汽車聲學包設計

張洪磊，靳干，曹維福

（江淮汽車技術中心，安徽合肥230601）

汽車聲學包設計

張洪磊，靳干，曹維福

（江淮汽車技術中心，安徽合肥230601）

對汽車聲學包材料的選取做了系統的說明，同時介紹了汽車聲學包的吸音隔音部件與鈑金之間的配合關系，說明了運用聲學包降低嗓聲手段的重要性和可行性。

汽車聲學包；材料；聲學處理

0 引言

隨著汽車市場競爭的日益激烈和市場對汽車產品要求的日趨多樣化，汽車噪聲危害逐漸被人們所認識，要求降噪的呼聲日益高漲。掌握整車噪聲性能優化技術，是汽車正向設計技術的核心競爭力之一，也是現有車型振動噪聲性能改進的重要關鍵內容。振動噪聲控制和研究更加受到重視，汽車降噪必須從源頭著手進行 “主動降噪”。其方法包括：優化發動機和車身結構、提高車身剛度、改進懸置系統，以及提高零部件的加工精度和裝配質量等，以將噪聲源和噪聲傳播路徑最小化。然而，主動降噪措施很難做到盡善盡美。作為主動降噪的必要補充，被動降噪不可或缺。因此運用聲學包降噪就應運而生。文中主要介紹了汽車聲學包的常用材料選擇及車身的聲學處理。

1 汽車聲學包定義

汽車聲學包是指和汽車NVH有關的各類吸音隔音部件的總和，如前圍隔音隔熱墊、頂棚、地毯等。圖1所示為某高級轎車的整車聲學包零部件的示意圖。

2 材料選用及遵循原則

對于聲學包零部件，最為重要的性能就是其吸隔音性能，即要求材料在寬頻帶范圍內隔音性能和吸音性能好，且隔音吸音性能長期穩定可靠。但是往往材料的吸隔音性能與其價格成正比，因此在選取優良的吸隔音材料的同時，也要考慮整車的價格定位。

2.1 材料選用及遵循原則

（1）材料的輕量化。輕量化是整個汽車制造領域發展的大趨勢，采用輕量化材料施工后不會使車身自重增加太多。

（2）環保特性。車廂內的聲學包材料當中不應含石棉、玻璃纖維、酚醛樹脂、重金屬鉛等對人體有害的物質，最大限度地保證乘駕人員的身體健康。

（3）氣味性。由于聲學包中的地毯、頂棚、隔音墊等部件位于乘客艙內，因此要求聲學包所用的材料應該滿足相應的氣味性要求。

（4）防霉性。由于外前圍隔音墊、輪罩、翼子板密封件等聲學包部件位于車廂外部，在汽車的行駛過程中極易吸附雨水霧氣等，且地毯等部件在人為的作用下吸附水分之后，容易發生霉變，故對聲學包部件的防霉性提出一定的要求。

（5）阻燃性。汽車的內飾件必須滿足阻燃性國標，不易燃燒，最好能防止燃燒。標準：GB 8410-2006《汽車內飾材料的燃燒特性》［1］。

除此以外聲學包還具有量身定做性：不同的車輛有不同的聲場特性和噪聲特點，要達到理想的降噪效果，就需要有針對性的解決方案，體現在用料類型、數量和施工部位上，都會因車型不同而有所區別，故可稱之為量身定做。

2.2 聲學包的常用材料選擇

阻隔噪聲傳播的有效途徑主要是：密封、止震、隔音、吸音。在減震基礎上再進行隔音、吸音以及密封處理，就可以達到安靜舒適的效果。在對全車進行隔音降噪的過程中，使用的隔吸音材料本身所具有的吸音性能好壞也會直接影響到降噪的效果。

理論上說來，任何一種材料 （物質）都不同程度的具有減震、隔音、吸音的能力。通過對常用的材料加以歸類，設計人員在進行聲學包設計之初就能夠選擇合適的吸隔音材料使聲學包達到最好的吸隔音優化效果。同時所選擇的材料必須滿足上述的特性［2］。

3 車身的聲學處理

入射到車身各個部位的車外噪聲，一部分被反射回去，一部分被車體和隔層吸收，一部分通過車體傳遞到車身內部。在多數情況下，車身壁板的隔聲量不夠，還需要車身多處附加聲學處理。這些聲學處理一部分是附加在車身結構壁板上，有些是附加在內飾件上。因此，車身結構設計之初就必須對車身的前圍板、地板、發動機艙等關鍵噪聲傳遞路徑進行分析，并加以聲學設計［3］。

3.1 前圍板的聲學處理及噪聲分析

一般說來，車身前圍板的外前圍隔音隔熱墊由于處于發動機艙，應該是吸聲為主；而內前圍應該以隔聲為主、吸聲為輔。

圖2中的前圍板內外均有均有較厚的吸音層，但鑒于外前圍有較多的固定螺栓，往往外前圍的厚度受到很大的限制。而內前圍的吸音層5的厚度通常在5～25mm之間。從聲學角度，吸音層5有效地保持車身鋼板與第6層質量層構成的雙層板隔聲結構的相互距離并同時起隔振和吸聲的作用。另外，吸音層設計的另一個要點就是盡量充滿可利用的空間，不留空腔。模塑的吸音層能夠與車身結構幾何形狀吻合，有效避免空腔，因此大部分中高級轎車均使用模塑的PU發泡層配以EVA或是TPO等。相比之下，由標準平板吸音墊裁剪拼成的內前圍隔音墊，由于空腔較多，其隔聲性能就受到很大的影響，但是其材料成本較低，仍被廣泛使用。

吸音層材料通常為發泡層、熱塑性纖維、樹脂纖維和針刺纖維。發泡層和熱塑性纖維吸音性能較好，但制造成本比泡沫墊塊和針刺纖維高。

從圖2穿通元件的聲學設計可以看出，圖 （b）是一種改進了的穿通元件密封設計。首先，穿通元件附件的吸音層和質量隔層被盡量地保留，發動機艙傳入駕駛室的噪聲受到了極大的控制。相比普通設計，穿通元件附件的隔聲效果明顯提高。

3.2 內飾件的聲學處理

汽車的車廂、行李艙等部位一般是采用雙層隔板的型式，這些部位一般由外圍板和內飾板組成，雙層之間是空氣層，利用這些雙層隔板，可以起到很好的隔音作用。

雙層隔板之間的密封性能對隔音效果也起了至關重要的作用，同時，空氣層的厚度并非越大越好，從隔音角度分析，就汽車車門來說，10cm的厚度是最理想的，高于這個厚度，隔音效果不會有明顯改善；而低于這個厚度，隔音效果及乘坐的舒適性就會大打折扣。此外，當雙入射聲波頻率處于雙層板的共振頻率時會產生共振現象，此時隔聲量大大降低。如果在兩層板間的空氣層中填以吸聲材料 （泡沫或纖維），由于材料的流阻特性，阻礙空氣的振動，就可以減弱共振的影響［4］。內飾件的聲學處理如圖3所示。

3.3 車身頂棚的聲學處理

從吸聲性能角度，頂棚的聲學處理的主要結構示意圖如圖4所示。

成型頂棚一般由三層組成，即表面裝飾層 （飾面）、泡沫層 （海綿襯底）及基材 （結構襯底）。頂棚的表面裝飾層很薄，空氣流阻很小，通常只起表面裝飾的作用；裝飾層后面的的海綿襯底一般厚2～4mm，對高頻噪聲有一定的吸收作用。真正影響頂棚內飾結構吸聲性能的是基材和其后面的空氣層。如果結構設計得當，基材本身的吸聲性能加上其后面的空氣層一起產生良好的吸聲效果。通常玻璃纖維復合結構的基材的聲學性能較好。表1為常用的基材材料和其聲學性能的比較［5］。

表1 常用的基材材料和其聲學性能的比較

一般情況下，為了增強及改善頂棚的聲學性能，往往在頂棚基材后面的空腔附加一層吸聲材料。同時頂棚背部的吸音棉可以給車頂鈑金提高阻尼減振的效果。

3.4 發動機艙的聲學處理

發動機艙包含有汽車最主要的幾個噪聲源，不僅有發動機噪聲，還有風扇噪聲、進氣系統噪聲等，因此對于發動機艙的聲學處理，往往要采用高吸聲系數的吸聲材料。

對于發動機艙的吸聲處理，首先采用的就是在發動機艙蓋后面以及在發動機后面 （前圍外板外部）附加一吸隔音墊，通常發動機蓋吸隔音墊由耐高溫、高吸聲性能的玻璃纖維材料制成，又或是用輕質的泡棉、棉氈材料制成，其厚度在15～35mm之間。通常為了方便安裝及固定吸音墊，往往將其外邊緣和開口處以及內邊緣局部壓平，但是邊緣壓平會對吸聲不利，所以應該盡量減少邊緣壓平的面積。

發動機艙吸聲處理的另一區域就是在發動機下部和前圍板上部附加吸音墊，其設計與艙蓋相近。

3.5 對于胎噪的聲學處理

輪胎噪聲是構成底盤噪聲的主要因素，是由輪胎與路面摩擦所引起的。一般的胎噪主要由三部分組成：（1）輪胎花紋間隙的空氣流動和輪胎四周空氣擾動構成的空氣噪聲；（2）胎體和花紋部分震動引起的輪胎震動噪聲；（3）路面不平造成的路面噪聲。

當汽車在高速運行時，輪胎空氣噪聲已經占了輪胎噪聲的絕大部分，因此對輪胎的空氣噪聲進行聲學處理顯得尤為重要。

對于輪胎的聲學處理，首先采用的是在輪胎上部使用一定聲學性能的輪罩，比如可以使用織物輪罩代替常用的塑料輪罩。織物輪罩多由耐腐蝕的PET和PP熱塑成型而成，厚度在3mm上下。另一種方法就是在輪罩背部粘貼一層吸聲材料。

在胎面及胎紋的設計無法自主改變的前提之下，為了防止較多的輪胎空氣噪聲傳入車廂，通過在車廂內的輪包上附加吸聲材料也可以在一定程度上改善減少傳入車內的輪胎空氣噪聲。對于此時的吸音處理，可采用鈑金＋吸音層＋基材的雙層隔吸音結構。例如瑞風和暢在前輪罩使用了織物輪罩，而在后輪包上采用了 “發泡層＋硬質棉”的隔吸音結構，從而在一定程度上隔絕了輪胎空氣噪聲傳入車廂內部。

3.6 地板的聲學處理

地板的聲學處理主要結構見圖5。

地板與前圍板的聲學處理相似，對于其吸音層也要求具有較好的吸收性能，同時能夠使車廂具有較好的保溫效果。常見的吸音層有幾種：一種是通過在回收的服裝加工廢料中加入樹脂，最后模塑成型，制成復雜的形狀，而與地板型面有良好的匹配；一種是在合成纖維中添加熱塑性材料 （如PP、酚醛樹脂），使其具有熱塑性能，可以模塑成復雜的形狀；還有一種就是將一定厚度的普通棉氈直接粘貼在質量隔層4下面，避免了熱塑成型，其加工成本低，但連通的空腔多，吸隔音效果受到很大的影響。

因地毯與內前圍的聲學處理類似，都是以隔聲為主、吸聲為輔，故第4層質量隔層常采用EVA、EPDM、PVC、TPO等高分子材料，以提高地毯的隔聲性能。有時從整車的成本考慮，也往往使用硬質棉氈或酚醛樹脂替代，但其隔聲吸聲會受到較大的影響。

第5層的地毯植絨是地毯的毯面，植絨厚度一般在6～8mm，且具有一定的吸聲性能。植絨層的吸聲系數雖然低于很多吸聲材料，但是由于地毯的毯面面積大，它對車廂內的噪聲也有很大的影響［6］。

此外，地板雖然沒有前圍板那樣的穿通元件，但是地毯在多處還是有局部開口，如座椅的四腳固定點，變速操縱臺等。這些局部區域也需要特殊的密封級聲學處理，使其隔聲效果不亞于地板的其他區域。

3.7 側圍空腔聲學處理

焊接完成后的白車身側圍上存在一些封閉的箱體加強梁結構，即所謂的 “旁路空腔結構”，如A、B、C柱，門檻，前圍和側圍等。空腔除了會傳遞車外噪聲，如發動機噪聲、排氣管噪聲、風噪和胎噪外，當汽車高速行駛時，這些空腔中還會產生高速氣流。高速氣流通常會引發兩大問題：首先，由于空腔不均勻，管阻大，導致高速氣流與空腔障礙物之間發生摩擦，從而在空腔壁處形成渦流，最終產生湍動氣流噪聲；其次，湍動氣流會引起空腔板金件共振，從而產生共振噪聲。同時，旁路空腔就象樂器的共鳴箱，會引起空腔噪聲的共鳴，有放大噪聲的作用。因此，由空腔引發的 “旁路噪聲”必須引起重視。目前，采用密封技術來封堵空腔是解決旁路噪聲問題較理想的方法。

有時，出于成本的考慮，也采用填充泡綿的方法對側位空腔進行處理。具體做法就是人工在A、B、C處的空腔開口處放入吸音海綿，使其充滿整個空腔，從而阻止氣流的高速流動，兼具一定的吸聲效果。往往這種方式對于后部存在較大空腔的兩廂車型具有較大的意義，比如和悅RS在側圍后部空腔就使用方塊海綿填充，對從空腔傳入的車外噪聲有一定的吸收作用［7］。

4 結束語

隨著科學技術的進步和汽車用戶對車輛要求的不斷提高，整車噪聲性能優化技術在汽車工程開發中正顯現出越來越重要的地位。合理運用汽車聲學包可以有效降低汽車駕駛室內的嗓聲，汽車聲學包的設計在汽車開發中是不可缺少的一部分。

【1】全國汽車標準化技術委員會.GB 8410-2006汽車內飾材料的燃燒特性［S］.北京：中國標準出版社，2006：1－7.

【2】泛亞內飾教材編寫組.汽車內飾設計概論［M］.北京：人民交通出版社，2012：139.

【3】彭華勇.汽車車內噪聲分析與控制方法研究［J］.科技資訊，2011（11）：113.

【4】婁潔.淺談汽車噪聲及其控制技術［J］.蕪湖職業技術學院學報，2009（4）：4－7.

【5】馬迎麗.探討汽車內飾材料、工藝的應用及發展趨勢［J］.華東科技：學術版，2013（7）：484.

【6】丁華生.汽車噪聲及車內噪聲控制［J］.世界汽車，2000（11）：11－13.

【7】李新霞，宋國智，范曉龍，等.空腔噪聲測量技術探討［J］.噪聲與振動控制，2013（4）：223－226.

Design of Acoustics Package for Automobile

ZHANG Honglei，JIN Gan，CAOWeifu
（Technical Center，Jianghuai Automotive Co.，Ltd.，Hefei Anhui230601，China）

A systematic description on materials selection of automotive acoustics packagewas done.The relationship between sound insulation components ofautomotive acoustics package and sheetmetalwas introduced.The importance and feasibility of using acoustics package to reduce vibrations and voice was illustrated.

Acoustic package；Material；Acoustic treatment

2014－01－27

張洪磊（1987—），男，學士，助理工程師，研究方向是汽車內飾結構設計。E-mail：zhl69532585＠163.com。