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摘要：结合汽车内饰材料开发实践，阐述了以NVH性能为目标的汽车内饰轻量化开发工程控制方法及机理。结合某乘用车车型开发，以前壁板隔音垫与车门吸声材料的轻量化设计验证为例，提出一种内饰材料轻量化的NVH性能开发方法。通过SEA仿真和道路测试，全面评估和验证了其优化效果。在质量减轻高于50%情况下，显著提升了行驶工况中的车内声品质。
关键词：汽车内饰；轻量化；前壁板隔音垫；吸声材料；NVH性能
基于汽车内饰轻量化的NVH性能开发及应用
近年来，汽车内饰的轻量化已成为汽车业界研究关注的热点。Zhang，Q利用整车级的统计能量分析模型提出一种轻量化声学包装的NVH性能目标设定与分解方法。本文结合汽车内饰开发的实践过程，阐述了以NVH性能为目标的内饰材料开发工程控制方法及机理。以前壁板隔音垫部件和车门内饰吸声材料的轻量化为例，提出具体可行的设计方案。
一、汽车内饰轻量化开发策略及工程控制
1.汽车声学包装内饰材料与NVH性能
噪声振动控制是基于源、路径和响应的三要素进行分别控制，而汽车NVH性能开发则主要集中于激励源与传递路径。汽车声学包装主要用于解决空气传播路径的噪声问题，在密封性和隔吸声性能等方面进行噪声控制。狭义的汽车声学包装部件可以分为吸声型、隔声型和密封型。通常隔声材料包括PVC、EVA或EDPM等；吸声型材料包括有棉毡类、PU发泡类等。吸声材料一般为多孔性介质，隔声性能较差，其吸声性能评价指标为吸声系数。吸声是指空气中的声波在通过或入射到介质界面损失声能的过程，当声波进入多孔性介质内，部分声能转变成为热能而耗散。影响材料吸声性能的因素包括流阻、孔隙率、结构因子、厚度、密度以及温、湿度等环境条件。隔声材料主要作用为阻隔声音传播，评价隔声材料性能的主要指标为传递损失（STL），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。均质材料的隔声性能满足质量原理，即密度越高，隔声性能越好，当材料面密度增加一倍，隔声量增加约6dB。汽车上常用的声学包装材料，一般采用隔吸声型的组合结构类型，由不同的隔声层和吸声层组合。汽车声学包装内饰材料分布见图1。
2.汽车内饰轻量化技术及工程开发
（1）轻质基材的应用技术，如低密度、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、多层棉毡或发泡层组合替代传统的“软硬”双层组合的声学结构；
（3）基于多属性优化设计的轻量化应用技术，如合理地分配内饰声学材料的设计布局以及对其形状、厚度、高密度隔声层材料等进行分布；
（4）基于制造或安装工艺的轻量化应用技术，如采用粘接替代以凸焊螺柱卡接的内饰件安装方式等。
汽车内饰轻量化工程开发关键是在整车轻量化开发控制下，基于噪声传递路径与声源对车内贡献量分析的前提下，将汽车内饰材料的传声损失和吸声性能同时作为NVH性能设计优化的两个关键参数，以替代仅仅关注传声损失性能的传统式开发。内饰材料轻量化的开发应结合测试与仿真分析等多种手段，以NVH性能和轻量化为目标，逐级设定与分解内饰材料的技术指标以及“V型”开发模式；逐级验证和优化各开发目标的达成。
二、前壁板隔音垫轻量化开发及验证
1.新型轻量化隔音垫开发设计
前壁板隔音垫安装在前壁板上驾乘人员空间一侧，能够有效地衰减动力传动总成和前轮胎等声源传递到车内的噪声强度，其对车内噪声和声品质水平起着重要作用，是车身声学包装NVH性能开发中最核心和关键的声学部件。目前，在汽车上广泛应用的前壁板隔音垫采用双层结构（图2a）。常用的“重层”材料包括
EVA、EPDM或PVC等，“软层”材料包括棉毡、PU发泡或热塑纤维等。重层主要作用是隔声，即阻隔和反射噪声；软层则主要是吸收前壁板件直接的辐射声能，以及吸收重层的反射声能。由于传统的重层材料的质量较大，基于减轻汽车声学包装质量趋势的要求，可以采用一种新型的轻量化隔音垫设计方案（图3b），利用高密度的“软层”材料替代传统的“重层”。相对于传统的前壁板隔音垫，新型轻量化方案解决了中高频吸声性能差的问题，并且可以减轻质量30%～60%。
2.轻量化隔音垫统计能量法仿真
对于轻量化前壁板隔音垫NVH性能的分析，可通过建立前车体的SEA模型，以隔音垫的传递损失特性和吸音系数为主要设计因素，并以噪声衰减量级NR（Noise Reduction）指标评估其声学性能水平。仿真分析表明，在前壁板无泄漏问题情况下，轻量化的隔音垫与传统隔音垫都能够取得相近的NVH性能（图3a），且初步折算结果显示可减轻质量约43%。考虑前壁板存在1%的泄露问题，由于轻量化隔音垫具有较高的表面吸声性能，相比传统隔音垫，其噪声衰减性能对于泄漏效应的敏感度较低，所以，在中高频率范围依然能够获得较好的NVH性能（图3b）。
3.轻量化隔音垫试验验证
对于轻量化前壁板隔音垫对整车NVH性能的影响，主要分析其对动力总成噪声和底盘噪声的衰减特性。选择二挡全油门加速行驶工况，分别测试和对比车内噪声情况。二挡加速工况时，轻量化的双层棉毡隔音垫并没有导致车内噪声声压级的增加，并在发动机转速3800～5000r/min范围降低了约2.3dB（A）；车内语言清晰度指標明显提升约7%（图4）。主观评价也能感受到车内声音的中高频成分比率降低。
三、双组份吸音棉的应用
1.双组份吸音棉吸声特性
双组份吸音棉属于纤维状多孔吸声材料，由高融值PP和中空螺旋超细PET纤维组成。它具有立体网状连续多孔结构，纤维平均细度可达2μm以下。双组份吸音棉纤维直径明显小于普通吸音棉，单位内纤维数更多，其材料内部互相贯通的微孔和间隙更多，且这些孔隙更小。如此结构使声音在吸音棉内的运动产生更多阻碍，使得双组份吸音棉吸声能力更好。 吸声系数测试工程上通常使用3种方法，即混响室法、驻波管法和双传声器阻抗管法。混响室法测量在混响室内进行，主要用于测量大件样品的漫入射吸声系数。驻波管法和双传声器阻抗管法都是用于测量小件样品的正入射吸声系数。双传声器阻抗管法的测试速度较快，为驻波管法的40倍，且测试结果较为准确。因此，工程上通常采用双传声器阻抗管法分析和比较声学材料的吸声特性。
本文中选择面密度为300g/m2的双组份吸音棉和面密度为800g/m2的普通吸音棉两种吸声材料，使用双传声器阻抗管法，进行正入射吸声系数对比测试。测试结果见图5。300g/m2双组份吸音棉的吸声系数明显优于800g/m2普通吸音棉。
2.双组份吸音棉应用案例分析
對比普通吸音棉，双组份吸音棉具有吸声系数高、质量轻的优点。目前，双组份吸音棉已经在汽车上广泛应用，取代了部分普通吸声棉。以双组份吸音棉在车门内饰板的应用为例，分析双组份吸音棉对控制车内高频噪声的效果。
车门附加吸音棉对整车NVH性能的改善，主要分析其对风噪的衰减特性。选择100km/h匀速行驶工况，测试并对比车内噪声情况。分析结果见图6。车门内增加双组份吸音棉后，其声压级在1000Hz以上明显降低，前排位置的语言清晰度提高约4%，明显改善了车内噪声水平。
四、结论
1.通过汽车内饰前壁板隔音垫与车门吸声材料轻量化设计验证，提出一种内饰材料轻量化的NVH性能开发方法。
2.通过统计能量法仿真、整车状态下的二挡加速噪声测试，对轻量化双层棉毡隔音垫声学性能进行分析，结果显示在减轻质量情况下，轻量化的隔音垫显著提升了车内声品质性能。
3.运用双传声器阻抗管法，对比测试双组份吸音棉和普通吸音棉吸声系数，结果显示面密度为300g/m2的双组份吸音棉吸声系数优于面密度为800g/m2的普通吸音棉。以车门内饰板应用为例测试分析双组份吸音棉对车内高频噪声控制的影响，结果显示增加吸音棉能够有效降低1000Hz以上高频噪声，提高了整车车内语言清晰度，优化车内噪声声品质。
参考文献：
[1]Zhang Q.，Parrett A. and Zopp A.. Lightweight Acoustic System Performance Target Setting Process [J]. SAE Technical Paper，2013-01-1982.
[2]Alan V. Parrett.Application of Micro-Perforated Composite Acoustic Material to a Vehicle Dash Mat [J]. SAE TechnicalPaper，2011-01-1623.
[3]庞剑，谌刚，何华.汽车振动与噪声[M].北京：北京理工大学出版社，2008.
关键词：汽车内饰；轻量化；前壁板隔音垫；吸声材料；NVH性能
基于汽车内饰轻量化的NVH性能开发及应用
近年来，汽车内饰的轻量化已成为汽车业界研究关注的热点。Zhang，Q利用整车级的统计能量分析模型提出一种轻量化声学包装的NVH性能目标设定与分解方法。本文结合汽车内饰开发的实践过程，阐述了以NVH性能为目标的内饰材料开发工程控制方法及机理。以前壁板隔音垫部件和车门内饰吸声材料的轻量化为例，提出具体可行的设计方案。
一、汽车内饰轻量化开发策略及工程控制
1.汽车声学包装内饰材料与NVH性能
噪声振动控制是基于源、路径和响应的三要素进行分别控制，而汽车NVH性能开发则主要集中于激励源与传递路径。汽车声学包装主要用于解决空气传播路径的噪声问题，在密封性和隔吸声性能等方面进行噪声控制。狭义的汽车声学包装部件可以分为吸声型、隔声型和密封型。通常隔声材料包括PVC、EVA或EDPM等；吸声型材料包括有棉毡类、PU发泡类等。吸声材料一般为多孔性介质，隔声性能较差，其吸声性能评价指标为吸声系数。吸声是指空气中的声波在通过或入射到介质界面损失声能的过程，当声波进入多孔性介质内，部分声能转变成为热能而耗散。影响材料吸声性能的因素包括流阻、孔隙率、结构因子、厚度、密度以及温、湿度等环境条件。隔声材料主要作用为阻隔声音传播，评价隔声材料性能的主要指标为传递损失（STL），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。均质材料的隔声性能满足质量原理，即密度越高，隔声性能越好，当材料面密度增加一倍，隔声量增加约6dB。汽车上常用的声学包装材料，一般采用隔吸声型的组合结构类型，由不同的隔声层和吸声层组合。汽车声学包装内饰材料分布见图1。
2.汽车内饰轻量化技术及工程开发
（1）轻质基材的应用技术，如低密度、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、多层棉毡或发泡层组合替代传统的“软硬”双层组合的声学结构；
（3）基于多属性优化设计的轻量化应用技术，如合理地分配内饰声学材料的设计布局以及对其形状、厚度、高密度隔声层材料等进行分布；
（4）基于制造或安装工艺的轻量化应用技术，如采用粘接替代以凸焊螺柱卡接的内饰件安装方式等。
汽车内饰轻量化工程开发关键是在整车轻量化开发控制下，基于噪声传递路径与声源对车内贡献量分析的前提下，将汽车内饰材料的传声损失和吸声性能同时作为NVH性能设计优化的两个关键参数，以替代仅仅关注传声损失性能的传统式开发。内饰材料轻量化的开发应结合测试与仿真分析等多种手段，以NVH性能和轻量化为目标，逐级设定与分解内饰材料的技术指标以及“V型”开发模式；逐级验证和优化各开发目标的达成。
二、前壁板隔音垫轻量化开发及验证
1.新型轻量化隔音垫开发设计
前壁板隔音垫安装在前壁板上驾乘人员空间一侧，能够有效地衰减动力传动总成和前轮胎等声源传递到车内的噪声强度，其对车内噪声和声品质水平起着重要作用，是车身声学包装NVH性能开发中最核心和关键的声学部件。目前，在汽车上广泛应用的前壁板隔音垫采用双层结构（图2a）。常用的“重层”材料包括
EVA、EPDM或PVC等，“软层”材料包括棉毡、PU发泡或热塑纤维等。重层主要作用是隔声，即阻隔和反射噪声；软层则主要是吸收前壁板件直接的辐射声能，以及吸收重层的反射声能。由于传统的重层材料的质量较大，基于减轻汽车声学包装质量趋势的要求，可以采用一种新型的轻量化隔音垫设计方案（图3b），利用高密度的“软层”材料替代传统的“重层”。相对于传统的前壁板隔音垫，新型轻量化方案解决了中高频吸声性能差的问题，并且可以减轻质量30%～60%。
2.轻量化隔音垫统计能量法仿真
对于轻量化前壁板隔音垫NVH性能的分析，可通过建立前车体的SEA模型，以隔音垫的传递损失特性和吸音系数为主要设计因素，并以噪声衰减量级NR（Noise Reduction）指标评估其声学性能水平。仿真分析表明，在前壁板无泄漏问题情况下，轻量化的隔音垫与传统隔音垫都能够取得相近的NVH性能（图3a），且初步折算结果显示可减轻质量约43%。考虑前壁板存在1%的泄露问题，由于轻量化隔音垫具有较高的表面吸声性能，相比传统隔音垫，其噪声衰减性能对于泄漏效应的敏感度较低，所以，在中高频率范围依然能够获得较好的NVH性能（图3b）。
3.轻量化隔音垫试验验证
对于轻量化前壁板隔音垫对整车NVH性能的影响，主要分析其对动力总成噪声和底盘噪声的衰减特性。选择二挡全油门加速行驶工况，分别测试和对比车内噪声情况。二挡加速工况时，轻量化的双层棉毡隔音垫并没有导致车内噪声声压级的增加，并在发动机转速3800～5000r/min范围降低了约2.3dB（A）；车内语言清晰度指標明显提升约7%（图4）。主观评价也能感受到车内声音的中高频成分比率降低。
三、双组份吸音棉的应用
1.双组份吸音棉吸声特性
双组份吸音棉属于纤维状多孔吸声材料，由高融值PP和中空螺旋超细PET纤维组成。它具有立体网状连续多孔结构，纤维平均细度可达2μm以下。双组份吸音棉纤维直径明显小于普通吸音棉，单位内纤维数更多，其材料内部互相贯通的微孔和间隙更多，且这些孔隙更小。如此结构使声音在吸音棉内的运动产生更多阻碍，使得双组份吸音棉吸声能力更好。 吸声系数测试工程上通常使用3种方法，即混响室法、驻波管法和双传声器阻抗管法。混响室法测量在混响室内进行，主要用于测量大件样品的漫入射吸声系数。驻波管法和双传声器阻抗管法都是用于测量小件样品的正入射吸声系数。双传声器阻抗管法的测试速度较快，为驻波管法的40倍，且测试结果较为准确。因此，工程上通常采用双传声器阻抗管法分析和比较声学材料的吸声特性。
本文中选择面密度为300g/m2的双组份吸音棉和面密度为800g/m2的普通吸音棉两种吸声材料，使用双传声器阻抗管法，进行正入射吸声系数对比测试。测试结果见图5。300g/m2双组份吸音棉的吸声系数明显优于800g/m2普通吸音棉。
2.双组份吸音棉应用案例分析
對比普通吸音棉，双组份吸音棉具有吸声系数高、质量轻的优点。目前，双组份吸音棉已经在汽车上广泛应用，取代了部分普通吸声棉。以双组份吸音棉在车门内饰板的应用为例，分析双组份吸音棉对控制车内高频噪声的效果。
车门附加吸音棉对整车NVH性能的改善，主要分析其对风噪的衰减特性。选择100km/h匀速行驶工况，测试并对比车内噪声情况。分析结果见图6。车门内增加双组份吸音棉后，其声压级在1000Hz以上明显降低，前排位置的语言清晰度提高约4%，明显改善了车内噪声水平。
四、结论
1.通过汽车内饰前壁板隔音垫与车门吸声材料轻量化设计验证，提出一种内饰材料轻量化的NVH性能开发方法。
2.通过统计能量法仿真、整车状态下的二挡加速噪声测试，对轻量化双层棉毡隔音垫声学性能进行分析，结果显示在减轻质量情况下，轻量化的隔音垫显著提升了车内声品质性能。
3.运用双传声器阻抗管法，对比测试双组份吸音棉和普通吸音棉吸声系数，结果显示面密度为300g/m2的双组份吸音棉吸声系数优于面密度为800g/m2的普通吸音棉。以车门内饰板应用为例测试分析双组份吸音棉对车内高频噪声控制的影响，结果显示增加吸音棉能够有效降低1000Hz以上高频噪声，提高了整车车内语言清晰度，优化车内噪声声品质。
参考文献：
[1]Zhang Q.，Parrett A. and Zopp A.. Lightweight Acoustic System Performance Target Setting Process [J]. SAE Technical Paper，2013-01-1982.
[2]Alan V. Parrett.Application of Micro-Perforated Composite Acoustic Material to a Vehicle Dash Mat [J]. SAE TechnicalPaper，2011-01-1623.
[3]庞剑，谌刚，何华.汽车振动与噪声[M].北京：北京理工大学出版社，2008.