基于汽車內(nèi)飾輕量化的NVH性能開發(fā)及應(yīng)用

徐洪偉

摘要：隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，汽車噪聲與振動性能是衡量汽車品牌質(zhì)量好壞的一項非常重要的指標。因此，積極開展汽車噪聲與振動性能的研究，對提升汽車企業(yè)的品牌競爭力和自主創(chuàng)新能力有著十分重要的意義。本文論述了以NVH性能為目標的內(nèi)飾材料開發(fā)工程控制方法及機理，以前壁板隔音墊部件和車門內(nèi)飾吸聲材料的輕量化為例，提出具體可行的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：汽車內(nèi)飾；輕量化；NVH性能

目前汽車工業(yè)正面臨能源、環(huán)保與安全舒適三大課題，其有效解決方法包括汽車輕量化及新能源汽車的開發(fā)。近年來，汽車內(nèi)飾的輕量化已成為汽車業(yè)界研究關(guān)注的熱點。在實踐中，可運用NVH性能將汽車內(nèi)飾輕量化，研究表明，在輕質(zhì)量情況下，輕量化的隔音墊顯著提升了車內(nèi)聲品質(zhì)性能，通過實驗得出，雙組份吸音棉優(yōu)于普通吸音棉吸聲系數(shù)。

一、NVH性能簡介

NVH是三個英文單詞Noise，Vibration和Harshness首字母的縮寫，是汽車噪聲、振動和舒適性等各項指標的總稱。由于汽車結(jié)構(gòu)振動會產(chǎn)生噪聲，進而影響到舒適性，而當舒適性有問題時，必然存在相應(yīng)的振動噪聲問題。因此，三者在汽車振動噪聲中同時出現(xiàn)且密不可分，因而常把它們放在一起進行研究。簡單地講，乘員在汽車中的一切觸覺、聽覺乃至視覺感受都屬于NVH研究的范疇，主要研究包括整車及系統(tǒng)主要零部件的NVH性能。NVH工作的目的是為了減少車內(nèi)的振動噪聲，使乘員感受到的（聽覺、觸覺和視覺）是一種舒適的駕車或乘車環(huán)境，因此，NVH工作也有人稱之為靜音工程，使乘員艙是一個靜音的環(huán)境。

二、對汽車內(nèi)飾輕量化的NVH性能開發(fā)

1、對汽車聲學包裝內(nèi)飾材料的研究。噪聲振動控制是基于源、路徑和響應(yīng)的三要素進行分別控制，而汽車NVH性能開發(fā)則主要集中于激勵源與傳遞路徑。汽車聲學包裝主要用于解決空氣傳播路徑的噪聲問題，在密封性和隔吸聲性能等方面進行噪聲控制。狹義的汽車聲學包裝部件可分為吸聲型、隔聲型和密封型。通常隔聲材料包括PVC、EDPM等；吸聲型材料包括有棉氈類、PU發(fā)泡類等。吸聲材料一般為多孔性介質(zhì)，隔聲性能較差，其吸聲性能評價指標為吸聲系數(shù)。吸聲是指空氣中的聲波在通過或入射到介質(zhì)界面損失聲能的過程，當聲波進入多孔性介質(zhì)內(nèi)，部分聲能轉(zhuǎn)變成為熱能而耗散。影響材料吸聲性能的因素包括流阻、孔隙率等環(huán)境條件。隔聲材料主要作用為阻隔聲音傳播，評價隔聲材料性能的主要指標為傳遞損失（STL），其聲傳遞損失的定義為入射聲功率與透射聲功率之比的對數(shù)值。均質(zhì)材料的隔聲性能滿足質(zhì)量原理，即密度越高，隔聲性能越好，當材料面密度增加一倍，隔聲量增加約6dB。汽車上常用的聲學包裝材料，一般采用隔吸聲型的組合結(jié)構(gòu)類型，由不同的隔聲層和吸聲層組合。

2、汽車內(nèi)飾輕量化的三種應(yīng)用技術(shù)。金屬基材料的輕量化和“以塑代鋼”技術(shù)，一直是汽車輕量化研究及應(yīng)用的熱點和焦點。但對汽車內(nèi)飾件或聲學包裝材料的輕量化，較少引起汽車業(yè)界的關(guān)注，其研究與應(yīng)用較少。汽車內(nèi)飾輕量化主要技術(shù)：1）輕質(zhì)基材的應(yīng)用技術(shù)，如低密度、高倍率發(fā)泡、多孔吸聲纖維材料等；2）新型復(fù)合型聲學材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，如微穿孔復(fù)合型、多層棉氈或發(fā)泡層組合替代傳統(tǒng)的“軟硬”雙層組合的聲學結(jié)構(gòu)；3）基于多屬性優(yōu)化設(shè)計的輕量化應(yīng)用技術(shù)，如合理地分配內(nèi)飾聲學材料的設(shè)計布局及對其形狀、厚度、高密度隔聲層材料等進行分布；4）基于制造或安裝工藝的輕量化應(yīng)用技術(shù)，如采用粘接替代以凸焊螺柱卡接的內(nèi)飾件安裝方式等。

三、前壁板隔音墊輕量化開發(fā)及驗證

1、新型輕量化隔音墊開發(fā)設(shè)計。前壁板隔音墊安裝在前壁板上駕乘人員空間一側(cè)，能有效衰減動力傳動總成和前輪胎等聲源傳遞到車內(nèi)的噪聲強度，其對車內(nèi)噪聲和聲品質(zhì)水平起著重要作用，是車身聲學包裝NVH性能開發(fā)中最核心和關(guān)鍵的聲學部件。

目前，在汽車上廣泛應(yīng)用的前壁板隔音墊采用雙層結(jié)構(gòu)。常用的“重層”材料包括EVA、EPDM或PVC等，“軟層”材料包括棉氈、PU發(fā)泡或熱塑纖維等。重層主要作用是隔聲，即阻隔和反射噪聲；軟層則主要是吸收前壁板件直接的輻射聲能，以及吸收重層的反射聲能。由于傳統(tǒng)的重層材料的質(zhì)量較大，基于減輕汽車聲學包裝質(zhì)量趨勢的要求，可采用一種新型的輕量化隔音墊設(shè)計方案，利用高密度的“軟層”材料替代傳統(tǒng)的“重層”。相對于傳統(tǒng)的前壁板隔音墊，新型輕量化方案解決了中高頻吸聲性能差的問題，并可減輕質(zhì)量30%～60%。

2、輕量化隔音墊統(tǒng)計能量法仿真。對輕量化前壁板隔音墊NVH性能的分析，可通過建立前車體的SEA模型，以隔音墊的傳遞損失特性和吸音系數(shù)為主要設(shè)計因素，并以噪聲衰減量級NR指標評估其聲學性能水平。仿真分析表明，在前壁板無泄漏問題情況下，輕量化的隔音墊與傳統(tǒng)隔音墊都能取得相近的NVH性能，由于輕量化隔音墊具有較高的表面吸聲性能，相比傳統(tǒng)隔音墊，其噪聲衰減性能對泄漏效應(yīng)的敏感度較低，所以，在中高頻率范圍依然能獲得較好的NVH性能。

3、輕量化隔音墊試驗驗證。輕量化前壁板隔音墊對整車NVH性能的影響，主要分析其對動力總成噪聲和底盤噪聲的衰減特性。選擇二擋全油門加速行駛工況，分別測試和對比車內(nèi)噪聲情況。

二擋加速工況時，輕量化的雙層棉氈隔音墊并沒有導(dǎo)致車內(nèi)噪聲聲壓級的增加，并在發(fā)動機轉(zhuǎn)速3800～5000r/min范圍降低了約2.3d B；車內(nèi)語言清晰度指標明顯提升。主觀評價也能感受到車內(nèi)聲音的中高頻成分比率降低。

四、雙組份吸音棉的應(yīng)用

1、雙組份吸音棉吸聲特性。雙組份吸音棉屬于纖維狀多孔吸聲材料，由高融值PP和中空螺旋超細PET纖維組成。它具有立體網(wǎng)狀連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)，纖維平均細度可達2m以下。雙組份吸音棉纖維直徑明顯小于普通吸音棉，單位內(nèi)纖維數(shù)更多，其材料內(nèi)部互相貫通的微孔和間隙更多，且這些孔隙更小。如此結(jié)構(gòu)使聲音在吸音棉內(nèi)的運動產(chǎn)生更多阻礙，從而使雙組份吸音棉吸聲能力更好。

吸聲系數(shù)測試工程上通常使用三種方法，即混響室法、駐波管法和雙傳聲器阻抗管法。混響室法測量在混響室內(nèi)進行，主要用于測量大件樣品的漫入射吸聲系數(shù)。駐波管法和雙傳聲器阻抗管法是用于測量小件樣品的正入射吸聲系數(shù)。雙傳聲器阻抗管法的測試速度較快，為駐波管法的40倍，且測試結(jié)果較為準確。因此，工程上通常采用雙傳聲器阻抗管法分析和比較聲學材料的吸聲特性。本文中選擇面密度為300g/m2的雙組份吸音棉和面密度為800g/m2的普通吸音棉兩種吸聲材料，使用雙傳聲器阻抗管法，進行正入射吸聲系數(shù)對比測試，測試結(jié)果見圖1。300m2雙組份吸音棉的吸聲系數(shù)明顯優(yōu)于800g/m2普通吸音棉。

2、雙組份吸音棉應(yīng)用案例分析。對比普通吸音棉，雙組份吸音棉具有吸聲系數(shù)高、質(zhì)量輕的優(yōu)點。目前，雙組份吸音棉已在汽車上廣泛應(yīng)用，取代了部分普通吸聲棉。以雙組份吸音棉在車門內(nèi)飾板的應(yīng)用為例，分析雙組份吸音棉對控制車內(nèi)高頻噪聲的效果。車門附加吸音棉對整車NVH性能的改善，主要分析其對風噪的衰減特性。選擇100km/h勻速行駛工況，測試并對比車內(nèi)噪聲情況，分析結(jié)果見圖2。車門內(nèi)增加雙組份吸音棉后，其聲壓級在1000 Hz以上明顯降低，前排位置的語言清晰度

提高約4%，明顯改善了車內(nèi)噪聲水平。

五、結(jié)語

目前，汽車工業(yè)正以驚人的速度發(fā)展，全世界的汽車保有量呈井噴的態(tài)勢增長。同時，汽車的NVH性能已成為國民生活中主要的環(huán)境污染源之一。因此，人們在購買汽車時對汽車乘坐舒適性的要求越來越高，噪聲與振動是其最關(guān)注的指標之一。

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