多层纤维材料在汽车应用中的吸声性能研究

互推小编 2024-03-29

文|余说百事

编辑|余说百事

前言：

本文首先制备了黄麻和剑麻纤维吸声材料，并且通过实验测量了纤维材料的纤维直径、孔隙率、流阻率。

基于这些物理参数，分别采用Delany-Bazley模型和Voronina模型计算纤维材料的吸声系数，将两种模型的计算结果与实验测量结果进行对比，发现Voronina模型在中高频范围内的计算结果与测量结果更加接近，因此本文选择Voronina模型来计算纤维材料的吸声性能。

研究背景及意义

如果按照汽车噪声所在空间分类，汽车噪声可分为车外噪声和车内噪声。车外噪声对周围环境造成污染。

有调查及研究资料表明，交通噪声占城市噪声中的比例为70%，而城市交通噪声中的85.5%是汽车产生的噪声。

因此，汽车噪声在城市噪声中占有很大比例。汽车噪声会造成人们的疲劳、头痛、注意力不集中以及工作效率下降等问题，严重影响人们的正常工作和生活。

车内噪声不仅影响驾驶人员和乘客的乘坐舒适性，还会影响司乘人员对声音的识别效果以及语音清晰度。

除此之外，长时间乘坐有较大噪声问题的汽车，也会危害乘坐人员的身心健康。

按噪声的传播途径不同，车内噪声还可以分为空气声和固体声。空气声来自动力系统等表面的辐射噪声，在空气中传播至人耳；固体声源自机械振动，并且沿着固体结构传播噪声控制方法分为主动控制和被动控制。

汽车声学包装属于噪声被动控制方法，其研究范围主要包括吸声材料和吸声结构、隔声材料和隔声结构以及密封。

汽车声学包装主要用于汽车内部噪声的控制，例如前围板处声学包装主要是为了控制发动机舱内产生的噪声，地板处声学包装主要是用于控制轮胎噪声和来自路面的噪声。

声学包装所采用的材料主要包括吸声材料、隔声材料和阻尼材料等。吸声材料能有效吸收车内的声波，从而降低车内噪声并且提高声品质。

纤维吸声材料是汽车声学包装常用材料之一。天然纤维材料因其制备工艺简单、环保、成本低，被广泛应用于汽车衬垫、坐垫等部位。

非天然纤维类吸声材料通常具有良好的防潮作用和保温隔热的效果，因此常被用于汽车前围板和发动机罩上。

虽然各纤维材料具有其独特的优势，并且已经在汽车上得到广泛的应用，但是国内对纤维材料吸声性能的研究却很少。

如果通过研究纤维材料来提高其吸声性能，再结合我国成熟的生产技术，会有助于满足市场对汽车降噪效果的需求。

汽车声学包装材料的研究现状

汽车声学包装主要是从传播途径上对空气传播噪声进行控制。由于空气声一方面是从车身的缝隙和孔洞进入车内，另一方面是穿过车身板结构进而传播到车内。

因此声学包装材料的主要作用包括以下三个方面：

第一，减少车身上的缝隙和孔洞，阻止空气声直接传到车内；

第二，通过将声源与接收环境隔离开，减少车内噪声；

第三，吸收噪声，在材料内部将声音的能量耗散掉。

密封材料除了起到隔音的作用，还能防尘、防水以及减震，因此，密封材料是汽车车身的重要部分。

夏龙贵[22]等介绍了汽车发动机密封垫片所用的化学材料种类、性能等，常用的材料有有机硅防粘涂料、硅橡胶涂料、钼基减摩润滑涂料以及发泡橡胶涂料等。

程为华[23]等介绍了PVC胶的主要成分和材料特性，并且详细阐述了该密封材料的工艺以及常见缺陷防治方法。

王先田[24]等提出利用聚砜酰胺纤维（PSF）来增强汽车密封材料，并指出由于PSF耐热性、回弹韧性好，以及成本低且来源稳定，以PSF增强的汽车密封材料更能适应汽车工业发展的需要。

吴筑人[25]对汽车用无石棉密封垫片材料进行了研究，制备了以纺纶纤维、纤维素纤维以及玻璃纤维按照一定比例作为增强体系制备了非石棉纤维增强密封材料（PFS），并且研究了非石棉纤维对热老化性能的影响，结果表明非石棉纤维能够提高PFS的耐老化性能。

朱宗亮[26]研究了密封材料——柔性石墨，应用浸渍法制备高温抗氧化柔性石墨，并且研究了高温抗氧化石墨的密度、压缩回弹性能、抗拉强度以及密封性能的变化规律，通过正交实验确定的最佳工艺条件，所制备的柔性石墨具有更高的抗氧化性密封性。

实验结果表明，高温抗氧化柔性石墨垫片相比于国外产品，其密封性能更好。

郭利娜[27]对橡胶制品的注塑成型进行了数值模拟，以汽车三角窗密封件及其模具结构作为研究对象.

选用热塑性硫化橡胶（TPV）作为注射材料，运用CAE技术对注塑过程进行模拟，并且以模具温度、熔体温度、保压时间和保压压力、注射时间为因子，利用正交实验设计对工艺参数进行优化，最终确定出最优的因素水平。

组合目前，吸声材料已经在汽车上得到了广泛的应用，例如发动机吸声垫、车内顶棚、仪表台板、座椅、行李箱等处都安装着吸声材料。

华亮[34]等尝试用稻草秸秆板来代替汽车上的泡沫塑料，通过正交试验找出了影响稻草秸秆板吸声性能的主要因素是密度，选择最佳条件下制成的稻草秸秆板，即密度为200kg/m3，秸秆长度为60mm，热压时间为20min。

用厚度同为20mm的稻草秸秆板代替XMQ6608客车原来的泡沫塑料，平均吸声系数比泡沫塑料提高了4%，并且用20mm厚的稻草秸秆板做成的发动机隔声罩，车内噪声满足GB7258-2004《机动车运行安全技术条件》中的限值规定。

刘娟[35]分析了起绒高度、PE膜和EVA重涂层等因素对汽车簇绒地毯材料吸声性能的影响。

研究结果表明：起绒度高的地毯材料吸声性能更好，PE膜和EVA重涂层对改善吸声性能没有帮助，但是EVA重涂层能明显提高隔声性能。

齐烨[36]选用表面积更大、孔隙小但孔隙率大的聚丙烯熔喷非织造材料作为汽车内用来降噪的填充材料.

通过对吸声系数和隔声量的测量与分析，发现厚度是影响其吸声性能的主要因素，而面密度对材料隔声性能起主要作用。

刘宏玉[37]提供了一种由高融值的PP和中空螺旋超细的PET纤维组成的双组份吸音棉。

阻抗管法测试结果表明这种双组份吸音棉比普通吸音棉的吸声性能更好，并且质量更轻.

将该双组份吸音棉应用到车门内饰板，分析结果表明此吸音棉能够有效降低1000Hz以上的噪声。

李晓娟[38]设计了一款主动消声器，该消声器共分为三部分，压电传感器是用两层聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜。

被动吸声材料采用多孔吸声材料，主动吸声材料采用压电陶瓷，三部分材料结合到一起可以达到主动吸声的作用。

田翠翠[39]采用GT-Power软件对汽车消声器进行建模仿真，在消声器模型壳体内壁粘贴了吸声材料。

发现该方法能够提高消声器在低频段的插入损失，但在高频段影响不大，最后通过实验验证了仿真结果是可信的。

本人所在课题组[40]针对制备聚氨酯泡沫配方中的4个因素，利用正交试验法找出了影响聚氨酯泡沫吸隔声性能的重要因素，优化得到制备聚氨酯泡沫的最佳配方组合，使其吸隔声性能达到最佳.

此外还尝试了在最佳配方的基础上，添加竹叶、竹叶秸秆、麦秆，制成了新的吸声材料，并重点研究了该方法对聚氨酯泡沫吸隔声性能的影响.

研究结果表明，竹叶或竹叶秸秆能使材料在100Hz-400Hz的吸声系数提高接近0.2。

并且显著提高了材料在全频段内的隔声效果，并且采用统计能量分析方法，将该植物-聚氨酯复合泡沫材料应用到汽车防火墙和地板声学包装中，分析结果表明该复合材料有一定的降噪效果。

多岛遗传算法

遗传算法（GeneticAlgorithm，GA）是利用计算机模拟生物遗传与进化过程，依据生物进化是群体共同进化这一特点而创造出的一种全局搜索算法。

遗传算法是基于自然选择和自然遗传的生物进化机制，通过基因杂交和变异产生更适应环境的个体。

在遗传算法的每一代中，会根据个体在问题域内的适应度值以及源自自然学说的再造方法对个体进行选择，并且产生一个新的、更能适应环境的个体。

遗传算法与自然遗传学说中的基本用语是一一对应的[88-89]。GA中的基因链码（也叫做染色体）对应于自然遗传学说中的染色体，常见的基因编码方式有二进制编码、实数编码、格雷码编码等。

与GA中的解（也叫做个体）相对应的是自然遗传学说中的个体，同样地，在GA中将若干个个体（解）的集合也称为种群。

适应度函数值对应于自然遗传学说中的个体的适应性，适应度函数是评价解优劣程度的标准。

GA在搜索过程中，适应度函数值的大小决定了个体繁殖机会，进而保证新种群的适应度值要高于旧种群。

选择操作是指根据每个个体的适应度函数值来判断其优劣，优良的个体有机会作为父代产生子代。

GA中选择操作的实现方法有多种，比如适应度比例法，轮盘赌选择法、锦标赛选择法等[90]。

变异操作是指在染色体的某些基因位置上出现突变，生物个体通过染色体交叉而实现繁衍，交叉操作便是GA基于这一概念而提出的。

当选择操作中得到了群体中的两个个体，这两个个体作为父代，二者的基因链码进行交叉，从而产生新的基因链码。

总结：

本文是结合国家自然科学基金《汽车声学包装耦合仿生吸声机理及其对车内噪声的影响规律研究》进行的。

通过实验制备了单层和多层纤维吸声材料，并实验测量了材料吸声系数，综合运用Voronina模型和传递矩阵法计算单层和多层纤维材料的吸声系数。

对Voronina模型的输入参数进行了灵敏度分析，研究各参数变化对材料吸声性能的影响。对多层材料进行优化，将优化前后的三层纤维材料作为声学包装的一部分，应用于汽车防火墙统计能量模型。

参考文献：
[1]庞建,谌刚,何华.汽车噪声与振动：理论与应用[M],北京：北京理工大学出版社.2006.
[2]马玥.汽车车外噪声标准法规发展研究[J].北京汽车,2012(01):19-22.
[3]吕静,陈达亮,舒歌群.汽车噪声法规标准及主要控制技术[J].天津汽车,2007(04):22-26.
[4]孙林.国内外汽车噪声法规和标准的发展[J].汽车工程,2000(03):154-158.
[5]杨安杰.汽车噪声标准与测试探讨[J].噪声与振动控制,2010(04):110-114.

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