEA仿真值，在800Hz以下的1/3倍頻帶與仿真值一致性很好，800-4000Hz的中高頻段兩者誤差均滿足士MB的誤差標準。誤差產(chǎn)生原因主要是實驗時的邊界條件是近似自由的，混響室和消聲室分別是近似的擴散聲場和自由聲場，而仿真時邊界條件是完全自由的，建立的聲學(xué)模擬場都是理想聲場。

5 總結(jié)

本文使用混響室一消聲室法與基于混響室一消聲室原理設(shè)計的的Alpha艙法分別測試汽車地毯總成樣件的插入損失，并通過SEA法仿真計算該樣件的插入損失，對這三種結(jié)果進行對比分析：

（1） Alpha艙測試值在低頻區(qū)域與混響室一消聲室法測試值相差較多，但插入損失的變化趨勢一致。

（2）Alpha艙測試值與SEA仿真計算值在800-4000Hz頻段內(nèi)具有較好的一致性，與混響室一消聲室法測試值的誤差大部分滿足要求，該頻段測試結(jié)果準確度較高。

（3）車用聲學(xué)材料在800-4000Hz頻段內(nèi)的聲學(xué)性能是整車聲學(xué)包開發(fā)工程師改善車內(nèi)噪聲環(huán)境時非常關(guān)注的重要頻段，Alpha艙測試結(jié)果在該頻段內(nèi)可以較準確反應(yīng)材料的隔聲特性。

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