汽車用纖維吸音材料性能研究 - 圖文-

1、汽車用纖維吸音材料性能研究岳洋,趙福全,金建偉,楊豪,劉強(qiáng)(浙江吉利汽車研究院有限公司,浙江杭州311228摘要:應(yīng)用材料對(duì)整車進(jìn)行聲學(xué)封裝,是提升汽車NV H性能的主要手段之一。聚酯+聚丙烯(PET+PP纖維作為一種特殊工藝成型的材料,已開始應(yīng)用于整車的吸音處理。文中將聚酯+聚丙烯雙組分纖維材料的隔熱性能、耐久性、壓縮回復(fù)性與其他常用吸音材料進(jìn)行了對(duì)比,并研究了不同規(guī)格PET+PP材料的吸音特性,以及按不同的材料方案對(duì)某車型進(jìn)行聲學(xué)處理后,對(duì)車內(nèi)怠速噪聲和勻速噪聲的改進(jìn)效果。關(guān)鍵詞:雙組分纖維;理化性能;聲學(xué)性能;車內(nèi)噪聲中圖分類號(hào):TB34;TB535文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1004245

2、23(20100620670206引言對(duì)車輛NV H性能的改進(jìn)研究中,應(yīng)用具有聲學(xué)作用的材料(如吸音、隔音、減振、密封材料等對(duì)整車進(jìn)行聲學(xué)處理,是降低車內(nèi)振動(dòng)和噪聲,提升車輛NV H性能的重要手段1,2。關(guān)于材料對(duì)車內(nèi)噪聲的改進(jìn)作用,國內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研究37。為降低車內(nèi)的中高頻噪聲,通常在車身相關(guān)部位使用吸音材料進(jìn)行聲學(xué)封裝。常用的吸音類材料主要包括纖維類、發(fā)泡樹脂類、聚氨酯類等8,9。聚酯+聚丙烯(PET+PP纖維作為一種特殊工藝成型的材料,目前已經(jīng)逐漸作為整車吸音材料取代普通纖維類材料進(jìn)行使用。它是將結(jié)構(gòu)纖維和吹熔絲兩種不同類型的材料通過無紡技術(shù)結(jié)合而成:結(jié)構(gòu)纖維為人造短纖維,用于控

3、制材料的厚度,平均纖維直徑為25m,成分是聚酯(PET;吹熔絲是采用吹熔技術(shù)成網(wǎng),平均纖維直徑為2m,成分是聚丙烯(PP。整體材料通過兩種纖維組成的特殊分子結(jié)構(gòu)達(dá)到吸音的作用。本文重點(diǎn)研究了聚酯+聚丙烯雙組分纖維吸音材料的理化性能和聲學(xué)性能,以及對(duì)車內(nèi)噪聲的改進(jìn)作用。1材料性能111材料理化性能對(duì)PET+PP雙組分纖維材料的熱阻系數(shù)和耐久性進(jìn)行了測(cè)試,并與普通纖維類材料進(jìn)行對(duì)比,以研究此材料的性能水平。1.1.1熱阻系數(shù)用熱傳導(dǎo)系數(shù)測(cè)試儀(RA P I D2K對(duì)PET+PP 纖維材料和再生纖維材料分別進(jìn)行了熱阻系數(shù)的測(cè)試。試驗(yàn)樣品規(guī)格:1.PET+PP纖維(面密度200g m2,厚度10 mm

4、;2.再生纖維(面密度400g m2,厚度10mm。兩種纖維材料熱阻系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖1所示 。圖1兩種纖維材料熱阻系數(shù)的比較材料的熱阻系數(shù)衡量了材料本身阻隔熱量的能力,數(shù)值越大,在相同的環(huán)境條件下,隔絕的能量就越多,材料的隔熱性能越好。從圖1中PET+PP纖維和再生纖維熱阻系數(shù)的比較來看,PET+PP纖維的熱阻系數(shù)較高,達(dá)到1151,為再生纖維熱阻系數(shù)的2倍。當(dāng)這種材料在車輛中使用時(shí),更利于對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)和車外環(huán)境產(chǎn)生熱量的隔絕,對(duì)車內(nèi)的保溫效果要優(yōu)于普通纖維類材料。第23卷第6期2010年12月振動(dòng)工程學(xué)報(bào)Jou rnal of V ib rati on EngineeringV o

5、l.23N o.6D ec.20101.1.2耐久性結(jié)合纖維類吸音材料在實(shí)際車輛中的應(yīng)用環(huán)境,材料本身的抗霉性、疏水性、抗壓回復(fù)性是衡量材料耐久性的3個(gè)重要因素,如果材料本身易發(fā)霉、易吸水、抗壓回復(fù)性差,將嚴(yán)重影響材料的耐久性。對(duì)于聲學(xué)材料來說,發(fā)霉、吸水、壓縮會(huì)破壞材料本身的物理結(jié)構(gòu),從而導(dǎo)致材料聲學(xué)性能下降。通過測(cè)試分別考察了PET+PP纖維材料和其他纖維材料的抗霉性、疏水性和抗壓回復(fù)性,并進(jìn)行了對(duì)比分析。(1抗霉性為考察PET+PP纖維、再生纖維、聚酯纖維、聚氨酯泡沫4種材料的抗霉性能,按A STM G21所規(guī)定的方法對(duì)4種材料進(jìn)行了抗霉試驗(yàn)。試驗(yàn)樣品規(guī)格:1.PET+PP纖維(面密度2

6、00g m2,厚度10 mm,尺寸50mm50mm;2.再生纖維(面密度400g m2,厚度10mm,尺寸50mm50mm;3.PET纖維(面密度400g m2,厚度10mm,尺寸50mm50mm;4.聚氨酯泡沫(面密度40g m3,厚度10mm,尺寸50mm50mm。4種材料抗霉性的測(cè)試結(jié)果如圖2所示。通過圖2可以看出,除PET+PP纖維外,其他材料均出現(xiàn)了不同程度的發(fā)霉現(xiàn)象,PET+PP纖維材料的抗霉性能要優(yōu)于其他材料。(2疏水性按G M9146P標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法對(duì)PET+PP纖維和再生纖維兩種材料的疏水性進(jìn)行考察。取兩種材料的質(zhì)量均為10g,在水中浸泡5m in后,定時(shí)稱量材料的質(zhì)量,材料

7、的質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。由圖3中曲線可以看出,PET+PP纖維材料在水中浸泡后的質(zhì)量增長倍率小于再生纖維的質(zhì)量增長倍率,由此可見前者的分子結(jié)構(gòu)對(duì)水份的吸收能力更小。隨著時(shí)間的增長,PET+PP纖維可以在20 h后回復(fù)到自身吸水前的質(zhì)量,而再生纖維的疏水性相對(duì)較差,20h過后,材料的自重仍為原來的5倍左右。(3壓縮回復(fù)性對(duì)PET+PP纖維和聚氨酯泡沫兩種材料受外力壓縮后的回復(fù)性進(jìn)行了考察。樣品規(guī)格及試樣條件如下:1.PET+PP纖維(面密度400g m2,厚度20 mm,尺寸150mm150mm ;圖24 種材料抗霉性的比較圖3兩種材料疏水性的比較176第6期岳洋,等:汽車用聚酯+聚丙

8、烯雙組分纖維吸音材料性能研究2.聚氨酯泡沫(面密度40g m 3,厚度20mm ,尺寸150mm 150mm 。試驗(yàn)機(jī)壓頭為圓盤型,可提供0106Pa 的壓強(qiáng)。試驗(yàn)時(shí),在室溫和65兩組溫度條件下將壓頭整體壓在材料表面上,保持0106Pa 的壓力2h ,撤掉壓力,將受壓后的材料在室溫下調(diào)節(jié)2小時(shí)后,進(jìn)行材料厚度的測(cè)量。測(cè)試結(jié)果如圖4和5所示 。圖4 室溫下兩種材料壓縮回復(fù)性的比較圖565C 下兩種材料壓縮回復(fù)性的比較通過兩種材料壓縮回復(fù)性的比較可以看出,在室溫條件下,PET +PP 纖維材料的壓縮回復(fù)性要略好于聚氨酯泡沫材料;在65C 條件下,PET +PP 纖維材料的壓縮回復(fù)性與室溫條件下的變

9、化不大,而聚氨酯泡沫在65C 條件下的壓縮回復(fù)性與室溫下差別很大,性能只有原來的50%左右。車輛在實(shí)際使用過程中,乘員艙會(huì)受到日光的照射,內(nèi)部溫度可能會(huì)在80C 甚至更高。材料的壓縮回復(fù)性好,材料耐久性能也相應(yīng)的提高。在車輛中使用PET +PP 纖維作為吸音材料,更利于吸音作用的長久保持。112材料聲學(xué)性能對(duì)PET +PP 雙組分纖維材料的吸音系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,考察材料的吸音性能水平,并與普通纖維類材料進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)儀器:B &K M odel 4206(2探頭全阻抗測(cè)試管試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):A STM E 1050試驗(yàn)樣品的尺寸為直徑為99和29mm 的圓盤型試樣各一塊。直徑99mm 的試樣用于測(cè)試材料

10、對(duì)低頻率段(1251600H z 噪聲的吸音曲線,直徑29mm 的試樣用于測(cè)試材料對(duì)高頻率段(5006300H z 噪聲的吸音曲線,材料的全頻率段吸音曲線由兩條曲線擬合而成。1.2.1不同面密度纖維的吸音性能為比較不同面密度PET +PP 纖維材料吸音性能,對(duì)3組材料的吸音系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)樣品:1.PET +PP 纖維(面密度200g m 2,厚度13mm ;2.PET +PP 纖維(面密度300g m 2,厚度21mm ;3.PET +PP 纖維(面密度400g m 2,厚度28mm 。材料吸音系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖6所示 。圖6不同面密度PET +PP 纖維材料吸音曲線PET +PP 纖維

11、材料吸音系數(shù)隨頻率的變化曲線與普通多孔吸音材料的變化趨勢(shì)一致10:材料吸音系數(shù)隨著頻率的增大而逐漸升高,材料對(duì)中高頻,尤其是1500H z 以上的聲波具有良好的吸收作用。另外,隨著材料面密度的增加,材料總體的吸音性能增強(qiáng),但是面密度為300和400g m 2的PET +PP 纖維材料的系數(shù)在2500H z 以后略有下降。1.2.2不同種類纖維的吸音性能為比較相同面密度、不同厚度PET +PP 纖維,PET +PP 纖維、PET 纖維材料和再生纖維材料的吸音性能,對(duì)4組材料的吸音系數(shù)進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)樣品:1.PET +PP 纖維(面密度200g m 2,厚度26mm ;276振動(dòng)工程學(xué)報(bào)第23卷

12、2.PET +PP 纖維(面密度200g m 2,厚度13mm ;3.PET 纖維(面密度350g m 2,厚度10mm ;4.再生纖維(面密度400g m 2,厚度10mm 。材料吸音系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖7所示 。圖7不同種類纖維材料吸音曲線通過圖7的材料吸音系數(shù)曲線分析,相同面密度的PET +PP 纖維,在相同頻率下的吸音系數(shù)隨材料厚度的增大而增大。其原因是由于厚度增大使聲波透過材料的阻礙增強(qiáng),材料對(duì)聲波能量的消耗增大,故材料的吸音性能增強(qiáng)。另外,通過PET +PP 纖維和PET 纖維、再生纖維吸音曲線的比較來看,PET +PP 纖維在較小的面密度下表現(xiàn)了更強(qiáng)的吸音效果,面密度200g m

13、2的PET +PP 材料在2006300H z 頻率段的吸音系數(shù)均高于面密度350g m2的PET 纖維和面密度400g m 2的再生纖維。在整車中應(yīng)用PET +PP 纖維材料在保證良好吸音效果的同時(shí),有利于整車聲學(xué)內(nèi)飾的輕量化;而面密度為350g m 2的PET 纖維和面密度為400g m 2的再生纖維相比,吸音曲線基本相近,PET 纖維的吸音性能略好于再生纖維。1.2.3纖維熱老化后吸音性能為考察PET +PP 纖維材料熱老化前后吸音性能的保持情況,對(duì)兩組材料進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)樣品:1.PET +PP 纖維(面密度200g m 2,厚度26mm ,室溫條件;2.PET +PP 纖維(面密度20

14、0g m 2,厚度26mm ,經(jīng)65C 2h 熱老化,在室溫下調(diào)節(jié)2h 。材料吸音系數(shù)的測(cè)試結(jié)果如圖8所示。由圖8曲線分析,PET +PP 纖維材料經(jīng)65C 熱老化前后,材料的吸音性能略有下降,這是由于材料受熱回復(fù)后, 材料的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了一定變化影響圖8PET +PP 纖維材料熱老化前后吸音曲線了對(duì)聲波能量的消耗作用。從下降數(shù)值上來說,基本都在0105以內(nèi),所以材料整體的吸音性能變化不大。2材料對(duì)整車噪聲的改進(jìn)211測(cè)量2.1.1測(cè)試車輛和材料方案為研究PET +PP 纖維材料對(duì)整車噪聲的改進(jìn)效果,選取某工裝樣車作為測(cè)試車輛,將3組材料方案在同一樣車上進(jìn)行實(shí)施。每實(shí)施一組方案后,將樣車恢復(fù)到

15、初始狀態(tài),進(jìn)行測(cè)試,然后再進(jìn)行下一套材料方案的實(shí)施。每次恢復(fù)車輛后,對(duì)車輛的密封性進(jìn)行檢查,以保證車輛在實(shí)施材料方案前后狀態(tài)的一致性,使測(cè)試結(jié)果具有可比較性。測(cè)試樣車信息如下:SU V 車型,手動(dòng)擋,發(fā)動(dòng)機(jī)排量118L ,兩輪前驅(qū)。PET +PP 纖維材料應(yīng)用方案內(nèi)容包括:方案一:在4個(gè)車門、后背門內(nèi)飾板上粘貼PET+PP 纖維材料,面密度600g m 2,厚度為42mm ,材料覆蓋面積為整個(gè)車門、背門大小。方案二:在輪罩部位的翼子板襯板上粘貼PET+PP 纖維材料,面密度600g m 2,厚度為42mm ,材料覆蓋面積為整個(gè)輪罩。方案三:在4個(gè)車門內(nèi)飾板上粘貼PET +PP 纖維材料,材料覆

16、蓋面積為整個(gè)車門大小;在輪罩部位的翼子板襯板上粘貼PET +PP 纖維材料,材料覆蓋面積為整個(gè)輪罩;在A ,B 和C 柱的上下裝飾板內(nèi)側(cè)粘貼PET +PP 纖維材料,材料覆蓋面積為整個(gè)內(nèi)飾板大小。材料面密度600g m 2,厚度為42mm 。2.1.2測(cè)試工況為考察PET +PP 纖維材料對(duì)中高頻噪聲的吸376第6期岳洋,等:汽車用聚酯+聚丙烯雙組分纖維吸音材料性能研究收效果,對(duì)整車車內(nèi)噪聲進(jìn)行測(cè)試,具體測(cè)試工況如下:1.在平滑的瀝青路面上進(jìn)行車輛勻速噪聲的測(cè)試,測(cè)試車輛的速度分別為60,80和100km h;2.在空曠的場地上進(jìn)行車輛怠速噪聲的測(cè)試,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r m in。2.1.

17、3數(shù)據(jù)采集測(cè)量設(shè)備為LM S移動(dòng)噪聲測(cè)試儀、LM S T est.L ab8A軟件。在車內(nèi)前排主駕駛座右耳位置放置麥克風(fēng)來進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的采集,采樣頻率為1125H z,每次測(cè)試時(shí),確保每個(gè)麥克風(fēng)放置的位置和方向相同。測(cè)試的聲學(xué)信號(hào)被放大后,由數(shù)碼記錄器進(jìn)行記錄以備后續(xù)進(jìn)行分析和解碼。在車內(nèi)噪聲的測(cè)試過程中,關(guān)閉空調(diào)、音響設(shè)備和所有的車窗玻璃,以盡可能降低其他因素對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。每種工況下,均采集4段獨(dú)立的數(shù)據(jù),每次采集時(shí)間為15s。如在數(shù)據(jù)采集的過程中,出現(xiàn)其他噪聲干擾,則此采集數(shù)據(jù)作廢,重新進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)頻譜分析后得出頻率和分貝數(shù)值的曲線,所有的聲學(xué)測(cè)量所得的聲壓級(jí)數(shù)值均以

18、A級(jí)計(jì)權(quán)。212測(cè)試結(jié)果與分析表1顯示了原狀態(tài)車和實(shí)施材料方案的樣車駕駛員右耳的噪聲情況。表1樣車駕駛員右耳的噪聲數(shù)值 dB(A工況原狀態(tài)方案1方案2方案360km h6510864127641426318880km h68175661336518864169100km h70184691567010368110 3000r m in62158571475816857181圖9為分別實(shí)施3組方案后,試驗(yàn)樣車在怠速3000r m in工況下,駕駛員右耳噪聲與原車噪聲的一組測(cè)試對(duì)比頻譜。通過3組材料方案實(shí)施前后樣車怠速3000r m in噪聲數(shù)值的對(duì)比可以看出,在車門、輪罩、A B C柱加裝PET

19、+PP纖維材料,對(duì)整車怠速噪聲均有一定的降低作用。發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速3000r m in時(shí)產(chǎn)生噪聲主要以中高頻為主,所以PET+PP纖維在車輛怠速3000r m in時(shí)對(duì)車內(nèi)噪聲的降低效果比較明顯。方案1與方案2相比, 前者對(duì)怠速噪聲的降低更為顯著,降低幅度為5dB(A左右,這說明樣車的車門聲學(xué)作用較差。對(duì)于方案2,在樣車的輪罩部位加裝PET+PP材料對(duì)于怠速噪聲的降低幅度低于車門加裝方案,主要原因是輪罩部位面積小于車門部位面積,另外輪罩部位吸音材料對(duì)胎噪作用更大,圖93組材料方案實(shí)施前后樣車怠速3000r m in噪聲對(duì)比而測(cè)試工況為車輛怠速靜置狀態(tài)的原因。對(duì)于方案3,材料的應(yīng)用部位較前兩個(gè)方案增

20、多,應(yīng)用面積增大后,車輛怠速噪聲的降低幅度并沒有增大,A B C柱裝飾板加裝吸音材料對(duì)車輛怠速噪聲降低的貢獻(xiàn)量不明顯。圖10為分別實(shí)施3組方案后,試驗(yàn)樣車在勻速工況下,駕駛員右耳噪聲與原車噪聲對(duì)比情況。由圖10曲線可以看出,實(shí)施3組材料方案后,車內(nèi)噪聲數(shù)值有顯著下降,其中方案3的降噪效果最為明顯。與原車相比,實(shí)施方案3后,樣車在勻速60,476振動(dòng)工程學(xué)報(bào)第23卷第 6 期 岳洋, 等: 汽車用聚酯+ 聚丙烯雙組分纖維吸音材料性能研究 675 生產(chǎn)技術(shù)壟斷等因素導(dǎo)致材料的價(jià)格要高于普通的 纖維材料, 目前材料在經(jīng)濟(jì)型轎車上的使用還不廣 泛。 但是, 相信隨著國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展, 材料的國產(chǎn)化 會(huì)使

21、其成本降低, PET + PP 纖維材料在乘用車上的 應(yīng)用前景會(huì)更加廣闊。 參考文獻(xiàn): 1 龐劍, 諶剛, 何華. 汽車噪聲與振動(dòng) 理論 與 應(yīng) 用 圖 103 組材料方案實(shí)施前后樣車勻速噪聲對(duì)比 M . 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2006. 2 邢世凱, 聞德生, 潘景, 等. 轎車車內(nèi)減振降噪控制方 法的研究 J . 噪聲與振動(dòng)控制, 2003, 23 ( 4 : 2628. 3 P ranab Saha. A pp lica tion of N o ise Con tro l M a teria ls 4 Cha rles T , Po lce III, P ranab Saha,

22、et a l A da ta . ana lysis app roach to understand the va lue of a dam p ing trea tm en t fo r veh icle in terio r sound J . SA E 5 李素華. 減振降噪阻尼材料在汽車上的應(yīng)用 J . 汽車 工藝與材料, 2005, 20 ( 7 : 3032. 6 Sop h iea D , Ka thaw a te G. Perfo rm ance benefits of a new sp ray app lied au tom o tive dam p ing m a teri

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24、分纖維在環(huán)保和輕量化方面都具有 優(yōu)勢(shì), 材料在乘用車上的逐漸應(yīng)用也代表了整車降 噪處理用材的發(fā)展趨勢(shì), 即在輕質(zhì)、 環(huán)保、 可回收的 基礎(chǔ)上體現(xiàn)優(yōu)異的聲學(xué)性能。 由于材料的工藝特殊, Abstract: A cou stic encap su la tion of the veh icle by u sing m a teria ls is one of the p rincip a l m ethod to enhance the veh icle NV H p erfo rm ance. A s a k ind of m a teria l m ade by sp ecia l m o l

25、d ing p rocess, PET + PP B i2com ponen t F iber ha s been app lied to ab so rb ing m a teria ls in hea t in su la tion p erfo rm ance, du rab ility and recovery cap ab ility after com p ression. veh icle by acou stic trea tm en t u sing d ifferen t m a teria ls a re a lso stud ied. Key words: b i2co

26、m ponen t fiber; p hysics and chem istry p erfo rm ance; acou stic p erfo rm ance; veh icle in terio r no ise p rop erties of PET + PP fiber in d ifferen t sp ecifica tion s, and the i p rovem en t effects on in terio r id le no ise and un ifo rm no ise of m acou stic trea tm en t fo r the veh icle.

27、 T h is p ap er com p a red the PET + PP B i2com ponen t F iber and o ther comm on ly u sed sound 2 T he acou stic 80 和 100 km h 工況下的駕駛員右耳噪聲分別降低 了 1120, 4106 和 2174 dB (A , 這說明了在車輛勻速 1, 方案 2 和方案 3 分別使試驗(yàn)樣車 80 km h 的車內(nèi) 噪聲下降了 2142, 2187 和 4105 dB (A , 這說明了材 行駛時(shí), 車門部位、 輪罩部位和立柱裝飾板部位上應(yīng) 用的PET + PP 纖維材料對(duì)輪胎噪