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車用輕量化ABA材料吸隔聲特性的計算方法研究

2019-03-07 22:09:59·  來源：湖北汽車工業(yè)學院學報第32 卷第4 期，寧波拓普集團有限公司  
　
摘要以汽車聲學包裝用的ABA（多孔吸聲層-隔聲層-多孔吸聲層）結(jié)構(gòu)材料為研究對象，分別用柔性模型和彈性模型描述多孔材料本構(gòu)關(guān)系，建立了4種鋪層模型，對2種典
摘要
以汽車聲學包裝用的ABA（多孔吸聲層-隔聲層-多孔吸聲層）結(jié)構(gòu)材料為研究對象，分別用柔性模型和彈性模型描述多孔材料本構(gòu)關(guān)系，建立了4種鋪層模型，對2種典型ABA材料方案進行了吸聲系數(shù)、插入損失計算，并與實測結(jié)果進行了對比分析。結(jié)果表明彈性-柔性鋪層模型與測試值的一致性較其他模型更好。當隔聲層為重質(zhì)EVA類材料時，使用柔性-柔性鋪層模型也能達到較好的計算精度，該模型僅需較少的材料BIOT參數(shù)，可實現(xiàn)快速建模，提高計算效率。
 
引言
汽車輕量化發(fā)展對聲學包裝材料輕量化要求越來越高，在輕量化的同時還要求材料具有優(yōu)良的吸隔聲性能。傳統(tǒng)的聲學包裝材料一般由EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）和聚氨酯泡沫PU組成，簡稱EVA+PU結(jié)構(gòu)，主要應(yīng)用于前圍內(nèi)、主地毯、輪罩和備胎池等隔音墊，用以衰減發(fā)動機、輪胎、排氣管傳遞至乘客艙的噪音，PU貼車身鈑金，EVA在乘客艙一側(cè)，能提供較高的隔聲性能，但因EVA為非吸聲材料，故吸聲性能較低，因此開發(fā)新型的輕量化聲學材料應(yīng)用前景較好［1~5］。為實現(xiàn)輕量化材料開發(fā)，Richard E. Wentzel［6］采用了耗散性多層棉氈材料結(jié)構(gòu)，通過試驗方法驗證了在達到相同整車NVH性能條件下，比傳統(tǒng)EVA+PU結(jié)構(gòu)降低重量48.6%。Jun Zhang［2］研究了“棉氈-PE膜-棉氈”結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用于某車型的前圍隔音墊，實現(xiàn)了輕量化應(yīng)用。
 
近年來，一些研究人員對單層和多層聲學材料的吸隔聲特性進行了計算方法研究。羅竹輝等［7］采用JCA等效模型計算了EVA+PU結(jié)構(gòu)的內(nèi)前圍隔音墊的隔聲，這是一種有限元方法，計算效率低。姜東明［8］采用了柔性-彈性模型計算了PET+EVA+PU結(jié)構(gòu)，和實驗值比較一致。B.Campolina［9］使用柔性模型、剛性模型、彈性模型對單層多孔纖維材料的隔聲特性進行了計算和測試分析，結(jié)果表明柔性模型僅適用于低壓縮率的單層材料。O.Doutres［10］使用柔性模型計算單層多孔材料吸聲系數(shù)，提出了一種與頻率無關(guān)的適用于柔性模型的應(yīng)用判定準則。上官文斌等［11］對多層棉氈平板材料，使用柔性多孔材料模型建模并進行了吸/隔聲的計算分析，結(jié)果表明其吸聲計算結(jié)果較測試值誤差較大，并分析出原因之一是計算模型的大量簡化。目前國內(nèi)外對多層的鋪層材料吸/隔聲特性計算方法的研究較少。
 
影響車用輕量化材料聲學性能的因素較多，僅采用試驗方法來研究，需要設(shè)計較高維的正交試驗，周期長，成本高。文中旨在探索一種仿真計算方法，用以車用輕量化聲學包裝材料的吸隔聲特性預(yù)測。以常用ABA［12］材料為研究對象，通過試驗方法獲取單層均質(zhì)多孔材料的BIOT參數(shù)，使用傳遞矩陣法（TMM），分別用柔性模型和彈性模型描述多孔材料本構(gòu)關(guān)系，建立4種平板材料鋪層模型，對典型輕質(zhì)和重質(zhì)隔聲層ABA結(jié)構(gòu)的材料進行吸隔聲特性計算，并與實測結(jié)果進行了對比分析。
 
ABA材料介紹
 
ABA零件由多孔吸聲層、隔聲層、多孔吸聲層組成，常用于前圍內(nèi)、地毯等隔音墊，用以衰減車外傳入駕駛艙的噪音。通常A層選用聚氨酯PU泡沫材料或棉氈等多孔材料，B層根據(jù)隔聲性能和重量定義，可選擇EVA片材、PE膜或其他高密度材料。
 
ABA零件安裝在車內(nèi)時吸隔聲原理如圖1所示，因中間B層能提供較好的隔聲性能，同時A層為多孔材料，能提供較好的吸聲性能，故可以兼具良好的吸聲性能和隔聲性能。為了便于描述鋪層順序，定義貼鈑金一側(cè)為A2層，靠駕駛艙一側(cè)為A1層。
試驗方法
 
吸聲測試方法
 
吸聲性能使用隨機入射吸聲系數(shù)（absorptioncoefficient，ABS）進行評價，在標準設(shè)備聲學測試艙中測試，依照通用汽車公司企業(yè)標準［13］，如圖2所示，吸聲樣件尺寸1 m×1.2m，置于Alpha Cabin箱地板中部，A1層面朝向聲源，樣件邊緣用光滑金屬框遮擋，以減少邊緣吸聲帶來的測試誤差。測試結(jié)果按式（1）［14］計算：
式中：α是吸聲系數(shù)；V為Alpha Cabin箱體體積；S為樣件測試面面積；T1為AlphaCabin內(nèi)有被測材料時聲壓級從初始狀態(tài)衰減60 dB所需的時間；T0為無被測材料時聲壓級從初始狀態(tài)衰減60dB所需的時間。式（1）為經(jīng)修正的賽賓公式，吸聲系數(shù)α表示在某一頻率下聲能量被多孔材料吸收轉(zhuǎn)化為熱能的百分比，如1 000 Hz時ABS為0.8，表示其80%的聲能量被多孔材料轉(zhuǎn)為熱能。
隔聲測試方法
隔聲性能使用插入損失（sound insertion loss，SIL）進行評價，即0.8 mm鋼板有無被測材料覆蓋時傳遞損失STL 的差值。STL 測試按照標準ASTM E2249-2016［15］進行，結(jié)果按式（2）［11］計算：
式中：STLtotal為實驗樣件與鋼板的總傳遞損失；STLsteel為鋼板的傳遞損失；SIL為聲波穿過被測材料后聲能量的損耗量，dB。如圖3所示，混響室和全消室之間的隔聲窗口上有1層厚0.8 mm的鋼板，測試時材料A2層貼鋼板安裝，模擬材料實車安裝于車身鈑金上。在混響室中播放聲源，使用5個麥克風測試平均聲壓級；全消室中使用聲強探頭在被測樣件表面掃描得到聲強。STL 按式（3）［11］計算：
式中：Lp為混響室聲壓級；L1為全消室聲強級。
BIOT 和TMM 理論
BIOT 理論
多孔材料由固相的骨架和孔洞中的液相流體組成，骨架中能傳遞縱波和橫波，流體中只能傳遞縱波，并得出了骨架和流體的位移方程。對于彈性多孔材料，用彈性模型描述［9］：
彈性模型假設(shè)較少，適用范圍廣，但參數(shù)較多，且對于某些材料，如薄棉氈，其壓縮楊氏模量等參數(shù)較難獲取。
柔性模型假設(shè)骨架剛度為0，此時有P? = 0，P?和材料的楊氏模量、泊松比、損耗因子有關(guān)。式（4）~（5）可簡化為［9］
傳遞矩陣法
圖4為多層材料的x1 x3 截面。以第1層材料為例，在其前/后截面附近各取點M1和點M2，有［17］
式中：T 為該層材料的傳遞矩陣；V ( M )為該層材料的狀態(tài)矢量，表示M 點所處的波場。V ( M )的元素及其個數(shù)和該層材料性質(zhì)有關(guān)。
式中：m為面密度；D為彎曲剛度；S為薄膜剛度。
均質(zhì)材料內(nèi)部的聲波滿足傳遞矩陣；在層與層之間的分界面上，需要滿足邊界條件。如圖4所示，聲波從空氣流體傳遞到固體鈑金，依次傳遞經(jīng)過ABA結(jié)構(gòu)，最后傳入車內(nèi)空氣流體中，邊界條件矩陣依次有流體到固體、固體到多孔材料、多孔材料到膜、膜到多孔材料、多孔材料到流體、層1與層2之間邊界條件寫作［18］：
建模方法
材料方案
通過不同原材料的搭配，ABA材料可以有多種結(jié)構(gòu)類型，但受原材料物理化學性能、成本、重量、工藝難度等的限制，適合量產(chǎn)車型中使用的方案種類并不多。文中采用表1中2種典型的ABA材料方案。方案1的隔聲層B為PE薄膜，質(zhì)量較輕，為低隔聲性能方案，但中低頻吸聲性能更優(yōu)；方案2的隔聲層B為EVA，質(zhì)量較重，為高隔聲性能方案。取15 mm的平板材料作為研究對象，厚度和大部分轎車前圍隔音墊的平均厚度相近，零件實車安裝時靠近駕駛艙一側(cè)為A1層，貼車身鈑金一側(cè)為A2層。實際應(yīng)用時，A2層常設(shè)計成比A1層更厚，在提供一定吸聲的同時，依然能保持較高的SIL，因此選擇10 mmA2層搭配5 mmA1層。
模型及參數(shù)
文中使用軟件NOVA進行仿真建模，示意圖如圖5所示。由于隔聲層B的EVA和PE 膜較為柔軟，故選用簡化的非滲透層模型來模擬B層，忽略其剛度，僅考慮質(zhì)量。而A1層和A2層為多孔吸聲材料，本構(gòu)模型中引入了其骨架位移，故使用柔性和彈性2種模型對A1層和A2層進行模擬。通過測試獲得了孔隙率、流阻率、楊氏模量、泊松比和阻尼損耗因子，利用Foam-X軟件反推得到的曲折因子，粘性特征長度和熱特征長度，最終得到表2中所示1200 g·m-2棉氈和70 kg·m-3PU泡沫的BIOT參數(shù)。
建立吸聲計算的鋪層模型時，按聲音傳遞依次經(jīng)歷“材料層A1—B—A2”的順序進行鋪層；建立插入損失計算的鋪層模型時，用到0.8 mm鋼板，使用shell模型進行建模，即在solid模型基礎(chǔ)上忽略剪切作用。按聲音傳遞方向依次經(jīng)歷“0.8 mm鋼板—A2—B—A1”的順序鋪層建模。考慮A1和A2各有2種材料模型，組合后共有4種不同的鋪層模型，如表3所示。
計算結(jié)果分析
方案1 吸隔聲計算結(jié)果分析
方案1吸隔聲計算值與測試值對比如圖6所示，由圖6可知，使用彈性-柔性鋪層模型的計算值與測試值的一致性較其他模型更優(yōu)。由表2可知，A1層棉氈的楊氏模量較低，但因與其連接的B層PE薄膜的剛度和質(zhì)量均足夠小，使得棉氈骨架應(yīng)力較易向B層傳遞，為準確模擬骨架應(yīng)力的傳遞，須使用彈性模型對A1層棉氈材料進行建模，如圖6所示的結(jié)果表明其更符合實際；A2層PU泡沫楊氏模量較高，其骨架剛度相對較高，按BIOT模型理論理應(yīng)使用彈性模型進行建模，但因在SIL測試時PU泡沫材料與鈑金之間，ABS測試時PU泡沫材料與Alpha Cabin地板之間不可避免的均存在微小空氣層，大幅削弱了PU泡沫骨架應(yīng)力向鈑金的傳遞。為準確反應(yīng)這種現(xiàn)象，使用柔性模型對A2層PU泡沫進行建模，吸隔聲計算值和實測值的一致性較彈性模型更優(yōu)。
對于吸聲ABS，如圖6a所示，橫坐標使用1/3倍頻程來描述頻率范圍，對于柔性-柔性鋪層模型，未考慮A1層多孔材料骨架剛度的影響，低頻吸聲主要由PE薄膜共振引起，計算結(jié)果與實測值誤差較大，對于彈性-柔性鋪層模型，考慮了A1層棉氈多孔材料骨架剛度的影響，在低頻區(qū)域有多個共振峰，其ABS計算值與實測值趨勢較為一致。對于隔聲SIL，如圖6b所示，使用彈性-柔性鋪層模型，相比柔性-柔性鋪層模型，其計算值與實測值一致，因其考慮了A1層PU泡沫材料骨架剛度影響，在400~2 000 Hz頻率范圍引起較多的共振峰。
方案2 吸隔聲計算結(jié)果分析
重質(zhì)隔聲層的ABA材料方案2的吸隔聲計算值與測試值對比如圖7所示。
由圖7 a可知：對于吸聲ABS，使用彈性-柔性鋪層模型的計算值與測試值的吻合度相對較優(yōu)。對A2層PU泡沫使用彈性模型建模時，因模型考慮了PU泡沫骨架剛度引起材料在低頻400 Hz處出現(xiàn)共振峰，柔性模型無此峰值，與測試值趨勢一致，但從全頻段來看，4種鋪層模型的計算值普遍較測試值偏差較大，分析產(chǎn)生誤差的原因是，該材料在4 000 Hz以下吸聲系數(shù)低于0.5，為低吸聲特性材料，在吸聲測試時，測試結(jié)果對邊界條件較高吸聲材料更敏感，邊界條件包含材料與Alpha Cabin地板的微小間隙、材料四周邊緣密封狀態(tài)、環(huán)境溫濕度等，故測試值與準確值有一定的測試誤差；模型的理論假設(shè)也會帶來一定計算誤差。
由圖7 b可知：對于隔聲SIL，鋪層模型柔性-柔性和彈性-柔性的計算值與測試值吻合較好，兩者較為接近，其中彈性-柔性鋪層模型的結(jié)果顯示在頻率1 250~5 000 Hz范圍內(nèi)有局部較小的共振峰，產(chǎn)生這一原因為由于B層EVA質(zhì)量和剛度均足夠大，可一定程度削減A1層PU泡沫骨架應(yīng)力的傳遞，故兩者SIL較為接近；對A2層泡沫使用柔性模型時，較之彈性模型，其計算值和實測值更為吻合，其原因與材料方案1情形一致。因柔性-柔性鋪層模型無多孔材料楊氏模量、泊松比等參數(shù)要求，僅需較少的材料BIOT參數(shù)即可實現(xiàn)建模，可兼顧精度和效率，適用于重質(zhì)隔聲層ABA結(jié)構(gòu)材料的SIL特性計算。
總結(jié)
以2種典型的輕量化ABA結(jié)構(gòu)材料為研究對象，考慮了彈性模型和柔性模型2種多孔材料本構(gòu)模型，建立了4種鋪層模型，經(jīng)計算結(jié)果和實測結(jié)果對比分析表明，彈性-柔性鋪層模型可應(yīng)用于這2類ABA材料結(jié)構(gòu)吸/隔聲特性計算；多孔材料本構(gòu)模型的選用，需考慮材料實際應(yīng)用的邊界條件。在ABA材料結(jié)構(gòu)中隔聲層為輕質(zhì)PE薄膜類材料時，使用彈性-柔性鋪層模型，較其他鋪層模型精度更高；當隔聲層為重質(zhì)EVA類材料時，鋪層模型柔性-柔性和彈性-柔性的計算值均與測試值吻合較好，在一致的計算精度下，使用柔性-柔性鋪層模型可代替彈性-柔性鋪層模型，無需多孔材料楊氏模量、泊松比和阻尼損耗因子等參數(shù)，僅需較少的BIOT參數(shù)即可進行建模，可降低建模成本和提高計算效率。研究結(jié)果可用以輕量化ABA材料設(shè)計開發(fā)以及其他多層復(fù)合聲學材料的建模研究。
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文章來源及單位：湖北汽車工業(yè)學院學報第32 卷第4 期，寧波拓普集團有限公司。
 
 
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