通过空腔封堵双组份聚氨酯发泡材料改善车内噪声

噪声，作为破坏人们工作和生活环境质量的罪魁祸首，不仅会严重危害人的听觉系统，使人疲倦、耳聋，还会加速机械结构的老化，影响设备及仪表的精度和使用寿命。汽车噪声可分为车内噪声和车外噪声。车外噪声影响周围环境，干扰人们的睡眠和工作;车内噪声则影响驾驶员和乘客的身心健康、行车安全以及乘车舒适性。经科学研究和长期实践证明，噪声会导致驾驶员神经系统功能下降，既损害驾驶员的听力，还会使驾驶员迅速疲劳，对汽车行驶安全性构成了极大的威胁。因此，噪声的危害应引起人们的高度重视。

为了提高车辆的舒适性，世界各大汽车公司都对车内噪声水平制定了严格的控制标准，将车内噪声的控制作为重要研究方向。特别是轿车，车内噪声状况更是衡量轿车档次的标准之一，汽车的运动噪声水平直接反映了整车质量水平。近年来，国内一些大型整车厂不断加强在车内噪声方面的研究和控制，不仅专门设立了振动噪声部，引进和培养了诸多高级人才，还投入了大量资金引进测试设备。

长城汽车主要生产皮卡、SUV和轿车，正处于高速发展阶段。长城汽车对NVH十分重视，在开发阶段就介入NVH工作，再加上与CAE的有效结合，真正制造出物超所值的汽车产品。本文介绍了长城汽车某款畅销车型通过采用陶氏化学双组份聚氨酯发泡材料进行封堵车身噪声传播途径来达到改善车内噪声的实际案例。

车内噪声分析

NVH是噪声、振动与声振粗糙度(Noise、Vibration和Harshness)的英文缩写，主要研究车辆的噪声及振动对整车性能与舒适性的影响和相关的控制改善技术。

1.车内噪声的主要来源

一切向周围辐射噪声的振动物体都被称为噪声源，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统工作时产生的振动、高速行驶中汽车轮胎在地面上的滚动以及车身与空气的作用，是产生汽车噪声的根本原因。具体来讲，汽车的噪声源主要有以下几方面：

(1)发动机噪声包括发动机工作时产生的进气噪声、排气噪声、冷却风扇噪声和结构噪声，以及由于发动机燃烧和惯性力矩引起的振动，通过发动机悬架和副车架传动车身而引起车身振动，这类的噪声表征为中、低频噪声。

(2)路噪路面不平度激励通过悬架等引起车身振动，这类的噪声表征为低频噪声。

(3)轮胎噪声行驶过程中由于轮胎在地面滚动时，位于花纹槽中的空气被地面挤出与重新吸入过程所产生的泵气效应以及轮胎振动产生轮胎噪声，这类噪声表征为中、低频噪声。

(4)风噪高速气流与汽车表面作用引起的表面压力脉动，以及气流通过未被封闭的车身及整车通道传到驾驶舱则产生了气动噪声，这类噪声表征为高频噪声。

2.车内噪声的传播途径

噪声传递到车内的途径有两种，分别是通过车身结构传播和空气动力传播。

3.通过空腔阻断来降低车内噪声

根据噪声产生和传播的机理，可以把噪声控制技术分为以下3类：对噪声源的控制、对噪声传播路径的控制以及对噪声接受者的保护。本文主要讨论在噪声的传播途径中采取控制措施，例如吸声、隔声等措施。

当车辆高速行驶时，由车身周围气流分离导致压力变化而产生的噪声就是通常所说的风噪，车辆与周围的空气流场产生剧烈的相互作用，流场在汽车表面形成一个边界层，并产生强大的分离流、涡流及湍流。另外，现代主流车身设计采用单体化车身(unitized-body)，车身侧围板是由内外薄壁钢板焊接而成，存在旁路空腔结构，从而在侧围空腔通道产生高速气流场，就是通常所说的空腔共鸣噪声;同时，发动机噪声、轮胎噪声和路噪甚至灰尘也通过侧围空腔通道向车内传播。因此，空腔阻断与车身密封对降低车内噪声而言尤为重要。

研究指出，空气传播的噪声与车速的6次方成正比，即车速增加一倍，声压级增加18 dB。当汽车启动时即产生机械运动噪声，发动机噪声随车速提高而增大;当汽车行驶速度大于50 km/h时，轮胎噪声逐渐显现，当车速超过80 km/h时，轮胎噪声则成为汽车行驶噪声的主要成分;当汽车行驶速度超过100 km/h时，高速气流场噪声会迅速增大;当汽车速度达到120 km/h时，它与轮胎噪声声压级相同，当汽车速度再继续增加，此类噪声就会超过其他噪声成为主要的噪声源。因此，阻断侧围空腔气流以抑制噪声通过空气传播是非常重要的。

双组份聚氨酯发泡材料在空腔阻断的作用机理

双组份聚氨酯发泡材料可以在常温下快速反应发泡并快速成形。当其应用于侧围旁路空腔密封时，则是一项非常有效的进行气流阻隔、抑制空气传播通道的技术。在阻断通道的同时，由于聚氨酯发泡材料具有多孔吸声材料的内部结构，即具有许多微小的间隙和连续的气泡，由于材料本身的内摩擦和材料小孔中的空气与孔壁间的摩擦，使声波能量明显被吸收并衰减，这种吸声材料能有效地吸收入射到它上面的声能，这就使它具有良好的高频吸声性能。这是因为，当声波入射到多孔材料表面时，主要是两种机理引起声波的衰减：首先是由于声波产生的振动引起小孔或间隙内的空气运动，造成和孔壁的摩擦，紧靠孔壁和纤维表面的空气受孔壁的影响不易动起来，由于摩擦和粘滞力的作用，使相当一部分声能转化为热能，从而使声波衰减，反射声减弱达到吸声的目的;其次，小孔中的空气和孔壁与纤维之间的热交换引起的热损失，也使声能衰减。

因此，相比较目前空腔填充较多应用的两次注塑膨胀隔断片，聚氨酯发泡材料不仅具有三维膨胀可靠封阻的优点，更具有前者所不具备的良好的吸声特性，使之在抑制噪声通过空气传播途径中显示出优异的表现。图1所示为局部采用聚氨酯发泡材料和两维膨胀隔断片的侧围分解剖视图。

双组份聚氨酯发泡材料在空腔阻断中的优点

双组份聚氨酯发泡材料应用于空腔阻断中，具有以下优点：三维可靠封阻;良好的吸声性能;多车型可共用聚氨酯发泡材料的注射装置;无模具投入，材料成本低;注射模式可随时调整;可以直接延用在未来车型平台而无需改造注射设备。

双组份聚氨酯发泡材料应用实例

1.方案设计

在长城汽车某车型的实际应用中，应用了SQC(Sound Quality Cascade)方法，通过传递路径分析，建立相关车辆系统的NVH性能仿真分析模型。在仿真条件下，进一步对空腔封堵位置在工程可行范围内进行反复修正，直至噪声通过传递路径至整车实现优化控制。设计封堵的具体位置包括前风窗玻璃框、汽车侧面及后风窗玻璃周围、轮罩下部等。

2.材料选用

采用陶氏化学的双组份聚氨酯发泡材料BETAFOAM™ 87100/87120，从2005年起该材料在国内已完成了数亿个型腔的填充。

3.设备选用

生产及试生产方面，采用美国GRACO公司24：1NVH发泡设备(其收购的GUSMER公司向DOW提供24：1NVH泡沫研制测试样机)，设备包括供料系统及相关材料管理设备解决方案。兴信公司也是DOW 24：1材料国内用户的行业传统设备供应商。NVH发泡设备如图2所示。

4.噪声测试

(1)测试目的及设备

本试验的测试目的主要是测量被测车辆的车内噪声特性，并对比同一车辆内部噪声声压等级情况(旁路空腔处理前后)，从而考查旁路空腔封阻对承载型车身(单元化车体)车辆车内噪声的影响。测试设备如图3所示。整车在3处放置麦克风传声器：驾驶座外侧、副驾驶座外侧和后座中间，设定位置如图4所示。每个车辆工况下各个循环进行10 s的信号采集，每个工况测量4～5次循环，保留3组较一致的数据信号。

(2)测试结果

①加速状态

如图5所示，在加速状态下，可以看出从采用陶氏双组份聚氨酯发泡材料填充空腔的试验车采集的数据(绿色曲线)，比基准样车(红色曲线)的频域声压级低3～5 dB。

②匀速状态

如图6所示，在110 km/h巡航状态下，可以看出从采用陶氏双组份聚氨酯发泡材料填充空腔的试验车采集的数据(绿色曲线)，比基准样车(红色曲线)的频域声压级低3～4 dB。

结语

对汽车的运动噪声控制能力直接反映了整车质量的控制水平，在行业内受到广泛的关注。空腔阻断是控制车内噪声空气传播的重要方法，可以有效改善整车NVH性能。其中，车身空腔阻断位置设计和阻断材料的选用对空腔阻断效果至关重要。在长城汽车某车型的实际应用中，采用陶氏化学空腔阻断方案及双组份聚氨酯发泡材料填充空腔有效提高了整车的NVH性能。