噪聲，作為破壞人們工作和生活環(huán)境質(zhì)量的罪魁禍?zhǔn)?，不僅會(huì)嚴(yán)重危害人的聽覺系統(tǒng)，使人疲倦、耳聾，還會(huì)加速機(jī)械結(jié)構(gòu)的老化，影響設(shè)備及儀表的精度和使用壽命。汽車噪聲可分為車內(nèi)噪聲和車外噪聲。車外噪聲影響周圍環(huán)境，干擾人們的睡眠和工作;車內(nèi)噪聲則影響駕駛員和乘客的身心健康、行車安全以及乘車舒適性。噪聲會(huì)導(dǎo)致駕駛員神經(jīng)系統(tǒng)功能下降，既損害駕駛員的聽力，還會(huì)使駕駛員迅速疲勞，對(duì)汽車行駛安全性構(gòu)成了極大的威脅。
為了提高車輛的舒適性，世界各大汽車公司都對(duì)車內(nèi)噪聲水平制定了嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)，將車內(nèi)噪聲的控制作為重要研究方向。長(zhǎng)城汽車對(duì)NVH十分重視，在開發(fā)階段就介入NVH工作，再加上與CAE的有效結(jié)合，真正制造出物超所值的汽車產(chǎn)品。本文介紹了長(zhǎng)城汽車某款暢銷車型通過采用陶氏化學(xué)雙組份聚氨酯發(fā)泡材料進(jìn)行封堵車身噪聲傳播途徑來(lái)達(dá)到改善車內(nèi)噪聲的實(shí)際案例。
NVH是噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度(Noise、Vibration和Harshness)的英文縮寫，主要研究車輛的噪聲及振動(dòng)對(duì)整車性能與舒適性的影響和相關(guān)的控制改善技術(shù)。
汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)、高速行駛中汽車輪胎在地面上的滾動(dòng)以及車身與空氣的作用，是產(chǎn)生汽車噪聲的根本原因。具體來(lái)講，汽車的噪聲源主要有以下幾方面：
(1)發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲包括發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的進(jìn)氣噪聲、排氣噪聲、冷卻風(fēng)扇噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，以及由于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和慣性力矩引起的振動(dòng)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)懸架和副車架傳動(dòng)車身而引起車身振動(dòng)，這類的噪聲表征為中、低頻噪聲。
(2)路噪路面不平度激勵(lì)通過懸架等引起車身振動(dòng)，這類的噪聲表征為低頻噪聲。
(3)輪胎噪聲行駛過程中由于輪胎在地面滾動(dòng)時(shí)，位于花紋槽中的空氣被地面擠出與重新吸入過程所產(chǎn)生的泵氣效應(yīng)以及輪胎振動(dòng)產(chǎn)生輪胎噪聲，這類噪聲表征為中、低頻噪聲。
(4)風(fēng)噪高速氣流與汽車表面作用引起的表面壓力脈動(dòng)，以及氣流通過未被封閉的車身及整車通道傳到駕駛艙則產(chǎn)生了氣動(dòng)噪聲，這類噪聲表征為高頻噪聲。
當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，由車身周圍氣流分離導(dǎo)致壓力變化而產(chǎn)生的噪聲就是通常所說(shuō)的風(fēng)噪，車輛與周圍的空氣流場(chǎng)產(chǎn)生劇烈的相互作用，流場(chǎng)在汽車表面形成一個(gè)邊界層，并產(chǎn)生強(qiáng)大的分離流、渦流及湍流。另外，現(xiàn)代主流車身設(shè)計(jì)采用單體化車身(unitized-body)，車身側(cè)圍板是由內(nèi)外薄壁鋼板焊接而成，存在旁路空腔結(jié)構(gòu)，從而在側(cè)圍空腔通道產(chǎn)生高速氣流場(chǎng)，就是通常所說(shuō)的空腔共鳴噪聲;同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、輪胎噪聲和路噪甚至灰塵也通過側(cè)圍空腔通道向車內(nèi)傳播。因此，空腔阻斷與車身密封對(duì)降低車內(nèi)噪聲而言尤為重要。
研究指出，空氣傳播的噪聲與車速的6次方成正比，即車速增加一倍，聲壓級(jí)增加18?dB。當(dāng)汽車啟動(dòng)時(shí)即產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)噪聲，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲隨車速提高而增大;當(dāng)汽車行駛速度大于50?km/h時(shí)，輪胎噪聲逐漸顯現(xiàn)，當(dāng)車速超過80?km/h時(shí)，輪胎噪聲則成為汽車行駛噪聲的主要成分;當(dāng)汽車行駛速度超過100?km/h時(shí)，高速氣流場(chǎng)噪聲會(huì)迅速增大;當(dāng)汽車速度達(dá)到120?km/h時(shí)，它與輪胎噪聲聲壓級(jí)相同，當(dāng)汽車速度再繼續(xù)增加，此類噪聲就會(huì)超過其他噪聲成為主要的噪聲源。因此，阻斷側(cè)圍空腔氣流以抑制噪聲通過空氣傳播是非常重要的。
雙組份聚氨酯發(fā)泡材料在空腔阻斷的作用機(jī)理
雙組份聚氨酯發(fā)泡材料可以在常溫下快速反應(yīng)發(fā)泡并快速成形。當(dāng)其應(yīng)用于側(cè)圍旁路空腔密封時(shí)，則是一項(xiàng)非常有效的進(jìn)行氣流阻隔、抑制空氣傳播通道的技術(shù)。在阻斷通道的同時(shí)，由于聚氨酯發(fā)泡材料具有多孔吸聲材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即具有許多微小的間隙和連續(xù)的氣泡，由于材料本身的內(nèi)摩擦和材料小孔中的空氣與孔壁間的摩擦，使聲波能量明顯被吸收并衰減，這種吸聲材料能有效地吸收入射到它上面的聲能，這就使它具有良好的高頻吸聲性能。這是因?yàn)?，?dāng)聲波入射到多孔材料表面時(shí)，主要是兩種機(jī)理引起聲波的衰減：首先是由于聲波產(chǎn)生的振動(dòng)引起小孔或間隙內(nèi)的空氣運(yùn)動(dòng)，造成和孔壁的摩擦，緊靠孔壁和纖維表面的空氣受孔壁的影響不易動(dòng)起來(lái)，由于摩擦和粘滯力的作用，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲波衰減，反射聲減弱達(dá)到吸聲的目的;其次，小孔中的空氣和孔壁與纖維之間的熱交換引起的熱損失，也使聲能衰減。
因此，相比較目前空腔填充較多應(yīng)用的兩次注塑膨脹隔斷片，聚氨酯發(fā)泡材料不僅具有三維膨脹可靠封阻的優(yōu)點(diǎn)，更具有前者所不具備的良好的吸聲特性，使之在抑制噪聲通過空氣傳播途徑中顯示出優(yōu)異的表現(xiàn)。圖1所示為局部采用聚氨酯發(fā)泡材料和兩維膨脹隔斷片的側(cè)圍分解剖視圖。
雙組份聚氨酯發(fā)泡材料在空腔阻斷中的優(yōu)點(diǎn)
雙組份聚氨酯發(fā)泡材料應(yīng)用于空腔阻斷中，具有以下優(yōu)點(diǎn)：三維可靠封阻;良好的吸聲性能;多車型可共用聚氨酯發(fā)泡材料的注射裝置;無(wú)模具投入，材料成本低;注射模式可隨時(shí)調(diào)整;可以直接延用在未來(lái)車型平臺(tái)而無(wú)需改造注射設(shè)備。
雙組份聚氨酯發(fā)泡材料應(yīng)用實(shí)例
1.方案設(shè)計(jì)
在長(zhǎng)城汽車某車型的實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)用了SQC(Sound Quality Cascade)方法，通過傳遞路徑分析，建立相關(guān)車輛系統(tǒng)的NVH性能仿真分析模型。在仿真條件下，進(jìn)一步對(duì)空腔封堵位置在工程可行范圍內(nèi)進(jìn)行反復(fù)修正，直至噪聲通過傳遞路徑至整車實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。設(shè)計(jì)封堵的具體位置包括前風(fēng)窗玻璃框、汽車側(cè)面及后風(fēng)窗玻璃周圍、輪罩下部等。
2.材料選用
采用陶氏化學(xué)的雙組份聚氨酯發(fā)泡材料BETAFOAM? 87100/87120，從2005年起該材料在國(guó)內(nèi)已完成了數(shù)億個(gè)型腔的填充。
3.設(shè)備選用
生產(chǎn)及試生產(chǎn)方面，采用美國(guó)GRACO公司24：1NVH發(fā)泡設(shè)備(其收購(gòu)的GUSMER公司向DOW提供24：1NVH泡沫研制測(cè)試樣機(jī))，設(shè)備包括供料系統(tǒng)及相關(guān)材料管理設(shè)備解決方案。興信公司也是DOW 24：1材料國(guó)內(nèi)用戶的行業(yè)傳統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商。NVH發(fā)泡設(shè)備如圖2所示。
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4.噪聲測(cè)試
(1)測(cè)試目的及設(shè)備
本試驗(yàn)的測(cè)試目的主要是測(cè)量被測(cè)車輛的車內(nèi)噪聲特性，并對(duì)比同一車輛內(nèi)部噪聲聲壓等級(jí)情況(旁路空腔處理前后)，從而考查旁路空腔封阻對(duì)承載型車身(單元化車體)車輛車內(nèi)噪聲的影響。測(cè)試設(shè)備如圖3所示。整車在3處放置麥克風(fēng)傳聲器：駕駛座外側(cè)、副駕駛座外側(cè)和后座中間，設(shè)定位置如圖4所示。每個(gè)車輛工況下各個(gè)循環(huán)進(jìn)行10?s的信號(hào)采集，每個(gè)工況測(cè)量4～5次循環(huán)，保留3組較一致的數(shù)據(jù)信號(hào)。
(2)測(cè)試結(jié)果
①加速狀態(tài)
如圖5所示，在加速狀態(tài)下，可以看出從采用陶氏雙組份聚氨酯發(fā)泡材料填充空腔的試驗(yàn)車采集的數(shù)據(jù)(綠色曲線)，比基準(zhǔn)樣車(紅色曲線)的頻域聲壓級(jí)低3～5?dB。
②勻速狀態(tài)
如圖6所示，在110km/h巡航狀態(tài)下，可以看出從采用陶氏雙組份聚氨酯發(fā)泡材料填充空腔的試驗(yàn)車采集的數(shù)據(jù)(綠色曲線)，比基準(zhǔn)樣車(紅色曲線)的頻域聲壓級(jí)低3～4?dB。
結(jié)語(yǔ)
對(duì)汽車的運(yùn)動(dòng)噪聲控制能力直接反映了整車質(zhì)量的控制水平，在行業(yè)內(nèi)受到廣泛的關(guān)注。空腔阻斷是控制車內(nèi)噪聲空氣傳播的重要方法，可以有效改善整車NVH性能。其中，車身空腔阻斷位置設(shè)計(jì)和阻斷材料的選用對(duì)空腔阻斷效果至關(guān)重要。在長(zhǎng)城汽車某車型的實(shí)際應(yīng)用中，采用陶氏化學(xué)空腔阻斷方案及雙組份聚氨酯發(fā)泡材料填充空腔有效提高了整車的NVH性能。
