汽車內(nèi)飾NVH 性能分析及研究

張明，馮策，劉偉，李美興

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

前言

隨著經(jīng)濟及科技技術(shù)的發(fā)展，人們對汽車科技性、環(huán)保性、安全性及舒適性等要求越來越高。其中，車輛振動及噪聲直接關(guān)系著汽車NVH 性能，并影響駕駛室乘坐舒適性品質(zhì)。NVH 是指汽車的噪音（Noise）、振動（Vibration）、舒適性（Harshness）。同時，結(jié)合國際法規(guī)要求，提高車輛NVH 性能已成為汽車研發(fā)過程中重要任務之一。降低車輛振動及噪聲，提升駕駛室聲學品質(zhì)是當前汽車設計中應解決的重要問題。

汽車主要有三大振動源：動力系統(tǒng)噪聲振動源、路面噪聲振動源與風激勵起噪聲振動源。

（1） 動力系統(tǒng)噪聲振動源

動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機、變速器、進氣系統(tǒng)等。且此些部件都直接與車身系統(tǒng)相連，所產(chǎn)生噪聲與振動直接傳遞到車身。汽車行駛時，它們是車內(nèi)最主要噪聲與振動源。

（2）路面噪聲振動源

輪胎與路面行駛摩擦時產(chǎn)生噪聲并傳遞車內(nèi)。路面與輪胎間振動通過懸架系統(tǒng)直接傳遞到車身，并對駕駛室產(chǎn)生振動與噪聲。此噪聲振動與車速有關(guān)系，并與輪胎、懸架系統(tǒng)的參數(shù)也有關(guān)。當汽車以中等速度行駛時，該噪聲為車內(nèi)主要噪聲源。

（3）風激勵引起的噪聲振動源

汽車以較高速度行駛時，風施加力在車身上。風同車身作用產(chǎn)生噪聲，車外風噪穿過車身傳遞進車內(nèi)。并且，風將車身鈑金激勵起，板振動并輻射噪聲進車內(nèi)。該噪聲同車速大小緊密相關(guān)。一般情況下，汽車在高速行駛時（V＞120km/h)，風噪會壓過前兩種噪聲振動源，成為最大噪聲源。

噪聲振動從車外經(jīng)過車身傳遞到車內(nèi)，傳遞過程主要分為三個階段：源—傳遞通道—接受體。其模型如圖1 所示：

圖1 聲音傳遞模型圖

三大噪聲振動源主要通過空氣聲傳遞和結(jié)構(gòu)聲傳遞兩種途徑，對車內(nèi)傳遞振動與噪聲。

空氣聲是指聲音在空氣中傳播而人聽到的聲音，屬于直接傳遞到人耳。結(jié)構(gòu)聲是指聲波在結(jié)構(gòu)中傳遞，再輻射到空中，最后人聽到的聲音，屬于間接傳遞到人耳。

車內(nèi)噪聲與振動是由車外的“源”和車身的“傳遞通道”兩者決定。因此，控制車內(nèi)噪聲振動主要從源與傳遞通道兩個方面解決。

對空氣聲來講，傳遞通道即為車身隔聲與吸聲。對結(jié)構(gòu)聲來講，傳遞通道即為與車身接觸點的振動向車內(nèi)的傳遞。相對空氣聲傳遞通道來講，結(jié)構(gòu)聲傳遞通道相對更復雜。

本文主要研究針對空氣聲為主的聲學包裝NVH 性能，從而降低車內(nèi)噪聲聲壓級，提高駕駛室乘坐舒適性及整車品質(zhì)。

1 車身NVH 目標

車身NVH 開發(fā)設計貫穿于整個開發(fā)周期。車身NVH 目標體系主要是建立車身自身噪聲和振動目標。

車身NVH 開發(fā)設計貫穿于整個開發(fā)周期。車身NVH 目標體系是建立車身自身噪聲和振動目標。此目標體系含蓋四個層面目標：整車級車身NVH 目標、內(nèi)飾車身NVH 目標、白車身NVH 目標與零部件NVH 目標。本文主要提及整車級車身NVH 目標和內(nèi)飾車身NVH 目標。

所謂整車級車身NVH 目標，指在整車狀態(tài)下，車身對整車NVH 的影響所需設立的目標，包括車身振動目標與聲學目標。其中，整車氣密性、隔聲量、聲腔模態(tài)與關(guān)門聲品質(zhì)作為聲學目標。

內(nèi)飾車身NVH 目標包括振動和噪聲兩方面。內(nèi)飾車身振動目標包括彎曲模態(tài)頻率和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率，外界振動對車內(nèi)振動的傳遞振振靈敏度。內(nèi)飾車身聲學目標包括外界聲音激勵對車內(nèi)聲音傳遞的聲聲靈敏度，以及外界振動激勵對車內(nèi)聲音傳遞的聲振靈敏度。

內(nèi)飾聲學包裝主要解決空氣傳播路徑中噪聲、內(nèi)飾車身振動及聲輻射問題。

此次內(nèi)飾聲學包裝主要從隔聲結(jié)構(gòu)、吸聲結(jié)構(gòu)方面進行研究。當外界噪聲振動施加到車身時，內(nèi)飾聲學包裝對此激勵有一定的衰減作用。

2 吸聲結(jié)構(gòu)與隔聲結(jié)構(gòu)

2.1 吸聲結(jié)構(gòu)

2.1.1 吸聲原理及吸聲系數(shù)

聲波在媒質(zhì)中傳播或者入射到另一個媒質(zhì)的過程中，聲能減少的過程就是吸聲。吸聲原理是聲能轉(zhuǎn)換成熱能。當聲波入射到多孔材料上，聲波能順著微孔進入材料內(nèi)部，引起空隙中空氣振動。由于空氣黏滯阻力、空氣與孔壁的摩擦和熱傳導作用等，使相當一部分聲能轉(zhuǎn)換為熱能而被損耗，從而達到吸聲目的。此材料也被稱為吸聲材料，其吸聲過程如圖2 所示。

圖2 材料吸聲圖

衡量材料吸聲能力的指標是吸聲系數(shù)，其表達為：α=Ea/Ei=1-Er/Ei

（其中Ea 為吸收能量、Ei 為入射能量、Er 為反射能量）

吸聲系數(shù)越大，表明材料的吸聲能力越強。材料吸聲系數(shù)為0--1。通常將吸聲系數(shù)大于0.2 的材料稱為吸聲材料。吸聲系數(shù)大小不僅與吸聲材料本身有關(guān)，且與入射聲波的角度等參數(shù)有關(guān)。

2.1.2 吸聲主要材質(zhì)及結(jié)構(gòu)

吸聲材料主要是指多孔吸聲材料。多孔吸聲材料是指從表面到內(nèi)部有較多互關(guān)聯(lián)的微孔材料。因內(nèi)部有足夠多微孔，且向外敞開，從而吸聲聲能。

多孔吸聲材料的吸聲系數(shù)隨頻率變化的曲線，如圖3 所示。

圖3 多孔吸聲材料的吸聲系數(shù)隨頻率變化的曲線

低頻情況下，吸聲系數(shù)較低，若解決低頻噪聲問題，采用吸聲材料效果不佳。頻率＞250Hz 后，吸聲材料才起到實質(zhì)吸聲作用。隨著頻率提高，吸聲系數(shù)增加。當增加到某一頻率時，吸聲系數(shù)達到最高，之后隨著頻率增加而波動，最后趨于一個穩(wěn)定值或者降低。

多孔吸聲材質(zhì)可分為纖維型、泡沫型和顆粒型。汽車常用吸聲材料有兩種：泡沫吸聲材料和纖維吸聲材料。吸聲材料主要結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 吸聲材料結(jié)構(gòu)圖

泡沫吸聲材料的吸聲系數(shù)較高。PU 發(fā)泡材料是一種常見應用在車身上的泡沫型多孔吸聲材料。如前壁板上、地毯上等。但其成本較高，因此主要用在中高級車上。

纖維吸聲材料包括玻璃纖維、熱塑纖維氈、針刺纖維氈、樹脂纖維等。纖維材料吸聲系數(shù)隨頻率的增加而增加。棉氈是一種應用較多的纖維材料，多用于前壁板、地毯等地方。玻璃纖維材料具有良好的保溫隔熱和防潮效果，也常用做發(fā)動機罩板和前壁板外側(cè)的吸聲隔熱材料。由于成本低，纖維吸聲材料主要廣泛應用于經(jīng)濟型汽車上。

由于吸聲材料一般為多孔性介質(zhì)，所以隔聲性能較差。

吸聲材料在汽車內(nèi)飾上應用廣泛，如發(fā)動機罩隔熱墊、發(fā)動機艙隔熱墊、前壁板隔聲墊、頂棚等。同時在A、B、C立柱上、門檻梁、門內(nèi)飾板、輪轂包、儀表臺板等地方也都安放吸聲材料。

2.1.3 影響吸聲系數(shù)的因素

影響材料吸聲系數(shù)的因素有流阻、孔隙率、結(jié)構(gòu)因子、厚度、密度、溫度與濕度。

（1）流阻影響

流阻是指空氣質(zhì)點通過材料空隙的過程中所受的阻力。

流阻反映了材料的透氣性，流阻越大，材料透氣性越差。一般將材質(zhì)分為高流阻、中流阻和低流阻三類型。對于低流阻材料，因內(nèi)摩擦力與黏性力低，產(chǎn)生聲能損失也低，因此低頻段吸聲系數(shù)低，到某個頻率，吸聲系數(shù)上升。對高流阻材料，因過高流阻使空氣穿透材料的能力降低，導致吸聲性能不佳，因此整個頻段內(nèi)吸聲系數(shù)較低。

一般材料流阻將選擇一個合適的范圍，一般增加或減少材料體密度來調(diào)整流阻大小。最佳流阻為100--1000Pa﹒s/m。

（2）孔隙率影響

孔隙率（B）是指材料中空氣的體積和整個樣件的體積之比，表示為 B=Va/Vm

（Va 為空氣的體積；Vm 為整個樣件的體積）

多孔材料的孔隙率通常在70%以上，礦渣棉為80%以上，玻璃棉為95%以上。通常，材料孔隙率高、孔隙細小，則吸聲性能較好；反之，孔隙過大，則吸聲效果較差。

（3）結(jié)構(gòu)因子影響

所謂結(jié)構(gòu)因子，指多孔材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對吸聲性能影響的因子。多孔材料結(jié)構(gòu)因子大多數(shù)為2—10，也有高達25。結(jié)構(gòu)因子對低頻吸聲基本沒有影響。當材料流阻比較小時，也可以增大結(jié)構(gòu)因子，使吸聲系數(shù)在中高頻范圍內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化。

（4）厚度影響

不同厚度的同一種材料的吸聲系數(shù)如圖5 所示。厚度增加，吸聲系數(shù)增加，特別是在中低頻段。但是厚度增加到一定值之后，吸聲系數(shù)的增加量就開始減少。

車身布置時，聲學包裝材料的厚度一般不超過30mm。在此厚度范圍內(nèi)，增加厚度對提高吸聲系數(shù)有幫助。設計內(nèi)飾結(jié)構(gòu)時，盡量給聲學材料留下足夠大空間。

圖5 不同厚度同一種材料吸聲系數(shù)圖

（5）密度

材料體積密度同材料纖維、顆粒大小等因素有關(guān)系。體積密度增加，材料內(nèi)部的孔隙率降低，流阻增加，低頻段的吸聲系數(shù)提高，但高頻段的吸聲系數(shù)降低。

體積密度一樣的不同材料，其吸聲系數(shù)可能不同。一定體積密度能使某種吸聲材料達到最佳吸聲效果，因此不同材料有不同的最佳體積密度。某材料吸聲系數(shù)隨體積密度變化關(guān)系如圖6 所示。

圖6 體積密度與吸聲系數(shù)的關(guān)系圖

（6）溫度影響

在常溫下，環(huán)境溫度對材料吸聲系數(shù)幾乎無影響。當溫度變化時，聲速和波長會發(fā)生變化，因此吸聲系數(shù)頻率會漂移。溫度降低，吸聲系數(shù)往低頻方向漂移；溫度升高，則往高頻方向漂移。

（7）濕度影響

濕度增加會降低材料的孔隙率，從而降低吸聲系數(shù)。而且，濕度高會使材料變質(zhì)。

2.2 隔聲結(jié)構(gòu)

2.2.1 隔聲原理及隔聲系數(shù)

采用某種材料與結(jié)構(gòu)將外界聲源同接收環(huán)境隔離開，使環(huán)境噪聲減少，即為隔聲。

當聲音從空氣入射到另外結(jié)構(gòu)的表面時，一部分聲能被反射回來，另一部分聲能則透過，繼續(xù)在空氣中傳播。這種材料能反射一部分聲能，只讓一部分能量透過，即為隔聲材料，如圖7 所示。

圖7 材料隔聲圖

材料隔聲能力采用聲傳遞損失（STL)來定義。其聲傳遞損失的定義為入射聲功率與透射聲功率之比的對數(shù)值。即為：

聲傳遞損失越高，材料隔聲性能將越好。 均值材料的隔聲性能滿足質(zhì)量原理，密度越高，隔聲性能越好。

2.2.2 隔聲材質(zhì)及隔聲結(jié)構(gòu)

隔聲結(jié)構(gòu)一般分為單層板隔聲與雙層板隔聲。

隔聲單層板的隔音結(jié)構(gòu)如上圖7 所示。單層板隔聲性能是由板面密度（質(zhì)量）、剛度與阻尼（材料損耗因子）決定。低頻段，隔聲效果由剛度控制。到了一定頻率后，隔聲量由質(zhì)量大小控制，質(zhì)量增加一倍，隔聲量增加6dB。在這區(qū)域內(nèi)，隔聲量隨著頻率的增加而增加，頻率增加一倍，隔聲量增加6dB。到了高頻段，進入了吻合效應區(qū)。在吻合頻率附近，隔聲量迅速下降，而且受到阻尼影響。

雙層板的隔音結(jié)構(gòu)如圖8 所示。兩塊板分離開，中間有空氣隔離，此組合形式為雙層板隔聲結(jié)構(gòu)。雙層板能取得良好的隔聲性能。雙層板隔聲效果比單層板好。

圖8 雙層板隔聲結(jié)構(gòu)圖

車身上雙層板結(jié)構(gòu)較多。車身多數(shù)部位是由金屬板、吸聲層與隔聲層組成，如前壁板。金屬板和隔聲層將看成是一個雙層隔聲系統(tǒng)，而中間吸聲層可看作是一個彈簧。

一般隔聲材料包括PVC、EVA、EDPM 等。同時，車身鋼板和玻璃也是隔聲材料。

3 輕量化材質(zhì)

3.1 輕量化材質(zhì)定義

傳統(tǒng)隔音墊主要是由重涂材料與吸音材料復合而成。重涂材料一般包括EVA、EPDM 或PVC 等。吸音材料包括棉氈、PU 發(fā)泡與熱塑纖維等。其中，重涂材料主要是隔聲、阻聲或反射噪聲。吸音材料主要是吸收噪音。由于重涂材料密度大，傳統(tǒng)型隔音墊重量較重。

輕量化型隔音墊主要是由兩層吸音材料中間復合一層薄膜粘結(jié)組成。利用高密度吸音材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)重涂材料作為隔音層，稱作硬質(zhì)吸音材料。另一層吸音材料密度較低，稱軟層吸音材料。由于軟層吸音材料比重涂材料成本低、質(zhì)量輕，因此實現(xiàn)低成本、輕量化目標。

重涂材料通過反射聲波達到隔聲作用，但高密度吸音材料隔聲性能雖比重涂材料差，但隔聲同時，通過吸音性能補償。傳統(tǒng)隔音墊與輕量化型隔音墊材料結(jié)構(gòu)對比如圖9 所示。

圖9 傳統(tǒng)隔音墊與輕量化型隔音墊結(jié)構(gòu)對比圖

影響輕量化型隔音墊NVH 性能主要因素有：軟層吸音材料厚度、軟層吸音材料面密度，硬層吸音材料面密度、薄膜類型和密度、吸音材料的配方以及流阻。

重涂材料輕量化設計，不僅滿足NVH 性能，而且實現(xiàn)比傳統(tǒng)隔音墊重量降低60%，成本降低20%的目標。

3.2 輕量化技術(shù)

目前，汽車內(nèi)飾聲學包裝輕量化技術(shù)歸納如下：

（1）輕質(zhì)材料的應用技術(shù)。如高倍率發(fā)泡、多孔吸聲纖維材料等。

（2）新型復合型聲學材料結(jié)構(gòu)的應用。如微穿孔復合型、多層棉氈與發(fā)泡層組合替代傳統(tǒng) “軟硬”雙層組合的聲學結(jié)構(gòu)。

（3）多屬性輕量化應用技術(shù)。如合理分配內(nèi)飾聲學包裝的布置，并對材質(zhì)形狀、厚度、密度等作以科學調(diào)整。

4 吸聲材料與隔聲結(jié)構(gòu)的應用

聲學包裝材料廣泛應用在汽車車身上，如前壁板、頂棚、中控箱、地板、立柱、行李箱、輪轂包等。

4.1 吸聲材料應用

4.1.1 發(fā)動機艙蓋隔熱墊

發(fā)動機艙蓋隔熱墊由三層結(jié)構(gòu)組成：中間吸聲材料與外面兩層隔熱面料。此結(jié)構(gòu)既能隔離發(fā)動機的熱傳遞，也能吸收發(fā)動機噪聲。

中間層通常采用吸聲材料為PU 泡沫、玻璃纖維與熱塑纖維毛氈。玻璃纖維隔熱、吸聲性能都好，且成本低，但對人體有害，主要用于經(jīng)濟型汽車。

PU 材料在吸聲材料外加兩層面料，一般為無紡布，類似薄膜，起到一些隔聲作用，提升了中低頻吸聲性能。但高頻吸聲性能降低，主要用在中高級轎車。

某汽車在全加速狀態(tài)下，有與沒有隔熱墊的情況下車內(nèi)噪聲曲線比較，如圖10 所示。

圖10 隔熱墊對車內(nèi)加速噪聲的影響

4.1.2 車門內(nèi)飾板吸音墊

圖11 車門內(nèi)飾板吸音墊

圖12 軍用型車門內(nèi)飾板吸音墊

車門內(nèi)飾板吸音墊主要材質(zhì)有玻璃纖維、PU 泡沫和熱塑纖維毛氈。

車門內(nèi)飾板吸音墊主要布置如圖11 所示。

某軍用型車輛車門內(nèi)飾板吸音墊主要布置如圖12 所示。

4.1.3 座椅

座椅表面材質(zhì)有三種：布、真皮革和人造皮革。內(nèi)部包裹材質(zhì)為多孔泡沫材料。

車內(nèi)最大潛在吸聲部件是座椅。座椅吸聲有兩大特點：面積大，厚度深。座椅面積非常大，內(nèi)部又為多孔吸聲材料，所以座椅吸聲能力很強。

座椅在內(nèi)飾NVH 設計中占了不少比重。結(jié)構(gòu)厚度決定吸聲頻率效果。座椅的厚度是其他吸聲結(jié)構(gòu)無法相比的，所以它對低頻噪聲的吸收大于其他部件。某款車在特定速度下，有和沒有座椅的車內(nèi)噪聲比較，如圖13 所示。

圖13 有/無座椅車內(nèi)噪聲比較圖

座椅表面對吸聲性能影響也大。布面料透氣性能好，聲波很容易穿過而進入泡沫材料，從而被吸收。皮革面料的透氣性差，聲波穿透有難度，所以其吸聲性能遠小于布面料。

在皮革面料上穿孔，增加其透氣性，雖吸聲系數(shù)有所提高，但仍遠低于布面料。

4.2 吸聲材料與隔聲結(jié)構(gòu)組合應用

汽車上常用的聲學包裝材料，一般采用隔、吸聲型組合結(jié)構(gòu)類型。 隔聲結(jié)構(gòu)和吸聲材料組合在一起應用，以減少車內(nèi)噪聲。

其中，材料吸聲性能與隔聲性能混合在一起應用。吸聲材料也具有一定隔聲性能，但主要起吸聲作用；同樣，隔聲材料也有吸聲性能，但主要起隔聲作用。

圖14 前壁板隔聲墊結(jié)構(gòu)圖

比如前壁板隔聲墊就是隔、吸聲型組合隔熱墊，其材料結(jié)構(gòu)如圖14 所示。車身上大多數(shù)聲學包裝是隔聲結(jié)構(gòu)和吸聲材料的組合結(jié)構(gòu)。若將前圍鈑金作為隔聲層，其前壁板隔聲墊結(jié)構(gòu)由三層結(jié)構(gòu)組成：鋼板隔聲層、吸聲層與隔聲層。鋼板也是較好的隔聲材料。

前壁板隔聲墊吸聲層材質(zhì)一般主要采用PU 泡沫、棉氈，隔聲層材質(zhì)一般采用EVA。

某乘用車前圍隔聲墊主要材質(zhì)及結(jié)構(gòu)如圖15 所示，安裝效果如圖16 所示。

圖15 乘用車前圍隔聲墊材質(zhì)

圖16 乘用車前圍隔聲墊安裝圖

某車在加速狀態(tài)下，在有、無隔聲墊的車內(nèi)噪聲進行比較，如圖17 所示。其中無隔聲墊時，車內(nèi)噪聲增加，尤其是中高頻段。

圖17 有/無隔聲墊的車內(nèi)噪聲圖

5 結(jié)語

汽車研發(fā)設計中，振動及噪聲的優(yōu)化設計貫穿于整個開發(fā)設計周期。汽車NVH 性能是衡量車輛安全、環(huán)保、舒適性的重要性能指標。

本文以汽車三大噪聲振動源為出發(fā)點，研究其噪聲及振動的產(chǎn)生、傳播路徑及接受體。同時，在汽車開發(fā)設計初期，制定整車級車身NVH 目標、內(nèi)飾車身NVH 目標等。從不同層次，全面指導汽車NVH 設計開發(fā)。并從整車不同模塊實施具體減振降噪措施，以提高汽車聲學品質(zhì)與乘坐舒適性。

文章主要從內(nèi)飾聲學包裝角度實施隔音、吸音降噪處理技術(shù)。同時，分別闡述了吸聲結(jié)構(gòu)、隔聲結(jié)構(gòu)的原理及特點、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)、性能影響因素等。并根據(jù)當前汽車發(fā)展趨勢，對汽車輕量化技術(shù)及輕量化聲學包裝進行分析及研究。同時，結(jié)合實際生產(chǎn)，闡述了吸聲材料與隔聲結(jié)構(gòu)在車身內(nèi)飾上的應用。

結(jié)合目前汽車設計發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，我國汽車NVH 設計已取得相應成果。為進一步促進汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，提升產(chǎn)品競爭力，控制車輛的振動及噪聲仍是汽車技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新點。