白　媛　　林　娜　　牛靈鵬

陜西省紡織科學研究所， 陜西 西安 710038

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車內噪聲分析及車用降噪非織造材料的生產工藝研究

白媛林娜牛靈鵬

陜西省紡織科學研究所， 陜西 西安 710038

摘要：分析汽車車內噪聲的危害，以及我國在車內噪聲控制方面存在的不足，提出車內噪聲控制的必要性及緊迫性。通過系統分析車內噪聲的組成、產生途徑及控制方法，指出降噪非織造材料對車內噪聲控制的有效性，并就國內外車用降噪非織造材料所用纖維及其生產工藝的研究現狀與發(fā)展趨勢進行分析。

關鍵詞：車內噪聲，控制，降噪，非織造材料，生產工藝

隨著現代交通和汽車工業(yè)的發(fā)展，車內噪聲已成為有關高科技和人類協調發(fā)展的一項亟待解決的重要課題。車內噪聲是指汽車在行駛過程中，駕駛室、乘坐室內存在的各種噪聲，其對駕駛員及乘客的影響不容忽視。如何最大限度地降低車內噪聲水平、提高乘坐舒適性，是現代汽車產品開發(fā)和設計需考慮的重要因素。很多國家和地區(qū)都制訂了相關法規(guī)和標準，以期可以更好地控制車內噪聲(表1[1])。

表1　主要國家和地區(qū)對汽車加速行駛的噪聲限值　[單位：dB(A)]

從表1可以明顯看出，我國現行的對汽車加速行駛的噪聲限制要求與歐共體國家相比，差距較大。國產汽車在車輛噪聲水平的規(guī)范方面要求較松，這也是影響我國汽車質量和市場的重要因素之一。因此，對車內噪聲加以控制意義重大。

1車內噪聲的產生及組成

車內噪聲主要源于發(fā)動機、傳動系統、排氣系統、車身振動、輪胎/路面、風扇等車外聲源和振動源(圖1)[2]。

圖1　車內噪聲的來源

這些聲源的聲能和振動源的振動能分別以空氣聲(由車廂壁板、門、窗等處的孔隙傳播)和結構聲(車身壁板振動引起)的方式傳到車室內部[3]，其傳播過程見圖2。由圖2可知，車內噪聲實際是由空氣聲、結構聲和室內混響聲共同組成的[4]。其中，室內混響聲是指聲波經壁面一次或多次反射后形成的噪聲。

圖2　車內噪聲傳播示意

2車內噪聲的危害及控制

2.1車內噪聲的危害

當噪聲的強度超過人們正常生活和生產所能承受的范圍時，其便構成噪聲污染。噪聲對人體的危害眾所皆知，其影響也是多方面的。近年，隨著交通和汽車工業(yè)的發(fā)展，車速越來越高，車內噪聲對駕駛員及乘客的危害也日漸凸顯：

(1)損傷聽力。造成暫時性聽閾上移(也稱聽覺疲勞)，更有甚者會造成永久性聽閾上移(即永久性耳聾)[5-6]。

(2)干擾正常乘坐和行車。通常，當噪聲值高于65 dB(A)時便會干擾普通談話，此時車內乘客需提高嗓門或近距離才能交談，這樣易使人感到疲勞；更有甚者會聲嘶力竭，這將影響行車注意力，為行車安全埋下隱患[7]。

(3)影響身體健康。噪聲會影響心血管系統，引起胃機能阻滯，還會對視覺器官產生不良影響，導致駕駛者視覺功能障礙、視力清晰度下降、平衡性反應失靈，嚴重危害汽車駕駛安全[8-9]。

因此，為有效防止和避免噪聲對駕駛員健康狀況的影響，利用一些降噪措施防止意外發(fā)生，很有必要。

2.2車內噪聲的控制

進入人耳的聲音都需經歷三個環(huán)節(jié)(圖3)。因此，噪聲的控制需從噪聲源、傳播途徑及保護接收者這三個方面考慮。其中，控制噪聲源屬主動降噪，此法最根本、最有效，主要用于對低頻噪聲的控制。

圖3聲學系統的基本環(huán)節(jié)

但我國目前車內主動降噪系統尚不成熟，故從噪聲源處主動降噪往往受到限制。因此，綜合應用車用降噪非織造材料的吸聲、隔聲與減振性能，從傳播途徑上實現降噪，是目前降噪的主要手段。

3降噪非織造材料在汽車上應用的性能要求

隨著交通和汽車工業(yè)的發(fā)展，以及人們對健康、環(huán)保意識的增強，降噪非織造材料在汽車吸聲、隔聲等綜合特性方面的要求越來越高。這些要求包括：

(1)輕量化[10]。輕量化是整個汽車制造領域發(fā)展的一大趨勢，這會大大減少因車身質量而引起的油耗。

(2)在寬頻范圍吸聲、隔聲性能好且長期穩(wěn)定，壽命長。

(3)物理、力學性能良好[11]，如具有一定的強度，安裝過程中不易破損，且耐磨、耐壓，尺寸穩(wěn)定性好等。

(4)不易老化，耐氣候性好。

(5)環(huán)保。綠色環(huán)保是當今社會的一大主題，任何新型材料的開發(fā)都應圍繞這一主題而開展。其要求材料對人體無刺激、無異味、無毒、無害，且同種材料可回收利用等。

(6)便于施工，如易于剪裁、粘貼牢固等。

(7)安全可靠，如具備一定的阻燃和抗靜電性能等。

4國內外車用降噪非織造材料的研究現狀及發(fā)展趨勢

4.1纖維原料

4.1.1研究現狀

降噪非織造材料發(fā)展至今，經歷了從有機材料到無機材料，再發(fā)展到現在高度重視的綠色、健康、環(huán)保、舒適材料的過程，形成了目前無機材料、有機材料并存的局面。

早期使用的吸聲材料主要是棉、麻、甘蔗等植物類纖維的制品。這些材料在中高頻范圍內有著良好的吸聲性能[12]35-38，如頻率為2 000 Hz時，厚度為2 cm 的麻纖維板吸聲系數可達0.49；頻率為250 Hz時，厚度為2 cm的甘蔗纖維板吸聲系數可達0.98。但植物類纖維的制品防火、防腐、防潮性較差，因此，隨著無機纖維的問世，植物類纖維吸聲材料逐漸淡出了市場。

無機纖維材料具有質輕、不燃、不腐且不易老化等特性，吸聲性能良好，但纖維在施工安裝過程中易折斷，會形成粉塵污染環(huán)境，影響人體健康。因此，盡管此類纖維材料性能優(yōu)異，但從安全和舒適的角度出發(fā)，無機纖維也逐漸退出了吸聲材料的應用舞臺。

合成纖維大多屬有機纖維，同時又因其為人造可溶(熔)纖維，易加工和回收，故屬健康、環(huán)保、舒適材料。合成纖維綜合性能優(yōu)異，如聚丙烯、聚酯和聚酰胺等纖維，質量輕、吸聲效果好、加工成型方便、無粉塵污染、防水防潮防蟲蛀、使用范圍廣、安全舒適、可回收，可根據產品用途的要求及非織造材料的加工要求專門定制具有各種特點的合成纖維制品[13]，因此倍受廣大汽車制造商青睞，其在降噪用非織造材料中占絕大部分比例，在亞洲市場極為暢銷。目前，市面上所用的吸聲材料大都以合成纖維為原料。

4.1.2發(fā)展趨勢

歐盟立法部門規(guī)定，車用可回收材料質量所占比例2006年至少達到85%，2015年已增至95%，同時強制性規(guī)定了天然纖維所占比例。自此，天然纖維以其比強度與比模量高、價格低廉、可再生等優(yōu)勢，成為汽車內飾降噪材料研發(fā)的焦點與熱點[14]。南通工學院曾對低熔點聚丙烯纖維和麻纖維進行了復合工藝研究，制成了聚丙烯纖維薄層上下夾心麻纖維的熱塑性非織造材料。該材料無污染、成本低，且具有高強、隔聲、吸聲、防腐、絕緣等優(yōu)良性能，被廣泛應用于吸聲、隔聲領域[12]35-38。張輝等[15]對漢麻、滌綸和棉等混紡紗線織物進行了吸聲性能分析，發(fā)現織物緊度、組織結構和化學試劑對吸聲性能有影響。

而有關天然纖維復合材料的吸聲性能報道卻較少，國內對天然纖維在非織造吸聲材料中的應用研究為之更少。Thilagavathi等[16]將竹纖維、香蕉纖維、黃麻纖維和聚丙烯纖維分別兩兩以50∶50的質量配比進行混合針刺，并對針刺后材料的結構性、舒適性指標進行測試，發(fā)現竹纖維/聚丙烯纖維針刺非織造材料結構緊湊，強力和吸聲性能良好，熱導率和斷裂伸長率小，十分適合用作汽車內飾吸聲材料；竹纖維/黃麻纖維針刺非織造材料在低頻吸聲系數方面明顯優(yōu)于竹纖維/香蕉纖維針刺非織造材料。

4.2生產工藝

4.2.1研究現狀

4.2.1.1針刺工藝

針刺工藝生產成本低、流程短、改變工藝參數可操作性強，可用于生產厚型產品，制成品纖維間存有大量微孔，能很好地滿足吸聲材料多孔、疏松等要求。因此，針刺加固的非織造材料在吸聲材料中應用最為廣泛。

Montgomery Elizo最早利用針刺工藝研制出航空器內部貼敷用降噪非織造材料，并分別從吸聲系數、孔隙率、加工工藝等三方面對其吸聲特性進行分析，結果表明，針刺降噪非織造材料綜合吸聲性能良好[17]。美國通用公司曾將低熔點聚酯纖維均勻加入線密度為0.440～0.666 tex的普通聚酯纖維網中，再對復合纖維網進行針刺、熱黏合，制成的非織造復合材料成本低、質量輕、可回收且吸聲效果良好[18]。通常市售的隔聲氈大多采用針刺工藝，產品規(guī)格為500~800 g/m2，主體原料為廢纖維(包括一般紡織廠生產所留下的下腳料)，通過向其中加入部分熱熔粉或熱熔纖維后加熱、模壓制成；還有使用浸漬法+化學黏合劑法，經烘干、模壓制成；也有采用兩層薄型針刺非織造材料或熱軋非織造材料，與聚氨酯泡沫塑料經模壓后復合而成[19]。

4.2.1.2熔噴工藝

熔噴非織造材料具有纖維細、材料比表面積大、孔隙小、孔隙率大等特點，因而也被用于降噪材料領域，但其厚度有限，只能通過與其他非織造材料復合達到更好的降噪效果。

典型應用便是美國3M公司近年推出的“新雪麗”降噪材料。其在熔融噴絲過程中，從側面吹入約35%(質量分數)的聚酯短纖，制成的材料具有優(yōu)良的彈性回復性、吸聲隔聲性、絕熱性、疏水性等，降噪效果顯著[20]。南通麗洋新材料開發(fā)有限公司生產的SAP系列汽車降噪材料，也是熔噴工藝在降噪非織造材料上應用的典型例證。其利用超聲波軋點技術，在熔噴非織造材料的上、下表面各覆蓋一層聚丙烯紡黏非織造材料，外層紡黏非織造材料主要用于保護內層熔噴非織造材料不受污染和損壞，整個材料結構穩(wěn)固、不易變形，吸聲性能良好[21]。

4.2.1.3熱黏合工藝

日本尼桑公司采用內含異形截面纖維的混合原料，經熱黏合法制成纖維線密度不超過0.555 tex的非織造材料，制成品平均密度為0.02～0.20 kg/m3，具有良好的吸聲效果，可用作汽車內部襯墊材料。專利CN200410056811.X[22]介紹了一種汽車內部設備用吸聲材料，其由纖維毛氈(質量分數為80%~90%)和固化劑(質量分數為10%~20%)兩部分組成，其中纖維毛氈由天然纖維、再利用纖維、聚烯烴類原始纖維和無機纖維中的一種或多種組成，固化劑由六游離酚、三聚氰胺、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯和苯酚環(huán)氧樹脂中的一種或多種組成。含固化劑的纖維毛氈在一定溫度的烘箱中固化成型，最后為保持毛毯形狀還對其進行了冷卻處理。

4.2.2發(fā)展趨勢

事實證明，任何材料如果一直走單一的結構模式，其發(fā)展必會遇到很大的困難。降噪非織造材料也是如此。

巴黎工業(yè)亞麻技術公司利用50%(質量分數)的聚丙烯纖維和50%(質量分數)的亞麻纖維制成了汽車門內飾板。這種內飾板在發(fā)生事故時不易受損，且能使最終產品的質量減輕20%，有效降低了油耗，并使汽車更符合生態(tài)要求[23]。專利CN200380110744.9[24]中提及的吸聲非織造材料由基片和上下兩層覆蓋片經熱壓點黏合而成，其中基片為熔噴法制造的超細纖維(聚丙烯超細纖維平均直徑為2 μm、聚酯超細短纖維平均直徑為25 μm)非織造材料，覆蓋片主要由聚酯(即聚對苯二甲酸乙二醇酯、改性聚酯)和少量作為著色材料的炭精塊、氧化鈦組成。該吸聲材料不僅具有傳統非織造材料對中高頻的吸聲性能，且在600～1 800 Hz頻段也顯示了優(yōu)異的吸聲效果。專利CN200410094205.7[25]對發(fā)動機產生的噪聲進行了分析，發(fā)現當發(fā)動機產生的噪聲接觸到儀表板時，聲壓在儀表盤的中心處最高，向外逐漸減小，這就要求距發(fā)聲源越近的材料，其吸聲性能應更好。據此，該專利設計了一款由高密度層和低密度層層壓而成的吸聲材料，其中高密度層由低熔點滌綸(4.5 dtex，質量分數為30%)和常規(guī)滌綸(6.7 dtex，質量分數為70%)經針刺而成，低密度層由低熔點滌綸(4.5 dtex，質量分數為30%)、常規(guī)滌綸(3.3 dtex，質量分數為50%)和常規(guī)滌綸(6.7 dtex，質量分數為20%)經針刺而成。專利CN20071003054.8[26]公開了一種高性能吸聲材料的制備方法。該吸聲材料每10 mm的厚度由3~8層、面密度為10 g/m2的丙綸紡黏非織造材料和夾在其間的立體網狀纖維層構成，而網狀纖維層又由1.1 dtex普通滌綸短纖(質量分數為45%~65%)、16.7 dtex普通滌綸短纖(質量分數為20%~40%)和1.7 dtex熱熔滌綸短纖(質量分數為5%~20%)共同組成。鋪好的材料于烘箱中加熱定型，最后再在-10~10 ℃的模具中冷壓定型。吸聲材料的厚度可根據需要自行調整。由該法制得的吸聲材料高頻吸聲系數優(yōu)異，厚度10 mm、面密度200 g/m2的材料在5 kHz時吸聲系數可達0.92。

5結語

隨著交通及汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展，車用降噪非織造材料的開發(fā)和應用得到了極大的推動。開發(fā)適合國內道路狀況及國產汽車的高附加值非織造降噪產品，以含先進技術的國產非織造材料替代進口產品，打破國外在此領域的長期壟斷，徹底改變我國在高效降噪非織造材料領域長期依賴進口的現狀，大大降低汽車制造成本，拓寬非織造材料應用領域，意義重大。我國紡織企業(yè)應充分發(fā)揮后發(fā)優(yōu)勢，積極向車用降噪非織造材料領域進軍，以滿足交通及汽車工業(yè)高速發(fā)展的需要，為推動我國非織造材料產品結構調整做出貢獻。

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防止霧霾人人有責

綠色生活人人共享

Interior noise analysis and production process research of nonwovens for vehicle noise reduction

BaiYuan,LinNa,NiuLingpeng

Textile Science and Technology Institute of Shaanxi Province， Xi’an 710038, China

Abstract:The harm of interior noise and the deficiency existing in interior noise control of China were analyzed, and the necessity and urgency of the interior noise control were proposed. Through systematically analyzing the composition, generation and control methods of the interior noise, the effectiveness of the interior noise control with nonwovens was pointed out, and the present research situation and development trend of fibers and production processes on vehicle noise reduction with nonwovens were analyzed.

Keywords:interior noise, control, noise reduction, nonwovens, production process

中圖分類號：TS176.9

文獻標志碼:A

文章編號：1004-7093(2016)01-0001-05

作者簡介：白媛，女，1985年生，助理工程師，主要從事汽車車內降噪非織造材料的研究

收稿日期：2014-12-30修回日期：2015-10-21