車身空腔用膨脹膠塊聲學性能影響因素分析

齊海東　張俊華

摘要：膨脹膠塊作為汽車側圍空腔填充材料已經應用多年，用于阻隔空氣噪音和結構噪音的傳播，阻隔水和空氣進入汽車內部空間。其聲學性能的傳統量化方法是在整車上分別測量增加和去掉膨脹膠塊之后車內噪聲，該方法比較耗時耗成本。本文采用SAE空腔填充材料聲學性能測試方法，基于現有膨脹膠塊的常規設計，分析了膨脹膠塊聲學性能影響因素。

關鍵詞：膨脹膠塊；隔音；插入損失；面密度

中圖分類號：TQ437 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2014）09-0076-04

近年來越來越多的國內主機廠以熱反應型膨脹膠塊作為重要的汽車隔音降噪產品廣泛應用于車身空腔的密封，以阻斷車身空腔，防止車外的灰塵、水氣、氣流、噪聲、熱量等環境因素進入乘員艙，對提高車身的舒適性具有重要作用。但是對于膨脹膠塊的聲學效果國內尚沒有統一的測試方法。

本文參照美國汽車工程協會標準SAE J2846（空腔填充材料聲學性能的試驗室測量方法），對目前膨脹膠塊比較流行的設計模式進行模擬測試，從設計、材料方面分析膨脹膠塊聲學性能影響因素，希望以此來指導膨脹膠塊產品的最優化設計。

1 膨脹膠塊產品在汽車上的應用

目前采用空腔膨脹膠塊密封技術對汽車空腔結構進行阻斷，防止汽車行駛噪聲和風噪聲在空腔的傳播，是汽車廠提高汽車的駕乘舒適性的重要方法。預成型膨脹膠塊由耐高溫塑料模具件和能高溫膨脹的材料組成，現有的汽車空腔膨脹膠塊支架材料和發泡材料的設計方式多種多樣，見圖1。然而隨著汽車車身內密封部位的增多，單車應用數量也相應增加，因此對于傳統的、復雜的設計和制造工藝存在明顯的缺陷[1]。

賽道式設計由于具有工藝簡單、易于成型、性價比高的特點，國內絕大多數主機廠和零部件生產廠都采用此設計方式，見圖2。應用于汽車車身典型空腔有車身的A柱上部、A柱下部、B柱中部或下部、C柱、門檻、后輪罩等部位。

降噪效果的傳統量化方法是在整車上分別測量增加和去掉膨脹膠塊之后車內噪聲，該方法比較耗時、耗成本且影響因素較多，單獨量化每個膨脹膠塊在車身上的效果十分困難。

2 膨脹膠塊隔音性能模擬測試方法

上個世紀90年代以來，聲音插入損耗測試方法在美國一些OEM已成為公認的汽車車身用空腔填充材料聲學性能測試方法。經過長時間的試驗和驗證，2010年，美國汽車工程學會建立了一個正式的插入損耗測試規范，即SAE J2846。該方法主要是測定插入損耗（IL：Insersion Loss）。IL指的是在空腔或通道中插入隔聲結構前后接收位置的聲壓水平（SPL：Sound pressure level）的差異（圖3）。IL的測量是設定測量“之前”和“之后”聲源產生的聲壓級是相同的，需要分別測試填充前后空腔的聲壓水平。IL性能表示為：IL = SPL1-SPL2，圖4為典型的測試設備圖。

根據SAE J2846要求，制作如圖5所示的空腔和模擬測試樣件[2]。對于發泡材料，初始厚度根據所需要的面密度進行控制。烘烤時，樣件用一個易于拆卸的支架支撐，烘烤結束后取下支架。

將密封后的試樣安裝在聲源室和接收室之間的間壁墻測試洞口的中心位置，安裝時樣品端朝向接收室，空腔朝向聲源室，見圖5，也可朝向接收室。在試件和測試洞口處應留出至少10 mm縫隙，縫隙用密封膏填嵌。

聲壓級采用1/3倍頻程濾波器測量，單個中心頻率下的測試噪聲損失MNR（Measured Noise Reduction）計算公式見式（1）。

MNR=SPLs-SPLr （1）

式中：MNR—測試噪聲損失，dB；SPLs—聲源室聲壓級，dB；SPLr—接收室聲壓級，dB。

單個頻率下的插入損失按式（2）計算：

IL=MNRf-MNRb （2）

式中：IL—插入損失，dB；MNRf—填充后裝置的測試噪聲損失，dB；MNRb—無填充材料裝置的測試噪聲損失，dB。

3 膨脹膠塊隔音性能影響因素

理論上，一個膨脹膠塊阻止噪音的能力依賴它的質量，質量大的障礙比輕障礙更有能力阻止噪音通過。但是很重要的前提是必須為障礙提供一個完整的密封截面，因為甚至較小的泄漏就可以導致大量的噪音傳播[3]。本文結合完整的模擬密封空腔研究各種因素對膨脹膠塊隔音性能的影響。

3.1 膨脹材料結構

熱反應型發泡材料有多種材質，內部結構也不盡相同，有半開孔和閉孔的，見圖6。材料剛度也有所不同，試驗表明膨脹材料的結構對材料的聲學性能影響較為顯著，見圖7。

在相同的面密度下，開孔材料和硬質材料在中頻下表現出較好的性能，在高頻下軟質和閉孔材料則顯示出好的隔音性能。

3.2 膨脹材料的面密度

對于同一種發泡材料，常規的理解是膨脹材料厚度越大其隔音性能越好。在本文中也得到了實際驗證，2種材料的試驗結果對比見圖8。

對于通用的隔音材料，一般遵循質量定律。對于給定的頻率，材料的面密度增加一倍，隔音量增加6 dB，從數據可看出，所采用的2種膨脹材料基本符合質量定律。因此，對于一定的空腔結構，增加膨脹材料可以提高膨脹膠塊的隔音性能。

3.3 膨脹材料的膨脹倍率

對于同一種膨脹材料，常規的理解是膨脹倍率越高其隔音性能越好。本文對膨脹材料通過加熱溫度不同進行處理，使得材料的膨脹倍率控制在500%～800%，然后按照SAE J2846進行測試，測試結果對比見圖9。

總體上，膨脹倍率對材料的隔音性能沒有太大影響，在500～2 000 Hz的頻段，高膨脹倍率則表現出更好的隔音性能，在高頻部分，膨脹倍率高低對隔音性能的影響不大，性能基本接近。

3.4 尼龍材料面密度及剛度

尼龍材料作為膨脹膠塊的另一組成部分，占據了膨脹膠塊的大部分面積，對于膨脹膠塊的隔音性能起到重要作用。本文對同一種尼龍材料的不同面密度及同一厚度不同韌性的尼龍材料進行了測試，測試結果見圖10及11。其中，熱穩定、改性熱穩定、高韌性尼龍的缺口沖擊強度分別為：10 J/m2、45 J/m2、92 kJ/m2，數據越大，尼龍的韌性越好，剛度越小。

對于尼龍材料也遵循質量定律。因此，對于一定的空腔結構，增加膨脹膠塊的尼龍厚度可以提高膨脹膠塊的隔音性能。在相同的面密度下，熱穩定和改性尼龍在中高頻下表現出較好的性能，在高頻下高韌性尼龍則顯示出較好的隔音性能。

3.5 膨脹膠塊成品測試

以上從材料方面分析了材料的選型對膨脹膠塊隔音性能的影響，為了測試成品的隔音性能，本測試選用了在車身空腔中實際使用的兩個零部件，兩個膨脹膠塊采用的材料完全相同，膨脹材料的厚度及尼龍材料的厚度也相同，區別在于膨脹膠塊所處車身的空腔截面形狀不一致。按照兩種膨脹膠塊的形狀做相應的測試通道，樣品1與測試的通道形狀接近，樣品2則為狹長形，經高溫加熱膨脹材料反應密封住整個空腔。然后按照SAE J2846進行測試，測試結果見圖12。

從圖12可以看出，盡管膨脹膠塊的材料及厚度相同，由于大小及形狀不同，并不能得到一致的隔音性能。導致這一現象的原因需要進行進一步分析。

以上僅是針對零部件進行的測試，具體到車身上由于受膨脹膠塊的設計結構多樣，車身上的布置位置多變，車身空腔結構復雜程度不一等因素的影響，膨脹膠塊在車身上的綜合效果也不一樣，需要結合CAE分析工具進行不斷分析和優化，才能達到最佳效果。

4 結論

（1）膨脹膠塊的隔音性能與膨脹材料和尼龍材料面密度、材料結構、膨脹率等有關。對于同一材料，增加材料的質量（面密度），材料的隔音性能增加。增加材料的韌性，在某些頻段，隔音性能會增加。增大膨脹材料的膨脹倍率對隔音性能基本無影響。

（2）對于成品的測試，由于產品結構、截面形狀多樣，尺寸與標準測試樣板偏差較大，因此并不能得到一致的性能，對于成品的隔音性能需要進一步研究。

（3）對于現有材料的組成在中低頻階段的隔音性能數據尚欠缺，需要材料供應商對材料不斷進行改善以適應更寬頻率下的隔音效果。

（4）增加膨脹膠塊的質量可以提升材料的隔音效果，但同時會增加膨脹膠塊的成本。為平衡成本和隔音性能，需要從材料的選型和膨脹膠塊的設計方面進行綜合考慮。

參考文獻

[1]Kurt M Lilley，Phil E Weber.Vehicle acoustic solutions [R].SAE，2003（01）：1583.

[2]SAE International Surface Vehicle Recommended Practice，Laboratory Measurement of the Acoustical Performance of Body Cavity Filler Materials[S].SAE Standard J2846，Issued May 2010.

[3]Pranab Saha，Robert D Myers.Importance of sealants for interior noise control of automobiles[R].SAE，1992 （01）：920412.