陶氏化學雙組份聚氨酯發(fā)泡材料改善噪聲案例分析

噪聲，作為破壞人們工作和生活環(huán)境質(zhì)量的罪魁禍首，不僅會嚴重危害人的聽覺系統(tǒng)，使人疲倦、耳聾，還會加速機械結(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。經(jīng)科學研究和長期實踐證明，噪聲會導致駕駛員神經(jīng)系統(tǒng)功能下降，既損害駕駛員的聽力，還會使駕駛員迅速疲勞，對汽車行駛安全性構(gòu)成了極大的威脅。因此，噪聲的危害應引起人們的高度重視。

為了提高車輛的舒適性，世界各大汽車公司都對車內(nèi)噪聲水平制定了嚴格的控制標準，將車內(nèi)噪聲的控制作為重要研究方向。特別是轎車，車內(nèi)噪聲狀況更是衡量轎車檔次的標準之一，汽車的運動噪聲水平直接反映了整車質(zhì)量水平。近年來，國內(nèi)一些大型整車廠不斷加強在車內(nèi)噪聲方面的研究和控制，不僅專門設(shè)立了振動噪聲部，引進和培養(yǎng)了諸多高級人才，還投入了大量資金引進測試設(shè)備。

長城汽車主要生產(chǎn)皮卡、SUV和轎車，正處于高速發(fā)展階段。長城汽車對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。本文介紹了長城汽車某款暢銷車型通過采用陶氏化學雙組份聚氨酯發(fā)泡材料進行封堵車身噪聲傳播途徑來達到改善車內(nèi)噪聲的實際案例。

車內(nèi)噪聲分析

NVH是噪聲、振動與聲振粗糙度（Noise、Vibration和Harshness）的英文縮寫，主要研究車輛的噪聲及振動對整車性能與舒適性的影響和相關(guān)的控制改善技術(shù)。

1.車內(nèi)噪聲的主要來源

一切向周圍輻射噪聲的振動物體都被稱為噪聲源，汽車是一個高速運動的復雜組合式噪聲源。汽車發(fā)動機和傳動系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的振動、高速行駛中汽車輪胎在地面上的滾動以及車身與空氣的作用，是產(chǎn)生汽車噪聲的根本原因。具體來講，汽車的噪聲源主要有以下幾方面：

（1）發(fā)動機噪聲包括發(fā)動機工作時產(chǎn)生的進氣噪聲、排氣噪聲、冷卻風扇噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，以及由于發(fā)動機燃燒和慣性力矩引起的振動，通過發(fā)動機懸架和副車架傳動車身而引起車身振動，這類的噪聲表征為中、低頻噪聲。

（2）路噪路面不平度激勵通過懸架等引起車身振動，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時，位于花紋槽中的空氣被地面擠出與重新吸入過程所產(chǎn)生的泵氣效應以及輪胎振動產(chǎn)生輪胎噪聲，這類噪聲表征為中、低頻噪聲。

（4）風噪高速氣流與汽車表面作用引起的表面壓力脈動，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)生了氣動噪聲，這類噪聲表征為高頻噪聲。

2.車內(nèi)噪聲的傳播途徑

噪聲傳遞到車內(nèi)的途徑有兩種，分別是通過車身結(jié)構(gòu)傳播和空氣動力傳播。

3.通過空腔阻斷來降低車內(nèi)噪聲

根據(jù)噪聲產(chǎn)生和傳播的機理，可以把噪聲控制技術(shù)分為以下3類：對噪聲源的控制、對噪聲傳播路徑的控制以及對噪聲接受者的保護。本文主要討論在噪聲的傳播途徑中采取控制措施，例如吸聲、隔聲等措施。

當車輛高速行駛時，由車身周圍氣流分離導致壓力變化而產(chǎn)生的噪聲就是通常所說的風噪，車輛與周圍的空氣流場產(chǎn)生劇烈的相互作用，流場在汽車表面形成一個邊界層，并產(chǎn)生強大的分離流、渦流及湍流。另外，現(xiàn)代主流車身設(shè)計采用單體化車身（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，就是通常所說的空腔共鳴噪聲;同時，發(fā)動機噪聲、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，聲壓級增加18？dB。當汽車啟動時即產(chǎn)生機械運動噪聲，發(fā)動機噪聲隨車速提高而增大;當汽車行駛速度大于50？km/h時，輪胎噪聲逐漸顯現(xiàn)，當車速超過80？km/h時，輪胎噪聲則成為汽車行駛噪聲的主要成分;當汽車行駛速度超過100？km/h時，高速氣流場噪聲會迅速增大;當汽車速度達到120？km/h時，它與輪胎噪聲聲壓級相同，當汽車速度再繼續(xù)增加，此類噪聲就會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理

雙組份聚氨酯發(fā)泡材料可以在常溫下快速反應發(fā)泡并快速成形。當其應用于側(cè)圍旁路空腔密封時，則是一項非常有效的進行氣流阻隔、抑制空氣傳播通道的技術(shù)。在阻斷通道的同時，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。這是因為，當聲波入射到多孔材料表面時，主要是兩種機理引起聲波的衰減：首先是由于聲波產(chǎn)生的振動引起小孔或間隙內(nèi)的空氣運動，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起來，由于摩擦和粘滯力的作用，使相當一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲波衰減，反射聲減弱達到吸聲的目的;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，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

雙組份聚氨酯發(fā)泡材料應用于空腔阻斷中，具有以下優(yōu)點：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;無模具投入，材料成本低;注射模式可隨時調(diào)整;可以直接延用在未來車型平臺而無需改造注射設(shè)備。

雙組份聚氨酯發(fā)泡材料應用實例

1.方案設(shè)計

在長城汽車某車型的實際應用中，應用了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，進一步對空腔封堵位置在工程可行范圍內(nèi)進行反復修正，直至噪聲通過傳遞路徑至整車實現(xiàn)優(yōu)化控制。設(shè)計封堵的具體位置包括前風窗玻璃框、汽車側(cè)面及后風窗玻璃周圍、輪罩下部等。

2.材料選用

采用陶氏化學的雙組份聚氨酯發(fā)泡材料BETAFOAM? 87100/87120，從2005年起該材料在國內(nèi)已完成了數(shù)億個型腔的填充。

3.設(shè)備選用

生產(chǎn)及試生產(chǎn)方面，采用美國GRACO公司24：1NVH發(fā)泡設(shè)備（其收購的GUSMER公司向DOW提供24：1NVH泡沫研制測試樣機），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材料國內(nèi)用戶的行業(yè)傳統(tǒng)設(shè)備供應商。NVH發(fā)泡設(shè)備如圖2所示。

4.噪聲測試

（1）測試目的及設(shè)備

本試驗的測試目的主要是測量被測車輛的車內(nèi)噪聲特性，并對比同一車輛內(nèi)部噪聲聲壓等級情況（旁路空腔處理前后），從而考查旁路空腔封阻對承載型車身（單元化車體）車輛車內(nèi)噪聲的影響。測試設(shè)備如圖3所示。整車在3處放置麥克風傳聲器：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。每個車輛工況下各個循環(huán)進行10？s的信號采集，每個工況測量4～5次循環(huán)，保留3組較一致的數(shù)據(jù)信號。

（2）測試結(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車采集的數(shù)據(jù)（綠色曲線），比基準樣車（紅色曲線）的頻域聲壓級低3～5？dB。

②勻速狀態(tài)

如圖6所示，在110？km/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車采集的數(shù)據(jù)（綠色曲線），比基準樣車（紅色曲線）的頻域聲壓級低3～4？dB。

結(jié)語

對汽車的運動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?？涨蛔钄嗍强刂栖噧?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)計和阻斷材料的選用對空腔阻斷效果至關(guān)重要。在長城汽車某車型的實際應用中，采用陶氏化學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。