铝蜂窝夹层材料在客车噪声控制的应用研究

姜立标，习成，李金水，区廷杰，邝贺林

(1.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州 510640；2.利铭蜂窝复合材料厂有限公司，广东佛山 528234)

0 引言

客车噪声源可分为以下几类：发动机噪声，传动机构噪声，轮胎噪声，车身噪声。其中，发动机噪声是客车的主要噪声源[1]。

对客车产品而言，噪声降噪的基本措施就是从这3个方面入手：降低声源噪声，控制客车噪声传播途径，保护噪声接受者[2]。

1 铝蜂窝夹层材料吸声性能研究

1.1 铝蜂窝夹层材料简介

铝蜂窝夹层材料是一种采用铝箔和高强度黏合剂制造的具有蜂窝孔结构的复合材料。蜂窝孔的形状最常见的是具有正六边形孔格的铝蜂窝。在蜂窝两端面使用铝合金薄板、不锈钢薄板、天然石材薄板等不同材质与之复合成各种用途的板材，其构造如图1所示。

铝蜂窝夹层板性能特点：密度小(常用的铝蜂窝重力密度为600 N/m[3])，隔音、隔热性能好，较强的减震性能，防火，优越的平整度和刚性，质轻、节能(其性价比明显高于铝塑板、铝单板，有效地节省材料[3])，防潮。

1.2 材料吸声降噪基础

声波进入吸声材料孔隙后，引起孔隙中的空气和材料的细小纤维的振动。由于摩擦和黏滞阻力，声能变为热能而被吸收和耗散掉，这就是材料的吸声原理。

入射的声能被反射的越少，材料的吸声能力越好。材料的这种吸声性能常用吸声系数来表示，定义为：声波入射到材料表面时材料的吸收声能和透射声能与入射到材料表面的声能之比

(1)

式中：E0为入射声的总声能；E1为反射声声能；E2为材料吸收的声能；E3为透过材料的声能[4]。

1.3 铝蜂窝夹层材料吸声实验

1.3.1 实验方案

影响铝蜂窝夹层材料吸声性能的主要因素有穿孔铝板的穿孔率、穿孔铝板厚度、铝蜂窝芯芯格边长、铝蜂窝芯厚度等[5-6]。为方便分析，实验采取四因素三水平正交试验方法测定铝蜂窝夹层材料的吸声系数，其因数与水平见表1。实验指标为材料的平均吸声系数，所设计的正交实验见表2。

表1 实验因素与水平表

表2 L9(34)正交实验表

1.3.2 实验结果分析

对实验测得的各因素各水平的铝蜂窝夹层材料吸声系数数据采用极差分析法。该方法可以用来确定实验因素的优水平和优水平组合；根据极差大小判断因素的主次影响顺序。因此，对实验所得数据处理如表3。

表3 铝蜂窝夹层材料四因素三水平正交吸声系数测定实验结果

表格中，Kjm为第j列因素m水平所对应的实验指标和，Ljm为Kjm的均值，由Ljm的大小可以判断第j列因素的优水平和优组合，如KA2表示为穿孔率为10%的材料平均吸声系数总和为1.193，、LA2表示穿孔率为10%的材料平均吸声系数为0.398。R为因素的极差，R的计算公式为：

Rj=max(Lj)-min(Lj)

(2)

Rj为第j列因素的极差，反映了第j列因素水平波动时，实验指标的变动幅度。Rj越大，说明该因素对指标影响越大，根据Rj的大小可以判断因素影响的主次顺序。

(1)因素影响的主次顺序分析

从表3可见穿孔铝板的穿孔率影响最大，其次是铝蜂窝芯厚度和铝蜂窝芯芯格边长，而穿孔铝板的厚度影响最小。

(2)优组合分析

根据LA1、LA2、LA3的大小可以判断A2为A因素的优水平。同理，可以判断B3为B因素的优水平；C1为C因素的优水平；D3为D因素的优水平。4个因素的优水平组合A2B3C1D3(见表2)为该实验的最优水平组合，即材料平均吸声系数最大的一组是穿孔铝板的穿孔率为10%、穿孔铝板的厚度为3 mm、铝蜂窝芯芯格边长为5 mm、铝蜂窝芯厚度为30 mm。

(3)穿孔铝板的穿孔率对吸声性能的影响

从图2可知:随着穿孔率的增大，铝蜂窝材料的平均吸声系数先逐渐增大，然后有所降低，在5%～20%之间存在一个极大值，使得铝蜂窝材料具有最好的吸声效果，此时的平均吸声系数将大于或等于0.398。

(4)穿孔铝板厚度对吸声性能的影响

从图3可以看出:穿孔铝板厚度为1、2、3 mm时，铝蜂窝材料的平均吸声系数为0.375、0.381、0.383。通过增加厚度来增加铝蜂窝材料的平均吸声系数意义不大。

(5)铝蜂窝芯芯格边长对吸声性能的影响：

铝蜂窝芯芯格边长的大小决定了内部被分隔开来的腔的大小，芯格边长越小，内部的腔越密，增大了声波在腔内部的反射，利于声波的吸收。从图4可以看出：随着芯格边长的增大，平均吸声系数略有降低。

(6)蜂窝芯厚度对吸声性能的影响：

一般来说腔厚越大，吸声频率越低，吸声频带越宽，吸声效果越好，这也可以从图5看出。

2 铝蜂窝夹层材料隔声降噪性能研究

2.1 实验方案

实验车辆为某企业正在使用的金杯SY6480客车。为了避免其他噪声可能对发动机隔声罩测试结果产生影响，实验采用定置噪声测试的方法。所谓客车定置是指客车不行驶，发动机处于空载运转状态。比实验将分别测量发动机转速在800、2 000、3 500、4 600 r/min 4种工况下，各测点的噪声状况。

2.2 结果分析

按实验方案测得的发动机隔声罩隔声量结果见表4。

从表4可以看出：这两种隔声罩在发动机怠速工况时(转速800 r/min)时，隔声量较低，分别是8.2、10.6 dB，隔声效果不是很明显。这是因为发动机怠速运转时的噪声主要是发动机表面的辐射噪声和机械噪声，这部分噪声的频率都比较低，其声压本身就很低；另一方面，发动机隔声罩的隔声构件的隔声量和吸声材料的吸声系数在低频段都比较低，导致其在低频段的隔声效果不是很明显[7]。当发动机的转速在2 000、3 500和4 500 r/min时，发动机的主要噪声是发动机的燃烧噪声，这部分噪声主要分布在高频段。由于隔声构件的隔声量和吸声材料的吸声系数在高频段都比较大，所以能取得较好的降噪效果[8]。

表4 发动机隔声罩隔声量测试结果

综上，新研制的铝蜂窝夹层隔声罩能够获得比原发动机隔声罩更好的降噪效果，在发动机4种转速工况下，新罩的隔声量比原罩相应提高了29.3%、30%、22.7%、28.4%，平均隔声量提高了27.5%。

3 结论

(1)铝蜂窝夹层材料能取得较好的吸声性能，吸声系数可以达到0.44以上。影响铝蜂窝夹层材料吸声性能因素的主次顺序依次是穿孔铝板的穿孔率、铝蜂窝芯的厚度、铝蜂窝芯的芯格边长和穿孔铝板的厚度。铝蜂窝复合材料吸声性能较好时的频段在500 Hz以上的中高频区，这比一般的多孔性吸声材料的吸声频段要宽。

(2)在发动机隔声罩隔声性能的测试中，新罩在发动机4种工况下的隔声量和平均隔声量都比原罩好，隔声效果更佳。可以降低发动机噪声向车厢内的传播量，改善客车车内的舒适性。

【1】 陈雯.轮胎噪声及控制[J].汽车与配件,1997(5):18-19.

【2】 何渝生.汽车噪声控制[M].北京:机械工业出版社,1995:45.

【3】 胡玉琴.铝蜂窝夹层板等效模型研究及数值分析[D].南京:南京航空航天大学,2008.

【4】 陈克安,曾香烟,李海英.声学测量[M].北京:科学出版社,2005:75-86.

【5】 李耀中,李东升.噪声控制技术[M].北京:化学工业出版社,2008:23-31.

【6】 赵良省.噪声与振动控制技术[M].北京:化学工业出版社,2004:37-43.

【7】 庞剑,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,2006:152-176.

【8】 孙建波,赵西安.发动机噪声成因与控制[J].工程机械与维修,2005(8):148-149.