彭 敏，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

汽車用吸聲非織造材料的研究進(jìn)展

彭 敏，趙曉明

(天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387)

介紹了汽車噪音的產(chǎn)生機(jī)理、傳播途徑以及汽車噪音的危害，概述了汽車用吸聲非織造材料的性能要求、原料選擇、生產(chǎn)工藝、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為汽車用吸聲非織造材料的發(fā)展提供參考。

車內(nèi)噪音 吸聲材料 非織造材料 控制

隨著人們生活水平的不斷提高，人們對于汽車的需求已不僅僅局限于一種代步工具了，而是一個生活空間[1]，很多消費者更是將汽車當(dāng)成自己的第二個家。因此，汽車自身的安全性及乘坐的舒適性就成為了評價一輛汽車品質(zhì)的重要標(biāo)準(zhǔn)，其中汽車噪音就是一個重要的標(biāo)準(zhǔn)。

1 車內(nèi)噪音

當(dāng)車輛高速行駛時，汽車輪胎與地面產(chǎn)生的摩擦、汽車的鳴笛聲以及發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動等都會產(chǎn)生噪音。總的來說，汽車噪聲是一個包括了各種性質(zhì)噪聲的綜合噪聲源，分為車外噪聲和車內(nèi)噪聲兩大類[2]。其中車外噪音是造成交通噪音的主要公害源，也是城市噪音的主要來源，它指的是由汽車的各系統(tǒng)在工作時所產(chǎn)生的聲音傳播到車外空間的那部分噪音，主要包括發(fā)動機(jī)噪聲、排氣噪聲、輪胎噪聲、制動噪聲和傳動系統(tǒng)噪聲等[3，4]。車內(nèi)噪音則指的是車廂外的汽車各部分噪聲通過各種途徑傳入車內(nèi)的那部分噪聲以及汽車各部分振動傳遞路徑激發(fā)車身各部件的結(jié)構(gòu)振動向車廂內(nèi)輻射的噪聲[5，6]，這些噪聲聲波在車內(nèi)空間聲學(xué)特性的制約下，生成較為復(fù)雜的混響聲場，從而形成車內(nèi)噪聲。

1.1 車內(nèi)噪音的產(chǎn)生及組成

車內(nèi)噪聲主要是由于汽車的發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)、汽車的傳動系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、車行駛過程中車身的振動、輪胎/路面之間的摩擦及風(fēng)扇等車外聲源和振動源產(chǎn)生的。

這些由汽車自身或行駛過程中產(chǎn)生的噪聲將會通過空氣聲(如汽車的門窗等處的孔隙及車廂的壁板)和結(jié)構(gòu)聲( 如汽車車身壁板振動而產(chǎn)生的聲音) 傳入汽車內(nèi)部。因此，車內(nèi)噪聲實際是由空氣聲、結(jié)構(gòu)聲和室內(nèi)混響聲共同組成[7]。而當(dāng)該聲音超過一定的分貝就會干擾駕駛?cè)藛T及車廂內(nèi)其他人員，使其產(chǎn)生煩躁、心慌的現(xiàn)象。

1.2 車內(nèi)噪音的危害

人與人之間的溝通交流離不開聲音，人們通過聲音來獲取信息，但當(dāng)聲音的強(qiáng)度超過人們正常生活和生產(chǎn)所能承受的范圍后，聲音就成為了一種噪音，它不僅對人而言是無用的，甚至?xí)θ梭w及周圍的建筑等造成危害，并且其影響是巨大的。

近年來，隨著交通和汽車工業(yè)的發(fā)展，車輛數(shù)量越來越多，車輛的行駛速度也越來越高，車內(nèi)噪音對駕駛員及車內(nèi)其他人員的危害也越加明顯。車內(nèi)噪音對人的影響是多方面的，研究表明，當(dāng)人處在噪音環(huán)境下一段時間，聽力會開始有所下降，但如果及時離開，一段時間后聽力會得到恢復(fù)，但如果長期處在噪音環(huán)境下，其聽覺系統(tǒng)長期受到刺激和損害，就會出現(xiàn)永久性的聽力受損。除此之外，通常當(dāng)噪聲值高于65dB時便會干擾到車內(nèi)人員的正常談話，此時如果車內(nèi)的人員想要交流就必須提高自己的聲音或拉近交談?wù)咧g的距離才能交談[8]，而這一舉動則極有可能分散駕駛?cè)藛T的注意力，為行車安全埋下隱患。而當(dāng)車內(nèi)噪音過大時，也會使人感覺到心煩、精神難以集中，更有甚至?xí)绊懙杰噧?nèi)人員的心血管系統(tǒng)，對視覺器官等造成不良的影響，導(dǎo)致駕駛?cè)藛T視力清晰度下降、平衡性反應(yīng)失靈，嚴(yán)重危害汽車駕駛安全。因此，為了有效地減小車內(nèi)噪音對車內(nèi)人員的安全狀況造成影響，消除安全隱患，減少或消除車內(nèi)噪音是很有必要的。

1.3 車內(nèi)噪音的控制

聲音進(jìn)入人耳需要經(jīng)過三個環(huán)節(jié)，即發(fā)聲體的振動產(chǎn)生聲音(聲源)經(jīng)介質(zhì)(氣體、液體、固體)傳播并被人或動物的聽力器官所感知。因此，對于車內(nèi)噪音的降噪也要從噪音源、傳播途徑及保護(hù)接收者這三個方面來考慮。通常情況下降噪的方式有兩種，一是對噪音源進(jìn)行治理，即對汽車本身的性能及裝備進(jìn)行改良，這是最徹底最有效的措施，但這就目前而言我國車內(nèi)主動降噪系統(tǒng)尚不成熟，因此這種從噪音源降噪的方式受到了工藝技術(shù)上的限制，不能達(dá)到預(yù)期的防噪效果；二是利用聲音的特性在聲波傳播過程中通過不同的“障礙物”損耗聲波的能量，即利用汽車內(nèi)飾材料的吸聲、隔聲及減振的性能，從噪音傳播的途徑上實現(xiàn)降噪，這種方法是目前車內(nèi)降噪的主要手段[9]，也是本文論述的重點。

2 吸聲非織造材料在汽車上的應(yīng)用

2.1 吸聲材料

通常情況下，任何材料都具有一定的吸聲效果，評價材料吸聲性能好壞的指標(biāo)有很多，但最常用的是以材料的吸聲系數(shù)作為評價一個材料吸聲性能是否優(yōu)良的指標(biāo)[10]。吸聲系數(shù)是指當(dāng)聲波入射到材料時，被材料所吸收的聲能與入射聲能的百分率，吸聲系數(shù)的范圍在0到1之間，吸聲系數(shù)的值越大，代表該材料的吸聲性能越優(yōu)異。通常將吸聲系數(shù)大于0.20的材料稱為吸聲材料[11-13]。

2.2 吸聲非織造材料在汽車上的應(yīng)用

汽車工業(yè)的不斷發(fā)展為纖維材料的使用帶來了一個具有巨大潛力的市場。據(jù)統(tǒng)計，過去生產(chǎn)一輛轎車平均僅需1平方米非織造材料，而在2007年時則需20多平方米非織造材料[14]，并且這一用量一直呈現(xiàn)增長的趨勢。如今在汽車中應(yīng)用的基于非織造材料的零件已超過40種[15]，這些非織造材料被用在汽車制造的各方面，包括用在汽車的車頂、車廂襯墊、座椅靠背、行李艙蓋板及汽車裝飾件等，起到吸聲、隔聲、減震、熱絕緣及汽車裝飾的作用。隨著需求的不斷增大，巨大的市場需求將為汽車用吸聲非織造材料的發(fā)展帶來了巨大的商機(jī)，同時也將促進(jìn)其材料性能的不斷進(jìn)步。

2.3 汽車用吸聲非織造材料的性能要求

對于汽車用非織造材料，在選擇時除了要考慮該材料是否具有良好的吸聲性能，能否有效的降低車內(nèi)噪音的水平，還要從汽車的舒適性及乘坐者的安全性出發(fā)[16]，這也是在現(xiàn)如今進(jìn)行汽車產(chǎn)品的研制與開發(fā)過程中需要考慮的重要因素。這些要求主要包括：

(1)安全環(huán)保性

任何產(chǎn)品在進(jìn)行研制和開發(fā)的過程中，首先要考慮該產(chǎn)品的安全性，如果不能保障使用安全，那么再好性能的產(chǎn)品也不能投入生產(chǎn)和使用。因此，作為汽車內(nèi)使用的吸聲非織造材料，其首要要求就是在任何的環(huán)境下該吸聲材料都必須是對于人體無刺激、無毒、無害，安全可靠的。隨著人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，越來越重視對環(huán)境的保護(hù)，在對吸聲非織造材料進(jìn)行研制和開發(fā)時更需要注重其環(huán)保性，即所使用的原料及加工過程是對環(huán)境沒有影響或影響較小的，且材料可以回收再利用[17]。

(2)吸聲、隔聲性能優(yōu)良

作為汽車內(nèi)的降噪材料，其吸聲性能及隔音性能是評價該材料性能的最主要的因素之一，沒有良好吸聲隔聲性能的非織造布只能作為汽車內(nèi)飾的裝飾而不能真正的發(fā)揮它的效用，因此在選擇材料時要求該降噪非織造材料擁有良好的吸聲隔聲性能，且吸聲隔聲的頻率范圍較廣，以便吸收各頻段的噪音。

(3)良好的力學(xué)性能[18]

擁有良好的力學(xué)性能，這是材料使用的基礎(chǔ)要求，良好的力學(xué)性能包括具有一定的強(qiáng)度，且耐磨、耐壓、尺寸穩(wěn)定性好等。

(4)良好的耐熱性、阻燃性及抗靜電性等

在較炎熱的夏季，汽車內(nèi)的溫度最高可以達(dá)到60℃以上，這就要求在汽車內(nèi)使用的降噪非織造材料具有一定的耐熱性及阻燃性。

(5)壽命長，不易老化，耐氣候性好

汽車的壽命相對較長，一般小汽車的壽命可以達(dá)到15年左右，因此作為汽車內(nèi)飾材料，其壽命也需要較長，且不易老化，在使用的過程中其吸聲隔聲性能不能隨時間和環(huán)境的改變變化太大。

(6)輕量化，高性價比

汽車的輕量化是汽車制造領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢，汽車自身質(zhì)量的減少可以有效的減少油耗，使得車主在使用過程中能節(jié)省開銷。同時，與機(jī)織針織物等相比，非織造材料的成本更加低廉，這也是非織造材料作為汽車吸聲材料的一個重要的原因。

(7)便于剪裁、裝飾。

汽車中對于降噪材料的選擇并不僅僅是起到吸聲隔聲的功能，更是一種汽車內(nèi)飾的裝飾，因此需要材料便于剪裁以便于進(jìn)行汽車裝飾，營造出一種溫馨、舒適的環(huán)境且具有可觀賞性[19]。

2.4 吸聲非織造材料原料的選擇

吸聲非織造材料原料的選擇主要從其吸隔聲性能、安全性及舒適性幾個方面進(jìn)行考察，其原料的選擇也從最初的天然有機(jī)材料到無機(jī)材料，再到現(xiàn)在綜合綠色環(huán)保、安全舒適于一身的復(fù)合型材料。各種吸聲非織造材料各有其優(yōu)缺點，因此在選擇的過程中需要根據(jù)實際情況進(jìn)行取舍。

早期的吸聲材料主要是以天然纖維如棉、毛、麻等纖維制品為主，這一類的纖維材料在中高頻范圍內(nèi)具有良好的吸聲隔聲性能[20,21]。這一類纖維原料取材方便，并且可降解，對環(huán)境無危害，因此在早期時應(yīng)用較廣泛，但天然的動植物纖維作為吸聲隔聲材料的原料也具有很多缺點，由其加工而成的材料通常防火、抗酸堿、抗腐蝕性差，且易蛀蟲、易老化，不適宜長期使用，因此，隨著無機(jī)纖維的面世，這一類吸聲材料開始漸漸淡出市場。

無機(jī)纖維具有不易燃、不易蛀蟲、不易老化、不易腐蝕并且強(qiáng)度高、成本較為低廉、制品較為輕薄等優(yōu)點，但這類纖維雖然強(qiáng)力較高但性脆，因此在施工安裝過程中易折斷，產(chǎn)生粉塵污染環(huán)境[22]，影響人的健康，并且從安全和舒適性出發(fā)，這類纖維材料也存在著一定的缺陷，故也慢慢退出吸聲材料的舞臺。

目前車用吸聲非織造材料的原材料中使用最廣泛的是合成纖維。合成纖維大多屬有機(jī)纖維，同時又因其為人造可溶(熔) 纖維，易加工和回收，故屬健康、環(huán)保、舒適材料。合成纖維綜合性能優(yōu)異，由其為原材料制成的吸聲非織造材料具有質(zhì)量輕、吸聲效果好、無污染、安全舒適且壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，符合現(xiàn)在社會綠色環(huán)保、輕量化、節(jié)約型的要求，同時由于其成型方便，故可以根據(jù)產(chǎn)品的實際需要而制成具有不同特點的纖維制品，因此倍受廣大汽車制造商青睞。

2.5 吸聲非織造材料的生產(chǎn)工藝

對于汽車用非織造材料的生產(chǎn)方式有很多，如針刺工藝、熔噴工藝及熱黏合工藝等，但針刺工藝是使用最為廣泛的，與其他工藝相比，針刺工藝具有生產(chǎn)成本低、流程短等特點，并且由于其工藝參數(shù)可以進(jìn)行改變，因此具有更高的靈活性及可操作性，由這種工藝生產(chǎn)的非織造材料具有大量的孔隙，擁有良好的吸聲效果。因此，這種針刺加固非織造材料的方法是在吸聲材料中運用最廣泛的。Montgomery Elizo最早利用針刺工藝研制出航空器內(nèi)部貼敷用吸聲非織造材料，并對其性能進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)這種由針刺工藝所得到的材料擁有良好的吸聲效果[23]。

3 汽車用吸聲材料發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢

3.1 汽車用吸聲材料的發(fā)展歷程

最早期使用的汽車用吸聲材料通常是橡膠類的材料，直到20世紀(jì)60年代末，汽車用的吸聲材料才開始使用一些多孔吸聲材料，如多孔硬板、發(fā)泡材料等，其中主要使用的是由玻璃纖維為原料制成的吸聲材料，但由于玻璃纖維性脆，因此為了防止纖維飛散，需要用網(wǎng)或布將其包裹起來。

非織造材料在汽車上被作為吸聲材料使用是在20世紀(jì)70年代末，吸聲非織造材料開始在汽車上使用。研究人員發(fā)現(xiàn)與其他結(jié)構(gòu)的吸聲材料相比，非織造材料不僅具有良好的吸聲性能，同時還具有質(zhì)量輕、透氣性好、耐氣候性好、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點，因此被廣泛用作汽車用吸聲材料[24]。據(jù)調(diào)查，目前汽車用的吸聲材料中，非織造材料占百分之八十以上。

目前，傳統(tǒng)單一的原材料與制作工藝已難以滿足人們的需求，眾多研究人員與相關(guān)的公司紛紛致力于研究出成本較低、性能良好的新型吸聲材料。通常中高檔車更將注重汽車的整體性能，特別是汽車的舒適性等附加性能，因此對于中高檔車輛的生產(chǎn)商而言更加看重新型高效吸聲材料的開發(fā)與研制。

(1)新型纖維的開發(fā)與應(yīng)用

①異形纖維

異形纖維是相較橫截面為圓形的纖維而言的，是受蠶絲纖維的結(jié)構(gòu)的啟發(fā)研制而成的，它是通過不同形狀的噴絲孔擠壓噴絲出具有特殊橫截面結(jié)構(gòu)的化學(xué)纖維[25]。

異形纖維與普通的化學(xué)纖維相比，除了具有良好的光學(xué)效應(yīng)外，由于其比表面積大、纖維之間的抱合力強(qiáng)，纖維與紗線之間的空隙多等特點，使得這類纖維具有很好的吸聲性能，適合用作吸聲材料。日本尼桑公司在原材料纖維中混入線密度小于 0.555 tex 的異形截面纖維，經(jīng)熱黏合法制成非織造布，發(fā)現(xiàn)其具有良好的吸音效果，可用于汽車內(nèi)部襯墊材料[26]。日本豐田公司在對吸聲材料進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)，通過運用改性的異形纖維成功研究出一種聲學(xué)材料，可以有效地提高汽車內(nèi)飾吸聲材料的吸聲性能[26,27]。2011年，Abdelfattah A M等[28]在研究中空纖維是否適合用作汽車用吸聲非織造材料原料時發(fā)現(xiàn)，將相同線密度的普通PET 纖維和中空纖維經(jīng)熱黏合加固所得到的非織造材料，與同等條件下有普PET纖維單獨制成的非織造材料相比該復(fù)合材料的吸聲性能得到了大幅的提升。

②金屬纖維

金屬纖維具有強(qiáng)度高、不易燃、不易老化、防潮、抗氧化等，并且由其制成的吸聲隔聲材料較為環(huán)保。美國開發(fā)的一種POLPRENT產(chǎn)品，這種產(chǎn)品的主要原料是聚酯纖維，但在制作的過程中在其夾層加入了金屬層，其吸聲隔聲性能特別是其低頻段的吸聲性能得到了明顯的提升[29]。

③合成纖維

除單一原料的合成纖維的使用外，很多汽車制造公司也將合成纖維與其他纖維進(jìn)行混紡，以提升其綜合性能。如美國通用公司在對汽車用非織造布進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，在纖維細(xì)度為0.44tex～0.666tex聚酯纖維網(wǎng)中加入低熔點聚酯纖維，經(jīng)針刺工藝制成的非織造材料具有良好的吸聲效果，并且可以降低材料所需要的成本，具有質(zhì)量輕、可回收利用等特點。德國Wcrke公司采用亞麻纖維與聚丙烯纖維混合，經(jīng)針刺固結(jié)后模壓成型的材料具有優(yōu)良的硬挺度、抗拉強(qiáng)度和吸音效果，而且價格低廉，適用于車門板襯墊、坐墊、行李廂襯里[30]。

④超細(xì)纖維及納米纖維

步入21世紀(jì)，超細(xì)纖維開始被用作一些中高檔汽車的吸聲非織造材料的原料。2003 年，Emirze等[31]研發(fā)橘瓣形超細(xì)纖維非織造材料，該非織造材料具有良好的吸聲性能及透氣性。2007 年，捷克Elmarco公司聯(lián)合奧地利Oerlikon Neumag公司開發(fā)出納米/非織造復(fù)合材料，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料的吸聲性能較普通非織造材料有大幅提高，特別是對頻率1000Hz以下的噪聲其吸收效果尤為明顯[32]。2009年，Asmatulu R等[33]研究了靜電紡納米纖維的吸聲性能，發(fā)現(xiàn)靜電紡納米纖維因納米尺寸和較高的比表面積而具有優(yōu)良的低頻吸聲效果和穩(wěn)定的高頻吸收能力。2011年，Kalinova K[34]研究了靜電紡納米纖維對低頻噪聲的吸收性能，發(fā)現(xiàn)其效果明顯。

(2)天然纖維的使用

隨著人們環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，天然纖維作為降噪非織造材料的使用也漸漸回歸到人們的視野，如何在保持天然纖維優(yōu)異的性能的同時降低其缺點成為熱點。歐盟立法部門還規(guī)定，車用可回收材料質(zhì)量所占比例2006年至少達(dá)到 85%，2015年已增至95%，同時強(qiáng)制性規(guī)定了天然纖維所占比例。自此，天然纖維優(yōu)良的性能、較低的成本、可再生等優(yōu)勢，成為汽車內(nèi)飾降噪材料研發(fā)的焦點與熱點[35]。目前在汽車內(nèi)飾非織造布原材料中使用較多的天然纖維是麻類，如亞麻等，但天然纖維普遍具有易蟲蛀易燃等缺點，因此在實際生產(chǎn)過程中，通常將天然纖維與其他纖維復(fù)合，使其性能得到提升[36,37]。南通工學(xué)院為了改善材料的性能，將低熔點聚丙烯纖維和麻纖維進(jìn)行了復(fù)合，制成了聚丙烯纖維薄層上下夾心麻纖維的熱塑性非織造材料。通過測試發(fā)現(xiàn)，該材料無污染、成本低，且具有高強(qiáng)、良好的吸聲性能、防腐蝕、防蟲蛀、且絕緣性優(yōu)良等特點，被廣泛應(yīng)用于吸聲、隔聲領(lǐng)域。

3.2 汽車用吸聲材料的發(fā)展趨勢

吸聲非織造材料能有效地降低汽車內(nèi)的噪音，給車內(nèi)的乘坐營造一個安靜舒適的乘坐環(huán)境。隨著不斷地發(fā)展，未來汽車用吸聲非織造材料的發(fā)展也將向著以下幾個方向進(jìn)行努力：

(1) 改進(jìn)并完善汽車噪聲法規(guī)和測量標(biāo)準(zhǔn)

與國外相比，我國在噪聲標(biāo)準(zhǔn)的制定上仍不夠完善，范圍要求太廣泛，測量準(zhǔn)確度受到一定的影響。因此，完善我國汽車噪音的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，制定出符合社會發(fā)展需求的標(biāo)準(zhǔn)是必要的。

(2)環(huán)保性

任何材料的開發(fā)與使用均不能以環(huán)境作為代價，隨著各國對環(huán)境的重視以及相關(guān)法規(guī)的規(guī)定，開發(fā)出可回收且安全環(huán)保的材料是未來發(fā)展的趨勢。

(3)低成本性

一個新材料無論性能多么優(yōu)異，但如果成本太高，無法滿足社會需求，也是不能進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的，因此在保證材料性能的同時，降低成本是未來汽車用吸聲非織造材料的發(fā)展需要。

(4)開發(fā)多功能吸聲材料

作為產(chǎn)業(yè)用紡織品，只具有吸聲性能是無法滿足人們的需求的。因此，對于汽車用吸聲非織造材料除了要具備良好的吸聲性能外，還需要具備其他的功能，如防火、防蟲、隔熱及美觀等。

4 結(jié)語

隨著汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對汽車用降噪非織造材料的需求也將與日俱增，但就目前而言，我國在高效吸聲非織造材料領(lǐng)域仍是長期依賴進(jìn)口的現(xiàn)狀。如何開發(fā)出高性能的車用吸聲非織造材料取代進(jìn)口產(chǎn)品，降低汽車制造的成本，拓寬非織造材料應(yīng)用領(lǐng)域，是我們需要努力的方向。

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2016-12-02

國家自然科學(xué)基金項目(51206122)

彭敏(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：紡織材料的吸聲隔聲機(jī)理。

趙曉明(1963-)男，博士，天津市特聘教授，博士生導(dǎo)師。

TS102

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1008-5580(2017)01-0230-06