（声学专业论文）车门密封条隔声性能测量方法的研究.pdf

摘要 摘要 当汽车以高于1 2 0 公里d , 时的速度行驶时，空气动力性噪声将对车内声 环境起到决定性作用。汽车高速行驶时车内声环境主要受从车门缝隙处窜入的 空气声影响，车门密封条隔声性能的提高能够有效降低车内的噪声。 噪声由车外传入车内，存在三种途径：声波通过密封条的传递；由于结构 振动二次辐射而导致的声传递；车门密封缺陷所导致的声泄漏。本文主要研究 第一种声传递途径。 本文分别介绍了密封条隔声测试的混响室法以及半消声室法。通过比较混 响室法测量中，密封条接收端一侧的声压级、声强级数据，得出当反射声影响 可以忽略时声压级测试能够满足混响室法的测量要求。另外本文利用半消声室 对实车密封条隔声性能进行测试。首先对半消声室的室内声场进行鉴定，扬声 器组的使用可以在车门区域提供平面入射声波。但是由于实验车外形的影响， 车门区域7 个测点的声压级差别较大。对实车密封条隔声性能测试方法包括对 车内测点的比较、不同汽车的比较以及不同密封条件的比较。通过比较车内噪 声数据，能够证明大部分的声能是从车门封条区域窜入车内。对同一款汽车不 同密封性能的隔声测试，以及三款不同汽车隔声测试结果证明了半消声室法的 可行性。在大众实验室内对实车密封条的插入损失进行了测试与比较，结果与 混响室测试结果存在一些差异。文章最后比较了两种测试方法的区别，并且利 用模拟密封条安装的接触分析，总结出较为常见的混响室法与实车测试方法的 差异：接收端反射声影响、入射声波角度的不同、入射声能的大小、安装方式 的区别等。 另外，本文研究了车门密封条的隔声机理。橡胶材料的非线性增加了理论 计算的复杂性。但是考虑到入射声波的大小，在理论分析中将声波在密封条材 料中的传播视作线性的行为。将复杂结构的密封条简化成多层结构，结构的间 距由封条的空腔决定。利用声波在不同介质传播时边界处声压与法向振动速度 的连续性条件，计算密封条的隔声量。研究表明，在高频区域与实验数值出现 偏差。在此基础上分别增加其他的因素进行研究，例如密封条侧边的声传播、 声波在材料内部的传播、入射声波角度等。然而与实验结果的比较中发现，在 摘要 高频范围的预测结果与实验值仍然具有不同的趋势。因此，在共振频率以上范 围，声波的传播不能简单的用纵波传播理论进行预测。考虑到实际密封条的尺 寸因素，利用s y s n o i s e 边界元法的计算方法由于考虑到薄膜的弯曲振动，能 够较好的吻合高频测试数据。因此本文提出了将密封条隔声性能频谱曲线分段 处理。共振频率以下频率范围，声波直接透射进入车内，空腔的作用不明显， 主要是质量定律发挥作用。而在共振频率以上范围，特别是临近吻合频率的区 域，因受到密封条弯曲振动的影响，隔声量的提高并不是随着频率的增加而迅 速提高。本文利用s y s n o i s e 分析与高频的测试结果吻合良好，证明在高频部 分需要把密封条壁面的弯曲振动因素加以考虑。分段处理方法结合了低频段的 质量定律以及高频段的s y s n o i s e 边界元分析能够有效的预测与研究密封条的 隔声性能。 关键词：空气动力性噪声，汽车密封条，泡沫橡胶，传递损失，隔声 a b s t r a c t ab s t r a c t w h e nt h ev e h i c l ei sc r u i s i n ga tas p e e dm o r et h a n12 0 k p h ，t h ew i n dn o i s ew i l l p l a yt h ed o m i n a n tr o l e i nt h ei n t e r i o r n o i s et h r o u g hv e h i c l es e a l si sam a j o r c o n t r i b u t o rt ot h ei n t e r i o rn o i s e c o n s e q u e n t l y , i m p r o v e m e n to fs o u n dt r a n s m i s s i o n l o s st h r o u g ht h ev e h i c l es e a l si sa ne s s e n t i a lm e t h o dt or e d u c ei n t e r i o rn o i s el e v e l t h e r ea r et h r e ep o s s i b l em e c h a n i s m sf o ra e r o d y n a m i cn o i s et ob et r a n s m i t t e d i n s i d et h ei n t e r i o r ：s o u n dt r a n s m i s s i o n t h r o u g ht h es e a l st h e m s e l v e s ；s o u n d t r a n s m i s s i o nt h r o u g ht h ev i b r a t i o no ft h es t r u c t u r a lc o m p o n e n t ss u p p o a e db yas e a l ； l e a k st h r o u g hi m p e r f e c t l ys e a l e dl o c a t i o n sw h e r eas m a l lg a pe x i s t s n ef i r s t m e c h a n i s mi ss t u d i e di nt h i st h e s i s r e v e r b e r a t i o nr o o mt e s ta n ds e mi a n e c h o i cc h a m b e rt e s tw e r er e s p e c t i v e l y s t u d i e di nt h i st h e s i s b yc o m p a r i n gt h es o u n dp r e s s u r el e v e la n ds o u n di n t e n s i t yl e v e l a tt h er e c e i v i n gs i d e ，i tp r o v e ds o u n dp r e s s u r el e v e lt e s ts h o u l db ee q u i v a l e n tw h e n t h e r ei sl i t t l er e f l e c t e ds o u n d t h i st h e s i sa l s os t u d i e dt h es o u n dt r a n s m i s s i o nl o s s m e a s u r e m e n to fv e h i c l es e a l si nt h es e m ia n e c h o i cc h a m b e r f i r s t l y , t h es o u n df i e l d i n s i d et h ec h a m b e rw a st e s t e dw h i c hv e r i f i e di tw a saf r e ef i e l d s e c o n d l y , t h es o u n d f i e l dt e s ta l s op r o v e di tc o u l dp r o v i d ep l a n ei n c i d e n ts o u n dw a v et oc o v e rt h e p a s s e n g e rd o o ra r e a b u td u et ot h ec o m p l e xs h a p eo ft h et r i a lv e h i c l e ，s o u n dp r e s s u r e l e v e l so ft h es e v e nm e a s u r i n gp o s i t i o n sd i f f e r e di nt h ep a s s e n g e rd o o ra r e a 1 n l es o u n d t r a n s m i s s i o nl o s sm e a s u r e m e n t sc o n s i s t e do ft h r e ep a r t s ：t h ec o m p a r i s o no fi n t e r i o r n o i s e ，c o m p a r i s o no f d i f f e r e n tv e h i c l e sa n dc o m p a r i s o no f d i f f e r e n ts e a l i n gc o n d i t i o n s n ef i r s to n ev e r i f i e dm o s to ft h es o u n d e n e r g yt r a n s m i t t i n gt h r o u g ht h es e a la r e ai n t o t h ev e h i c l ei n t e r i o r n eo t h e rt w oc o m p a r i s o n sp r o v e dt h i sm e a s u r e m e n tm e t h o d c o u l dd i s t i n g u i s hd i f f e r e n ts e a l i n gc o n d i t i o n s t h em e a s u r e m e n ti nt h ev o l k s w a g e n l a bf o c u s e di nt h es o u n di n s e r t i o nl o s so fv e h i c l es e a l s ，b u tt h er e s u l td i f f e r e df r o mt h e o n ei nt h er e v e r b e r a t i o nr o o mt e s t t h et h e s i sc o m p a r e dt h et w om e t h o d sa n d c o n c l u d e df o u rf a c t o r sw h i c hm i g h ti n f l u e n c et h er e s u l t s ，s u c ha st h ep o s s i b l e r e f l e c t e ds o u n da tt h er e c e i v i n gs i d e ，t h ed i f f e r e n ti n c i d e n ta n g l e ，t h eq u a n t i t yo ft h e h i a b s t r a c t i n c i d e n ts o u n de n e r g ya n dd i f f e r e n ti n s t a l l a t i o np r o c e d u r e s t h et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo ft h ea c o u s t i cw a v e st h r o u g hav e h i c l es e a lw a s a l s od i s c u s s e di nt h i st h e s i s t h en o n l i n e a rb e h a v i o ro ft h er u b b e rm a t e r i a la d d su p t h ed i f f i c u l t yo f t h ep r o b l e m c o n s i d e r i n gt h eq u a n t i t yo f t h ei n c i d e n ts o u n dp r e s s u r e ， t h es o u n dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi sa s s u m e da sl i n e a ra c t i v i t y f i r s t , t h es e a l s c o m p l e xs e c t i o nw a ss i m p l i f i e di n t om u l t i p l ep a r t i t i o n s ；t h ed i s t a n c eb e t w e e nt w o m e m b r a n e sw a sd e t e r m i n e db yt h ec a v i t yo ft h es e a l t h es o u n dt r a n s m i s s i o nt h e o r y o fm u l t i p l ep a a i t i o n so nt h eb a s i so fm a s sl a ww a sa p p l i e d i ts h o w e dad i f f e r e n t t r e n di nt h eh i g hf r e q u e n c yr a n g e s o m eo t h e rf a c t o r ss h o u l db et a k e ni n t oa c c o u n t , s u c ha ss o u n dt r a n s m i s s i o nt h r o u g hs i d em a t e r i a la n dt h ei n f l u e n c eo fi n c i d e n ta n g l e w h e r e a s ，c o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，ad i f f e r e n tt r e n d i nt h eh i g h f r e q u e n c yr a n g ew a ss t i l lf o u n d s ot h el o n g i t u d i n a lw a v et r a n s m i s s i o nm e c h a n i s m c a nn o tb ea p p l i e da b o v et h er e s o n a n c ef r e q u e n c y w h e nt a k i n gi t sf i n i t es i z e i n t o a c c o u n t , b yt h eu s eo fs y s n o i s e ，t h ef l e x u r a lv i b r a t i o no ft h es e a lw a st a k e ni n t o a c c o u n t ，t h er e s u l tw a sq u i t es i m i l a rt ot h ee x p e r i m e n t a lo n ea th i g hf r e q u e n c y t h i s t h e s i sp r o p o s e dt od i s p a r tt h es p e c t r u mi n t ot w op a r t s b e l o wt h er e s o n a n c ef r e q u e n c y , s o u n dt r a n s m i t t e dt h r o u g ht h em u l t i p l ep a r t i t i o n s ，t h em a s sl a ww o r k e dw e l l a b o v e t h er e s o n a n c ef r e q u e n c y , e s p e c i a l l yn e a rt h ec r i t i c a lf r e q u e n c y , t h ef l e x u r a lv i b r a t i o n o f t h es e a lw a l lp r e v e n t e dt h ei n c r e a s eo fi t ss o u n di n s u l a t i o np e r f o r m a n c e t h i st h e s i s u s e ds y s n o i s ea n dg o taq u i t ew e l lp r e d i c t i o na th i g hf r e q u e n c y , w h i c hv e r i f i e di t s h o u l dt a k ei n t oa c c o u n to ft h ef l e x u r a lv i b r a t i o na th i g hf r e q u e n c y t h en e wm o d e l c o m b i n e dt h em a s sl a wa tl o wf r e q u e n c ya n db o u n d a r ye l e m e n tm e t h o da th i g h f r e q u e n c yc o u l di n t e r p r e tt h es o u n di n s u l a t i o nm e c h a n i s mo f t h ev e h i c l es e a l s k e yw o r d s ：a e r o d y n a m i cn o i s e ，v e h i c l es e a l s ，f o r a m e dr u b b e r , t r a n s m i s s i o nl o s s i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电 子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规 定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢 利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于 学术活动。 学位论文作者签名： 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本 授权书。 指导教师签学位论文作者签名： 名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 签名： 年月日 第1 章引言 1 1课题背景 第1 章引言 汽车噪声是衡量汽车质量水平的重要指标，也是世界汽车工业的重要课 题。汽车的噪声源有多种，例如发动机、变速器、驱动桥、传动轴、车厢、玻 璃窗、轮胎、继电器、喇叭、音响等等都会产生噪纠。 随着人们对环保的日趋重视以及对现代汽车舒适性的要求，汽车噪声越来 越成为一项重要的指标，影响着人们的购车选择。实际上，噪声的大小反映了 汽车的质量和技术性能的高低。国际上汽车行业竞相加大用于噪声方面的投 资，以提高产品的品质吸引顾客。解决汽车的噪声是一项涉及到整车方方面面 的技术问题，包括发动机的结构、材料质量分布、工艺水平、装配密封性等 等。 一般而言，轿车的噪声主要有三个来源：汽车机械部件产生的噪声，例如 发动机和驱动桥等；轮胎路面噪声；空气动力性噪声【2 】【3 】。这三个来源随着速 度的增加依次变得显著。由轿车驱动系统引起的噪声称为第一类噪声，一般轿 车启动时就会产生，并随车速增大而增大。当车速升高至1 0 0 公里4 , 时左 右，轮胎路面的噪声随之增大，被称为第二类噪声。当车速超过1 0 0 公里d , 时，空气动力性噪声迅速增加，被称为第三类噪声。经过测定，轿车在高速区 间，空气动力性噪声的声级会以车速的5 7 次幂( 乘方) 增强，而第二类噪 声仅以车速的3 , - - - , 4 次幂增强 4 】。轿车速度在1 2 0 公里d , 时左右，迅速增强 的第三类噪声与第二类噪声的声级相同。当轿车速度继续增加，第三类噪声就 会超过其它噪声成为主要的噪声。 噪声是多因素造成，因此防噪也得从多方面着手。汽车噪声可以由轮胎， 发动机等的升级进步来降低或消除，如使用新式的轮胎、电动引擎等；而对车 内人员，密封条则起到重要的隔声降噪效果，可以防止发动机噪声、轮胎噪声 和空气动力性噪声传递至乘员厢嘲。对于高速行驶的轿车，由于负压的作用， 车体向外扩张，缝隙增大，将导致车内噪声的提高，此时密封条的隔声性能更 具重要意义。汽车密封条在车门密封的效果方面发挥着重要作用，是汽车车内 第l 章引言 隔声降噪方面的重要组成部分。因此对汽车密封条有着研究的价值。 1 2 研究的目的和意义 舒适性是现代汽车质量的主要指标之一，车内噪声不仅影响乘坐舒适性和 语言清晰度，而且还是衡量整车动态性能的一项重要指标。车内噪声( 包括结 构声和空气声) 的降低需要综合采取多种措施，包括噪声源的降低、车体结构 隔声性能的提高等，而密封条的使用是提高车体整体隔声性能的重要措施之 一，可有效抑制空气声进入车内。通常密封条的降噪效果为2 1 0 d b ( a ) 。目 前，包括日本、韩国、美欧各发达国家的汽车公司均十分重视汽车密封件的隔 声效果，并己在汽车公司内部开展不同工况下汽车密封件隔声性能的研究，包 括静态试验和风洞内的动态试验【6 】【7 】【8 】【9 1 ，也在密封条的隔声性能计算上开展 研究工作，有采用简化模型进行计鲥6 1 ，也有采用a n s y s 、a b u q u s 等软件 进行建模计算【l o jl l l j 。 目前公开文献中有关密封条的试验和计算的文献数量较少，且国内在此方 面的工作还是一片空白。本论文的目的在于结合国内实际情况，探索汽车密封 件隔声性能的静态试验方法，建立试验系统并开展密封条隔声性能的研究，为 在原型车阶段对密封件的优化设计提供有力依据；进而实现有效的低噪声优化 设计、缩短密封件乃至车型部件的设计周期、保证密封件的优良性能、提高产 品竞争力，因此具有重要的理论和实际工程意义。 1 3 密封条行业的发展 汽车密封条行业正日益发展成为汽车工业中的一大重要组成部分。随着中 国汽车工业的不断发展，汽车橡胶密封条行业也必须不断创新，积极应用新材 料、新工艺、新装备，不断开发新的橡胶密封条产品以满足不同用户的需求。 各种新材料、新技术正在代替许多传统的塑胶材料，推动市场进一步发展。汽 车门窗用橡胶密封条成为市场关注的热点。汽车用密封条主要起密封、减震和 装饰作用。具体而言，汽车密封件可以有效防止外部风雨、尘土等有害物质进 入车内，减小汽车在行驶中门窗等部位产生的震动以保持车内乘客的乘坐舒适 性。 2 第1 章引言 根据目前中国汽车年产量估计，； 0 1 0 年中国汽车密封条的需求量将超过 25 亿米。中国加入w t o ，国内汽车零部件工业已经受到冲击，国外先进厂 商开始在中国市场建设本土配套工厂，对密封条行业也提出r 新的挑战。汽车 工业对汽车密封条尤其是轿车密封条的性能要球越来越高，不仅需要具有优良 的密封性与环境隔离功能，而且要有舒适性和美观、安全、环保性能要求“1 。 汽车门窗橡胶密封条按断面形状可分为实芯制品( 圆形、方形、扁平形断 面形状) 、中空制品及金属一橡胶复台制品等类型。其中，金属一橡胶复合密封条 占6 0 以上。对于橡胶密封条来说断面设计至关重要。首先是密封厝边形 状、尺寸设计，矾侧密封唇边应以相同的、太小适当的力从车窗玻璃的两侧接 触玻璃如图1 1 所示。居边长度、薄厚应适当，过厚、过长会使玻璃升降阻 力偏大，过薄、过短又会导致玻璃得不到良好的引导和密封，产生振动、噪 音、漏雨现象；其次是断面底部形状、尺寸设计，车窗铜槽断面上有凸起，其 作用是为了装配导槽。因此导槽断面底部应设计出相应结构，既易于装入， 又能利用密封条自身的弹性附着在钢导槽内防止其脱出；最后是外搭边的形 状、尺寸，为了改善外观，导槽外饰面应与车身装密贴合州。 j i f l 。商v 1 _ 一i ， 图1 1 车窗玻璃密封条 密封条按在汽车上使用的部位和用途可分为：( 1 ) 车窗玻璃密封条：( 2 ) 车门密封条：( 3 ) 装饰条、嵌条；( 4 ) 其他密封条( 行李箱盖密封条、发动机 罩密封条、水箱密封条、应急门密封条等) 。 汽车密封条的橡胶材料有密实胶、海绵胶和硬质椽胶三种。硬质橡胶的硬 度可达邵氏a 9 5 。密封条的胶料较多使用耐老化、耐低温、耐水气、耐化学腐 蚀，特别是耐臭氧老化的三元乙丙橡胶( e p d m ) 。e p d m 可i ! l 与铜带、钢丝编 第l 章引言 织带、热塑性弹性体( t p e ) 、绒布、植绒、聚氨酯弹性体( p u ) 涂层、有机 硅涂层等复合使用，发挥防水、防尘、隔音、隔热、减振、防磨和装饰作用。 一般情况下e p d m 密封条可稳定使用十几年。也可选择具有良好耐臭氧性能及 良好耐老化性能的氯丁橡胶( c r ) 。考虑到常用胶料的工艺性能，有时还需要 选用并用橡胶，如天然橡胶( n r ) 与c r 及丁苯橡胶( s b r ) 三种橡胶并用或 聚乙烯( p e ) 、e p d m 及n r 橡塑并用型以改进耐臭氧性【l 4 1 。 近年来，随着热塑性弹性体( t p e ) 技术的不断发展和成熟，应用领域不 断扩展。在制造密封条的原材料中，以往采用的主要原材料三元乙丙橡胶也在 不断更新和发展。具有优良的物理性能，又有良好加工性能的新型e p d 卜1 可控 制分子中长链支化，使其硫化性能更好，并可提高挤出速度和产品的产量。新 型的热塑性弹性体如t p o 和t p v 等材料在汽车密封条中应用也越来越多。这 些材料既具有弹性体的优良工程性能，又具有塑料的优良特性，既方便加工， 又可回收重复利用，这些材料正在逐步取代e p d m 制品1 1 5 j 1 6 】。 对于辅助材料，主要是炭黑、骨架材料、补强剂、增塑剂和硫化剂等也在 不断开发新产品，应用于汽车密封条的生产中。橡胶助剂也正朝着高效、节 能、低污染性和低毒性的方向发展。 1 4 车门密封条系统的构成 常用的车门密封条由密实橡胶与管状海绵密封条组成，海绵部分受到车体 门框的压缩后提供密封功能。这是传统的密封形式，已经使用多年，一般情况 下密封性能令人满意。但在某些情况下，这种传统结构可能难以达到充足的密 封功能，例如在车速很高时，外部空气压力可能会超过海绵体提供的最大密封 力，从而引起密封失效。为了解决这一问题，有公司设计了一种新型密封型 材，将磁性橡胶引入海绵体中。实现的方法是在海绵体上挤出一层磁性涂层或 加入磁性嵌条，与车体金属框架直接发挥作用，从而增加海绵体的密封功能。 密封条是堵塞遮盖件周围形成间隙的橡胶件。密封条具有防尘，防水、防噪 音等密封作用。此外密封条在车身轻微振动时，能防止玻璃摇动，同时还可使 车身部位得到缓冲，密封条还能吸收汽车尺寸误差及装配不齐，使装配工作更 加容易。 轿车车门密封条由于结构和功能的不同分为两部分，第一部分为密封条泡 4 第1 章引言 体，其材料般为海绵橡胶，由于其弹性好，易变形，起到车门关闭时的密封 作用，同时弥补车门与门框之问的间隙不均匀性，为防止出现气垫现象，泡体 上留有排气孔。第二部分为密封条实心体，其材料为e p d m 密实橡胶，其一般 采用三元乙丙橡胶和t p e 热塑性弹性体，目前亦有厂家采用p v c 热塑性弹性 材料。密实橡胶内部含有由钢丝聚酯织带或钢带构成的骨架，密实橡胶和骨架 形成的“u 字形状，用于将密封条固定在轿车车门框上，使密封条装配时只 有较小的插入力，而拔出时密封条具有较大的保持力。同时在“u ”口处还有 海绵橡胶唇口，使密封条具有更为可靠的密封作用。“u ”形谷底还涂有不干 胶，以防止雨水渗入，避免车门框钢板锈蚀【1 3 1 1 1 7 m 引。 车门密封条结构复杂，由海绵胶、密实胶和骨架三部分组成，如图1 2 所 示。密实胶和骨架构成硬质夹持部。通过海绵泡体的挤压变形和密实橡胶黏附 在轿车车身的方式密封轿车车厢以起到介质密封，环境隔离和内外装饰作用。 密封条泡体的高度为1 5 - 3 0 m m ，形状为圆形、椭圆或自由形状。密封条泡体由 于壁厚很薄，因此在小的变形力的作用下可获得最大面积的密封效果。 i 曼 3 桑缮纳2 0 铀螽将转雅嘲 仃援密封条 幻箍密封条 仃撬誊封条 1 - m 缀藏2 一嚣浆 3 一密实豉 图1 2 三种密封条结构刚b j 由于橡胶材料的机械特性与金属材料的机械特性有很大区别，同时橡胶材料 的非线性特性，大变形，大应变为密封条的研究带来非常大的困难【19 1 1 2 0 1 t 2 h 。 1 5 密封条隔声测试研究 针对车门密封条的隔声性能，国际上目前有两类试验方法静态试验法 5 第1 章引言 和动态试验法。静态试验是模拟车体静止状态下测试车门密封条的隔声量，又 分直线段法和实车试验法两种。直线段法【2 3 】是截取一段直线段密封条在特定的 试验装置内进行的隔声性能测试。而实车试验法是将密封条安装在试验车上进 行隔声测试。由于车辆高速行驶( ) l o o k m h ) 时，受负压的影响，车门与车体的 间隙增大，密封条的使用状态也发生变化，降噪效果受到影响。因此，动态试 验是汽车在一定的行驶速度条件下，测量密封条的隔声量。典型的有风洞试验 法和公路试验法。 2 0 世纪9 0 年代初， m k o i k e 和y f u k u m i t s u 【6 j 利用混响小箱测试密封条 插入损失。箱内扬声器发声，在小箱( 见图1 3 ) 内部产生混响声，密封条试件 安装在箱体上。由于箱体采用了不规则形状，试件表面形成无规入射声。在混 响小箱外，利用声强探头测量密封条安装以及未安装时的声强级差。受到箱体 尺寸的限制，测试频率范围选择在中高频( 1 0 0 0 4 0 0 0 h z ) 。 w o nw o o kj u n g 和s h i nj o n go h 【7 j ，采用了另一种方法，见图1 4 。首 先，建立模拟汽车结构的方形箱体，将密封条试件安装于箱体壁面。箱外扬声 器正对密封条发声，传声器放置在箱内测试。对四种接触形状的密封条进行了 测试，并分别记录不同压缩条件箱内的a 计权声压级。压缩量为一3 、一2 、一 1 、0 、1 、2 、3 、4 、7 ，单位：毫米。其中负值表示封条与车身未接触，并且 有1 3 毫米的缝隙；0 值表示密封条与车身接触，但是未发生挤压变形；正值 反映了密封条的压缩量从l 7 毫米。实验结果表明，增加密封条的压缩量并 不能明显改善隔声性能，重要的是保持密封条与车身的接触，避免产生缝隙。 图1 3 混响小箱图1 4 模拟的汽车结构 6 第1 牵引言 由于高速行驶( l o o k m h ) 时，受负压的影响，密封条的使用状态发生变 化，车门与车身结构的容易产生缝隙，降噪效果会受到影响。因此动态试验法 是汽车保持一定的行驶速度，测量密封条安装在车体上的隔声量。 利用风洞研究车外气流噪声的文献较多，例如，1 9 9 9 年k e n j io n o 、 r y u t a r oh i m e n o 和t a t s u y af u k u s h i m a 【4 】研究汽车高速行驶时( v = 1 2 0 k m h ) 车体外形对车内声级的影响。由于风洞造价昂贵，目前尚未有研究者利用风洞 针对车门密封条隔声性能进行测试。因此，对车门密封条动态隔声量的研究更 多的还是采取公路试验法。 公路试验法是在测试车辆内部安排测点，记录车辆在公路行驶时的车内声 级。1 9 9 8 年，cp e n g 和m o r r e ym a 博j 围绕车门设置7 个测点，对不同车速密 封条隔声性能变化进行研究。由于在公路行驶中，噪声源的不稳定性，每种封 条安装工况都需要测试三次，单次测量时间为一分钟。一共分三种安装条件： ( 1 ) 车门完全密封，模拟最优化的密封条；( 2 ) 未安装密封条，保留车门与 车身结构的缝隙；( 3 ) 单独截取出i ，2 测点处封条。车速为8 0 、9 5 、1 3 0 、 1 6 0 k p h 。通过比较车内7 个测点声级数据，发现测点7 车内声级较大，分析原 因是车门底部只采用了一道密封条，而其它测点区域均为两道封条。 公路实验法除了使用定点测量外，部分研究人员还利用了近期比较成熟的 声线成像法f 2 3 11 2 4 】【2 5 1 。测量时，一般是在试验公路上，让车匀速行驶。在汽车 之内，传声器阵列正对前座乘客门，距离车门4 5 c m 。这个距离能够让测量人员 得到整个车门区域的声场信息，并且实验装置不会妨碍到驾驶员。为了预防汽 车车身振动传递到传声器阵列，实验设备与车体采用柔性连接。同时为了减少 声波的反射和其他声源的干扰，在被研究的区域周围尤其是传声器的后方都安 装了泡沫障板，具体如图1 5 所示。 7 第1 章引言 图i5 声线成像法测量示意图 1 6 降低车内噪声的方法 近年来，世界上众多汽车公司为降低汽车车内噪声采取了诸如动力性能的改 进、采用低噪声轮胎、优化车身外形设计、提高车身密闭性、以及车内吸声处 理等措施。 1 6 1 低噪声轮胎 当运动的轮胎与路面接触时，一方面外胎结构的不均匀性及路面的粗糙性 引起轮胎振动；另一方面，轮胎和路面的接触区产生切向力。部分切向力导致轮 胎在路面上的滑移。引起轮胎外胎形变的摩擦牯滞力以及外艚的滑移导致轮胎 表面的振动，从而产生可听声。在轮胎接地前缘处，胎面变形下沉，空气突然 被从压缩的花纹沟及路面之间的小空隙中挤出：在轮胎接地后缘处，轮胎离开 路面，花纹沟槽及路面小空隙迅速扩张恢复，空气被吸入扩张的空腔，这两个 过程被成为空气泵吸效应。这样，空气在接地前缘处被排出，在后缘处被吸 入，产生了瞬态空气体积流，这种体积流产生了无方向性的单极子噪声源，被 称为泵吸( h l rp u 呻i n g ) 噪声“”。 就轮胎本身来说，影响其噪声的困素可分为设计因素和工况因素田j 。设计 因素包括结构设计、花纹设计和材料等。通常情况下纵淘花纹轮胎的噪声小于 横沟花纹的轮胎，对于小轿车等城市轻型车辆可以多采用纵沟轮艏。另外通过 第l 章引言 改变轮胎花纹的节距、排序和错位等措施，可以使轮胎噪声频谱图和时域图 上，其曲线整体及其峰值降低、变化趋势平缓、使人耳感觉的烦恼程度降低2 8 】 1 2 9 1 1 6 2 良好的风动外形设计 从时速不超过5 0 k m h 的马车型汽车，发展到现在的流线型汽车时速可以 达到2 0 0 一- - 3 0 0 k m h ，汽车工业的发展给人类社会带来了巨大而深刻的变化。随 着汽车行驶速度的不断提高，随之出现的与汽车气动性能有关的问题也越来越 多，如空气阻力( 当车速达到2 5 0 - - - 3 0 0 k m h 时，空气阻力占总阻力的5 0 以 上) 、气动噪声以及对周围环境的影响等，均与汽车外形的流线程度有关1 3 0 。 为此，必须优化车体外形以减少空气阻力等对汽车的影响。研究表明车外 气流在汽车头部开始分流，而汽车外形的变化使流速开始加快。在汽车的顶部 和底部产生高速区，且在车顶部分产生最高流速，然后开始逐渐回落。汽车尾 流中有纵向的涡流产生，随尾流的发展，涡流由强到弱，涡心降低( 逐渐接近 轨面) ，涡核向外移动。故在汽车外形发展设计研究时，应尽量将汽车外形设 计成流线型，外形曲面曲率不应出现突变或变化过大，避免产生流动分离【4 】 1 3 1 1 。 1 6 3 优化的密封系统 车内噪声( 包括结构声和空气声) 的降低需要综合采取多种措施，包括噪 声源的降低、车体结构隔声性能的提高等，而密封条的使用是提高车体整体隔 声性能的重要措施之一，可有效抑制空气声进入车内m j 。实验证明，使用双道 封条的隔声效果比使用单道封条提高l - 3 d b ( a ) ；如果用铅条将车门车身缝 隙完全封闭，车内噪声将会进一步出现l - 3 d b ( a ) 的降低【6 】。因此密封条系 统的优化也是降低汽车车内噪声的重要一环。 1 6 4 车内吸声处理 汽车室内噪音来自于发动机和传动系统的运转，轮胎与路面的摩擦，车体 与空气的摩擦，以及车体钢板与各种部件的共振等。因此，解决汽车室内噪音 9 第1 章引言 就要尽量隔绝车外噪音使之尽量少地传入车内，充分吸收传入车内的噪音使之 尽量少地产生混响，在此基础上，减少车体及车内各种部件的共振。在汽车 上使用的隔音降噪材料应该尽可能满足以下标准1 】【3 3 】： ( 1 ) 材料要轻，轻量化是整个汽车制造领域发展的大趋势，轻量化材料 施工后不会使车身自重增加太多，增加油耗。 ( 2 ) 在宽频带范围内隔音性能和吸音性能好，隔音吸音性能长期稳定可 靠。 ( 3 ) 有一定强度，安装和使用过程中不易破损，不易老化，耐候性能 好，使用寿命长。 ( 4 ) 外观整洁，没有污染。防潮防水，耐腐防蛀，不易发霉。不易燃 烧，最好能防火阻燃。 ( 5 ) 环保材料，不含石棉、玻璃纤维等有害物质。 ( 6 ) 材料本身便于施工，如：便于裁剪，粘贴牢固等。 传统的汽车降噪方法，往往采取多种材料( 如橡胶板、吸音毡或海绵、沥 青板等等) 分别进行隔音、吸音、减振处理。这种方法施工繁琐、成本高、不 环保、不防火或不防水，而且如果处理的不够专业的话，难以达到理想的降噪 效果。目前常见的是丁腈橡胶聚氯乙稀( n b 泖v c ) 阻燃橡塑海绵，其材质 为橡胶与p v c 的复合发泡体，柔软富有弹性，发泡体为半开孔半闭孔结构，集 隔音、吸音、减振、隔热等多种功能于一体。 1 7 密封条隔声的理论研究 车门密封条在车外噪声传入车内的过程中起到重要的阻隔作用，其隔声性能 影响着车内的声环境和舒适性。对密封条隔声模型的研究对于分析密封条的隔 声机理至关重要。 早期，对汽车噪声的研究主要集中在发动机振动以及轮胎路面噪声。随着 技术的进步，密封条隔声性能的不足引起了越来越多科研人员的注意。但是考 虑到其结构的复杂性，以及汽车工业中声学专业人员的匮乏，密封条隔声的预 测计算一直是一个棘手的问题。 在上个世纪9 0 年代，研究主要集中在密封条缝隙的漏声方面。由于汽车行 驶中车外负压的影响，密封条与车身的接触可能出现脱离，由此会导致车内噪 1 0 第1 章引言 声的急剧上升。声学界对缝隙漏声的研究比较充分【3 4 1 。 进入2 1 世纪，随着计算机性能的提高和各种软件的发展和开发，有限元 ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 已经广泛的应用于汽车工业【3 5 】【蚓【3 7 】【3 8 】。部分文 献利用有限元软件对密封条进行分析，其中对车门密封条关闭力的研究比较多 见【1 8 】【4 0 ”1 】【4 2 】【4 3 1 。然而，由于感兴趣的噪声频谱特别宽，有限元法在进行声学 分析时经常受制于橡胶材料性能的制约。 在2 0 世纪9 0 年代初，密封条的简化模型 6 1 首次被提出，并得到发展和应 用。密封条的截面结构被简化为多层板，板的间距由空腔的尺寸决定， a l o n d o n 的多层板隔声公式被应用与预测密封条的隔声量 4 4 1 【4 5 l 1 。 在国外，众多汽车生产企业非常重视c a e ( 计算机辅助工程) 技术在产品 设计中的应用。c a e 技术为计算机的辅助工程，尽管c a e 技术目前还没有确切 的定义，一般认为它是一个包含数值计算技术，数据库，计算机图形学、工程 分析与仿真等在内的一个综合性软件系统，其核心技术是工程问题的模型化和 数值实现方法。c a e 技术主要借助有限元分析方法，提高产品设计过程中最为 重要的性能质量。汽车在设计阶段就要靠c a e 技术分析预测技术的实施，帮助 设计者通过仿真分析和预测，在产品定型和投产前提高性能质量，降低设计成 本，尽可能的减少试验次数，节约资金，缩短产品投入市场的时间。 最近十年来，计算机的飞速发展使有限元方法在分析复杂的密封条隔声方 面成为可能。有限元方法( f e m ) 是目前工业方面最流行的工具，也是在预测 复杂结构的低频振动方面最合适的方法。然而，有限元方法也有一个明显的缺 点，它很难用于高频分析。不仅仅是因为高频计算所需要的计算能力高，主要 是因为高频计算需要相当精确的材料参数h 7 】 4 8 】【4 9 】【5 0 1 。 1 8 本文主要的研究内容 1 8 1 混响室法密封条隔声测试研究 密封条隔声测试方法，受其截面尺寸的影响，近2 0 年来没有取得突破性 的进展。国际上目前通行的测试方法主要是着重静态隔声性能测试的混响室法 以及动态测试的公路测试法。由于在公路测试法中容易受到其他因素的影响， 例如车体振动传声、声源的不稳定性等，因此不利于对密封条的隔声性能进行 第1 章引言 研究。本文针对直线段密封条进行的混响室消声室法测试研究，利用了混响室 以及消声室之间的消声通孔，将密封条构件安装于钢板安装部件之上，安装部 件与车门结构一致。实验内容包括接收端测点位置测试、声压和声强测试方法 的比较、不同密封条件隔声性能的排序。 1 8 2 半消声室法密封条隔声测试研究 半消声室法测试主要针对密封条安装于试验车上的情况。利用扬声器组在 车身外形成平面入射声场，通过对车内乘客人耳位置声压级数据的比较，得出 车门密封条隔声性能的优劣。在实验前，对半消声室进行声