周錦濤 焦曉寧,2 胡炳輝

1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387

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汽車用吸聲非織造材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

周錦濤1焦曉寧1,2胡炳輝1

1. 天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué)先進紡織復(fù)合材料教育部重點實驗室，天津 300387

闡述汽車車廂內(nèi)噪聲的來源、危害及控制方法，詳述非織造材料的吸聲原理及其在汽車控聲領(lǐng)域的具體應(yīng)用，以及國內(nèi)外吸聲非織造材料的發(fā)展歷程，介紹目前國外汽車用吸聲非織造材料的開發(fā)情況，并對國內(nèi)汽車用吸聲非織造材料發(fā)展趨勢進行預(yù)測。

吸聲，隔聲，非織造材料，現(xiàn)狀，趨勢

汽車現(xiàn)已成為人們出行必不可少的一種交通工具。阻止車體及外部噪聲進入車廂，這對創(chuàng)造足夠舒適的車內(nèi)乘坐環(huán)境來講非常重要。歐盟、日本和美國等發(fā)達經(jīng)濟體每隔6年就會修訂相關(guān)法規(guī)和測試標準[1-2]，控制汽車內(nèi)外噪聲水平；我國雖已制定了相關(guān)標準，并取得了良好的效果，但與發(fā)達國家相比仍有一定差距。表1為世界主要經(jīng)濟體在汽車噪聲控制方面的相關(guān)法律、法規(guī)及強制標準。對車內(nèi)噪聲的穩(wěn)定控制是汽車制造商追求的一項重要目標，優(yōu)異的靜音效果能顯著提升汽車產(chǎn)品的市場競爭力[3]28。大量使用吸聲材料有利于降低車內(nèi)噪聲水平，其中，非織造材料以其特有的良好吸聲性、適應(yīng)性及成本優(yōu)勢，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)品中。

1 車內(nèi)噪聲污染及控制

1.1 噪聲的來源和危害

車內(nèi)噪聲主要由發(fā)動機、傳動系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)，以及輪胎與路面接觸、車身與空氣摩擦及其他車輛因素等產(chǎn)生。圖1顯示了車內(nèi)噪聲的來源，它們通過空氣(空氣聲)和車身振動(結(jié)構(gòu)聲)傳播到車內(nèi)，形成噪聲。因此，可通過控制兩種傳播方式來顯著降低車內(nèi)噪聲。

圖1 車內(nèi)噪聲的來源

聲級高、持續(xù)時間長的噪聲會降低乘坐者的舒適度，影響注意力，令乘坐者倍感疲勞和困倦，甚至?xí)裣聡乐氐慕】惦[患[4]61，特別是駕駛員，長時間處于噪聲環(huán)境中將對他們的健康造成很大影響。隨著汽車的普及，更多的人將處于車內(nèi)噪聲環(huán)境中，身心健康必將受到一定影響。表2列出了人體對聲音的感知程度。

表2 人體對聲音的感知程度

為降低噪聲對駕乘人員的危害，GB 7258—2012《機動車運行安全技術(shù)條件》規(guī)定，駕駛員耳旁噪聲聲級應(yīng)不超過90dB；交通部JT/T 325—2006《營運客車類型劃分及等級評定》規(guī)定，根據(jù)客車大小和等級的不同，勻速行駛(50km/h)的客車內(nèi)噪聲聲級應(yīng)不超過66～79dB。目前，普通汽車行駛時車內(nèi)噪聲可控制在60～70dB，高檔汽車靜音效果更好，能達到60dB以下[5]。

1.2 噪聲的控制

目前，利用聲學(xué)原理降低車內(nèi)噪聲的方法有兩種：一是被動消噪法[6]，主要利用吸聲、隔聲材料[7]將噪聲源與乘員艙隔開，以降低車內(nèi)噪聲水平；二是主動消噪法[8]，即利用聲波干涉原理，通過智能系統(tǒng)控制揚聲器發(fā)出與噪聲源振幅相同、相位相反的聲波，與之抵消，以降低人體接收的噪聲水平。前者對高頻(≥500Hz)噪聲的隔離效果較為理想，對低頻(<500Hz)噪聲的降噪效果不佳；后者對車內(nèi)低頻噪聲的消噪效果較理想，但技術(shù)尚不成熟，成本較高。

當前汽車主要采用被動消噪法[4]61-62，包括對噪聲源的控制、對傳播途徑的控制和對噪聲接收者的保護等，且一般是在噪聲傳播途徑上采取措施。常見的有，在各種汽車部件(如發(fā)動機艙和行李艙蓋板、儀表板、地毯、門板、頂棚、輪艙、A/B/C柱等)中使用隔聲、吸聲材料。其中，儀表板周邊吸聲材料使用量最大、要求最高。

2 汽車用吸聲非織造材料的應(yīng)用

2.1 汽車用控聲材料

控制噪聲傳播的方法主要有密封、減振、隔聲和吸聲等。如在減振的基礎(chǔ)上再進行隔聲、吸聲和密封處理，可獲得安靜舒適的環(huán)境[9]。所有材料都不同程度地具有減振、隔聲和吸聲的能力，因此，材料性能的優(yōu)劣將直接影響其降噪水平。傳統(tǒng)的隔聲、吸聲材料主要有金屬板、橡塑板、瀝青板、玻璃纖維棉、礦巖棉、工業(yè)毛氈、硅酸鋁棉、發(fā)泡硅膠板、吸聲涂料、海綿、聚氨酯泡沫塑料等，但這些材料都不同程度地存在質(zhì)量重、不耐水、阻燃性差等缺點。

汽車用控聲材料的選材原則是使用密實材料進行低頻隔聲、使用多孔材料進行高頻吸聲。多數(shù)材料都具有吸聲作用，其以吸聲系數(shù)為評價指標。吸聲系數(shù)大于0.20的材料即為吸聲材料，大于0.56的材料即為高效吸聲材料[10]。非織造材料吸聲系數(shù)范圍寬[11]，同時具有質(zhì)量輕、對溫度穩(wěn)定、可循環(huán)使用、經(jīng)濟環(huán)保等其他材料不可比擬的優(yōu)點，對高頻噪聲吸收效果好，現(xiàn)已被廣泛用作汽車用吸聲材料。目前在汽車所用的控聲材料中，非織造材料的使用可達到總控聲材料面積的82%。

2.2 非織造材料吸聲機理

圖2 聲波在多孔材料中的傳播示意

吸聲材料根據(jù)吸聲機理的不同可分為共振吸聲、多孔吸聲和復(fù)合吸聲三類[12],[13]9，其中多孔吸聲材料目前應(yīng)用范圍最廣。非織造材料孔多、質(zhì)輕、比表面積大，其內(nèi)部還有大量相互貫通、由表及里的微孔，是一種重要的多孔吸聲材料。其吸聲機理是聲波深入三維雜亂材料孔隙中，引起空氣和細小纖維發(fā)生機械振動，加之因空氣分子摩擦、黏滯阻力及熱交換等作用，相當一部分聲能被轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?圖2)。

2.3 汽車用吸聲非織造材料的應(yīng)用

吸聲非織造材料遍布整個車身，從車頂?shù)降靥簝?nèi)襯，從發(fā)動機艙蓋板到行李艙蓋板，其為舒適的乘車環(huán)境做出了貢獻，即便在高速行駛中[14]24，駕駛員和乘坐者也能在車內(nèi)像平常一樣聊天不受干擾。表3列出了吸聲非織造材料在汽車中的具體應(yīng)用，圖3為車頂和地板用吸聲非織造材料的結(jié)構(gòu)示意。

表3 主要吸聲部件對噪聲的吸收作用

2.4 汽車用吸聲非織造材料的發(fā)展歷程

目前，汽車用吸聲非織造材料的生產(chǎn)工藝主要有針刺、熔噴、熱黏合、紡黏、水刺等[4]69, [15]26-28，纖維原材料主要是化纖(常規(guī)PET、PP纖維，異形截面纖維等)、天然纖維(主要是麻類纖維)、無機纖維(礦物棉、玻璃纖維等)及金屬纖維等，其部分發(fā)展歷程如表4所示。

2.5 國外汽車用吸聲非織造材料的開發(fā)

汽車用吸聲非織造材料在我國還處于發(fā)展階段，但國外已進行了較多的開發(fā)與應(yīng)用。

Texel公司[30],[31]128-129是加拿大一家知名的針刺吸聲非織造材料生產(chǎn)商，代表性產(chǎn)品ThermoFit不僅具有優(yōu)良的吸聲性能，而且能滿足客戶對顏色的特殊要求。該產(chǎn)品使用獨特的工藝將熱塑性纖維和非熱塑性纖維混合，再經(jīng)針刺模壓制造而成。ThermoFit產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用涉及車廂襯墊、行李艙蓋板、車門襯墊、儀表板襯墊及輪艙襯墊等，其中輪艙襯墊已應(yīng)用在福特、日產(chǎn)、本田、奔馳、奧迪、寶馬和大眾等汽車產(chǎn)品中[32]40-41。此外，Texel公司還生產(chǎn)面密度100～300g/m2的非織造材料，用于取代頂棚表層和底層上的泡沫材料。

圖3 車頂和地板用吸聲非織造材料示意

表4 國內(nèi)外吸聲非織造材料的發(fā)展歷程

Foss Manufacturing公司[14]41,[32]36是美國一家生產(chǎn)具有降噪功能的針刺非織造材料生產(chǎn)商，其生產(chǎn)的Mudguard襯墊經(jīng)注塑模壓成型，可安裝在轎車輪艙內(nèi)，大大降低車輪與路面、石子及碎片等摩擦與撞擊產(chǎn)生的噪聲。

德國Sandler公司[14]26, [31]129, [32]38生產(chǎn)的Sawawsorb系列高級非織造吸聲產(chǎn)品(圖4)以細旦纖維為原料，利用針刺或熱黏合工藝生產(chǎn)，不僅適合于狹小空間的安裝，還具有阻燃功能。該產(chǎn)品可迅速吸收發(fā)動機和輪胎部位產(chǎn)生的噪聲，既可用作汽車吸聲內(nèi)飾件，也可用于外部的發(fā)動機蓋板和輪罩。Sandler公司的非織造產(chǎn)品全球現(xiàn)有40多款汽車車型在使用，幾乎涵蓋所有汽車吸聲、隔聲部件。

圖4 Sawawsorb(Sandler公司)

德國Freudenberg公司生產(chǎn)的SoundTex[13]11,[33]吸聲非織造材料于20世紀90年代進入中國市場，產(chǎn)品質(zhì)量輕(60～70g/m2)、厚度薄(僅0.2mm)、防火性能好、易于運輸和安裝，目前主要在工程上使用。該公司生產(chǎn)的另一種吸聲材料Evolon[32]41主要用作汽車儀表板內(nèi)襯、車身側(cè)板內(nèi)襯及輪艙襯墊等。

德國Ziegler公司[3]28-38,[31]126的代表性產(chǎn)品Hacoloft是一種PET細纖維非織造材料，其不僅吸聲性能良好，而且質(zhì)量僅為其他吸聲材料的1/3，能大幅降低油耗，可用于汽車門板、儀表板、車身、發(fā)動機艙蓋板及車廂廂體等部件中(圖5)。目前在歐洲，使用PET纖維非織造材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)紡織類吸聲材料的過程已基本完成，幾乎所有新車型都在使用非織造吸聲材料。

圖5 Hacoloft(Ziegler公司)

德國Textilgruppe Hof公司[32]37于20世紀80年代進入汽車用非織造材料市場，其Zetajet系列水刺吸聲產(chǎn)品面密度為35～250g/m2，產(chǎn)品中特殊的纖維取向提升了吸聲性能。其在縱橫方向上均具有較高的拉伸強力和較大的伸長，這是較大尺寸和復(fù)雜幾何形狀的模壓成型部件所具有的優(yōu)勢。Zetajet現(xiàn)已用于發(fā)動機艙蓋板、儀表板內(nèi)外飾、汽車隔熱層、阻燃層、車底防護板、車頂內(nèi)飾及其他注塑部件(圖6)。

圖6 Zetajet(Textilgruppe Hof公司)

瑞士Rieter集團開發(fā)的100%由PET纖維制造的Ultra SilentTM非織造護板，可用于車身地板和發(fā)動機艙底部。

日本Teijin公司[14]26開發(fā)的V-LAP是具有垂直取向結(jié)構(gòu)的PET短纖濕法非織造產(chǎn)品，其纖維沿厚度方向排列(圖7)。V-LAP質(zhì)輕，同樣的吸聲效果其質(zhì)量僅為普通吸聲材料的一半，這提高了車輛的燃油效率。V-LAP和Teijin公司的另一款襯墊產(chǎn)品ELK相似，100%由可再生PET纖維制成，阻燃、絕熱，是替代聚氨基甲酸酯的一種理想的環(huán)保材料(聚氨基甲酸酯燃燒時會產(chǎn)生乙二腈氣體)。目前，V-LAP已用于生產(chǎn)Mitsubishi公司旗下Outlander汽車地毯的背襯，且Teijin公司一直都在尋求擴大其應(yīng)用領(lǐng)域，未來有望在汽車吸聲材料領(lǐng)域大量應(yīng)用。

圖7 V-LAP(Teijin公司)

日本Nissan公司開發(fā)的含異形截面纖維的熱黏合非織造材料，所用纖維線密度低于0.555tex，吸聲效果良好。

日本Toyobo公司將聚酯長絲紡黏非織造材料與短纖維非織造材料復(fù)合，制成的Sound Block產(chǎn)品吸聲性能優(yōu)良。

3 汽車用吸聲非織造材料發(fā)展趨勢

吸聲非織造材料能夠明顯降低汽車內(nèi)部噪聲水平，很好滿足人們對車內(nèi)舒適環(huán)境的需求。發(fā)達國家對汽車用吸聲材料的開發(fā)和應(yīng)用經(jīng)驗，為我國汽車吸聲非織造材料的開發(fā)帶來了啟示，未來的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在：

(1) 注重成本優(yōu)勢。目前，制約汽車用吸聲非織造材料普遍使用的因素還是成本。從長遠看，聚合物原料價格將不斷上漲，只有開發(fā)成本更低的材料才能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。

(2) 符合環(huán)保要求。法律法規(guī)的制定使汽車制造發(fā)生了改變。因此，為滿足日益嚴苛的環(huán)保法律規(guī)定，吸聲材料也需做到可回收再利用。如，不使用石棉、玻璃纖維；不采用含鉛等重金屬有害物質(zhì)；纖維原材料種類單一化，以降低回收難度；采用可降解天然纖維，減少垃圾填埋。

(3) 符合輕量化趨勢。為降低能源消耗，輕量化是汽車發(fā)展的一大趨勢。非織造材料之所以在汽車用吸聲材料市場保持旺盛的需求，優(yōu)勢在于其比其他材料更輕，吸聲效果更好。垂直鋪網(wǎng)、氣流成網(wǎng)等工藝可以明顯降低非織造材料面密度，但垂直成網(wǎng)工藝目前在我國仍屬空白。

(4) 多功能。汽車用吸聲非織造材料除了具有吸聲功能外，還可具備阻燃、隔熱、保溫、防水、拒油、抗菌消臭、負離子釋放等功能。

(5) 吸聲頻段寬。為進一步減少材料使用量，需設(shè)計開發(fā)高效吸聲材料，即一個部件能夠吸收頻率范圍盡量寬的噪聲。

(6) 多用途。同一款吸聲材料不僅可用在汽車上，而且可用于其他控聲領(lǐng)域，如家庭裝飾、建筑、電器等。

(7) 新挑戰(zhàn)。隨著電動汽車時代的到來，汽車沒有了發(fā)動機和排氣系統(tǒng)，噪聲較低，對噪聲吸收材料的需求將減少，但電池變頻器會發(fā)出高頻聲波，這將是吸聲非織造材料需要關(guān)注的新的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 結(jié)語

汽車噪聲污染問題已越來越受到廣泛關(guān)注。為了降低車廂內(nèi)噪聲，采用改善機械結(jié)構(gòu)的方法已不能滿足日益提高的控聲目標要求，汽車生產(chǎn)商需大量使用吸聲材料來應(yīng)對消費者對車內(nèi)舒適環(huán)境的需求。非織造材料具有質(zhì)量輕、對溫度穩(wěn)定、可回收再利用等特點，是汽車控聲材料的極佳選擇。目前，吸聲非織造材料在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)達國家相比存在一定差距，因此可以預(yù)見，未來有關(guān)車內(nèi)噪聲水平控制的法律法規(guī)會不斷完善，吸聲非織造材料在我國汽車生產(chǎn)制造領(lǐng)域也會獲得極大的發(fā)展。

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Application status and trends of acoustic nonwovens in automobiles

ZhouJintao1，JiaoXiaoning2,HuBinghui1

1. Schoool of Textiles,Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China；2. Key Laboratory of Advanced Textile Composites，Ministry of Education，Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China

The source, harmfulness and control solutions of noise in automobiles were elaborated. The principle of noise absorption for nonwovens and its specific application in the field of automobile noise control, as well as the research progresses in acoustic nonwovens at home and abroad, were described. And the current development of foreign automobile acoustic nonwovens were introduced. The future tendencies of nonwovens in domestic automobile acoustic fields were forecasted.

sound absorption，sound insulation，nonwovens，current situation，tendency

2015-06-30

周錦濤，男，1991年生，在讀碩士研究生，研究方向為功能非織造材料

焦曉寧，E-mail: xiaoningj@tjpu.edu.cn

TS176+.9

A

1004-7093(2016)03-0001-07