劉國(guó)杰，王旭初

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基于前圍內(nèi)隔音墊NVH性能的材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案研究

劉國(guó)杰，王旭初

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京 101300）

汽車前圍內(nèi)隔音墊、前圍板鈑金、前圍外隔音墊組成了防火墻總成。前圍內(nèi)隔音墊是整車聲學(xué)包中最主要的內(nèi)飾件之一，主要用于隔絕和吸收發(fā)動(dòng)機(jī)中高頻噪聲傳遞。前圍內(nèi)隔音墊需要具有足夠高的隔聲性能，以隔絕發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲的傳遞及減小車內(nèi)混響時(shí)間。不同的前圍內(nèi)隔音墊結(jié)構(gòu)形式和材料特性會(huì)對(duì)其吸隔聲性能起到重要的作用，防火墻過(guò)孔及前圍內(nèi)隔音墊安裝工藝特征會(huì)直接影響到前圍內(nèi)隔音墊的隔聲性能，其結(jié)果是質(zhì)量大（理論上具有較高隔聲性能）的前圍內(nèi)隔音墊在實(shí)際狀態(tài)下并不能起到好的效果。結(jié)合理論和仿真分析前圍內(nèi)隔音墊不同結(jié)構(gòu)形式、不同覆蓋面積、不同泄漏水平對(duì)聲學(xué)包性能的影響，并通過(guò)防火墻隔聲量測(cè)試驗(yàn)證分析結(jié)果。該結(jié)論可為防火墻總成設(shè)計(jì)及整車聲學(xué)包設(shè)計(jì)優(yōu)化提供指導(dǎo)與參考。

防火墻；聲學(xué)；隔聲；泄漏；聲學(xué)包

1 吸隔聲基礎(chǔ)理論

1.1 吸聲原理及吸聲系數(shù)

吸聲指的就是當(dāng)聲波在傳播中通過(guò)媒質(zhì)時(shí)或入射到分界面時(shí)造成能量損失的過(guò)程。材料吸聲的主要原理就是將聲波中的能量轉(zhuǎn)化為熱能或者機(jī)械能，從而降低聲能，起到吸收聲音的作用。而吸聲材料之所以能夠轉(zhuǎn)化聲能是因?yàn)椋阂话愕奈暡牧蠟槎嗫撞牧希牧蟽?nèi)部存在大量并且連續(xù)的孔洞，材料的孔隙率一般能達(dá)到70%到90%左右，并且微孔向外敞開，使聲波容易進(jìn)入材料內(nèi)部孔洞。當(dāng)聲波進(jìn)入材料內(nèi)部時(shí)，由于聲波引起空氣振動(dòng)，從而使空氣與材料表面孔壁之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，空氣的粘滯阻力促使聲能逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。另外，空氣與空隙內(nèi)壁之間的摩擦也會(huì)使聲能損失，產(chǎn)生熱能。還有一個(gè)轉(zhuǎn)化聲能的主要方面是，材料產(chǎn)生的熱交換與熱傳導(dǎo)也會(huì)使聲能減弱。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是使聲波傳入狹長(zhǎng)的空隙，除了反射的一部分外，其余的在材料內(nèi)部沖撞反射，發(fā)生的一系列物理變化促使聲能衰減[1]。

吸聲系數(shù)是用來(lái)評(píng)價(jià)吸聲材料或吸聲結(jié)構(gòu)的參數(shù)，其物理意義為吸收的聲能占總

入射聲能的百分比。通常用符號(hào)α表示：

式中Sr為入射聲能量，Si為反射聲能量。并且可知α越大，材料的吸聲效果就越好。

1.2 隔聲特性

材料、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件阻隔空氣中傳播的噪聲，獲得比較安靜的環(huán)境稱為隔聲。從材料或構(gòu)件一側(cè)的入射聲能量與另一側(cè)的透射聲能量的差值就是該材料或構(gòu)件的隔聲量，又叫做傳聲損失。隔聲量一般用TL表示：

公式中，TL 是隔聲量，r為結(jié)構(gòu)傳遞函數(shù)，Wi是入射聲能量，Wt是透射聲能量。同一種材料，隔聲量也是頻率的函數(shù)，對(duì)于不同的頻率隔聲量也不同[1]。

1.3 材料密度和隔聲性能的關(guān)系

材料的隔聲性能可用透聲系數(shù)τ表示為透射聲功率Wt與入射聲功率W的比值，即：

式中It為透射聲強(qiáng)；I為入射聲強(qiáng)；Pt為透射聲壓；P為入射聲壓。

通常為了直觀反映材料隔聲量的大小，通常定義隔聲量R為：

當(dāng)不考慮材料的第一共振頻率和臨界吻合頻率時(shí)，基于隔聲量公式假設(shè)，由透聲系數(shù)的定義及平面聲波理論，可導(dǎo)出單層材料的隔聲量簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

即單層材料隔聲性能滿足質(zhì)量定律，隔聲量的大小與材料密度和聲波頻率成正比[1]。故在汽車結(jié)構(gòu)中，可通過(guò)增加鈑金件厚度、提高內(nèi)飾件克重等方式來(lái)提高整車隔聲性能。如防火墻鈑金件由0.8 mm提高至1.0 mm，前圍內(nèi)隔音墊由4000g/m2的EVA材料更換為6000g/m2的EVA材料等，均為增加材料密度以提高隔聲量的例子。如圖1所示，比較兩個(gè)材料密度不同的前圍內(nèi)隔音墊隔聲曲線，樣件1：EVA：4kg/m2+PUR；樣件2：EVA:6kg/m2+PUR；樣件2的EVA 克重比樣件1的重2kg/m2，隔聲量也相應(yīng)的比樣件1大。

圖1 不同EVA克重樣件隔聲曲線

如圖2示，比較兩個(gè)軟硬氈類型的前圍內(nèi)隔音墊隔聲曲線，樣件2總材料密度比樣件1大。樣件2的EVA 克重比樣件1的重390g/m2，隔聲量也相應(yīng)的比樣件1大。

樣件1：PET：1200g/m2+PE：40g/m2+PUR:60kg/m3total: 1240g/m2；

樣件2：PET:1200 g/m2+EVA:400g/m2+ PE:30g/m2+PUR: 60kg/m3total:1630g/m2。

圖2 總克重不同隔聲曲線

1.4 泄露面積對(duì)隔聲性能的影響

在汽車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)中，由于設(shè)計(jì)及工藝的問(wèn)題，常會(huì)存在一些泄漏與內(nèi)飾覆蓋面不嚴(yán)的問(wèn)題，如由于焊接質(zhì)量和涂膠工藝控制不嚴(yán)引起的泄漏，由于零部件安裝、工藝孔洞、工藝臺(tái)階等引起的內(nèi)飾件與鈑金件粘合不嚴(yán)或覆蓋面積不足等，而這些問(wèn)題在汽車防火墻結(jié)構(gòu)中又更為常見。存在泄漏或覆蓋率不足的內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，可以看作由不同隔聲材料組合而成的隔聲體。而對(duì)于組合材料，其隔聲量可由透射系數(shù)推導(dǎo)得：

假設(shè)結(jié)構(gòu)總面積為1 m2，當(dāng)不存在泄漏時(shí)，其平均透射系數(shù)為0.000 001，即隔聲量R＝60 dB。如結(jié)構(gòu)存在1 mm2泄漏，則泄漏位置平均透射系數(shù)為1，由式1.6 可得，當(dāng)存在此泄漏時(shí)，結(jié)構(gòu)的隔聲量為：

1.5 覆蓋率、材料厚度和隔聲性能的關(guān)系

汽車內(nèi)飾件由于由于結(jié)構(gòu)過(guò)孔、結(jié)構(gòu)造型及結(jié)構(gòu)工藝等的影響，往往不能完全覆蓋或貼合整個(gè)鈑金結(jié)構(gòu)件，從而造成內(nèi)飾件覆蓋率低或內(nèi)飾與鈑金件間形成不閉合空腔等情況。以汽車防火墻為例，假設(shè)結(jié)構(gòu)總面積為1m2，當(dāng)內(nèi)飾覆蓋率為100 %時(shí)，其平均透射系數(shù)為0.000 001，即隔聲量R＝60dB；防火墻鈑金件透射系數(shù)為0.001。當(dāng)內(nèi)飾覆蓋率為99 %時(shí)，由式1.6可得結(jié)構(gòu)的隔聲量為：

由式1.8 可知，當(dāng)內(nèi)飾件覆蓋面積為99 %時(shí)，隔聲量降低了10 dB，同理，可得出當(dāng)覆蓋面積為98 %時(shí)，隔聲量為46.78 dB，降低了約13dB；覆蓋面積為95%時(shí)，隔聲量為42.93 dB，降低了約17dB；覆蓋面積為90%時(shí)，隔聲量為39.96dB，已不足40dB?？梢?，當(dāng)覆蓋率不足時(shí)，結(jié)構(gòu)隔聲性能急劇下降。由式1.8可計(jì)算出，當(dāng)覆蓋率低于99%時(shí)，即使再增大覆蓋內(nèi)飾件位置的隔聲性能，結(jié)構(gòu)整體的隔聲量也不會(huì)超過(guò)50 dB[2]。

2 分析及優(yōu)化結(jié)果研究

子系統(tǒng)模型建立的整體思路是根據(jù)有限元模型進(jìn)行SEA模型建模，再在前圍SEA模型上進(jìn)行聲學(xué)曲線建模（即NCT）。

首先建立前圍鈑金有限元模型。根據(jù)前圍鈑金有限元模型建立前圍板子系統(tǒng)模型；再者在前圍子系統(tǒng)模型上進(jìn)行聲學(xué)曲線建模，建立前圍板聲腔模型。

輸入的前圍內(nèi)隔音墊和前圍外隔音墊材料吸隔聲曲線，完成后對(duì)前圍板模型施加單位載荷。本論文進(jìn)行的前圍板子系統(tǒng)仿真分析，假定前圍外隔音墊厚度、覆蓋率、材料不變，來(lái)仿真分析前圍內(nèi)隔音墊材料、材料克重和厚度、覆蓋率等變化引起的隔聲量變化。

2.1 優(yōu)化材料密度

在前面章節(jié)中，已經(jīng)從理論上進(jìn)行了隔聲量的運(yùn)算，并測(cè)試了兩種不同材質(zhì)的隔聲量對(duì)比。單層材料隔聲性能滿足質(zhì)量定律，隔聲量的大小與材料密度和聲波頻率成正比。因此在前圍板子系統(tǒng)模型中，通過(guò)模型分析，調(diào)整前圍內(nèi)隔音墊表皮材料的克重，表皮EVA分為2kg/m2；4kg/m2；5kg/m2。分析結(jié)果如圖3所示，符合質(zhì)量定律，隔聲量的大小與材料密度成正比。

圖3 EVA+PUR 前圍內(nèi)隔音墊模擬結(jié)果

2.2 減少泄露面積

按照整車狀態(tài)下，防火墻上可能存在泄漏位置（如線束過(guò)孔處）施加不同大小的泄漏，得出不同泄漏量下防火墻的隔聲性能曲線，如下圖4所示。

可見，當(dāng)泄漏量從1mm2增大至10mm2時(shí)，防火墻隔聲性能明顯降低，尤其是高頻隔聲性能，8000Hz時(shí)，隔聲量降低量由5dB升至10dB。由此說(shuō)明泄漏量越大，高頻隔聲性能下降越嚴(yán)重，并隨泄漏量的增大，隔聲性能的衰減向中頻擴(kuò)展[2]。

圖4 不同泄露量對(duì)防火墻隔聲性能的影響

2.3 增加覆蓋率和材料厚度

適當(dāng)改變前圍內(nèi)隔音墊在防火墻上的覆蓋面積，以模擬前圍內(nèi)隔音墊與防火墻貼合不嚴(yán)而造成的開放空腔，及由于工藝引起的實(shí)際覆蓋率不足等情況。當(dāng)前圍內(nèi)隔音墊采用不同覆蓋率時(shí)（分別取99 %、95 %、90 %），可得出防火墻的隔聲性能曲線，如圖2-3所示（99%為原狀態(tài)）。由圖5可以看出，隨著前圍內(nèi)隔音墊覆蓋率的減小，防火墻隔聲性能明顯降低，尤其是高頻隔聲性能。由此說(shuō)明覆蓋率越小，高頻隔聲性能下降越嚴(yán)重，并隨覆蓋率的減小，隔聲性能的衰減逐漸向中頻擴(kuò)展[2]。

圖5 不同覆蓋率對(duì)防火墻隔聲性能的影響

在實(shí)際車型開發(fā)中，對(duì)防火墻總成一般是綜合性要求，對(duì)前圍內(nèi)隔音墊厚度及厚度比例方案進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化分析，共進(jìn)行三種不同的優(yōu)化分析，如下表1所示。對(duì)厚度和調(diào)整后的厚度比例進(jìn)行模型分析，得出調(diào)整厚度及厚度比例后，三種不同方案的隔聲曲線差別，如下表2和下圖6所示。

表1 調(diào)整厚度及厚度比例

表2 三種方案的模擬結(jié)果

圖6 調(diào)整厚度及厚度比例對(duì)防火墻隔聲性能的影響

經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析，發(fā)現(xiàn)方案三對(duì)前圍內(nèi)隔音墊的隔聲性能提升更為明顯，因此采用方案三進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.4 驗(yàn)證對(duì)比分析

對(duì)粘附于防火墻鈑金件的兩種內(nèi)前圍材料進(jìn)行隔聲性能比較。兩種內(nèi)前圍分別為軟層毛氈＋薄膜＋硬層毛氈（20 mm厚，2800g/m2）與EVA＋PUR（20mm厚，4000g/m2）。圖7所示為對(duì)兩種前圍內(nèi)隔音墊平板樣件進(jìn)行插入損失測(cè)試。由圖7可見，EVA+PUR的隔聲性能明顯優(yōu)于軟硬毛氈組合材料。將兩種材料制成的前圍內(nèi)隔音墊成形件貼附于防火墻鈑金件上，進(jìn)行防火墻總成的隔聲量測(cè)試，測(cè)試中，將防火墻上開孔采用鉛皮進(jìn)行密封。由于孔洞密封及鈑金搭接工藝，在鈑金件上仍存在一些小的泄漏。

由于設(shè)計(jì)原因，防火墻上還存在一些臺(tái)階孔及部件安裝支架等，造成內(nèi)前圍在安裝過(guò)程中，存在與防火墻貼合不嚴(yán)及不能全覆蓋的問(wèn)題。在此前提下，測(cè)得兩種材料內(nèi)前圍成形件插入損失如圖8所示。圖8可以看出，存在泄漏的情況下，兩種內(nèi)前圍內(nèi)隔聲性能相當(dāng)，1600 Hz以下頻率時(shí)，EVA＋PUR內(nèi)前圍隔聲性能略高，但在1 600 Hz以上頻率時(shí)，該內(nèi)前圍隔聲性能反而有所下降，略差于軟硬毛氈層前圍內(nèi)隔音墊，測(cè)試結(jié)果與兩種材料平板樣件結(jié)果明顯不同。造成此問(wèn)題的主要原因即是由于前圍內(nèi)隔音墊在安裝于防火墻上后，由于泄漏及覆蓋率的原因而大大削減了隔聲性能，而由于軟硬毛氈層結(jié)構(gòu)前圍內(nèi)隔音墊的吸聲水平優(yōu)于EVA+PUR前圍內(nèi)隔音墊，一定程度上彌補(bǔ)了隔聲性能降低的問(wèn)題，從而造成了兩種內(nèi)前圍隔聲性能出現(xiàn)圖8所示的現(xiàn)象。

圖7 兩種前圍內(nèi)隔音墊材料插入損失比較

圖8 兩種前圍內(nèi)隔音墊隔聲性能比較

3 前圍內(nèi)隔音墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

前圍內(nèi)隔音墊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括過(guò)孔密封設(shè)計(jì)、厚度和覆蓋率設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 過(guò)孔設(shè)計(jì)

防火墻系統(tǒng)中，前圍內(nèi)隔音墊在乘客艙里裝配，其隔聲量大小，直接決定了車輛乘客艙噪音的大小，而泄露量大小關(guān)鍵在于過(guò)孔設(shè)計(jì)，過(guò)孔密封設(shè)計(jì)的好，前圍內(nèi)隔音墊隔音量就大，從而乘客艙噪音就相應(yīng)的小。

圖9 前圍內(nèi)隔音墊 關(guān)鍵過(guò)孔

過(guò)孔設(shè)計(jì)思路：配合結(jié)構(gòu)制作思路：保證裝配及配合的情況下，減小前圍內(nèi)隔音墊開孔尺寸，保證提升NVH性能，如圖9列出了前圍內(nèi)隔音墊關(guān)鍵過(guò)孔。

（1）與離合踏板踏板、車身鈑金

離合踏板基座4個(gè)安裝點(diǎn)增加10mm-15mm的套管以減小與前圍板金貼合面積，增加前圍密封性，前圍內(nèi)隔音墊按邊界開孔避讓。踏板安裝面周圈與隔音墊搭接量≥5mm最佳。斷面圖中留5mm間隙是為了保證裝配方便性。如圖10：

圖10 離合踏板過(guò)孔

（2）制動(dòng)踏板踏板、車身鈑金

制動(dòng)踏板基座4個(gè)安裝點(diǎn)增加10mm-15mm的套管以減小與前圍板金貼合面積，增加前圍密封性，前圍內(nèi)隔音墊按邊界開孔避讓。踏板安裝面周圈與隔音墊過(guò)孔搭接量≥5mm最佳。斷面圖中留5mm間隙是為了保證裝配方便性。如圖11：

圖11 制動(dòng)踏板過(guò)孔

（3）油門踏板、車身鈑金

制動(dòng)踏板基座與車身螺柱配合，為減小與前圍板金貼合面積，增加前圍密封性，采用“8”字型結(jié)構(gòu)。油門踏板安裝面周圈與隔音墊過(guò)孔搭接量≥5mm最佳。斷面圖中留5mm間隙是為了保證裝配方便性。如圖12：

圖12 油門踏板過(guò)孔

（4）空調(diào)、車身鈑金

空調(diào)管路基座和空調(diào)進(jìn)風(fēng)口周圈翻邊10mm，隔音墊配合開孔，空調(diào)翻邊壓接在隔音墊上5mm。空調(diào)風(fēng)口安裝面周圈與隔音墊過(guò)孔搭接量≥5mm最佳。斷面圖中留5mm間隙是為了保證裝配方便性。如圖13：

圖13 空調(diào)過(guò)孔

（5）轉(zhuǎn)向管柱、車身鈑金

隔音墊包覆轉(zhuǎn)向管柱處車身位置，加大包覆率，此處位置可以做薄，厚度可以做到5mm，與轉(zhuǎn)向管柱做干涉校核并距離≥8mm。如圖14：

圖14 轉(zhuǎn)向管柱過(guò)孔

（6）換擋拉線、車身鈑金

換擋拉線基座周圈翻邊10mm，隔音墊配合開孔，基座翻邊壓接在隔音墊上5mm。換擋拉線基座安裝面周圈與隔音墊過(guò)孔搭接量≥5mm最佳。斷面圖中留5mm間隙是為了保證裝配方便性。如圖15：

圖15 轉(zhuǎn)向管柱過(guò)孔

（7）線束膠堵、車身鈑金

隔音墊配合開十字或梅花槽，線束穿過(guò)后隔音墊“自動(dòng)”覆蓋線束膠堵。隔音墊下部避空，給線束膠堵留空間，下表面搭接在線束膠堵上。如圖16：

圖16 線束過(guò)孔

3.2 厚度及覆蓋率

根據(jù)實(shí)際工作的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，優(yōu)化后的前圍內(nèi)隔音墊厚度比例如表3：

表3 前圍內(nèi)隔音墊厚度比例

4 總結(jié)

汽車防火墻關(guān)鍵零件前圍內(nèi)隔音墊在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用重質(zhì)層+吸音棉結(jié)構(gòu)時(shí)，泄露量對(duì)隔聲量起著至關(guān)重要的作用，重質(zhì)層對(duì)泄露量非常敏感。而選用雙層阻抗類的結(jié)構(gòu)時(shí)，前圍內(nèi)隔音墊對(duì)泄露量不敏感，但是相應(yīng)隔聲量比重質(zhì)層結(jié)構(gòu)差。而不論是重質(zhì)層+吸音棉結(jié)構(gòu)，還是雙層阻抗類結(jié)構(gòu)，增加覆蓋率，都能增加前圍內(nèi)隔音墊的隔聲量。因此控制泄漏、保證覆蓋率時(shí)，采用更高隔聲性能的材料（更重）可以起到良好的隔聲效果，反之則會(huì)適得起反，還會(huì)大大增加材料成本。

[1] 潘殿龍.應(yīng)用聲學(xué)包方法改善某轎車車內(nèi)噪聲的研究.2014.

[2] 鄧江華.防火墻總成特性對(duì)汽車聲學(xué)包性能影響.2014.

Optimization of material and structure of cowl insulation based on NVH performance

Liu Guojie, Wang Xuchu

( Beijing Automotive Technology Center, BAIC MOTOR Co., Ltd, Beijing 101300 )

The firewall assembly consists of sheet-metal part, inner dash and outer dash. As one of the most important parts of the sound package, the inner dash insulates and absorbs the exterior mid-and-high frequency noise of the engine.The inner dash must have good sound insulation and absorption performance so as to reduce sound energy transmission and interior reverberation time of the engine noise. Different structure and material of the inner dash, throughput hole of wiring harness and inner dash assembly process have important influence on the sound insulation and absorption performance of the inner dash. It is found that the heavy inner dash, which has better sound insulation theoretically, does not necessarily have good sound insulation performance actually. This paper studies the effect of different structure, coverage and leakage of the inner dash on vehicle sound package performance according to theoretical analysis and numerical simulation analysis. The results are verified by the sound transmission loss measurement of the firewall assembly. This work may provide some reference and guidance for firewall assembly structure design and vehicle sound package development and optimization.

Acoustics; firewall assembly; sound insulation; leakage; sound package

B

1671-7988(2018)22-229-06

U467

B

1671-7988(2018)22-229-06

U467

劉國(guó)杰，男，碩士，現(xiàn)工作于北京汽車股份有限公司汽車研究院，任職內(nèi)飾工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.081