汽車針刺地毯吸聲性能改進研究

孫曉波

摘 要：在某車型開發過程中針對整車車內噪聲較大的問題，使用實驗的方法對影響NVH性能的主要聲學零件進行了分析，其中地毯作為最大面積的零件，重點研究不同材料、密度及工藝過程對其吸聲性能的具體影響，實驗結果表明針刺毯面中PE淋膜對地毯正面吸聲性能影響較大，毯面克重及背部吸聲材料覆蓋面積的提升都可有效提升地毯正面的吸聲性能，在地毯初始方案上進行的改進，包括更改PE撒粉工藝、增加背部PET成型氈覆蓋面積，地毯吸聲系數提升超過30%，滿足了整車NVH性能需求。

關鍵詞：針刺地毯 車內噪聲 吸聲系數 工藝

汽車噪聲主要分為車內噪聲和車外噪聲，其中車內噪聲嚴重地影響人們的乘坐舒適性。在整車的開發過程中，各種工況的車內噪聲以及語言清晰度是整車的重要性能指標，也是衡量乘坐舒適性及感知質量的重要指標，對于如何提升整車NVH性能以及車內噪聲水平顯得尤為重要，整車聲學包是針對NVH進行控制的一種有效手段，包含很多的組件和零件，主要零部件包括發動機艙隔音墊、前圍隔音墊、頂棚、地毯、衣帽架、座椅、阻尼墊等。這些聲學包零件在噪聲的傳播途徑上進行隔離，用減振和聲學材料進行車身密封、車身結構減振、和車內吸聲，地毯作為表面積最大的零件在車內吸聲作用較大，對整車的NVH性能影響顯著[1]。本文通過對某車型開發過程中針刺地毯的NVH性能提升的研究，分析地毯材料、結構、密度、厚度、以及工藝等方面的分析吸聲性能的影響因素，并通過試驗驗證，優化了地毯的吸聲性能，提升并滿足整車的NVH性能要求。

1 吸聲原理和吸聲系數

1.1 吸聲原理

吸聲指的是當聲波在傳播中通過媒質時或入射到分界面時造成的能量損失過程，吸聲的原理是聲能轉換成熱能。聲波在傳遞過程中，質點的振動速度不同，使得相鄰點間產生了相互作用的內摩擦力和粘性力，從而阻礙了質點的運動，另外媒體中的各個質點的疏密程度和溫度不一樣，使得相鄰質點間產生了熱交換，聲能不斷轉化成熱能。

1.2 吸聲系數

吸聲系數是用來評價吸聲材料或結構的參數，吸聲系數的大小除取決于材料的性能和結構外，對于同一種材料，還與聲波的入射頻率、入射方向有關。各種材料的吸聲系數是頻率的函數，因此對于不同的頻率，同一材料具有不同的吸聲系數。吸聲系數α等于被材料吸收的聲能（包括透射聲能在內）與入射到材料的總聲能之比，如圖1所示，，-入射到材料的總聲能，-被材料反射的聲能，可知α越大，材料的吸聲性能越好[2]。

2 汽車用針刺地毯主要工藝及吸聲原理

汽車用針刺地毯主要是由PET纖維、定型膠、PE（聚乙烯樹脂）膜等構成，主要成分是聚酯纖維和滌綸纖維，地毯材料經過加工、針刺、涂膠以及鋪層，根據拉升深度以及NVH要求選擇不同的材料、厚度及克重等。上膠是地毯加工中重要工序之一，對于地毯強度、尺寸穩定性等性能起著重要的作用[3]。針刺地毯具備天然網狀結構以及多孔柔軟及彈性特點，非常適合吸聲，吸聲機理是當聲波進入地毯孔隙后，部分聲波反射，部分聲波透入材料內部微孔內，激發孔內空氣與纖維發生振動，空氣與纖維之間的摩擦阻力使得聲能不斷轉化為熱能而消耗，另外空氣與纖維之間的熱交換也消耗部分聲能，從而起到吸聲作用[4]。由于針刺地毯通常需要在背面增加吸音棉氈，以更好的匹配車身地板結構并增強NVH性能，對于毯面和吸音棉中間的膠及PE膜等來說，不同的材料及工藝方式會影響整個地毯的吸聲性能。

3 地毯設計方案研究及試驗驗證

3.1 地毯設計方案

此車型地毯的初始設計方案為毯面采用針刺地毯，具體結構為PET+膠水+PE淋膜，克重為800g/m2，厚度為5mm，毯面背部為PET成型氈，克重為1500g/m2，厚度為20mm，覆蓋面積約占整個毯面面積的46%，在使用混響室吸聲測試得到的結果中，吸聲系數距離目標值相差較多，整車在NVH測試中，車輛怠速以及100km/h勻速工況下測得的車內噪聲均未能達到設定目標。

由于PET毯面+PE淋膜的結構是針刺地毯常用結構，為了改善吸聲性能，結合成本、地毯成型性以及相關性能可調整毯面克重;PE膜處在毯面及背部結構中間，由于背部結構中吸聲材料厚度及密度都較大，對于整個地毯結構中吸聲效果作用明顯，PE膜對于地毯背面結構是否能充分發揮吸聲性能存在較大影響，所以也可通過調整PE膜工藝方式;地毯背面結構中通常使用PET氈或者EVA+PU發泡等，可以相應調整PET氈的形式、克重，或者EVA及PU的密度等改善整個地毯的吸聲性能。

3.2 測試方法

根據《GB/T 20247-2006 聲學 混響室吸聲測量》，數據均由設備Alpha Cabin吸音箱測得，如圖2所示，地毯零件在箱內測試狀態如圖3所示。測試的環境要求：測試樣件需放置在合適的測量環境中，溫度控制在18～25℃之間，濕度應大于50%。聲源要求：用于發聲的揚聲器應無指向性。聲源信號頻帶噪聲的寬度應為1/3倍程。接收設備應包括傳聲器、放大器、濾波器及記錄設備。傳聲器應盡可能的無指向性。測量頻帶寬度應為1/3倍頻程。測試結果：所出具的吸聲系數圖或表應給出由100Hz到10000Hz的1/3倍頻程序列中各頻率的結果。測試時平面樣件的邊緣采取一定的密封措施，如加反射性框架或黏貼密封膠帶，以確保樣件只有一面用于吸聲。

3.3 測試結果與分析

（1）毯面克重及背部結構對吸聲系數的影響

為了研究PET針刺毯面不同克重、地毯背部結構以及不同克重對于地毯吸聲系數的影響，按照不同的方案，制作表面積為1.2m2，厚度為25mm的平板樣件，共對四種不同的樣件進行了測試，方案見表1，測試結果見圖4。

從圖4中可以看出，在相同PE淋膜工藝及背部吸聲結構覆蓋率條件下，不同毯面克重及背部結構樣件的吸聲系數水平較為接近，在人耳敏感的1000-3000Hz范圍內樣件1表現較好，采用PE淋膜工藝對于背部結構吸聲性能影響較大，此時地毯正面的吸聲系數水平主要取決于毯面克重。綜合400-10000Hz范圍內，樣件2表現較好，背面采用PET成型氈對于提升吸聲系數較為有效。

（2）不同PE膜工藝對吸聲系數的影響

為了較大的提升地毯的吸聲系數，采用PE撒粉工藝制作表面積為1.2m2，厚度為25mm的平板樣件，共對兩種不同的樣件繼進行了測試，方案見表2，測試結果見圖5，

從圖5中可以看出，在PE膜更改為撒粉工藝，并將背部結構更改為1500g/m2的PET成型氈后，地毯的吸聲系數有顯著提高，平均提高在1.8倍以上。背部結構覆蓋率提升之后，對于地毯吸聲系數提升更顯著，100%覆蓋率比46%覆蓋率的樣件吸聲系數提升平均在1.3倍以上。

（3）地毯零件驗證

從平板樣件驗證結果可知，PE撒粉工藝，針刺毯面克重以及背部結構覆蓋區域對于整個地毯的正面吸聲系數提升顯著，采用PE撒粉工藝、不同毯面克重及不同背部PET成型氈覆蓋面積制作某車型地毯零件進行測試，方案見表3，測試結果見圖6。

從圖6中可以看出，針刺毯面克重從800g/m2增加到1000g/m2，地毯吸聲系數提升約9-10%。背部PET成型氈覆蓋面積從46%增加到100%，地毯吸聲系數提升約12-13%。

4 結語

研究針刺地毯的毯面克重、PE膜工藝、地毯背部結構及相應的克重對地毯正面吸聲性能的影響，不同參數對于地毯吸聲系數的變化規律。

（1）針刺地毯毯面PE淋膜工藝對于地毯正面吸聲性能影響較大，無法有效發揮地毯背面結構的吸聲性能，PE撒粉工藝可顯著提升地毯正面吸聲性能。

（2）增加毯面克重可有效提升地毯正面吸聲性能，從800g/m2增加到1000g/m2，吸聲系數約可提升9-10%。

（3）增加地毯背面吸聲材料覆蓋率對地毯正面吸聲性能提升明顯，覆蓋面積從46%提升到100%，在平板樣件中，吸聲系數約可提升30%以上，在地毯零件中，由于型面等影響，吸聲系數可提升約12-13%。

參考文獻：

[1]劉國杰，王旭初.基于前圍內隔音墊NVH性能的材料及結構優化方案研究[J].汽車材料與涂裝，2018（22）.

[2]翟穎.降低車內噪聲的聲學包優化研究[J].汽車實用技術，2014（06）.

[3]劉桂全.汽車地毯產品設計及成型生產工藝[J].時代汽車，2019（07）.

[4]楊菲，徐山青. 針刺吸聲隔音纖維氈材料的應用及研究進展[J].山東紡織科技，2014（01）.