汽车内饰NVH性能分析及研究
摘要：文章论述了汽车NVH性能的重要性。并且，从汽车三大噪声振动源出发，分析噪声振动的产生、传播路径及接受等机理。并在开发设计阶段，制定相应的整车车身NVH目标及内饰车身NVH目标，从而指导汽车内饰NVH性能优化及开发。文章从内饰声学包装的角度出发，对空气传播路径中噪声进行控制。并对吸声结构与隔声结构的原理及特点、材质及结构、性能影响因素等进行阐述。同时，阐述了声学包装的轻量化技术。并结合实际情况，论述了吸声材料与隔声结构在汽车内饰上的应用。关键词：NVH；内饰；声学包装；轻量化；吸声结构；隔声结构前言随着经济及科技技术的发展，人们对汽车科技性、环保性、安全性及舒适性等要求越来越高。其中，车辆振动及噪声直接关系着汽车NVH性能，并影响驾驶室乘坐舒适性品质。NVH是指汽车的噪音（Noise）、振动（Vibration）、舒适性（Harshness）。同时，结合国际法规要求，提高车辆NVH性能已成为汽车研发过程中重要任务之一。降低车辆振动及噪声，提升驾驶室声学品质是当前汽车设计中应解决的重要问题。汽车主要有三大振动源：动力系统噪声振动源、路面噪声振动源与风激励起噪声振动源。（1）动力系统噪声振动源动力系统主要包括发动机、变速器、进气系统等。且此些部件都直接与车身系统相连，所产生噪声与振动直接传递到车身。汽车行驶时，它们是车内最主要噪声与振动源。（2）路面噪声振动源轮胎与路面行驶摩擦时产生噪声并传递车内。路面与轮胎间振动通过悬架系统直接传递到车身，并对驾驶室产生振动与噪声。此噪声振动与车速有关系，并与轮胎、悬架系统的参数也有关。当汽车以中等速度行驶时，该噪声为车内主要噪声源。（3）风激励引起的噪声振动源汽车以较高速度行驶时，风施加力在车身上。风同车身作用产生噪声，车外风噪穿过车身传递进车内。并且，风将车身钣金激励起，板振动并辐射噪声进车内。该噪声同车速大小紧密相关。一般情况下，汽车在高速行驶时（V＞120km/h)，风噪会压过前两种噪声振动源，成为最大噪声源。噪声振动从车外经过车身传递到车内，传递过程主要分为三个阶段：源—传递通道—接受体。其模型如图1所示：三大噪声振动源主要通过空气声传递和结构声传递两种途径，对车内传递振动与噪声。空气声是指声音在空气中传播而人听到的声音，属于直接传递到人耳。结构声是指声波在结构中传递，再辐射到空中，最后人听到的声音，属于间接传递到人耳。车内噪声与振动是由车外的“源”和车身的“传递通道”两者决定。因此，控制车内噪声振动主要从源与传递通道两个方面解决。对空气声来讲，传递通道即为车身隔声与吸声。对结构声来讲，传递通道即为与车身接触点的振动向车内的传递。相对空气声传递通道来讲，结构声传递通道相对更复杂。本文主要研究针对空气声为主的声学包装NVH性能，从而降低车内噪声声压级，提高驾驶室乘坐舒适性及整车品质。车身NVH开发设计贯穿于整个开发周期。车身NVH目标体系主要是建立车身自身噪声和振动目标。车身NVH开发设计贯穿于整个开发周期。车身NVH目标体系是建立车身自身噪声和振动目标。此目标体系含盖四个层面目标：整车级车身NVH目标、内饰车身NVH目标、白车身NVH目标与零部件NVH目标。本文主要提及整车级车身NVH目标和内饰车身NVH目标。所谓整车级车身NVH目标，指在整车状态下，车身对整车NVH的影响所需设立的目标，包括车身振动目标与声学目标。其中，整车气密性、隔声量、声腔模态与关门声品质作为声学目标。内饰车身NVH目标包括振动和噪声两方面。内饰车身振动目标包括弯曲模态频率和扭转模态频率，外界振动对车内振动的传递振振灵敏度。内饰车身声学目标包括外界声音激励对车内声音传递的声声灵敏度，以及外界振动激励对车内声音传递的声振灵敏度。内饰声学包装主要解决空气传播路径中噪声、内饰车身振动及声辐射问题。此次内饰声学包装主要从隔声结构、吸声结构方面进行研究。当外界噪声振动施加到车身时，内饰声学包装对此激励有一定的衰减作用。声波在媒质中传播或者入射到另一个媒质的过程中，声能减少的过程就是吸声。吸声原理是声能转换成热能。当声波入射到多孔材料上，声波能顺着微孔进入材料内部，引起空隙中空气振动。由于空气黏滞阻力、空气与孔壁的摩擦和热传导作用等，使相当一部分声能转换为热能而被损耗，从而达到吸声目的。此材料也被称为吸声材料，其吸声过程如图2所示。衡量材料吸声能力的指标是吸声系数，其表达为：α=Ea/Ei=1-Er/Ei （其中Ea为吸收能量、Ei为入射能量、Er为反射能量）吸声系数越大，表明材料的吸声能力越强。材料吸声系数为0--1。通常将吸声系数大于0.2的材料称为吸声材料。吸声系数大小不仅与吸声材料本身有关，且与入射声波的角度等参数有关。吸声材料主要是指多孔吸声材料。多孔吸声材料是指从表面到内部有较多互关联的微孔材料。因内部有足够多微孔，且向外敞开，从而吸声声能。多孔吸声材料的吸声系数随频率变化的曲线，如图3所示。低频情况下，吸声系数较低，若解决低频噪声问题，采用吸声材料效果不佳。频率＞250Hz后，吸声材料才起到实质吸声作用。随着频率提高，吸声系数增加。当增加到某一频率时，吸声系数达到最高，之后随着频率增加而波动，最后趋于一个稳定值或者降低。多孔吸声材质可分为纤维型、泡沫型和颗粒型。汽车常用吸声材料有两种：泡沫吸声材料和纤维吸声材料。吸声材料主要结构如图4所示。泡沫吸声材料的吸声系数较高。PU发泡材料是一种常见应用在车身上的泡沫型多孔吸声材料。如前壁板上、地毯上等。但其成本较高，因此主要用在中高级车上。纤维吸声材料包括玻璃纤维、热塑纤维毡、针 刺纤维毡、树脂纤维等。纤维材料吸声系数随频率的增加而增加。棉毡是一种应用较多的纤维材料，多用于前壁板、地毯等地方。玻璃纤维材料具有良好的保温隔热和防潮效果，也常用做发动机罩板和前壁板外侧的吸声隔热材料。由于成本低，纤维吸声材料主要广泛应用于经济型汽车上。吸声材料在汽车内饰上应用广泛，如发动机罩隔热垫、发动机舱隔热垫、前壁板隔声垫、顶棚等。同时在A、B、C立柱上、门槛梁、门内饰板、轮毂包、仪表台板等地方也都安放吸声材料。影响材料吸声系数的因素有流阻、孔隙率、结构因子、厚度、密度、温度与湿度。（1）流阻影响流阻是指空气质点通过材料空隙的过程中所受的阻力。流阻反映了材料的透气性，流阻越大，材料透气性越差。一般将材质分为高流阻、中流阻和低流阻三类型。对于低流阻材料，因内摩擦力与黏性力低，产生声能损失也低，因此低频段吸声系数低，到某个频率，吸声系数上升。对高流阻材料，因过高流阻使空气穿透材料的能力降低，导致吸声性能不佳，因此整个频段内吸声系数较低。一般材料流阻将选择一个合适的范围，一般增加或减少材料体密度来调整流阻大小。最佳流阻为100--1000Pa﹒s/m。（2）孔隙率影响孔隙率（B）是指材料中空气的体积和整个样件的体积之比，表示为B=Va/Vm多孔材料的孔隙率通常在70%以上，矿渣棉为80%以上，玻璃棉为95%以上。通常，材料孔隙率高、孔隙细小，则吸声性能较好；反之，孔隙过大，则吸声效果较差。（3）结构因子影响所谓结构因子，指多孔材料内部微观结构对吸声性能影响的因子。多孔材料结构因子大多数为2—10，也有高达25。结构因子对低频吸声基本没有影响。当材料流阻比较小时，也可以增大结构因子，使吸声系数在中高频范围内呈现周期性变化。（4）厚度影响不同厚度的同一种材料的吸声系数如图5所示。厚度增加，吸声系数增加，特别是在中低频段。但是厚度增加到一定值之后，吸声系数的增加量就开始减少。车身布置时，声学包装材料的厚度一般不超过30mm。在此厚度范围内，增加厚度对提高吸声系数有帮助。设计内饰结构时，尽量给声学材料留下足够大空间。（5）密度材料体积密度同材料纤维、颗粒大小等因素有关系。体积密度增加，材料内部的孔隙率降低，流阻增加，低频段的吸声系数提高，但高频段的吸声系数降低。体积密度一样的不同材料，其吸声系数可能不同。一定体积密度能使某种吸声材料达到最佳吸声效果，因此不同材料有不同的最佳体积密度。某材料吸声系数随体积密度变化关系如图6所示。（6）温度影响在常温下，环境温度对材料吸声系数几乎无影响。当温度变化时，声速和波长会发生变化，因此吸声系数频率会漂移。温度降低，吸声系数往低频方向漂移；温度升高，则往高频方向漂移。（7）湿度影响湿度增加会降低材料的孔隙率，从而降低吸声系数。而且，湿度高会使材料变质。采用某种材料与结构将外界声源同接收环境隔离开，使环境噪声减少，即为隔声。当声音从空气入射到另外结构的表面时，一部分声能被反射回来，另一部分声能则透过，继续在空气中传播。这种材料能反射一部分声能，只让一部分能量透过，即为隔声材料，如图7所示。材料隔声能力采用声传递损失（STL)来定义。其声传递损失的定义为入射声功率与透射声功率之比的对数值。即为：声传递损失越高，材料隔声性能将越好。均值材料的隔声性能满足质量原理，密度越高，隔声性能越好。隔声单层板的隔音结构如上图7所示。单层板隔声性能是由板面密度（质量）、刚度与阻尼（材料损耗因子）决定。低频段，隔声效果由刚度控制。到了一定频率后，隔声量由质量大小控制，质量增加一倍，隔声量增加6dB。在这区域内，隔声量随着频率的增加而增加，频率增加一倍，隔声量增加6dB。到了高频段，进入了吻合效应区。在吻合频率附近，隔声量迅速下降，而且受到阻尼影响。双层板的隔音结构如图8所示。两块板分离开，中间有空气隔离，此组合形式为双层板隔声结构。双层板能取得良好的隔声性能。双层板隔声效果比单层板好。车身上双层板结构较多。车身多数部位是由金属板、吸声层与隔声层组成，如前壁板。金属板和隔声层将看成是一个双层隔声系统，而中间吸声层可看作是一个弹簧。一般隔声材料包括PVC、EVA、EDPM等。同时，车身钢板和玻璃也是隔声材料。传统隔音垫主要是由重涂材料与吸音材料复合而成。重涂材料一般包括EVA、EPDM或PVC等。吸音材料包括棉毡、PU发泡与热塑纤维等。其中，重涂材料主要是隔声、阻声或反射噪声。吸音材料主要是吸收噪音。由于重涂材料密度大，传统型隔音垫重量较重。轻量化型隔音垫主要是由两层吸音材料中间复合一层薄膜粘结组成。利用高密度吸音材料代替传统重涂材料作为隔音层，称作硬质吸音材料。另一层吸音材料密度较低，称软层吸音材料。由于软层吸音材料比重涂材料成本低、质量轻，因此实现低成本、轻量化目标。重涂材料通过反射声波达到隔声作用，但高密度吸音材料隔声性能虽比重涂材料差，但隔声同时，通过吸音性能补偿。传统隔音垫与轻量化型隔音垫材料结构对比如图9所示。影响轻量化型隔音垫NVH性能主要因素有：软层吸音材料厚度、软层吸音材料面密度，硬层吸音材料面密度、薄膜类型和密度、吸音材料的配方以及流阻。重涂材料轻量化设计，不仅满足NVH性能，而且实现比传统隔音垫重量降低60%，成本降低20%的目标。（1）轻质材料的应用技术。如高倍率发泡、多孔吸声纤维材料等。（2）新型复合型声学材料结构的应用。如微穿孔复合型、多层棉毡与发泡层组合替代传统“软硬”双层组合的声学结构。（3）多属性轻量化应用技术。如合理分配内饰声学包装的布置，并对材质形状、厚度、密度等作以科学调整。声学包装材料广泛应用在汽车车身上，如前壁板、顶棚、中控箱、地板、立柱、行李箱、轮毂包等。发动机舱盖隔热垫由三层结构组成：中间吸声材料与外面两层隔热面料。此结构既能隔离发动机的热传递，也能吸收发动机噪声。中间层通常采用吸声材料为PU泡沫、玻璃纤维与热塑纤维毛毡。玻璃纤维隔热、吸声性能都好，且成本低，但对人体有害，主要用于经济型汽车。PU材料在吸声材料外加两层面料，一般为无纺布，类似薄膜，起到一些隔声作用，提升了中低频吸声性能。但高频吸声性能降低，主要用在中高级轿车。某汽车在全加速状态下，有与没有隔热垫的情况下车内噪声曲线比较，如图10所示。军用型车门内饰板吸音垫车门内饰板吸音垫主要材质有玻璃纤维、PU泡沫和热塑纤维毛毡。车门内饰板吸音垫主要布置如图11所示。某军用型车辆车门内饰板吸音垫主要布置如图12所示。座椅表面材质有三种：布、真皮革和人造皮革。内部包裹材质为多孔泡沫材料。车内最大潜在吸声部件是座椅。座椅吸声有两大特点：面积大，厚度深。座椅面积非常大，内部又为多孔吸声材料，所以座椅吸声能力很强。座椅在内饰NVH设计中占了不少比重。结构厚度决定吸声频率效果。座椅的厚度是其他吸声结构无法相比的，所以它对低频噪声的吸收大于其他部件。某款车在特定速度下，有和没有座椅的车内噪声比较，如图13所示。座椅表面对吸声性能影响也大。布面料透气性能好，声波很容易穿过而进入泡沫材料，从而被吸收。皮革面料的透气性差，声波穿透有难度，所以其吸声性能远小于布面料。在皮革面料上穿孔，增加其透气性，虽吸声系数有所提高，但仍远低于布面料。应用汽车上常用的声学包装材料，一般采用隔、吸声型组合结构类型。隔声结构和吸声材料组合在一起应用，以减少车内噪声。其中，材料吸声性能与隔声性能混合在一起应用。吸声材料也具有一定隔声性能，但主要起吸声作用；同样，隔声材料也有吸声性能，但主要起隔声作用。比如前壁板隔声垫就是隔、吸声型组合隔热垫，其材料结构如图14所示。车身上大多数声学包装是隔声结构和吸声材料的组合结构。若将前围钣金作为隔声层，其前壁板隔声垫结构由三层结构组成：钢板隔声层、吸声层与隔声层。钢板也是较好的隔声材料。前壁板隔声垫吸声层材质一般主要采用PU泡沫、棉毡，隔声层材质一般采用EVA。某乘用车前围隔声垫主要材质及结构如图15所示，安装效果如图16所示。某车在加速状态下，在有、无隔声垫的车内噪声进行比较，如图17所示。其中无隔声垫时，车内噪声增加，尤其是中高频段。汽车研发设计中，振动及噪声的优化设计贯穿于整个开发设计周期。汽车NVH性能是衡量车辆安全、环保、舒适性的重要性能指标。本文以汽车三大噪声振动源为出发点，研究其噪声及振动的产生、传播路径及接受体。同时，在汽车开发设计初期，制定整车级车身NVH目标、内饰车身NVH目标等。从不同层次，全面指导汽车NVH设计开发。并从整车不同模块实施具体减振降噪措施，以提高汽车声学品质与乘坐舒适性。文章主要从内饰声学包装角度实施隔音、吸音降噪处理技术。同时，分别阐述了吸声结构、隔声结构的原理及特点、材质及结构、性能影响因素等。并根据当前汽车发展趋势，对汽车轻量化技术及轻量化声学包装进行分析及研究。同时，结合实际生产，阐述了吸声材料与隔声结构在车身内饰上的应用。结合目前汽车设计发展现状及趋势，我国汽车NVH设计已取得相应成果。为进一步促进汽车产业发展，提升产品竞争力，控制车辆的振动及噪声仍是汽车技术领域的创新点。作者单位：（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西西安 710200）
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首次发布时间：2023-04-22
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