车身空腔用膨胀胶块声学性能影响因素分析

齐海东　张俊华

摘要：膨胀胶块作为汽车侧围空腔填充材料已经应用多年，用于阻隔空气噪音和结构噪音的传播，阻隔水和空气进入汽车内部空间。其声学性能的传统量化方法是在整车上分别测量增加和去掉膨胀胶块之后车内噪声，该方法比较耗时耗成本。本文采用SAE空腔填充材料声学性能测试方法，基于现有膨胀胶块的常规设计，分析了膨胀胶块声学性能影响因素。

关键词：膨胀胶块；隔音；插入损失；面密度

中图分类号：TQ437 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）09-0076-04

近年来越来越多的国内主机厂以热反应型膨胀胶块作为重要的汽车隔音降噪产品广泛应用于车身空腔的密封，以阻断车身空腔，防止车外的灰尘、水气、气流、噪声、热量等环境因素进入乘员舱，对提高车身的舒适性具有重要作用。但是对于膨胀胶块的声学效果国内尚没有统一的测试方法。

本文参照美国汽车工程协会标准SAE J2846（空腔填充材料声学性能的试验室测量方法），对目前膨胀胶块比较流行的设计模式进行模拟测试，从设计、材料方面分析膨胀胶块声学性能影响因素，希望以此来指导膨胀胶块产品的最优化设计。

1 膨胀胶块产品在汽车上的应用

目前采用空腔膨胀胶块密封技术对汽车空腔结构进行阻断，防止汽车行驶噪声和风噪声在空腔的传播，是汽车厂提高汽车的驾乘舒适性的重要方法。预成型膨胀胶块由耐高温塑料模具件和能高温膨胀的材料组成，现有的汽车空腔膨胀胶块支架材料和发泡材料的设计方式多种多样，见图1。然而随着汽车车身内密封部位的增多，单车应用数量也相应增加，因此对于传统的、复杂的设计和制造工艺存在明显的缺陷[1]。

赛道式设计由于具有工艺简单、易于成型、性价比高的特点，国内绝大多数主机厂和零部件生产厂都采用此设计方式，见图2。应用于汽车车身典型空腔有车身的A柱上部、A柱下部、B柱中部或下部、C柱、门槛、后轮罩等部位。

降噪效果的传统量化方法是在整车上分别测量增加和去掉膨胀胶块之后车内噪声，该方法比较耗时、耗成本且影响因素较多，单独量化每个膨胀胶块在车身上的效果十分困难。

2 膨胀胶块隔音性能模拟测试方法

上个世纪90年代以来，声音插入损耗测试方法在美国一些OEM已成为公认的汽车车身用空腔填充材料声学性能测试方法。经过长时间的试验和验证，2010年，美国汽车工程学会建立了一个正式的插入损耗测试规范，即SAE J2846。该方法主要是测定插入损耗（IL：Insersion Loss）。IL指的是在空腔或通道中插入隔声结构前后接收位置的声压水平（SPL：Sound pressure level）的差异（图3）。IL的测量是设定测量“之前”和“之后”声源产生的声压级是相同的，需要分别测试填充前后空腔的声压水平。IL性能表示为：IL = SPL1-SPL2，图4为典型的测试设备图。

根据SAE J2846要求，制作如图5所示的空腔和模拟测试样件[2]。对于发泡材料，初始厚度根据所需要的面密度进行控制。烘烤时，样件用一个易于拆卸的支架支撑，烘烤结束后取下支架。

将密封后的试样安装在声源室和接收室之间的间壁墙测试洞口的中心位置，安装时样品端朝向接收室，空腔朝向声源室，见图5，也可朝向接收室。在试件和测试洞口处应留出至少10 mm缝隙，缝隙用密封膏填嵌。

声压级采用1/3倍频程滤波器测量，单个中心频率下的测试噪声损失MNR（Measured Noise Reduction）计算公式见式（1）。

MNR=SPLs-SPLr （1）

式中：MNR—测试噪声损失，dB；SPLs—声源室声压级，dB；SPLr—接收室声压级，dB。

单个频率下的插入损失按式（2）计算：

IL=MNRf-MNRb （2）

式中：IL—插入损失，dB；MNRf—填充后装置的测试噪声损失，dB；MNRb—无填充材料装置的测试噪声损失，dB。

3 膨胀胶块隔音性能影响因素

理论上，一个膨胀胶块阻止噪音的能力依赖它的质量，质量大的障碍比轻障碍更有能力阻止噪音通过。但是很重要的前提是必须为障碍提供一个完整的密封截面，因为甚至较小的泄漏就可以导致大量的噪音传播[3]。本文结合完整的模拟密封空腔研究各种因素对膨胀胶块隔音性能的影响。

3.1 膨胀材料结构

热反应型发泡材料有多种材质，内部结构也不尽相同，有半开孔和闭孔的，见图6。材料刚度也有所不同，试验表明膨胀材料的结构对材料的声学性能影响较为显著，见图7。

在相同的面密度下，开孔材料和硬质材料在中频下表现出较好的性能，在高频下软质和闭孔材料则显示出好的隔音性能。

3.2 膨胀材料的面密度

对于同一种发泡材料，常规的理解是膨胀材料厚度越大其隔音性能越好。在本文中也得到了实际验证，2种材料的试验结果对比见图8。

对于通用的隔音材料，一般遵循质量定律。对于给定的频率，材料的面密度增加一倍，隔音量增加6 dB，从数据可看出，所采用的2种膨胀材料基本符合质量定律。因此，对于一定的空腔结构，增加膨胀材料可以提高膨胀胶块的隔音性能。

3.3 膨胀材料的膨胀倍率

对于同一种膨胀材料，常规的理解是膨胀倍率越高其隔音性能越好。本文对膨胀材料通过加热温度不同进行处理，使得材料的膨胀倍率控制在500%～800%，然后按照SAE J2846进行测试，测试结果对比见图9。

总体上，膨胀倍率对材料的隔音性能没有太大影响，在500～2 000 Hz的频段，高膨胀倍率则表现出更好的隔音性能，在高频部分，膨胀倍率高低对隔音性能的影响不大，性能基本接近。

3.4 尼龙材料面密度及刚度

尼龙材料作为膨胀胶块的另一组成部分，占据了膨胀胶块的大部分面积，对于膨胀胶块的隔音性能起到重要作用。本文对同一种尼龙材料的不同面密度及同一厚度不同韧性的尼龙材料进行了测试，测试结果见图10及11。其中，热稳定、改性热稳定、高韧性尼龙的缺口冲击强度分别为：10 J/m2、45 J/m2、92 kJ/m2，数据越大，尼龙的韧性越好，刚度越小。

对于尼龙材料也遵循质量定律。因此，对于一定的空腔结构，增加膨胀胶块的尼龙厚度可以提高膨胀胶块的隔音性能。在相同的面密度下，热稳定和改性尼龙在中高频下表现出较好的性能，在高频下高韧性尼龙则显示出较好的隔音性能。

3.5 膨胀胶块成品测试

以上从材料方面分析了材料的选型对膨胀胶块隔音性能的影响，为了测试成品的隔音性能，本测试选用了在车身空腔中实际使用的两个零部件，两个膨胀胶块采用的材料完全相同，膨胀材料的厚度及尼龙材料的厚度也相同，区别在于膨胀胶块所处车身的空腔截面形状不一致。按照两种膨胀胶块的形状做相应的测试通道，样品1与测试的通道形状接近，样品2则为狭长形，经高温加热膨胀材料反应密封住整个空腔。然后按照SAE J2846进行测试，测试结果见图12。

从图12可以看出，尽管膨胀胶块的材料及厚度相同，由于大小及形状不同，并不能得到一致的隔音性能。导致这一现象的原因需要进行进一步分析。

以上仅是针对零部件进行的测试，具体到车身上由于受膨胀胶块的设计结构多样，车身上的布置位置多变，车身空腔结构复杂程度不一等因素的影响，膨胀胶块在车身上的综合效果也不一样，需要结合CAE分析工具进行不断分析和优化，才能达到最佳效果。

4 结论

（1）膨胀胶块的隔音性能与膨胀材料和尼龙材料面密度、材料结构、膨胀率等有关。对于同一材料，增加材料的质量（面密度），材料的隔音性能增加。增加材料的韧性，在某些频段，隔音性能会增加。增大膨胀材料的膨胀倍率对隔音性能基本无影响。

（2）对于成品的测试，由于产品结构、截面形状多样，尺寸与标准测试样板偏差较大，因此并不能得到一致的性能，对于成品的隔音性能需要进一步研究。

（3）对于现有材料的组成在中低频阶段的隔音性能数据尚欠缺，需要材料供应商对材料不断进行改善以适应更宽频率下的隔音效果。

（4）增加膨胀胶块的质量可以提升材料的隔音效果，但同时会增加膨胀胶块的成本。为平衡成本和隔音性能，需要从材料的选型和膨胀胶块的设计方面进行综合考虑。

参考文献

[1]Kurt M Lilley，Phil E Weber.Vehicle acoustic solutions [R].SAE，2003（01）：1583.

[2]SAE International Surface Vehicle Recommended Practice，Laboratory Measurement of the Acoustical Performance of Body Cavity Filler Materials[S].SAE Standard J2846，Issued May 2010.

[3]Pranab Saha，Robert D Myers.Importance of sealants for interior noise control of automobiles[R].SAE，1992 （01）：920412.