車身板件粘接阻尼材料的方法與實踐

徐豐辰，繆興和

（柳州市興拓工貿有限責任公司，廣西 柳州 545006）

在車身板件上粘接阻尼材料，用于降低車內噪聲，是振動、噪聲、舒適性（NVH）工程通常采用的方法，也是最有效的方法。

NVH工程的目標，是實現不同檔次、不同類型車內噪聲的要求。現有的標準是：國標GB/T 15089—2001（機動車輛及掛車分類）中，將乘用車劃分在M1類，GB 1495—2002（汽車加速行駛車外噪聲限值和測量方法）中規定，2005年1月1日以后生產的乘用車，噪聲要小于74 d BA，GB/T 25982—2010（客車車內噪聲限值及測量方法）中規定，對于中后置發動機的客車，乘客區的噪聲要小于76 d BA，歐洲議會新的車輛噪聲標準規定：未來12年，普通車輛噪聲標準由現在74 d BA降至68 d BA，大型載重車噪聲標準由現在81 d BA降至79 d BA。

直接影響車內噪聲的是車身的振動響應特性。車輛在運動過程中，主要受到來自3個方面的激勵，首先是發動機，第二是風噪，第三是路面輪胎摩擦，行駛中的風噪要靠車身的密封來解決，地面與輪胎的摩擦噪聲，要優化輪胎的設計，而發動機的激勵引發的振動噪聲是最主要的噪聲源。

振動產生的噪聲由2方面組成，一個是激勵，另一個是響應，激勵來自發動機，響應來自車身的固有特性。NVH工程解決的問題，是車身的固有特性，在相同的激勵下，車身的振動量級越小，則響應特性越好，工程上同樣希望來自發動機的激勵越小越好。

要實現車內噪聲標準，需制定車身板件的聲輻射標準、板件的振動級標準、發動機的激勵標準、阻尼材料的性能及粘接方法要求。實現這些標準及要求的核心，是阻尼材料的粘接方法和實踐。其中，粘接方法包括車身在什么狀態下需要粘接，在什么狀態下不需粘接，在什么狀態下不能粘接，這些要求的量化組合，形成了阻尼材料粘接的外部條件。

1 阻尼材料粘接方法的外部條件

1.1 發動機的激勵力

車內噪聲，是板件的聲輻射聲壓級與發動機激勵力的乘積，車內噪聲的標準確定后，還要確定發動機的激勵力，才能確定板件聲輻射特性的要求。發動機的激勵力與發動機的性能質量相關，是發動機工作狀態的變量，圖1是國產某重卡6缸4沖程柴油發動機，在測試路段的轉速—噪聲曲線。

圖1 定量描述了該車發動機在各個狀態下的噪聲特性，表1是部分頻點下的數據統計。

將表1上路測試車內噪聲去掉計權后，單位由d BA轉換為Pa，通過實驗室測試的聲壓級數據，可計算出發動機各個狀態下的激勵力，見表2。

在上述測試的實際工況下，發動機的激勵力為14～20 N，對于6缸4沖程的發動機，主要激勵力應發生在3階頻率上，對于4缸4沖程 的發動機，主要激勵力應發生在2階頻率上。

表1 上路測試車內噪聲部分頻點數據統計Tab.1 Statistic results of partial frequency data of vehicle interior noise for on-road test

表2 部分頻點下發動機的激勵力Tab.2 Excitation force of engine at partial frequency

測試的柴油發動機屬一般性發動機，分析以往相關的測試數據，及大量的路試測試基礎數據，發動機的激勵力，對于重卡采用的6缸4沖程柴油發動機，取15 N，對于轎車采用的4缸4沖程汽油發動機，取10 N，這2個數據，對于一般性的NVH工程設計，是可以滿足要求的。

1.2 板件的聲輻射標準要求

車身板件的聲輻射特性，也稱板件的聲學靈敏度分析，是指板件在1 N力的激勵下產生的噪聲輻射，單位是Pa/N。發動機的激勵力選定后，即可確定板件的聲學靈敏度要求。

參照現有國內外標準和目前市場要求，設高檔轎車的車內噪聲≤65 d BA，經濟型轎車的車內噪聲≤70 d BA，重型卡車的車內噪聲≤75 d BA，發動機的激勵力10～15 N，在此條件下，確定板件的聲學靈敏度要求，見表3。

表3 標準噪聲下的板件聲學靈敏度Tab.3 Acoustic sensitivity of sheets under standard noise

表3中，以120 Hz為標準設計狀態，高檔轎車：設計車內噪聲≤65 d BA，要求板件聲學靈敏度≤61 d B/N；經濟型轎車：設計車內噪聲≤70 d BA，要求板件聲學靈敏度≤66 d B/N；重型卡車：設計車內噪聲≤75 d BA，要求板件聲學靈敏度≤68 d B/N。

1.3 板件的振動級標準要求

板件聲學靈敏度的高低源于板件的振動級，板件的振動降低了，相應的聲輻射就減少了，要滿足車內噪聲的控制要求，最終需控制板件的振動級，即將板件的振動級控制在滿足聲學靈敏度要求的量級以下。

圖3是車身板件，通常選擇0.8 mm的鋼板，在掃頻信號激勵下的聲輻射效率。

圖2曲線低頻終止的地方，對應的頻率稱臨界頻率，在平面鋼板中，臨界頻率以下是不會產生噪聲輻射的，對于臨界頻率～60 Hz的頻率，噪聲輻射的效率最高，這時，雖然噪聲輻射很高，但因頻率較低，人耳對其的感覺很低,可查看聲壓級的A計權表，60～90 Hz的頻率，聲輻射效率趨緩；90 Hz以上，聲輻射效率趨于平穩，在平穩狀態下，板件輻射的聲壓，只與板件的振動級相關。與上文同步，選擇120 Hz為標準狀態，表4是上述板件，在不同振動加速度下的輻射聲壓。

圖2 板件的聲輻射效率Fig.2 Sound radiation efficiency of sheet

表4 板件振動加速度與輻射聲壓的關系Tab.4 Relationship between vibration acceleration of sheet and radiated sound pressure

表4中，當板件的振動加速度0.17 m/s/s時，其聲輻射達61.31 d B，因此，參照表3，高檔轎車的車內噪聲可設計為≤65 d BA，板件的聲學靈敏度≤61 d B/N；板件的振動級≤0.17 m/s/s/N；

當板件的振動加速度0.30 m/s/s時，其聲輻射達66.25 d B，因此，參照表3，經濟型轎車的車內噪聲可設計為≤70 d BA，板件的聲學靈敏度≤66 d B/N；板件的振動級≤0.30 m/s/s/N；

當板件的振動加速度0.35 m/s/s時，其聲輻射達67.59 d B，因此，參照表3，重型卡車的車內噪聲可設計為≤75 d BA，板件的聲學靈敏度≤68 d B/N；板件的振動級≤0.35 m/s/s/N；

上述車內噪聲的設定，是理論數據，實際制定標準時，還應適當放寬。

阻尼材料粘接的外部條件是：當高檔轎車，板件的振動級＞0.17 m/s/s/N時；經濟型轎車，板件的振動級＞0.30 m/s/s/N時；重型卡車，板件的振動級＞0.35 m/s/s/N時，需粘接阻尼材料，能不能粘接，還要看阻尼材料的性能和粘接部位的其他狀態。

2 粘接部位設計

2.1 阻尼材料的作用

以高檔轎車為例，當車身板件的振動級≤0.17 m/s/s/N時，車內噪聲才能滿足≤65 d BA的設計要求，根據測試統計，在車身的全部測點中，有大約50%左右的頻點，振動級＞0.17 m/s/s/N，這些頻點包含在測點中，測點設置在板件上，因此，不經阻尼處理的車身板件，是無法滿足設計要求的。阻尼材料一般由高分子材料組成，粘接到車身板件后，就形成了阻尼結構，材料的結構阻尼系數η，是衡量阻尼材料減振性的重要指標，性能不達標的材料，是不能進入粘接程序的。阻尼材料的數學模型可表示為式（1）：

式中：ηmax—最大結構阻尼系數；E—彈性模量；a、b、c、d、e 配方中相關材料系數。

最大結構阻尼系數ηmax是彈性模量E的函數，調整配方組成的a、b、c、d、e，使材料的彈性模量處于轉變態，并使材料的最大結構阻尼系數出現峰值。阻尼材料的阻尼系數η是隨溫度、頻率變化的量，采用動態阻尼系數的測試方法，測定出工作溫度下、工作頻段下各頻率的阻尼系數，測定的結果是一組各溫度下的η--f曲線。

阻尼材料的性能是能否進入粘接程序的重要因素，下面是一組經驗數據：

對于瀝青基的阻尼材料，一般厚度為2 mm時，阻尼系數0.2左右，當粘接部位的振動級大于1 m/s/s/N時，粘接后，板件的振動級可下降0.5～0.6 m/s/s/N，聲壓級降低0.02～0.03 Pa/N，阻尼材料厚度增加1 mm，阻尼系數可提高0.1。

近幾年新出現的阻尼材料，丁基膠類、樹脂類，還有多功能的復合型等等，阻尼系數都有不同的提高，采用這類材料時，厚度可適當的減小。

2.2 粘接部位外部條件的判定

粘接部位的振動級要符合設計要求，應在板件的振動級頻譜上判定，圖3是某車身某測點的振動級頻譜。

圖3 某車身某測點振動級頻譜Fig.3 Vibration level spectrum at a measuring point of a body

圖3 中，最大振動級為3.7 m/s/s/N，對照各類車型的振動級設計要求，可以判定，該部位是需要粘接阻尼材料的。

2.3 與測點聲壓的相位關系

測點聲壓是按測試標準要求安放聲壓傳感器的位置。

關于粘接阻尼材料，目前行業內普遍認為多粘肯定不會錯，于是，為降低噪聲，所有能粘接的部位都粘接了阻尼材料。測試發現，有的部位，振動級很高，按標準是必須粘接的，但粘接之后發現，在該點上的噪聲不降反而升高了，出現了反彈，分析其機理，是車身各板件聲輻射相位的原因。因此，相位關系，是粘接部位必須考慮的因素。

在車身空間，能感受到的噪聲，是車身各板件振動輻射的疊加，是一個復雜的混合聲場，各個板件輻射的噪聲，不但幅度不同，而且相位也是存在差異的。板件輻射噪聲的相位，與測點相位若同相，粘接阻尼材料后，可降低噪聲，若不同相，就不一定能降低，還有可能增強。這個現象類似于常見的立體聲廣播設計，在立體聲的2路聲道里，在某一時刻2路的聲波相位若剛好相差180°，將出現靜音現象。這種現象在立體聲設計時是應該避免的，但在減振降噪的設計中，卻是希望出現的，在這樣的狀態下，板件不用粘接阻尼材料，輻射的聲壓級之間相互頂撞，結果是使聲壓級減弱，此時若在板件上粘接了阻尼材料，使振動降低，則頂撞的力度就會減小，結果會增強噪聲的幅度，這類部位是不能粘接的，上面講的聲壓級發生了反彈，其原因就在這里，這種現象在實際工作中經常出現，但很難判斷和操作。

本試驗希望的是板件的聲輻射相位與車內測點噪聲的相位相同，見圖4。

圖4 測點相位與板件相位相同Fig.4 Phase of measuring point is the same as sheet phase

在圖4的相位關系下，在具有較高振動級的板件部位上，粘接阻尼材料才能達到預期的效果。因此，阻尼材料的粘接方法是：板件的振動級大于設計要求，阻尼材料的結構阻尼系數符合設計要求，板件輻射的聲壓級符合相位規則。

3 實踐

3.1 阻尼材料的粘接方法和步驟

1）按項目要求，確定測試對象的類別、要求，確定車內噪聲的目標要求；

2）將車身劃分成若干個板件，板件測點上設置加速度傳感器；

3）設置激勵點，設置聲壓傳感器；

4）板件測點的振動級分析，數據存入“A”文件包；

5）各測點的相位關系分析，存入“B”文件包；

6）A、B文件包的軟件處理；

7）設計粘接部位，粘接阻尼材料；

8）實驗室測試，上路測試；

9）項目完成。

3.2 測試文件包的軟件處理

測試文件包處理軟件《阻尼材料粘接位置設計》已開發成功，軟件采用最新的算法，對A、B 2個測試文件包進行識別，對于A文件包，要識別各測點的最大振動級和頻率，對于B文件包，要識別板件各測點的聲輻射相位，與采樣點聲壓的相位關系，軟件輸出的數據處理結果，對應板件各測點的位置。

4 工程案例

某車車身，以地板為例，簡介項目過程。

1）項目設計要求的確定；

2）劃分板件及測點（圖5）；

圖5 某車地板測點Fig.5 Floor measuring points of a car

3）板件各測點的振動級分析，數據文件存“A”文件包；

4）各測點的聲學靈敏度相位與采樣點聲壓級相位關系分析，數據存“B”文件包；

5）用《阻尼材料粘接位置設計》軟件，對A、B文件包進行識別；

表5 軟件輸出的表格文件Tab.5 Form file of software output

6）軟件的輸出文件，見表5。

表5中，共輸出地板12個測點的數據處理結果，這12個測點對應的板件振動級，都超過了高檔轎車的設計標準0.17 m/s/s/N，是需要粘接阻尼材料的，引入相位關系后，應以“δ”數據為準，確定板件是否能夠粘接阻尼材料，該數據的定義是：δ＞1時，粘接；δ＜-1時，不粘接；δ=-1～1時，視周邊板件狀態決定是否粘接。按照δ數據，測點1、4、5、6、7測點對應的板件，應粘接阻尼材料，見圖6，其他測點不需粘接，設計厚度，參考阻尼系數，為選擇材料提供方向。

圖6 地板粘接阻尼材料狀態Fig.6 Bonding state of damping material on floor

5 結語

車身板件粘接阻尼材料的方法和實踐，數據源于NVH工程項目的多次實測，在實測的基礎上，結合各類車型的特點，逐步完善其要求和實現要求的路徑及措施。

車內噪聲產生的主要因素是振動產生的噪聲，用阻尼的方法來處理，是最經濟實用的。

本文探討的方法主要為：

1）高檔轎車的板件振動級≤0.17 m/s/s/N、聲學靈敏度≤61 d B/N；

2）經濟型轎車的板件振動級≤0.30 m/s/s/N、聲學靈敏度≤66 d B/N；

3）重型卡車的板件振動級≤0.35 m/s/s/N、聲學靈敏度≤68 d B/N；

4）4缸4沖程的乘用車汽油發動機激勵力設計選10 N，激勵頻率第2階次；

5）6缸4沖程的重卡柴油發動機激勵力設計選15 N，激勵頻率第3階次；

6）根據板件的最高振動級與δ數據，確定是否需要和能夠粘接阻尼材料；

7）用測點的最高振動級，選擇阻尼材料的型號；

8）阻尼材料的阻尼系數ηmax應采用動態的方法測定。

本文探討的方法和實踐，是多年工程實踐的總結，部分內容還屬經驗數據；數據處理軟件的開發成功，開辟了阻尼材料粘接方法的新路徑，實現了車內噪聲標準的新要求。