張思文，張 軍，章曉軒，劉宏玉，劉從光，朱冠妮

(1.長(zhǎng)安汽車股份有限公司汽車工程研究總院，重慶 401120； 2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401120)

2016058

局域共振聲子結(jié)構(gòu)在汽車地毯低頻隔聲中的應(yīng)用

張思文，張 軍，章曉軒，劉宏玉，劉從光，朱冠妮

(1.長(zhǎng)安汽車股份有限公司汽車工程研究總院，重慶 401120； 2.汽車噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401120)

本文首次將局域共振聲子帶隙特性應(yīng)用于汽車地毯的隔聲設(shè)計(jì)中?；诰钟蚬舱袼枷耄瑢?duì)地毯EVA隔聲層進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其產(chǎn)生一定的帶隙特性，從而提高地毯的低頻隔聲量。理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試都表明，所設(shè)計(jì)的具有局域共振微結(jié)構(gòu)的地毯隔聲層在400Hz附近的頻率范圍具有局域共振聲子帶隙，隔聲量比沒有微結(jié)構(gòu)的地毯隔聲層提高了約5dB，說明該設(shè)計(jì)方法在低頻范圍突破了隔聲的質(zhì)量定律，利用更輕量化的材料實(shí)現(xiàn)了更好的低頻隔聲效果，為汽車低頻隔聲技術(shù)和輕量化設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。

汽車地毯；低頻隔聲；局域共振；聲子帶隙

前言

汽車車內(nèi)噪聲不僅影響駕駛?cè)撕统塑嚾耸孢m性和談話的語言清晰度，還會(huì)影響駕駛?cè)藢?duì)路況的判斷能力，長(zhǎng)期來看還會(huì)對(duì)聽覺造成損害。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)汽車舒適性的要求越來越高，各國(guó)也對(duì)汽車噪聲水平提出了更加嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和要求。改善汽車整車NVH性能，降低車內(nèi)噪聲也成為廣大汽車生產(chǎn)商和消費(fèi)者關(guān)注的熱點(diǎn)。因此，在汽車設(shè)計(jì)階段提出整車或者零部件的降噪設(shè)計(jì)方案具有重要的實(shí)際意義。

車內(nèi)噪聲主要由發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、進(jìn)排氣噪聲、胎噪、風(fēng)噪、汽車的懸掛系統(tǒng)及車體振動(dòng)噪聲和外部環(huán)境傳入車內(nèi)的聲音等組成。其中，引起車身振動(dòng)并通過壁板、底盤傳入車內(nèi)的，稱為結(jié)構(gòu)聲；通過車身透射或通過孔洞、縫隙直接傳入車內(nèi)的輻射噪聲，稱為空氣聲[1]。對(duì)于不同的車型，不同的噪聲頻率成分的結(jié)構(gòu)聲和空氣聲傳播噪聲能量的比例也有區(qū)別。研究表明，通過空氣傳播到車內(nèi)的主要是800Hz以上的中高頻噪聲；通過車身結(jié)構(gòu)傳播進(jìn)入車內(nèi)的主要是500Hz以下的低頻噪聲[2-4]。

從降低噪聲源聲強(qiáng)和避免結(jié)構(gòu)共振角度，對(duì)汽車結(jié)構(gòu)(包括外形、車身車架、發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)排氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和車輪等)的材料和尺寸進(jìn)行合理選擇、設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可在很大程度上改善整車的噪聲水平。從控制噪聲傳播途徑角度，對(duì)不可避免的振動(dòng)源(如發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、顛簸的路面引起的振動(dòng)等)進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，可使車內(nèi)噪聲降低3～8dB。對(duì)于向車內(nèi)輻射噪聲最強(qiáng)烈的兩個(gè)方向(即發(fā)動(dòng)機(jī)方向和底盤方向)，采用屏障物(如前壁板隔聲墊和地毯)進(jìn)行隔聲處理，并盡量減少車內(nèi)各操縱機(jī)構(gòu)和儀表線路通過車身的縫隙和孔道，提高車身的密封性。試驗(yàn)表明，在對(duì)車身孔、縫進(jìn)行密封處理后車內(nèi)噪聲降低了5～10dB[4]。從吸聲角度，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、行李箱進(jìn)行吸聲處理(如鋪設(shè)玻璃纖維、礦渣棉、石棉絨、海綿等吸聲材料)，可使車內(nèi)噪聲降低1～2dB；對(duì)乘員艙鋪設(shè)具有吸聲作用的地毯、頂棚、前圍板和后擱板等內(nèi)飾件，也可降低2dB以上的噪聲。

上述降噪措施對(duì)于800Hz以上的中高頻空氣噪聲是非常有效的。但是對(duì)于從發(fā)動(dòng)機(jī)方向透過前壁板和從底盤方向透過地毯傳入車內(nèi)的結(jié)構(gòu)噪聲，其頻率主要位于500Hz以下的低頻范圍。由于汽車車身質(zhì)量和空間的限制，現(xiàn)有的地毯結(jié)構(gòu)難以抵擋這部分低頻噪聲，這使得低頻噪聲逐漸成為制約車內(nèi)噪聲水平改善的突出問題。

某公司生產(chǎn)的汽車地毯在頻率400Hz附近存在一個(gè)隔聲低谷。本文中將針對(duì)該問題，基于局域共振思想，對(duì)地毯的EVA橡膠層進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有低頻帶隙特性，實(shí)現(xiàn)“小尺寸控制大波長(zhǎng)”的低頻隔聲效果。

1 局域共振聲子帶隙機(jī)理

圖1 局域共振聲子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型

利用局域共振思想進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有一定的帶隙特性(即在某一通常較窄的頻帶范圍內(nèi)，彈性波被阻止在結(jié)構(gòu)中傳播的特性)，是一種新型的減振降噪方法。設(shè)計(jì)的局域共振聲子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型如圖1所示，在原有結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)具有一定頻率特性的內(nèi)部振子。由于振子的低頻諧振與原結(jié)構(gòu)中的彈性波相互耦合作用，發(fā)生能量的局域化而不能繼續(xù)向前傳播，從而導(dǎo)致帶隙的產(chǎn)生[5]。

假設(shè)共振聲子原有結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為M，振子的彈簧剛度和質(zhì)量塊質(zhì)量分別為k和m，原有結(jié)構(gòu)受到的激勵(lì)和振子對(duì)結(jié)構(gòu)的反作用力分別為F和F′，它們的位移分別為X和x。根據(jù)牛頓第二定律和胡克定律，有

F-F′=(iω)2MX

(1)

F′=(iω)2mx

(2)

-F′=k(x-X)

(3)

將原有結(jié)構(gòu)和內(nèi)部振子作為一個(gè)整體，可以求得整個(gè)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量和位移頻響函數(shù)如下：

(4)

(5)

圖2 頻響函數(shù)及動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量隨頻率的變化關(guān)系

從圖2可知，隨著外部激勵(lì)頻率的變化，系統(tǒng)具有不同的動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量，并表現(xiàn)出不同的振動(dòng)特性。當(dāng)激勵(lì)頻率很低時(shí)，內(nèi)部振子與原有結(jié)構(gòu)的振動(dòng)基本上能保持同步，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量為它們靜態(tài)質(zhì)量之和，即Meff=M+m。此時(shí)它們的振動(dòng)特性與兩者剛性連接在一起時(shí)相似。當(dāng)激勵(lì)頻率逐漸接近振子的固有頻率(即ω→ω0)時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量遠(yuǎn)大于它們靜態(tài)質(zhì)量之和。使得這一頻率范圍內(nèi)，系統(tǒng)的狀態(tài)難以隨外部激勵(lì)改變，響應(yīng)較小，從而使振動(dòng)衰減并形成帶隙。這是由于在這一頻率范圍內(nèi)，振子與原有結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方向相反，從而使原有結(jié)構(gòu)的振動(dòng)減弱。當(dāng)ω=ω0(即發(fā)生局域共振)時(shí)，Meff→∞，系統(tǒng)對(duì)外部激勵(lì)不產(chǎn)生響應(yīng)，如圖2中細(xì)點(diǎn)線表示的頻響函數(shù)所示。因?yàn)榇藭r(shí)原有結(jié)構(gòu)的振動(dòng)被內(nèi)部振子的反作用力完全抵消，從而基本保持不動(dòng)。

由上面的分析可知，動(dòng)態(tài)等效質(zhì)量較大的頻率區(qū)域即對(duì)應(yīng)局域共振帶隙產(chǎn)生的頻率范圍；系統(tǒng)在零等效質(zhì)量點(diǎn)發(fā)生共振，意味著帶隙的結(jié)束。但實(shí)際中，振動(dòng)衰減到一定程度即可認(rèn)為是帶隙，所以帶隙的截止頻率低于零等效質(zhì)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率。無論如何，增大零等效質(zhì)量點(diǎn)與局域共振點(diǎn)之間的距離，將會(huì)使帶隙的寬度增加。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及理論分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在現(xiàn)有地毯結(jié)構(gòu)中，起隔聲作用的主要是中間的EVA橡膠層。從底盤方向傳播來的噪聲主要以垂直于地毯方向的振動(dòng)形式透過地毯向車內(nèi)傳播。方案只需要采用局域共振思想對(duì)地毯的EVA隔聲橡膠層進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有一定的帶隙特性，抑制隔聲層在垂直方向的振動(dòng)，就可以減小向車內(nèi)輻射的噪聲，從而提高其隔聲量。產(chǎn)生帶隙的頻率范圍可以根據(jù)微結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，預(yù)期可以在目標(biāo)頻率范圍400Hz處形成沿厚度方向的彈性波帶隙。

方案采用局域共振彈性膜結(jié)構(gòu)，以EVA橡膠層為骨架固定硅膠膜形成局域共振單元，如圖3(a)所示。在兩塊一定厚度的EVA橡膠層上開對(duì)應(yīng)的周期性方形通孔，并在中間夾一層完整的硅膠膜。圖3(b)給出了單個(gè)單元的結(jié)構(gòu)圖，晶格常數(shù)用a表示，硅膠膜和EVA層的厚度分別用p和q表示，方孔邊長(zhǎng)用b表示。

2.2 帶隙計(jì)算方法

Bloch理論指出：對(duì)于周期性聲子結(jié)構(gòu)，可以通過引入周期邊界條件，將對(duì)周期結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)特性的研究轉(zhuǎn)換到單元結(jié)構(gòu)中來研究[5]。在周期邊界條件中引入Bloch波矢k，并只需要讓其沿單元結(jié)構(gòu)的不可約布里淵區(qū)(如圖3(c)陰影部分所示)邊界取值，然后求解特征值問題，就可以描述整個(gè)聲子晶體結(jié)構(gòu)具有的固有振動(dòng)特性。當(dāng)波矢k沿M→?！鶻→M不同方向取值時(shí)，可以求取結(jié)構(gòu)在這一方向上的固有屬性(如固有頻率、模態(tài)等)。將不同方向的固有頻率按方向展開排列在一起，即可得到聲子結(jié)構(gòu)的能帶圖。從能帶圖上就可以直觀地識(shí)別通帶和禁帶(即帶隙)頻率范圍。

能帶圖一般是基于理想無限周期結(jié)構(gòu)計(jì)算出來的。常用的計(jì)算方法包括平面波展開法、時(shí)域有限差分法、多重散射法和有限元法等。其中有限元法是一種高效的數(shù)值計(jì)算方法。本文中采用有限元軟件COMSOL Multiphysics進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算。在計(jì)算聲子晶體能帶圖時(shí)，只須建立如圖3(b)所示的單個(gè)周期單元模型，采用軟件提供的周期邊界條件(其中即引入了波矢k的各個(gè)分量)來模擬理想聲子晶體結(jié)構(gòu)，并在不同波矢下求取結(jié)構(gòu)的固有頻率即可。應(yīng)用該軟件可以對(duì)應(yīng)求出各條能帶所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)，為理論分析提供了便利。

圖4給出了計(jì)算得到的地毯隔聲結(jié)構(gòu)的能帶圖。在計(jì)算中，晶格常數(shù)a為10mm，硅膠膜和EVA層的厚度p和q都為1mm，方孔邊長(zhǎng)b為8mm。從圖中能帶結(jié)構(gòu)可以看出，ΓX方向帶隙特性與ΓM方向上有所差別。如圖中陰影所示，結(jié)構(gòu)在ΓX方向上分別在240～275Hz，299～437Hz和515～543Hz范圍內(nèi)產(chǎn)生了3條彎曲波帶隙，在ΓM方向上分別在243～275Hz和568～622Hz范圍內(nèi)產(chǎn)生了兩條彎曲波帶隙。

圖4 能帶結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步說明其帶隙產(chǎn)生的原因，圖5中分別給出了前3階局域共振帶隙附近的平直帶所對(duì)應(yīng)的局域共振模態(tài)。由于局域共振的存在及它與板波之間的耦合作用，板中原有的彎曲波色散曲線(如圖4中虛線所示)與代表局域共振的平直帶相互截?cái)?，從而產(chǎn)生彎曲波帶隙。

圖5 局域共振模態(tài)

2.3 帶隙特性優(yōu)化

針對(duì)400Hz處的隔聲低谷問題，需要通過結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，使彎曲波完全帶隙覆蓋目標(biāo)頻率范圍。下面首先討論影響帶隙特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后確定結(jié)構(gòu)的各向尺寸。

影響帶隙特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有硅膠膜和EVA橡膠層的厚度p和q、晶格常數(shù)a、方孔邊長(zhǎng)b。在上述結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，改變結(jié)構(gòu)的某一參數(shù)而保持其他參數(shù)不變，計(jì)算結(jié)構(gòu)的能帶圖。圖6分別給出了高度方向尺寸參數(shù)(即p和q)和水平方向尺寸參數(shù)(即a和b)改變時(shí)，低頻范圍帶隙頻率范圍的變化趨勢(shì)圖。其中，ΓX和ΓM方向上帶隙的重合區(qū)域即表示完全帶隙。

圖6 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)帶隙特性的影響

從圖6可以看出，各條帶隙都隨著高度方向尺寸的增大而向高頻移動(dòng)；帶隙寬度的整體趨勢(shì)也基本上是隨之增大，但對(duì)于每一條帶隙，存在使帶隙寬度達(dá)到最大的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。這是因?yàn)椋枘z膜厚度p的增大相當(dāng)于同時(shí)增大了局域共振單元的等效質(zhì)量和剛度。對(duì)于第1完全帶隙來說，要想得到較寬的帶隙，EVA橡膠層應(yīng)該選擇較大的厚度，而硅膠膜應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)暮穸取?/p>

圖6(c)中給出了前3階帶隙隨晶格常數(shù)a的變化趨勢(shì)，可以看出，各條帶隙隨a的增大都向低頻移動(dòng)。圖6(d)中選擇的晶格常數(shù)為20mm，可以看出，增大方孔邊長(zhǎng)b帶隙也都向低頻移動(dòng)，而且比圖6(c)中降低得更快。改變水平方向的尺寸，只有ΓX方向上的第2帶隙的寬度變化較大，其他帶隙寬度變化較小。完全帶隙基本上在晶格常數(shù)較小或方孔尺寸較大的情況下產(chǎn)生。這說明，要想得到更低頻率的帶隙，應(yīng)該使硅膠膜相對(duì)于整個(gè)單元的面積填充率盡量大。因?yàn)檫@樣可以增強(qiáng)硅膠膜上的局域共振與EVA骨架上的振動(dòng)之間的耦合作用，從而在更寬頻率范圍內(nèi)抑制EVA骨架及整個(gè)地毯結(jié)構(gòu)的彎曲振動(dòng)。

按照上述分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化使地毯結(jié)構(gòu)在400Hz附近產(chǎn)生完全帶隙，確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為：晶格常數(shù)a為7mm，方孔邊長(zhǎng)b為6mm，硅膠膜和EVA橡膠層的厚度p和q都為1mm。計(jì)算得到其能帶圖如圖7所示。

圖7 能帶結(jié)構(gòu)

如圖中陰影部分所示，其第1完全帶隙的頻率范圍為374～441Hz，在400Hz附近具有67Hz寬度的彎曲波帶隙。理論上可以提高地毯結(jié)構(gòu)在400Hz處的隔聲量，這將在后面通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

3 隔聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 樣品結(jié)構(gòu)

按照確定的尺寸在兩片厚度均為1mm的EVA橡膠層上對(duì)應(yīng)開正方形排列的邊長(zhǎng)6mm的方孔，周期間隔為7mm。將兩層EVA橡膠層對(duì)應(yīng)粘貼在厚度為1mm的硅膠膜的兩側(cè)，再按照阻抗管的尺寸進(jìn)行裁剪，就可以完成樣品結(jié)構(gòu)的制作。圖8分別給出了1#和2#樣品的實(shí)物圖。其中，2#樣品為EVA層均未開孔的對(duì)比樣品。測(cè)得1#和2#樣品的質(zhì)量分別為26.44和40.24g。

圖8 阻抗管樣品結(jié)構(gòu)

3.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

用于隔聲測(cè)試的設(shè)備為B&K 4206阻抗管，其內(nèi)徑為100mm，測(cè)試頻率范圍為50Hz～1.6kHz。采用四傳聲器法對(duì)樣品結(jié)構(gòu)在垂直入射情況下的隔聲性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)得兩種樣品結(jié)構(gòu)的隔聲量隨頻率的變化曲線如圖9所示。

可以看出，具有7mm周期排列方孔的夾芯板(即1#樣品)在400Hz左右具有最大的隔聲量，與圖7中能帶圖一致，說明這一隔聲峰是由于結(jié)構(gòu)的局域共振所造成的。與未開孔的夾芯板(即2#樣品)相比，開孔的夾芯板雖然質(zhì)量更輕，但在250～420Hz范圍內(nèi)隔聲量卻比未開孔的夾芯板普遍提高約5dB。這從實(shí)驗(yàn)上證明，該結(jié)構(gòu)在這一頻率范圍的隔聲特性突破了隔聲質(zhì)量定律，具有較好的隔聲效果。而在更高頻率范圍，開孔夾芯板的隔聲量低于未開孔的夾芯板，這是因?yàn)檫@一頻率范圍的隔聲特性仍然受質(zhì)量定律約束。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相比仍然存在一定的偏差，如圖9中1#樣品隔聲量有所提高的頻率范圍比圖7中能帶圖上的帶隙寬度寬。經(jīng)過分析，可能主要有以下幾個(gè)方面的原因。

(1) 材料阻尼的影響。在理論設(shè)計(jì)和計(jì)算中忽略了材料阻尼對(duì)帶隙的影響。而在實(shí)際工程中，橡膠材料存在較大的阻尼。對(duì)于1#樣品，硅膠膜的局域共振受到材料阻尼的影響，局域共振帶隙變寬而帶隙中衰減深度減小。

(2) 加工制作過程中的誤差。由于需要的加工尺寸很小，而所用材料皆為成品橡膠，采用常見的加工方法(如鉆孔、沖孔、激光加工等)都很難完成。最終，所有樣品都是純手工刀刻制作而成，而且在粘貼EVA橡膠與硅膠膜和鐵片時(shí)使用了粘膠，加工和制作的精度上存在較大的誤差。

(3) 實(shí)驗(yàn)誤差。主要包括儀器誤差和測(cè)量操作等造成的誤差。所使用的B&K 4206阻抗管在200Hz附近仍然具有一定誤差。在測(cè)量過程中，樣品結(jié)構(gòu)的放置以及密封也都會(huì)造成一定的誤差。

4 結(jié)論

針對(duì)某公司對(duì)汽車地毯低頻隔聲技術(shù)的具體需求，基于局域共振思想提出了解決思路及方案。采用EVA橡膠骨架-硅膠膜組成的夾芯板結(jié)構(gòu)，可以在低頻范圍產(chǎn)生一定的彎曲波帶隙，從而抑制整個(gè)地毯結(jié)構(gòu)在垂直于板平面方向的振動(dòng)，最終起到提高地毯隔聲量的作用。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，可以使所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在400Hz附近的目標(biāo)頻率范圍產(chǎn)生彎曲波帶隙。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的具有局域共振微結(jié)構(gòu)的隔聲層在低頻范圍的隔聲特性突破了隔聲質(zhì)量定律的限制。與相同厚度的未進(jìn)行微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的均勻夾芯板相比，所設(shè)計(jì)的地毯隔聲層樣品結(jié)構(gòu)的隔聲量在400Hz附近基本上能提高5dB左右，具有較好的隔聲效果。

本文中將聲子結(jié)構(gòu)及超材料引入汽車地毯低頻隔聲技術(shù)之中，取得了較好的效果。該設(shè)計(jì)方法為汽車低頻隔聲技術(shù)和輕量化設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。但相應(yīng)的加工模具和工藝以及進(jìn)行整車隔聲測(cè)試和驗(yàn)證有待進(jìn)一步研究。

[1] 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006.

[2] 常振臣,王登峰,周淑輝,等.車內(nèi)噪聲控制技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,32(4):86-90.

[3] 趙金斗.汽車車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)與控制研究[D].重慶:重慶大學(xué),2005.

[4] 于學(xué)華,張家棟.汽車車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理及控制技術(shù)[J].噪聲與振動(dòng)控制,2008(5):122-125.

[5] 溫熙森,溫激鴻,郁殿龍,等.聲子晶體[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2009.

Application of Locally Resonant Phononic Structures to theLow-frequency Sound Insulation of Vehicle Carpets

Zhang Siwen, Zhang Jun, Zhang Xiaoxuan, Liu Hongyu, Liu Congguang & Zhu Guanni

1.ChanganAutoGlobalR&DCenter,Chongqing401120; 2.StateKeyLaboratoryofVehicleNVHandSafetyTechnology,Chongqing401120

The band-gap characteristics of locally resonant phonon are applied to the sound insulation design of vehicle carpets for the first time in this paper. Based on the idea of local resonance, the microstructure of EVA sound-insulation layer of carpet is designed to endow it with certain bandgap characteristics, and hence to improve its low-frequency sound-insulation. The results of theoretical calculation and test measurement show that the sound insulation layer of carpet with locally resonant microstructure designed has a locally resonant bandgap around 400Hz, with its sound insulation increases by 5dB compared with original carpet, demonstrating that the design method adopted breaks through the mass law of sound insulation at low frequency range, and achieves a better effect of low-frequency sound insulation by using lighter material, providing a new approach to low-frequency sound insulation technique and lightweight design of vehicle.

vehicle carpet; low-frequency sound insulation; local resonance; phonon bandgap

原稿收到日期為2014年10月20日，修改稿收到日期為2014年12月29日。