車身空腔用膨脹膠塊聲學(xué)性能影響因素分析

齊海東　張俊華

摘要：膨脹膠塊作為汽車側(cè)圍空腔填充材料已經(jīng)應(yīng)用多年，用于阻隔空氣噪音和結(jié)構(gòu)噪音的傳播，阻隔水和空氣進(jìn)入汽車內(nèi)部空間。其聲學(xué)性能的傳統(tǒng)量化方法是在整車上分別測(cè)量增加和去掉膨脹膠塊之后車內(nèi)噪聲，該方法比較耗時(shí)耗成本。本文采用SAE空腔填充材料聲學(xué)性能測(cè)試方法，基于現(xiàn)有膨脹膠塊的常規(guī)設(shè)計(jì)，分析了膨脹膠塊聲學(xué)性能影響因素。

關(guān)鍵詞：膨脹膠塊；隔音；插入損失；面密度

中圖分類號(hào)：TQ437 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2014）09-0076-04

近年來(lái)越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)主機(jī)廠以熱反應(yīng)型膨脹膠塊作為重要的汽車隔音降噪產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于車身空腔的密封，以阻斷車身空腔，防止車外的灰塵、水氣、氣流、噪聲、熱量等環(huán)境因素進(jìn)入乘員艙，對(duì)提高車身的舒適性具有重要作用。但是對(duì)于膨脹膠塊的聲學(xué)效果國(guó)內(nèi)尚沒有統(tǒng)一的測(cè)試方法。

本文參照美國(guó)汽車工程協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2846（空腔填充材料聲學(xué)性能的試驗(yàn)室測(cè)量方法），對(duì)目前膨脹膠塊比較流行的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行模擬測(cè)試，從設(shè)計(jì)、材料方面分析膨脹膠塊聲學(xué)性能影響因素，希望以此來(lái)指導(dǎo)膨脹膠塊產(chǎn)品的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 膨脹膠塊產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用

目前采用空腔膨脹膠塊密封技術(shù)對(duì)汽車空腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻斷，防止汽車行駛噪聲和風(fēng)噪聲在空腔的傳播，是汽車廠提高汽車的駕乘舒適性的重要方法。預(yù)成型膨脹膠塊由耐高溫塑料模具件和能高溫膨脹的材料組成，現(xiàn)有的汽車空腔膨脹膠塊支架材料和發(fā)泡材料的設(shè)計(jì)方式多種多樣，見圖1。然而隨著汽車車身內(nèi)密封部位的增多，單車應(yīng)用數(shù)量也相應(yīng)增加，因此對(duì)于傳統(tǒng)的、復(fù)雜的設(shè)計(jì)和制造工藝存在明顯的缺陷[1]。

賽道式設(shè)計(jì)由于具有工藝簡(jiǎn)單、易于成型、性價(jià)比高的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)主機(jī)廠和零部件生產(chǎn)廠都采用此設(shè)計(jì)方式，見圖2。應(yīng)用于汽車車身典型空腔有車身的A柱上部、A柱下部、B柱中部或下部、C柱、門檻、后輪罩等部位。

降噪效果的傳統(tǒng)量化方法是在整車上分別測(cè)量增加和去掉膨脹膠塊之后車內(nèi)噪聲，該方法比較耗時(shí)、耗成本且影響因素較多，單獨(dú)量化每個(gè)膨脹膠塊在車身上的效果十分困難。

2 膨脹膠塊隔音性能模擬測(cè)試方法

上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，聲音插入損耗測(cè)試方法在美國(guó)一些OEM已成為公認(rèn)的汽車車身用空腔填充材料聲學(xué)性能測(cè)試方法。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)和驗(yàn)證，2010年，美國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)建立了一個(gè)正式的插入損耗測(cè)試規(guī)范，即SAE J2846。該方法主要是測(cè)定插入損耗（IL：Insersion Loss）。IL指的是在空腔或通道中插入隔聲結(jié)構(gòu)前后接收位置的聲壓水平（SPL：Sound pressure level）的差異（圖3）。IL的測(cè)量是設(shè)定測(cè)量“之前”和“之后”聲源產(chǎn)生的聲壓級(jí)是相同的，需要分別測(cè)試填充前后空腔的聲壓水平。IL性能表示為：IL = SPL1-SPL2，圖4為典型的測(cè)試設(shè)備圖。

根據(jù)SAE J2846要求，制作如圖5所示的空腔和模擬測(cè)試樣件[2]。對(duì)于發(fā)泡材料，初始厚度根據(jù)所需要的面密度進(jìn)行控制。烘烤時(shí)，樣件用一個(gè)易于拆卸的支架支撐，烘烤結(jié)束后取下支架。

將密封后的試樣安裝在聲源室和接收室之間的間壁墻測(cè)試洞口的中心位置，安裝時(shí)樣品端朝向接收室，空腔朝向聲源室，見圖5，也可朝向接收室。在試件和測(cè)試洞口處應(yīng)留出至少10 mm縫隙，縫隙用密封膏填嵌。

聲壓級(jí)采用1/3倍頻程濾波器測(cè)量，單個(gè)中心頻率下的測(cè)試噪聲損失MNR（Measured Noise Reduction）計(jì)算公式見式（1）。

MNR=SPLs-SPLr （1）

式中：MNR—測(cè)試噪聲損失，dB；SPLs—聲源室聲壓級(jí)，dB；SPLr—接收室聲壓級(jí)，dB。

單個(gè)頻率下的插入損失按式（2）計(jì)算：

IL=MNRf-MNRb （2）

式中：IL—插入損失，dB；MNRf—填充后裝置的測(cè)試噪聲損失，dB；MNRb—無(wú)填充材料裝置的測(cè)試噪聲損失，dB。

3 膨脹膠塊隔音性能影響因素

理論上，一個(gè)膨脹膠塊阻止噪音的能力依賴它的質(zhì)量，質(zhì)量大的障礙比輕障礙更有能力阻止噪音通過。但是很重要的前提是必須為障礙提供一個(gè)完整的密封截面，因?yàn)樯踔凛^小的泄漏就可以導(dǎo)致大量的噪音傳播[3]。本文結(jié)合完整的模擬密封空腔研究各種因素對(duì)膨脹膠塊隔音性能的影響。

3.1 膨脹材料結(jié)構(gòu)

熱反應(yīng)型發(fā)泡材料有多種材質(zhì)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不盡相同，有半開孔和閉孔的，見圖6。材料剛度也有所不同，試驗(yàn)表明膨脹材料的結(jié)構(gòu)對(duì)材料的聲學(xué)性能影響較為顯著，見圖7。

在相同的面密度下，開孔材料和硬質(zhì)材料在中頻下表現(xiàn)出較好的性能，在高頻下軟質(zhì)和閉孔材料則顯示出好的隔音性能。

3.2 膨脹材料的面密度

對(duì)于同一種發(fā)泡材料，常規(guī)的理解是膨脹材料厚度越大其隔音性能越好。在本文中也得到了實(shí)際驗(yàn)證，2種材料的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖8。

對(duì)于通用的隔音材料，一般遵循質(zhì)量定律。對(duì)于給定的頻率，材料的面密度增加一倍，隔音量增加6 dB，從數(shù)據(jù)可看出，所采用的2種膨脹材料基本符合質(zhì)量定律。因此，對(duì)于一定的空腔結(jié)構(gòu)，增加膨脹材料可以提高膨脹膠塊的隔音性能。

3.3 膨脹材料的膨脹倍率

對(duì)于同一種膨脹材料，常規(guī)的理解是膨脹倍率越高其隔音性能越好。本文對(duì)膨脹材料通過加熱溫度不同進(jìn)行處理，使得材料的膨脹倍率控制在500%～800%，然后按照SAE J2846進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果對(duì)比見圖9。

總體上，膨脹倍率對(duì)材料的隔音性能沒有太大影響，在500～2 000 Hz的頻段，高膨脹倍率則表現(xiàn)出更好的隔音性能，在高頻部分，膨脹倍率高低對(duì)隔音性能的影響不大，性能基本接近。

3.4 尼龍材料面密度及剛度

尼龍材料作為膨脹膠塊的另一組成部分，占據(jù)了膨脹膠塊的大部分面積，對(duì)于膨脹膠塊的隔音性能起到重要作用。本文對(duì)同一種尼龍材料的不同面密度及同一厚度不同韌性的尼龍材料進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖10及11。其中，熱穩(wěn)定、改性熱穩(wěn)定、高韌性尼龍的缺口沖擊強(qiáng)度分別為：10 J/m2、45 J/m2、92 kJ/m2，數(shù)據(jù)越大，尼龍的韌性越好，剛度越小。

對(duì)于尼龍材料也遵循質(zhì)量定律。因此，對(duì)于一定的空腔結(jié)構(gòu)，增加膨脹膠塊的尼龍厚度可以提高膨脹膠塊的隔音性能。在相同的面密度下，熱穩(wěn)定和改性尼龍?jiān)谥懈哳l下表現(xiàn)出較好的性能，在高頻下高韌性尼龍則顯示出較好的隔音性能。

3.5 膨脹膠塊成品測(cè)試

以上從材料方面分析了材料的選型對(duì)膨脹膠塊隔音性能的影響，為了測(cè)試成品的隔音性能，本測(cè)試選用了在車身空腔中實(shí)際使用的兩個(gè)零部件，兩個(gè)膨脹膠塊采用的材料完全相同，膨脹材料的厚度及尼龍材料的厚度也相同，區(qū)別在于膨脹膠塊所處車身的空腔截面形狀不一致。按照兩種膨脹膠塊的形狀做相應(yīng)的測(cè)試通道，樣品1與測(cè)試的通道形狀接近，樣品2則為狹長(zhǎng)形，經(jīng)高溫加熱膨脹材料反應(yīng)密封住整個(gè)空腔。然后按照SAE J2846進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖12。

從圖12可以看出，盡管膨脹膠塊的材料及厚度相同，由于大小及形狀不同，并不能得到一致的隔音性能。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因需要進(jìn)行進(jìn)一步分析。

以上僅是針對(duì)零部件進(jìn)行的測(cè)試，具體到車身上由于受膨脹膠塊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)多樣，車身上的布置位置多變，車身空腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不一等因素的影響，膨脹膠塊在車身上的綜合效果也不一樣，需要結(jié)合CAE分析工具進(jìn)行不斷分析和優(yōu)化，才能達(dá)到最佳效果。

4 結(jié)論

（1）膨脹膠塊的隔音性能與膨脹材料和尼龍材料面密度、材料結(jié)構(gòu)、膨脹率等有關(guān)。對(duì)于同一材料，增加材料的質(zhì)量（面密度），材料的隔音性能增加。增加材料的韌性，在某些頻段，隔音性能會(huì)增加。增大膨脹材料的膨脹倍率對(duì)隔音性能基本無(wú)影響。

（2）對(duì)于成品的測(cè)試，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、截面形狀多樣，尺寸與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試樣板偏差較大，因此并不能得到一致的性能，對(duì)于成品的隔音性能需要進(jìn)一步研究。

（3）對(duì)于現(xiàn)有材料的組成在中低頻階段的隔音性能數(shù)據(jù)尚欠缺，需要材料供應(yīng)商對(duì)材料不斷進(jìn)行改善以適應(yīng)更寬頻率下的隔音效果。

（4）增加膨脹膠塊的質(zhì)量可以提升材料的隔音效果，但同時(shí)會(huì)增加膨脹膠塊的成本。為平衡成本和隔音性能，需要從材料的選型和膨脹膠塊的設(shè)計(jì)方面進(jìn)行綜合考慮。

參考文獻(xiàn)

[1]Kurt M Lilley，Phil E Weber.Vehicle acoustic solutions [R].SAE，2003（01）：1583.

[2]SAE International Surface Vehicle Recommended Practice，Laboratory Measurement of the Acoustical Performance of Body Cavity Filler Materials[S].SAE Standard J2846，Issued May 2010.

[3]Pranab Saha，Robert D Myers.Importance of sealants for interior noise control of automobiles[R].SAE，1992 （01）：920412.