汽车声学包设计

汽车声学包设计张洪磊;靳干;曹维福【摘要】对汽车声学包材料的选取做了系统的说明，同时介绍了汽车声学包的吸音隔音部件与钣金之间的配合关系，说明了运用声学包降低嗓声手段的重要性和可行性.【期刊名称】《汽车零部件》【年(卷)，期】2014(000)004【总页数】4页(P48-51)【关键词】汽车声学包;材料;声学处理【作者】张洪磊;靳干漕维福【作者单位】江淮汽车技术中心，安徽合肥230601;江淮汽车技术中心，安徽合肥230601;江淮汽车技术中心，安徽合肥230601【正文语种】中文随着汽车市场竞争的日益激烈和市场对汽车产品要求的日趋多样化，汽车噪声危害逐渐被人们所认识，要求降噪的呼声日益高涨。掌握整车噪声性能优化技术，是汽车正向设计技术的核心竞争力之一，也是现有车型振动噪声性能改进的重要关键内容。振动噪声控制和研究更加受到重视，汽车降噪必须从源头着手进行〃主动降噪”。其方法包括：优化发动机和车身结构、提高车身刚度、改进悬置系统，以及提高零部件的加工精度和装配质量等，以将噪声源和噪声传播路径最小化。然而，主动降噪措施很难做到尽善尽美。作为主动降噪的必要补充，被动降噪不可或缺。因此运用声学包降噪就应运而生。文中主要介绍了汽车声学包的常用材料选择及车身的声学处理。汽车声学包是指和汽车NVH有关的各类吸音隔音部件的总和，如前围隔音隔热垫、顶棚、地毯等。图1所示为某高级轿车的整车声学包零部件的示意图。对于声学包零部件，最为重要的性能就是其吸隔音性能，即要求材料在宽频带范围内隔音性能和吸音性能好，且隔音吸音性能长期稳定可靠。但是往往材料的吸隔音性能与其价格成正比，因此在选取优良的吸隔音材料的同时，也要考虑整车的价格定位。2.1材料选用及遵循原则（1） 材料的轻量化。轻量化是整个汽车制造领域发展的大趋势，采用轻量化材料施工后不会使车身自重增加太多。（2） 环保特性。车厢内的声学包材料当中不应含石棉、玻璃纤维、酚醛树脂、重金属铅等对人体有害的物质，最大限度地保证乘驾人员的身体健康。（3） 气味性。由于声学包中的地毯、顶棚、隔音垫等部件位于乘客舱内，因此要求声学包所用的材料应该满足相应的气味性要求。（4） 防霉性。由于外前围隔音垫、轮罩、翼子板密封件等声学包部件位于车厢外部，在汽车的行驶过程中极易吸附雨水雾气等，且地毯等部件在人为的作用下吸附水分之后，容易发生霉变，故对声学包部件的防霉性提出一定的要求。（5） 阻燃性。汽车的内饰件必须满足阻燃性国标，不易燃烧，最好能防止燃烧。标准：GB8410-2006《汽车内饰材料的燃烧特性》［1］。除此以外声学包还具有量身定做性：不同的车辆有不同的声场特性和噪声特点，要达到理想的降噪效果，就需要有针对性的解决方案，体现在用料类型、数量和施工部位上，都会因车型不同而有所区别，故可称之为量身定做。2.2声学包的常用材料选择阻隔噪声传播的有效途径主要是：密封、止震、隔音、吸音。在减震基础上再进行隔音、吸音以及密封处理，就可以达到安静舒适的效果。在对全车进行隔音降噪的过程中，使用的隔吸音材料本身所具有的吸音性能好坏也会直接影响到降噪的效果。理论上说来，任何一种材料（物质）都不同程度的具有减震、隔音、吸音的能力。通过对常用的材料加以归类，设计人员在进行声学包设计之初就能够选择合适的吸隔音材料使声学包达到最好的吸隔音优化效果。同时所选择的材料必须满足上述的特性［2］。入射到车身各个部位的车外噪声，一部分被反射回去，一部分被车体和隔层吸收，—部分通过车体传递到车身内部。在多数情况下，车身壁板的隔声量不够，还需要车身多处附加声学处理。这些声学处理一部分是附加在车身结构壁板上，有些是附加在内饰件上。因此，车身结构设计之初就必须对车身的前围板、地板、发动机舱等关键噪声传递路径进行分析，并加以声学设计［3］。3.1前围板的声学处理及噪声分析一般说来，车身前围板的外前围隔音隔热垫由于处于发动机舱，应该是吸声为主；而内前围应该以隔声为主、吸声为辅。图2中的前围板内外卜均有均有较厚的吸音层，但鉴于外前围有较多的固定螺栓，往往外前围的厚度受到很大的限制。而内前围的吸音层5的厚度通常在5~25mm之间。从声学角度，吸音层5有效地保持车身钢板与第6层质量层构成的双层板隔声结构的相互距离并同时起隔振和吸声的作用。另外，吸音层设计的另一个要点就是尽量充满可利用的空间，不留空腔。模塑的吸音层能够与车身结构几何形状吻合，有效避免空腔，因此大部分中高级轿车均使用模塑的PU发泡层配以EVA或是TPO等。相比之下，由标准平板吸音垫裁剪拼成的内前围隔音垫，由于空腔较多，其隔声性能就受到很大的影响，但是其材料成本较低，仍被广泛使用。吸音层材料通常为发泡层、热塑性纤维、树脂纤维和针刺纤维。发泡层和热塑性纤维吸音性能较好，但制造成本比泡沫垫块和针刺纤维高。从图2穿通元件的声学设计可以看出，图（b）是一种改进了的穿通元件密封设计。首先，穿通元件附件的吸音层和质量隔层被尽量地保留，发动机舱传入驾驶室的噪声受到了极大的控制。相比普通设计，穿通元件附件的隔声效果明显提高。3.2内饰件的声学处理汽车的车厢、行李舱等部位一般是采用双层隔板的型式，这些部位一般由外围板和内饰板组成，双层之间是空气层，利用这些双层隔板，可以起到很好的隔音作用。双层隔板之间的密封性能对隔音效果也起了至关重要的作用，同时，空气层的厚度并非越大越好，从隔音角度分析，就汽车车门来说，10cm的厚度是最理想的，高于这个厚度，隔音效果不会有明显改善；而低于这个厚度，隔音效果及乘坐的舒适性就会大打折扣。此外，当双入射声波频率处于双层板的共振频率时会产生共振现象，此时隔声量大大降低。如果在两层板间的空气层中填以吸声材料（泡沫或纤维），由于材料的流阻特性，阻碍空气的振动，就可以减弱共振的影响［4］。内饰件的声学处理如图3所示。3.3车身顶棚的声学处理从吸声性能角度，顶棚的声学处理的主要结构示意图如图4所示。成型顶棚一般由三层组成，即表面装饰层（饰面）、泡沫层（海绵衬底）及基材（结构衬底）。顶棚的表面装饰层很薄，空气流阻很小，通常只起表面装饰的作用;装饰层后面的的海绵衬底一般厚2~4mm，对高频噪声有一定的吸收作用。真正影响顶棚内饰结构吸声性能的是基材和其后面的空气层。如果结构设计得当，基材本身的吸声性能加上其后面的空气层一起产生良好的吸声效果。通常玻璃纤维复合结构的基材的声学性能较好。表1为常用的基材材料和其声学性能的比较［5］。—般情况下，为了增强及改善顶棚的声学性能，往往在顶棚基材后面的空腔附加一层吸声材料。同时顶棚背部的吸音棉可以给车顶钣金提高阻尼减振的效果。3.4发动机舱的声学处理发动机舱包含有汽车最主要的几个噪声源，不仅有发动机噪声，还有风扇噪声、进气系统噪声等，因此对于发动机舱的声学处理，往往要采用高吸声系数的吸声材料。对于发动机舱的吸声处理，首先采用的就是在发动机舱盖后面以及在发动机后面（前围夕卜板外部）附加一吸隔音垫，通常发动机盖吸隔音垫由耐高温、高吸声性能的玻璃纤维材料制成，又或是用轻质的泡棉、棉毡材料制成，其厚度在15~35mm之间。通常为了方便安装及固定吸音垫，往往将其外边缘和开口处以及内边缘局部压平，但是边缘压平会对吸声不利，所以应该尽量减少边缘压平的面积。发动机舱吸声处理的另一区域就是在发动机下部和前围板上部附加吸音垫，其设计与舱盖相近。3.5对于胎噪的声学处理轮胎噪声是构成底盘噪声的主要因素，是由轮胎与路面摩擦所弓I起的。一般的胎噪主要由三部分组成：（1）轮胎花纹间隙的空气流动和轮胎四周空气扰动构成的空气噪声；（2）胎体和花纹部分震动引起的轮胎震动噪声；（3）路面不平造成的路面噪声。当汽车在高速运行时，轮胎空气噪声已经占了轮胎噪声的绝大部分，因此对轮胎的空气噪声进行声学处理显得尤为重要。对于轮胎的声学处理，首先采用的是在轮胎上部使用一定声学性能的轮罩，比如可以使用织物轮罩代替常用的塑料轮罩。织物轮罩多由耐腐蚀的PET和PP热塑成型而成，厚度在3mm上下。另一种方法就是在轮罩背部粘贴一层吸声材料。在胎面及胎纹的设计无法自主改变的前提之下，为了防止较多的轮胎空气噪声传入车厢，通过在车厢内的轮包上附加吸声材料也可以在一定程度上改善减少传入车内的轮胎空气噪声。对于此时的吸音处理，可采用钣金+吸音层+基材的双层隔吸音结构。例如瑞风和畅在前轮罩使用了织物轮罩，而在后轮包上采用了〃发泡层+硬质棉”的隔吸音结构，从而在一定程度上隔绝了轮胎空气噪声传入车厢内部。3.6地板的声学处理地板的声学处理主要结构见图5。地板与前围板的声学处理相似，对于其吸音层也要求具有较好的吸收性能，同时能够使车厢具有较好的保温效果。常见的吸音层有几种：一种是通过在回收的服装加工废料中加入树脂，最后模塑成型，制成复杂的形状，而与地板型面有良好的匹配;一种是在合成纤维中添加热塑性材料（如PP、酚醛树脂），使其具有热塑性能，可以模塑成复杂的形状；还有一种就是将一定厚度的普通棉毡直接粘贴在质量隔层4下面，避免了热塑成型，其加工成本低，但连通的空腔多，吸隔音效果受到很大的影响。因地毯与内前围的声学处理类似，都是以隔声为主、吸声为辅，故第4层质量隔层常采用EVA、EPDM、PVC、TPO等高分子材料，以提高地毯的隔声性能。有时从整车的成本考虑，也往往使用硬质棉毡或酚醛树脂替代，但其隔声吸声会受到较大的影响。第5层的地毯植绒是地毯的毯面，植绒厚度一般在6~8mm，且具有一定的吸声性能。植绒层的吸声系数虽然低于很多吸声材料，但是由于地毯的毯面面积大，它对车厢内的噪声也有很大的影响［6］。此外，地板虽然没有前围板那样的穿通元件，但是地毯在多处还是有局部开口，如座椅的四脚固定点，变速操纵台等。这些局部区域也需要特殊的密封级声学处理，使其隔声效果不亚于地板的其他区域。3.7侧围空腔声学处理焊接完成后的白车身侧围上存在一些封闭的箱体加强梁结构，即所谓的〃旁路空腔结构”，如A、B、C柱，门槛，前围和侧围等。空腔除了会传递车外噪声，如发动机噪声、排气管噪声、风噪和胎噪外，当汽车高速行驶时，这些空腔中还会产生高速气流。高速气流通常会引发两大问题：首先，由于空腔不均匀，管阻大，导致高速气流与空腔障碍物之间发生摩擦，从而在空腔壁处形成涡流，最终产生湍动气流噪声；其次，湍动气流会引起空腔板金件共振，从而产生共振噪声。同时，旁路空腔就象乐器的共鸣箱，会引起空腔噪声的共鸣，有放大噪声的作用。因此，由空腔引发的〃旁路噪声”必须引起重视。目前，采用密封技术来封堵空腔是解决旁路噪声问题较理想的方法。有时，出于成本的考虑，也采用填充泡绵的方法对侧位空腔进行处理。具体做法就是人工在A、B、C处的空腔开口处放入吸音海绵，使其充满整个空腔，从而阻止气流的高速流动，兼具一定的吸声效果。往往这种方式对于后部存在较大空腔的两厢车型具有较大的意义，比如和悦RS在侧围后部空腔就使用方块海绵填充，对从空腔传入的车外噪声有一定的吸收作用［7］。随着科学技术的进步和汽车用户对车辆要求的不断提高，整车噪声性能优化技术在汽车工程开发中正显现出越来越重要的地位。合理运用汽车声学包可以有效降低汽车驾驶室内的嗓声，汽车声学包的设计在汽车开发中是不可缺少的一部分。【1】全国汽车标准化技术委员会.GB8410-2006汽车内饰材料的燃烧特性［S］.北京：中国标准出版社，2006:1-7.【2】泛亚内饰教材编写组.汽车内饰设计概论［M］.北京：人民交通出版社，2012: