車用聲學材料隔聲性能測試方法研究
2019-10-20 03:58:43侯兆平莫天石付年郭名權
汽車科技 2019年5期
侯兆平 莫天石 付年 郭名權
摘要：混響室一消聲室法是衡量聲學隔聲性能的重要方法，但聲學實驗室造價昂貴，且移動不便，所以可移動式的小型聲學實驗室的研發(fā)以及其測試能力的驗證是非常必要的。本文使用混響室一消聲室法與基于混響室一消聲室原理設計的的Alpha艙法分別測試汽車地毯總成樣件插入損失，并通過SEA法仿真計算該樣件的插入損失，對這三種結果進行對比分析。結果表明，Alph艙法測試結果與仿真結果更為接近，在800-4000Hz的中高頻段內能較準確反映材料的隔聲性能。結論可為相關企業(yè)選擇檢測材料聲學性能的方法提供參考。
關鍵詞：混響室-消聲室;Alpha;SEA法;插入損失
中圖分類號：U467.493 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2019）05-0050-04
侯兆平
畢業(yè)于武漢理工大學，碩士學歷，高級工程師，就職于上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，研究方向為汽車聲學包裝及整車風噪。
混響室-消聲室法測量聲學零件的插入損失在國內外學者對聲學包零件隔聲性能分析上得到了廣泛的應用。相比于阻抗管隔聲測試的聲源垂直人射，混響室-消聲室法的聲源無規(guī)人射，能夠將被測樣件的結構特性和材料不均勻性的影響考慮進去，更符合聲學零件的實際使用情況。PengCheng[1]、鄧江華[2]侯兆平[3]姜東明[4]等使用混響室-消聲室法對整車前圍隔聲性能進行研究，測試結果與仿真計算值誤差均在3dB以內，且趨勢一致。李鴻順[5]、王志瑾[6]等使用混響室-消聲室法對材料級平板件的隔聲性能進行研究，得到平板件的隔聲性能與結構參數(shù)的關系，周曉琴[7]利用混響室-消聲室方法對小試件進行隔聲量測試，并將隔聲量高的材料用于發(fā)動機隔聲罩，在整車降噪上取得較滿意的效果。
混響室-消聲室法雖然有許多優(yōu)勢，但混響室和消聲室造價高，體積大，移動不便，同時對測試樣件要求較高，對不同的樣件需要做不同的工裝，而且整車上的很多零件很難做到滿足混響室標準的樣件，如汽車的座椅、儀表板等。基于混響室-消聲室原理設計的Alpha艙則能較好地解決上述問題，但由于其應用尚未普及，也沒有統(tǒng)一的測試標準，對于其測試結果能否準確反映材料的聲學性能有待進一步的論證。
本次研究借助的Alpha艙是基于混響室-消聲室原理開發(fā)的一款設備，內部開辟兩個聲學艙一混響艙和消聲艙，成本比修建兩個聲學實驗室要低廉許多，且移動方便，可以測量聲學材料的吸聲系數(shù)和插入損失。對混響室-消聲室法與Alpha艙法測試地毯總成平板件的插入損失做比較，并結合SEA仿真計算值，對Alpha艙法測試結果做系統(tǒng)的分析，結果表明Alpha艙法在800-4000Hz的中高頻段內能較準確反映材料的隔聲性能。
1 測試機理
聲學包的插入損失IL是指一個系統(tǒng)中放入被測樣件前后聲傳遞損失的差值[8]，見式（1）。聲傳遞損失STL指人射到被測樣件的聲功率級減去透射過被測樣件的聲功率級[9]，見式（2）。
IL=STL2-STL1（1）
STL=101gWi-101gWt（2）
其中，STL1為放人被測樣件前的聲傳遞損失，STL2為放人被測試件后的聲傳遞損失，Wi為人射聲功率，Wt為透射聲功率。
混響室-消聲室法是將測試樣件安裝在混響室和消聲室之間的隔墻窗口上，以混響室作為發(fā)聲室，聲源放置其中，消聲室作為受聲室[9]。在混響室中，聲場近似于混響聲場，聲音隨機人射到被測樣件中，可以通過混響聲場的平均聲壓來計算入射聲功率：
Wi=p2S/（4pc）（3）
其中p2是混響室的多點聲壓均方根值，S是被測樣件面積，ρ空氣密度，c是聲速。
在受聲室中可以通過聲強來計算透射聲功率：
Wt=IS（4）
其中，I為被測樣件在受聲室側的聲強，通過聲強計用掃描法或固定測點法測出。
將（3）和（4）式代入（2）式，將空氣密度ρ=1.18kg/m3和聲速c=344m/s代入，得到混響室-消聲室中被測試件的聲傳遞損失：
STL=LP-LI-6（5）
其中Lp=101g（p2/P02）是混響室的平均聲壓級，L1=101g（I/I0）是消聲室的平均聲強級，參考聲壓p0=2×105Pa，參考聲強I0=10-12W/m2。
為了研究方便，減少不必要的誤差，本文研究采用的實驗樣件是與地毯總成同樣材質的平板件，面積為1.2m2，組成平板件的EVA和PU材料都是典型的汽車聲學包材料，有利于切合生產實際，材料具體參數(shù)見表2。
2 測驗設備和方法
2.1 混響室-消聲室法
實驗參考SAE J1400-1990[10]，測試使用BK傳聲器和無指向體積聲源，超聲波測漏儀（檢測邊緣是否有泄漏）和BK-LANXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。使用工裝將樣件固定在混響室和消聲室之間的墻體試件窗口，如圖1所示。使用超聲波測漏儀對工裝與窗口搭接處進行掃描，使用阻尼板對泄漏處進行密封處理，直到沒有泄漏為止;同時為了消除高頻聲在樣件搭接處的反射和折射影響，在消聲室側搭接處加上吸聲體。處理后的樣件如圖2f}示。測試樣件面積較小且規(guī)則，故采用逐點掃描法測試消聲室側的聲強。
2.2 Alpha艙法
本實驗與上一實驗使用的樣本為同一樣本。實驗參考GB/T 19889.3-2005[11]。本實驗使用的Alpha艙，內部分兩個艙（混響艙和消聲艙），中間有一個窗口用于放置試件，類似于一個縮小版的混響室-消聲室。將樣件放置在中間窗口，用密封膏填充樣件與窗口的間隙，如圖3所示：
3 SEA法仿真分析
整車聲學包吸隔音材料主要用于改善車內中高頻噪聲環(huán)境，SEA法在90年代開始在分析汽車的中高頻噪聲上廣泛應用，至今仍然是指導整車聲學包開發(fā)設計的重要工具[12]。對于平板件的插入損失，VA One軟件利用SEA法仿真計算的結果在理論控制區(qū)與質量定律計算值比較一致、在高頻區(qū)域與試驗值比較一致[13]，所以本文利用VA One軟件建立相應的平板件模型，計算模型的插入損失，并分析仿真值與兩種實驗值的差異。仿真所需的材料參數(shù)，經專業(yè)機構檢測，如下表2：
在VA One軟件中直接建立模型，使用上表的參數(shù)在軟件定義每層材料的物理特性。在模型兩側分別創(chuàng)建兩個聲腔，模擬混響場和自由場，分別作為聲源室和接收室，并對這兩個聲腔進行仿真分析，計算出中間樣件的插入損失，分析模型如圖4所示：
4 結果分析
將實驗插入損失值和仿真插入損失值做對比，如圖5所示：
從圖中可以看出，兩種實驗方法和仿真計算所得結果趨勢一致，得到的平板件吻合頻率基本一致，混響室一消聲室法測試值在630Hz之前的1/3倍頻帶，插入損失較高，與Alpha艙法測試值和仿真值的誤差較大。
混響室一消聲室法與Alpha艙法測插入損失，測試結果在800-4000Hz頻段內誤差小于3dB的點占63%，800Hz以下的低頻區(qū)誤差較大。這主要是因為Alpha艙體積小，低頻混響場的擴散效果較差，但體積小更容易激發(fā)更多中高頻模式波，使得中高頻聲場的傳播和相位無規(guī)性加大，更加符合擴散聲場的特性，所以理論上Alpha艙中高頻的測試結果較準確。
混響室一消聲室法測試值在4000Hz后大于仿真值，主要是因為樣件PU發(fā)泡厚度過大，樣件在4000Hz后的隔聲性能超出了混響室的測試范圍，故該頻段后的測試結果誤差較大，僅作參考。
相比于混響室一消聲室法測試值，Alpha艙法測試值更接近SEA仿真值，在800Hz以下的1/3倍頻帶與仿真值一致性很好，800-4000Hz的中高頻段兩者誤差均滿足士MB的誤差標準。誤差產生原因主要是實驗時的邊界條件是近似自由的，混響室和消聲室分別是近似的擴散聲場和自由聲場，而仿真時邊界條件是完全自由的，建立的聲學模擬場都是理想聲場。
5 總結
本文使用混響室一消聲室法與基于混響室一消聲室原理設計的的Alpha艙法分別測試汽車地毯總成樣件的插入損失，并通過SEA法仿真計算該樣件的插入損失，對這三種結果進行對比分析：
（1） Alpha艙測試值在低頻區(qū)域與混響室一消聲室法測試值相差較多，但插入損失的變化趨勢一致。
（2）Alpha艙測試值與SEA仿真計算值在800-4000Hz頻段內具有較好的一致性，與混響室一消聲室法測試值的誤差大部分滿足要求，該頻段測試結果準確度較高。
（3）車用聲學材料在800-4000Hz頻段內的聲學性能是整車聲學包開發(fā)工程師改善車內噪聲環(huán)境時非常關注的重要頻段，Alpha艙測試結果在該頻段內可以較準確反應材料的隔聲特性。
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