汽車用地毯復合結構的聲學性能分析

張俊

摘 要：汽車用地毯在整車上直接與車內鈑金接觸，且覆蓋面積較大，對整車聲學性能起著非常重要的作用，因此對地毯材料的分析有著必要性。通過對不同復合結構的吸音型地毯、隔音型地毯、兼顧吸隔聲型地毯進行吸隔聲性能分析，綜合得出不同結構類型的地毯所具備的吸隔聲性能特性，并針對不同類型的地毯提出聲學性能改良方案，以期為整車地毯設計開發提供參考意義。

關鍵詞：汽車地毯；吸聲性能；隔聲性能；復合結構

1 引言

汽車在行駛過程中，會有許多噪聲直接傳遞到車內，如發動機、輪胎、車身等產生的噪音。而地毯是聲學包的重要組成部分，對聲音的阻隔和吸收起著非常重要的作用。不同的車型開發，對地毯會有不同的吸聲和隔聲要求。有偏重于隔聲的地毯，阻隔外界聲音進入車內進行降噪；有偏重于吸音的地毯，對車內聲音進行吸收減小混響而降噪；也有在考慮其他性能的基礎上，兼顧吸隔聲性能的地毯。而不同層積復合結構地毯，它的吸、隔聲性能有不同的特性，聲音在不同介質中傳播時，會有不同程度的反射和透射。所以層積結構間的合理設計可提高地毯的聲學性能。

2 層積復合結構吸聲、隔聲原理

聲音在空氣傳播到材料中，遇到材料界面，會發生反射、吸收和透射，材料吸聲主要分為多孔材料的吸聲和結構吸聲。多孔材料的吸聲：一是當聲波入射到多孔材料表面時激發起微孔內的空氣振動，空氣與固體筋絡間產生相對運動，由于空氣的黏滯性，在微孔內產生相應的黏滯阻力，使振動空氣的動能不斷轉化為熱能，從而使聲能衰減；二是在空氣絕熱壓縮時，空氣與孔壁間不斷發生熱交換，由于熱傳導的作用，也會使聲能轉化為熱能。結構吸聲主要是通過共振而消耗聲能，對低頻有一定的吸聲作用，主要的吸音結構有穿孔板共振吸音、微穿孔板吸音和薄膜共振吸音。層復合結構可綜合利用兩種吸聲方式設計吸音體，在滿足高頻吸音性能時，能夠改善低頻的吸音。

隔聲是隔絕外界的聲音傳入到室內，隔聲性能的好壞，取決于反射聲能的比值，稱為反射系數，系數越大，說明隔聲性能越好。聲音的反射聲能取決于相鄰介質的特性阻抗（特性阻抗為介質密度ρ與其聲速c的乘積），特性阻抗相差大，反射能力強，特性阻抗相差小，反射能力弱[1]。反射系數計算如式（1）。

（1）

ρ1、ρ2—分別為兩種介質的密度；c1、c2—分別為聲音在兩種介質中的傳播速度。

對于層積復合結構材料，在相鄰的兩層材料選擇上盡量使其的阻抗特性相差大，利用聲音的反射原理，減少透射，提升隔聲能力。

3 三種不同復合結構地毯與聲學性能分析

針對不同層積的搭配，我們特設計了三種不同結構的復合地毯進行實驗驗證。

3.1 實驗方案

①取尺寸為1.2m×1.0m的第一類地毯分別進行吸隔音測試，結構：表皮PET+PE粉+吸音層PET+底層棉墊。

②取尺寸為1.2m×1.0m的第二類地毯分別進行吸隔音測試，結構：表皮PET+背涂PE+重涂層EVA+底層棉墊。

③取尺寸為1.2m×1.0m的第三類地毯分別進行吸隔音測試，結構：表皮PET+吸音層PET+不透氣PE膜+底層棉墊。

3.2 測試方法

吸音：采用Alpha cabin混響室測量平板樣件的吸聲系數，樣件尺寸1.2m×1.0m，計算頻率范圍：400Hz～6300Hz。

隔音：采用ISOKELL測量平板樣件的插入損失，樣件尺寸1.2m×1.0m，計算頻率范圍：400Hz～6300Hz。

3.3 數據分析

對這三種結構的地毯進行吸隔聲性能分析，地毯吸音性和隔音性能對比如圖1、圖2所示：

綜合分析圖1、2可知：①第一類地毯吸音性能是三種地毯中最好的，屬于吸音型地毯，因它的整體透氣性很好，聲音很容易進入地毯內部，通過粘滯力和熱傳導消耗聲能，特別是對聲音的中高頻有很好的吸收作用[2]，但正因為它的透氣性好、反射能力弱而使得它的隔音性能最差；②第二類地毯，因表層是蓬松的PET材料，具有一定的吸音作用，而大部分聲能被重涂層阻隔，無法進入材料內部進行消耗，使得其隔聲性能最好，屬于隔聲地毯；③第三類地毯具有較好的吸音性同時具備一定的隔聲性能，屬于兼顧型地毯，在中高頻的吸音主要靠表層和吸音層吸收，在低頻段，由于PE膜的存在，形成共振薄膜結構，通過共振吸收聲能，相反，共振會導致聲音的透過性增大，在低頻段的隔聲有個低谷，在中高頻，PE具備一定的阻隔作用，隨著頻率遞增，隔聲性能增強。

3.4 地毯聲學性能改進

由上述實驗已知吸音型地毯透氣性好，具有高性能的吸音性，可以與吸音棉媲美，但隔音性能較差，如單純的增加材料厚度、密度等參數，對隔聲性能的提升用處不大。要改變隔聲性能，需改變復合構成，且犧牲吸音性能。重涂層對隔音地毯的隔聲性能起主要作用，但吸音性能差。面對如何平衡吸隔音性能這個問題，我們將調整進一步研究的方案為：

①在3.1中第二類隔聲型地毯結構的PE層下增加一層薄的吸音層PET，且原有的PE層針孔，保證一定的透氣性。同時減小重涂層克重，按3.2方法進行測試后的結果如下，見圖3，圖4：

對比調整前后地毯的吸隔聲性能，隔聲性能下降很小，而吸音性能有顯著提高，尤其中高頻段，這類地毯可以很好的阻隔外界聲，同時也能吸收車內的混響聲，提升語言清晰度，EVA克重減少，符合車輛輕量化的發展趨勢。

②增大3.1中第三類兼顧型地毯PE層的克重，研究其對地毯的吸隔聲性能的影響，按3.2方法進行測試后的結果如圖5和圖6所示。

由圖5和6可知，增大PE層克重，地毯在低頻段吸音率有所降低，中高頻基本不變，但在400～6300Hz頻域內，隔聲性能都有提升。

4 結論

4.1 不同的層積材料復合結構地毯，有不同的吸隔聲特性，根據三種不同類型的地毯，分析吸隔聲特性，為地毯的設計開發提供參考；

4.2 調整重涂層克重，可以改變地毯隔聲性能，在重涂層上添加吸音層，可以顯著提高地毯吸音性能。

4.3 增加PE層克重，可以改變地毯低頻段的吸音性能，增強地毯的隔音性能。

參考文獻：

[1]鄒欣曄，袁櫻，梁彬等.單向聲傳播結構研究[J].應用聲學，2013，32（03）：169-181.

[2]段翠云，崔光，劉培生等.多孔吸聲材料的研究現狀與展望[J].金屬功能材料，2011，18（1）：60-65.