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发表于 2015-12-16 16:49:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
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3M降噪材料及其在汽车中的应用

3M降噪材料及其在汽车中的应用

        图1 吸声原理

        作为汽车乘坐舒适性的重要评价指标,汽车噪声会在很大程度上反映出生产厂家的设计水平及工艺水平。因此,将汽车噪声控制在适当水平也是汽车设计者追求的方向。

        中国汽车工业近年来经历了高速发展的阶段,2009年,中国汽车产量首次突破1000万辆。随着生活水平的不断提高,人们对汽车的功能性要求也从最初的代步工具逐渐上升为舒适的移动空间,汽车噪声和舒适性是密不可分的,它已经成为检验汽车性能的重要指标,各国对汽车噪声的要求越来越严格,改善车辆内部声学环境,降低车内噪声水平,是各国政府和汽车生产厂家共同关心的问题。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

3M降噪材料及其在汽车中的应用

        2005 年1 月,我国开始执行GB1495—2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》第2阶段噪声限值,各种车型的噪声限值相比第1阶段降低了2~4dB,因此对各汽车生产厂商提出了更高的要求。3M公司对汽车降噪材料的研究一直处在市场领先地位,许多产品如新雪丽吸声材料、阻尼材料和3M胶带已经成为汽车市场降噪领域的佼佼者。本文在阐述汽车噪声基础知识的基础上,介绍了此三种产品及其在汽车中的应用。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

3M降噪材料及其在汽车中的应用

        汽车噪声及降噪概述

        1.汽车噪声的来源以及分类


        汽车是一个高速运动的复杂组合式噪声源。汽车发动机和传动系工作时产生的振动、高速行驶中汽车轮胎与地面发生的摩擦、车身与气流的作用,是产生汽车噪声的根本原因。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

3M降噪材料及其在汽车中的应用

       

        根据汽车噪声对环境的影响,可将汽车噪声分为车外噪声和车内噪声。车外噪声是指汽车各部分噪声辐射到车外空间的那部分噪声。主要包括发动机噪声、排气噪声、轮胎噪声、制动噪声和传动系噪声等。车内噪声是指车厢外的汽车各部分噪声通过各种途径传入车内的那部分噪声以及汽车各部分振动传递路径激发车身各部件的结构振动向车厢内辐射的噪声,这些噪声声波在车内空间声学特性的制约下,生成较为复杂的混响声场,从而形成车内噪声。

        根据汽车噪声的传播途径,可将汽车噪声分为结构传递的噪声和空气传播的噪声。经由空气传播的噪声主要是发动机表面辐射噪声和气体流动噪声,而结构传播的噪声主要是发动机、轮胎、路面及气流等引起车身振动而向车内辐射的噪声。空气传播和结构传播噪声能量的比例因车型结构和噪声的不同频率成分的变化而有所差别。一般情况下, 500Hz以上,空气传递的噪声占主导地位;400Hz以下,结构传递的噪声占主导地位。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

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        图5 吸声材料显微照片

       

2.汽车降噪的方式  

        降低噪声的方法分为主动降噪和被动降噪两种。主动降噪是指在噪声控制过程中有附加能源的参与,此类方法也被称为噪声的有源控制,是一种“反噪声”技术,如在车厢座位下安设若干扬声器,用一个电子电路对其实施控制,使其能随发动机转速的改变而发出不同频率和振幅且相位相反的反噪声声波,以消除车内噪声。但是,目前主动降噪技术尚不成熟,且成本较高。被动降噪技术多从三方面着手:一是消除或减弱声源噪声;二是控制噪声传播途径,阻断结构传播;三是保护噪声接受者。被动降噪中,使用降噪材料是控制噪声传播途径最有效的方式,降噪材料主要有以下4种。
       

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        图6  声音吸收系数

       

(1)吸声材料和隔声材料

        吸声材料和隔声材料主要针对空气传播途径的噪声。吸声材料的吸声原理如图1所示,是在噪声源周围布置一些吸收声能的多孔材料,当声波进入材料孔隙时,引起孔隙中的空气和材料的细小纤维波动,由于摩擦和粘滞阻尼的作用,传播中的噪声声能将转变为热能,降低了声能的反射量,从而起到降噪的目的。吸声材料的吸声系数与入射声波的频率有密切关系。当声波处于低频时,吸声材料孔隙中的空气在单位时间内的振动次数比较少,对声波的衰减作用不大,吸声系数很低。随着声波频率的提高,吸声材料孔隙中的空气在单位时间内的振动次数逐渐增加,对声波的衰减作用也逐渐增加,吸声系数不断增大。

        隔声材料是通过反射回声波来降低声音能量的传播(如图2所示)。吸声材料和隔声材料的区别在于,吸声材料是通过消耗声音能量来降低噪声的;而隔声材料是通过阻隔声音的传递来隔绝噪声的。吸声材料在中高频段内会起到理想的效果;隔声材料在全频段都有一定的效果,但如果出现声音泄漏,则对整体效果影响很大。吸声材料的材质应该是多孔、疏松和透气的,在单位面积上增加吸声面积,典型的多孔性吸声材料在工艺上通常是用纤维装、颗粒状或者发泡材料以形成多孔性结构,材料中具有大量的、互相贯通的、从表到里的微孔,也即具有一定的透气性。隔声材料的材质应该是重而密实的材料,相对来说吸收声音的能力较弱。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

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        图7  新雪丽吸声材料在汽车中的应用

       

(2)阻尼材料和隔振材料

        阻尼材料和隔振材料降噪主要针对结构传播途径的噪声。阻尼材料的阻尼原理如图3所示,它通过材料内部的分散黏性机制,来抑制住能量的振动。具体来说,是在发生振动的金属薄板上涂上或者安装阻尼材料,当金属薄板受激发而产生弯曲振动时,其振动能很快传递给紧贴在其上面的阻尼材料,引起阻尼材料内部相应错动和摩擦,从而使振动能量变为热能而损耗,最终实现减少振动能量,降低噪声。

        隔振材料的隔振原理如图4所示,隔振材料的作用是降低结构件之间的振动能量传输。即在振源与受控对象之间串加一个子系统,即隔振器,用它来减小受控对象对振源激励的响应。隔振减振主要有两类弹性支撑:一类是减振器,它是专门制造的具有一定形状的弹性元件,如:弹簧减振器、橡胶减振器等。另一类是隔振垫层,它利用弹性材料本身的自然特性,现状尺寸按具体要求拼接或剪切而成,目前车上常用的橡胶垫就是其中一种。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

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新雪丽TM吸声材料及其在汽车上的应用

        众所周知,3M目前有45个核心技术平台,而无纺布技术是其中之一,3M新雪丽吸声材料是在无纺布技术平台上开发出来的。它是一种新颖的汽车用吸声材料,其拥有较高声音吸收系数,尤其在人耳较敏感1000~10000Hz的频率范围内吸收系数更高。该吸声材料重量极轻,具有良好的绝热性能,同时具有环保无粉尘、可回收、憎水和可压缩等特点。1995年进入汽车市场以来,被世界上绝大多数汽车原厂采用。

1. 3M新雪丽吸声材料的成分构成

        3M新雪丽吸声材料由聚丙烯及聚酯纤维材料构成的,通过特殊的吹熔丝技术,将聚丙烯纤维的直径控制在2mm,并且缠绕在直径为25mm的聚酯纤维上。这种熔喷非织造技术,是对传统的工艺加以改进,在喷丝过程中吹入35%的聚酯短纤维生产出来的,使产品保持一定的弹性和厚度。图5是三种吸声材料的电子显微照片,开口泡绵和毛毡是汽车传统的吸声降噪材料,由图可知,新雪丽吸声材料的纤维直径差异较小,孔隙分布均匀,能降低流阻,提高孔隙率,从而增强降噪性能。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

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        图9  3M阻尼材料在汽车中的应用

       

2. 3M新雪丽吸声材料的主要性能

        (1)杰出的声音吸收性能


        通过国际标准的ASTM1050E方法,进行声音吸收实验。图6是TC2203、TAI-2047、PET聚酯材料和传统毛毡的声音吸收系数对比图,其中TC2203和TAI-2047是两种不同类型的新雪丽吸声材料。

        结果表明:新雪丽TM吸声材料在各个声音频率都有很高的吸收率,与传统毛毡相比,新雪丽吸声材料TAI 2047和与同样厚度的毛毡相比,在重量轻一半的情况下,吸声系数比毛毡的高20%~30% ,而TC2203更是高出50%~60%。

(2)疏水性能试验

        把新雪丽吸声材料和毛毡同时浸入水中,5min后取出, 新雪丽吸声材料的重量是自重的5倍,而毛毡为自重的70倍。在室温下,放置20h后,新雪丽吸声材料已回到原来的重量,而毛毡仍含有自重5倍。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

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        图10  3M胶带提高汽车的密封效果

       

        实验说明,新雪丽吸声材料是一种“憎水”的材料,没有了水,细菌和霉菌就无法生长,就不会产生异味和霉菌孢子,影响人体健康。即使有水进入了材料,也会很快蒸发掉,不会使车身的金属材料长期处于潮湿中,从而防止了锈蚀的可能发生。

(3)安装自由度高

        新雪丽吸声材料的设计和安装自由度很高,形状可以根据需要随意设计,安装起来很方便。目前常用的安装方法有:①超声波焊接;②机械固定;③胶带或者热熔胶粘贴。这三种方法在国内外汽车中都广泛采用。

(4)阻燃性能

        新雪丽吸声材料能通过汽车工业的下列阻燃性及烟,毒性要求:①FMVSS302;②ASTM E-662;③ASTM E-162 (烟);④BSS 7239;(毒)⑤UL-94HB;⑥UL-94HF;⑦UBC 8-1。

(5)其他性能

        ①隔热性能,新雪丽吸声材料在提供优良吸声功能的同时,也提供很好的绝热功能,其重量在毛毡一半的条件下,绝热性能是毛毡的一倍,所以,此材料能使汽车更节约能源、空调的制热制冷效果更明显、车厢更舒适。

        ②健康和安全,满足现行国际和各汽车原厂对车内VOC(有机挥发物)和RoHS/ELV的要求。

        ③无挥发、无尘。

3. 3M新雪丽吸声材料在汽车中的应用

        新雪丽吸声材料可以添加防水、防油、隔热铝膜层、防火层或粘接层,用前面提到的安装方法与车内部件相连接。如图7所示,目前主要的应用部位是:引擎罩、前后挡泥板、仪表板、门板、ABC柱 、顶蓬、行李箱和后搁板等部位。新雪丽吸声材料的使用,明显提升了汽车的性价比,是一种非常优秀的车用吸声材料。
       

3M降噪材料及其在汽车中的应用

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        图11  车内噪声测量

       

3M阻尼材料及其在汽车中的应用

        3M阻尼材料作为一种复合材料,其在降低结构传播的低频率噪声方面效果显著,近些年,3M在研究阻尼基础理论的基础上,陆续有新材料开发出来。

1.3M阻尼材料的基本结构

        3M阻尼材料可分为自由阻尼型和约束阻尼型,前者是在结构表面贴一层阻尼橡胶,通过振动时候产生的弯曲和压缩变形应力导致阻尼材料的变形,该变形导致阻尼材料橡胶分子链之间的粘性内摩擦消耗部分振动能,减小了振动;后者是在结构表面贴一层阻尼橡胶.外面再贴一层约束板.当结构振动时.阻尼材料受剪切作用,一部分振动能转热能而起减振作用。

2. 3M阻尼材料的主要特点

        (1)优越的阻尼性能


        衡量阻尼材料特性的参数是材料损耗因子,大多数材料的损耗因子随环境条件的变化而变化,特别是温度和振动频率对损耗因子有重要影响。如图8所示,3M高性能的阻尼材料可在各个温度环境下都有优秀的衰减效果。

(2)表面柔软,可粘接于复杂曲面结构

        (3)易于模切,针对不同部位定制化应用

        (4)表面含有丙烯酸压敏胶,适用于各种表面

        (5)环保材料,不含卤及氯等有害成分


3. 3M阻尼材料在汽车中的应用

        3M阻尼材料不像传统的沥青或者热固化复合材料,其表面为丙烯酸压敏胶,内层材质也较柔软,可方便地粘贴在汽车需要减振的部位,工艺简单,不需要加热,减振效果好。如图9所示,在汽车中适用的部位主要是顶蓬、引擎盖、后备箱盖、后侧围、门板和前翼子板等。

3M胶带及其在汽车中的应用

        3M胶带具有超强的抗剥离强度、持久的耐高(低)温性等特点,满足比较恶劣自然条件下车辆行驶需要,牢固、美观、操作简单,防水性能好,无论是丙烯酸泡绵胶带还是热敏型胶带,长期以来,在汽车上得到了广泛应用,也得到了消费者的认可。下面以其在汽车车门密封条上的应用来说明降噪的效果。

        如图10所示,传统的车门密封,采用卡口固定密封条,属于点域密封,而采用3M胶带系统,因为是连续密封,密封条固定牢固,密封条受外力时整条密封条变形均匀,因此密封效果与设计一致,这种设计能有效降低车内噪声。对某一款车型做的研究:分别采用卡口固定系统和3M丙烯酸泡绵胶带固定系统,在如图11所示,在前门测量点测试车内噪声,在不同转速下,3M胶带固定系统要下降2.75~3.45dB。

        实践证明,车内的噪声与车门的密封性能密切相关。好的密封可以有效降低车辆整体噪声,尤其对高速行驶过程中的风噪有很好的抑制效果。而3M胶带车门密封系统,可以有效阻隔外界噪声传递到驾驶室内,以减少对驾乘人员的影响。同时,采用3M胶带车门密封系统,可以使得开关车门声音沉稳厚重,提高空调制冷和制热效率和车辆气密性,防尘能力,改善车内声场,提高音响效果。
          
结束语

        汽车降噪材料的总体发展方向是性能高、轻量化和环保,但不同的车型有不同的声场特性和噪声特点,要达到理想的降噪效果,就需要科学地选择降噪材料的类型、数量和使用部位。3M公司不仅是汽车降噪材料的提供者,而且能和客户一起对其汽车噪声做全面、科学地研究并提出整体噪声解决方案。随着对汽车材料的需求不断上升,3M公司也在不断更新技术,以适应汽车生产厂商越来越高的需求。
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