汽車頂襯吸聲性能影響因素分析

摘要：為研究影響汽車頂襯吸聲性能的因素，基于傳遞函數法，使用阻抗管測試頂襯材料的吸聲特性，基于直流氣流法測試頂襯材料的流阻率，分析生產工藝、面料、PU、膠水和流阻率對頂襯的影響。結果表明：生產工藝、面料層、PU是影響頂襯吸聲性能的主要因素；在1 000 Hz頻率段以上兩步法生產工藝吸聲系數提高0.1～0.45；針織面料比印花無紡布面料在整個頻率段內吸聲系數提高0.05～0.29；在1 000 Hz頻率段以上，增加PU的厚度或密度，吸聲系數提高0.02～0.43，吸聲峰值接近1；平均吸聲系數隨流阻率增大而增大，合理選用流阻率較高的頂襯，可有效增大聲波在材料中傳播的阻力，有利于快速衰減聲能，提高吸聲效果。

關鍵詞：頂襯 吸聲 流阻率

中圖分類號：U465.6" " "文獻標志碼：B" "DOI： 10.19710/J.cnki.1003-8817.20230421

Analysis of Influence of Sound Absorption Factors on Automobile Headliner

Gu Xiaozhuo1， Huang Jieqiao2， Jiang Zou2， Zhai Junquan3， Zhong Zhusheng1

（1.SAIC GM Wuling Automobile Co.， Ltd.， Liuzhou 545000; 2.Liuzhou Kaiyue Technology Co.， Ltd.， Liuzhou 545000; 3.Liuzhou Branch， AISN Auto R＆D Co.， Ltd.， Liuzhou， 545000）

Abstract： In order to study the influence of sound absorption factors on automobile headliner， impedance tube is used to test the sound absorption characteristics of automotive headliner materials based on the transfer function method; the flow resistance of the headliner is tested based on the direct current method， to analyze the effects of production process， fabric， PU， glue and flow resistance on the sound absorption of the headliner. The results show that the production process， fabric layer and PU are the main factors affecting the sound absorption factors on the headliner. The sound absorption coefficient of the two-step production process is increased by 0.1～0.45 in the frequency range above 1 000 Hz; the sound absorption coefficient of knitted fabric is higher than non-woven fabric by 0.05～0.29 in the whole frequency range. Above the 1 000 Hz frequency， when the thickness or density of PU is increased， the sound absorption coefficient is increased by 0.02～0.43， and the peak of sound absorption is close to 1. The average sound absorption coefficient increases with the flow resistance. Reasonable selection of headliner with high flow resistance can effectively increase the resistance of sound wave propagating in the material， which is conducive to rapid attenuation of sound energy and improvement of sound absorption effect.

Key words： Headliner， Sound absorption， Flow resistance

1 前言

研究頂襯的吸聲性能影響因素對改善車內噪聲有重要的意義。張拓[1]研究了汽車頂棚濕法和干法工藝的流程和參數，從吸/隔聲性能、環保性和輕量化等方面進行對比，結果表明，濕法工藝具有明顯優勢。許林倩等[2]從零部件級和整車級噪聲方面分析對比了濕法和干法工藝的頂棚NVH性能，濕法工藝NVH性能更優。施杰等[3]使用混響室法研究影響頂襯吸聲性能的因素，得出聚氨酯發泡復合板材是最重要的影響因素。田銳等[4]通過正交試驗法得出PU板材透氣的主要因素。陳之健等[5]研究了頂襯材料的流阻系數，找出吸聲性能最佳的頂襯材料結構。朱沛英[6]分析頂襯的PU材質對吸聲性能的影響，發現攪拌速度、原料溫度、觸媒用量對PU透氣性影響較大。趙衛鳴等[7]通過駐波管法測試頂棚聚氨酯泡沫的吸聲性能，泡沫吸聲系數隨密度增加而提高，泡沫厚度對中低頻區吸聲性能影響較大。陳雅君等[8]研究了輕質玻璃纖維氈增強熱塑性復合材料的面密度、厚度、透氣率以及頂棚和鈑金間隙與吸聲性能的關系，表明吸聲系數隨厚度增加而增大，高透氣率的頂棚在高頻區最大。尹立健等[9]研究了不同厚度頂棚的吸聲性能，采用聚氨酯泡沫以及增加頂棚厚度，吸聲性能均會逐漸提高。

研究頂襯的生產工藝、材料組成對吸聲性能的影響，用阻抗管雙傳聲器法測試頂襯的吸聲系數，用直流氣流法測試頂襯總成和面料的流阻率，分析流阻率對吸聲的影響，為后續頂襯吸聲性能提升提供指導。

2 頂襯材料組成

如圖1所示，頂襯由面料層、玻纖層、半硬質聚氨酯發泡、無紡布組成，使用輥膠膠水粘貼各層材料。除面料層外的材料組成一般稱為PU板材。面料層主要有針織面料或印花無紡布面料、聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）表皮等，其中針織面料具有克重高、厚度大、外觀佳等優點，應用廣泛。

3 吸聲測試

3.1 吸聲測試原理

吸聲測試分為垂直入射法和隨機入射法，本文采用垂直入射法。使用阻抗管雙傳聲器法測試，采用直徑分別為100 mm和29 mm的阻抗管，裁剪樣件的尺寸直徑為100 mm和29 mm，每個樣件裁取3組，測試結果取3組吸聲數據的平均值。測試設備如圖2所示。

3.2 生產工藝影響分析

頂襯的生產工藝分為干法和濕法。干法工藝即冷模法，將面料、膠水或膠粉、玻纖層、PU、無紡布按照圖1的順序放置，形成多層板材，模加熱板材冷模壓制成型，再冷卻定型，最后使用水切割機切割裁邊。

濕法工藝又稱熱模法，分為一步法和兩步法。一步法工藝在PU表面輥膠并噴灑軟化水，使之與玻纖、膠水及面料等材料疊合，對疊合后的復合材料使用高溫模具熱壓成型，再冷卻定型，切割裁邊。兩步法工藝在PU表面輥膠并噴灑軟化水，使之與玻纖、底層無紡布等材料疊合，疊合后使用高溫模具熱壓成頂襯初型，然后在頂襯基材表面輥膠，將基材和面料熱壓成型，最后切割裁邊。兩步法生產效率低于一步法，但是可生產出面料翻邊、負拔模角度的頂襯。

濕法生產成本低于干法，適用于生產結構相對復雜和拉伸深度較大的頂襯。本文使用的頂襯采用濕法工藝制成。

為分析一步法與兩步法工藝對吸聲性能的影響，樣件①與樣件②均使用針織面料， PU層、玻纖層等相同，生產過程中膠水使用量存在差異導致樣件面密度有差別，具體參數如表1所示，吸聲測試結果如圖3所示。

一步法工藝在中低頻范圍吸聲較好，高頻段吸聲差；兩步法工藝在中高頻區域吸聲性能變好，在1 000 Hz頻率段以上吸聲系數提升0.1～0.45，明顯優于一步法工藝。兩步法生產工藝對頂襯在中高頻區域吸聲性能影響顯著。工藝將輥膠分2次完成，熱模兩次壓制，并且樣件的膠水量減少，需要進一步研究流阻率的影響。

3.3 面料層影響分析

基于兩步法生產工藝，頂襯樣件的PU板材相同，驗證聚醚面料、針織面料、印花無紡布不同材質面料層對吸聲性能的影響。樣件參數如表2所示，吸聲測試結果如圖4所示。

針織面料與聚醚面料的頂襯吸聲性能均優于印花無紡布頂襯，1 000 Hz及以上頻率段吸聲系數均顯著提高，在高頻區域更加明顯。在整個頻率段內，聚醚面料對比印花無紡布頂襯吸聲系數提高0.02～0.18；針織面料比聚醚面料吸聲系數提高0.04～0.28。除1 000 Hz外，針織面料頂襯吸聲性能優于聚醚面料頂襯，吸聲系數提高0.01～0.12，且優先達到峰值吸聲頻率。面料對頂襯的中高頻段吸聲性能影響明顯。針織面料與聚醚面料厚度均大于印花無紡布，面料較蓬松，可壓縮，孔隙率較好，可提升樣件吸聲性能。

3.4 膠水影響分析

頂襯各材料之間使用膠水粘貼，同時膠水也起到了支撐作用，膠水的使用量影響頂襯的透氣性，進而影響吸聲性能。樣件⑥與樣件⑦均采用針織面料，具體參數如表3所示，吸聲測試結果如圖5所示。

綜上，減少膠水用量，頂襯的透氣性增強，吸聲性能提高，改善效果較小。在800～2 000 Hz，頻率吸聲系數提高0.04～0.06。減少膠水的使用量，頂襯支撐力減小，易變形，需要反復驗證膠水的使用量，以滿足正常功能。

3.5 PU影響分析

頂襯內的PU材料不僅具有隔熱性能，同時具有良好的吸聲性能，是影響頂襯吸聲性能的關鍵材料。樣件⑧～樣件?采用針織面料，通過更改PU的厚度、密度進行對比分析，樣件參數如表4所示，吸聲測試結果如圖6所示。

根據樣件⑧、樣件⑨、樣件?的測試結果，體密度相近時，增加PU的厚度，中高頻率段吸聲效果明顯提升，整體改善效果明顯。在1 000 Hz頻率段以上，樣件⑨比樣件⑧吸聲系數提高0.2～0.12，樣件?比樣件⑨提高0.03～0.35。由樣件⑨、樣件⑩測試結果可知，厚度相同時，增加PU的密度，在1 250 Hz頻率段以上，吸聲系數提高0.01～0.14，提升效果較明顯。厚度與密度均提高時，樣件?比樣件⑧在1 000 Hz以上頻率段提高0.02～0.43，吸聲系數峰值接近1。PU的厚度與密度對頂襯吸聲性能影響顯著。

綜合以上測試分析，生產工藝、面料以及PU是頂襯的吸聲性能的主要影響因素。

4 流阻率測試

流阻是氣流流動阻力的簡稱，反映多孔材料的透氣性，也是影響多孔材料吸聲性能的指標之一。多孔材料是纖維結構，內部有許多相互貫穿的孔洞和微小間隙，并與表面連通，在聲波作用下，孔洞和縫隙內空氣及多孔材料中的細小纖維發生振動。由于空氣具有黏滯性，聲波穿過吸聲材料受到摩擦和黏滯阻力增大，更多的聲能被轉化為熱能，使得噪聲量減弱。同時，孔洞及縫隙內空氣壓縮膨脹會和壁面發生熱交換，進一步降低噪聲，增強了噪聲的吸收。

4.1 流阻率測試原理

本文使用直流氣流法測試頂襯的流阻：

[R=ΔPqv] （1）

式中：R為流阻，ΔP為樣件兩側的壓差，qv為氣流體積速度。

RS為測試樣件兩側的壓差與通過試件的平均氣流線速度之比，稱為比流阻：

[RS=R×A] （2）

式中：[A]為垂直于氣流方向的測試樣件橫截面積。

r為流阻率，是材料單位厚度的比流阻：

[r=RSd]" （3）

式中：[d]為沿氣流方向的樣件厚度。

4.2 頂襯流阻率測試

為驗證生產工藝、面料、PU與膠水對頂襯流阻率的影響，使用上文中樣件測試流阻率，計算各樣件在400～6 300 Hz頻率范圍的平均吸聲系數，結果如表5所示，平均吸聲系數關系趨勢如圖7所示。

根據流阻率測試結果，平均吸聲系數和流阻率變化規律基本一致，呈遞增關系。由樣件⑧～樣件?的吸聲測試結果可知：在400～1 000 Hz頻率區間，流阻率增大，吸聲系數增加趨勢緩慢；1 000～5 000" Hz頻率區間，隨著流阻率增加，吸聲系數逐漸增大，變化趨勢明顯；達到吸聲峰值后，吸聲系數隨流阻率增大趨勢變緩。聲波在多孔材料孔隙傳播過程中的摩擦損耗增大，提高流阻率吸聲性能提高，但流阻率過大會導致聲波更難進入多孔材料以致產生過多的反射，不利于聲能的吸收。

5 結論

a. 生產工藝、面料層是影響頂襯吸聲性能的主要因素。在1 000 Hz頻率段以上，兩步法生產工藝吸聲系數可提高0.1～0.45；針織面料比印花無紡布面料在整個頻率段內吸聲系數提高0.05～0.29。

b. PU的密度與厚度對頂襯中高頻吸聲影響顯著。在1 000Hz頻率段以上，增加PU的厚度或密度，吸聲系數提高0.02～0.43，吸聲系數峰值接近1。合理增加PU材料的厚度和密度，增大聲能的損耗，在中高頻范圍內吸聲效果改善明顯，吸聲系數提高。

c. 平均吸聲系數隨流阻率增大而增大。在400～1 000 Hz頻率區間，流阻率增大，吸聲系數增加趨勢緩慢；1 000～5 000 Hz頻率區間，隨著流阻率增加，吸聲系數逐漸增大，變化趨勢明顯。達到吸聲峰值后，吸聲系數隨流阻率增大趨勢變緩。合理選用流阻率較高的頂襯，可有效增大聲波在材料中傳播的阻力，有利于快速衰減聲能，提高吸聲效果。

參考文獻：

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