用于车辆NVH应用的新型环保材料的声学研究

车辆制造商正在寻找对其产品中所用材料的环保替代品，易于回收的材料更是作为优选。天然材料被认为减少了对石油及其产品的工业依赖，是对车辆结构中现有的噪声抑制材料而言环保的最佳替代物。

本期分享爱沙尼亚首都塔林最古老和规模最大的大学- 塔林理工大学（Tallinn University of Technology，简称TTU）机械与工业工程的Hans Rämmal和Jüri Lavrentjev发表在《Materials Today: Proceedings》上的论文《Acoustic studyof novel eco-friendly material for vehicle NVH Applications》。本文介绍的新型环保声学材料经过声学表征，并在头盔噪声控制应用中进行了测试与验证。点击文末阅读原文查看论文全稿。

摘要：本文提出了一种新型的环保吸音材料，专门用于车辆的噪声吸收和隔音应用，并对其声学特性进行了研究。首先，介绍了相对较轻和较软的材料的一般物理性能。提供扫描电子显微镜（SEM）成像结果以暴露具有纤维性质的材料的内部结构，该材料由网状天然皮革胶原基泡沫组成。

本文的主要部分是对这种新型材料进行了完整的声学研究，并介绍了通过实验确定此类材料的主要声学特性的适用方法。在测量程序之后，分析了特性并从实验中获得了结果。

最后，通过安装在摩托车头盔内的应用测试验证了材料的声学效果。声学研究的结果表明，该材料适用于多种车辆NVH实施方案，因为它们需要吸收和隔离噪声。

图文快览


由网状天然皮革泡沫组成的新型吸收材料的图像。绝缘层10mm大约放大4倍（a），内部结构放大200倍（b），内部结构放大1000倍（c），内部结构10000X放大（d）


从较大的材料样本上切出六个圆型测试样品，用于在阻抗管中进行测试


阻抗管测试仪用于确定安装在管子末端处的刚性封闭的测试样品架上的多孔材料样品的吸声系数（右侧图像）


实验室的测试设备专为确定材料的吸隔声特性而规划和设计


声学实验室的测试设备旨在确定吸声和隔声材料的声学特性，包括全向声源（LS），安装在三脚架上的麦克风（M）和通过通用胶带固定在地面上的材料样本层（S）。这些照片展示了在吸音系数确定实验期间固定在地板上的新型声学材料的布局


在使用全向声源（LS），三脚架安装的1/2英寸麦克风（M）和声场扩散器进行声传输指数确定实验期间，在声源室（此处所示）和接收器室之间测试了多孔材料层样品（S1）（R）


在传声指标实验中，多孔材料层固定在混响室之间。从源房间侧（左）和接收室侧（右）看已安装的材料，在标准开口处展示了金属线支撑框架和木质插入物结构


用于实验的模块化头盔类型（左侧2个图像）以及未安装（左侧图像）和（右侧图像）安装了隔音材料的头盔在骑车者耳朵周围的区域


电容式麦克风安装在头盔上，指向左耳（左）的开口。一辆经典的运动自行车（本田CBR1000F，中间图片）是由身高1,84m的骑手戴上测试头盔驾驶的，该测试头盔在不进行公共交通的直路段道路测试中带有和不带有吸收材料插入物（右）

测试与验证结果

通过阻抗管法实验确定的新材料层的吸声系数如图所示。根据ISO 10534-2：1998，该材料的加权吸声系数为0.20（H），表明中等吸声等级E。从混响室实验获得的吸音系数结果如图所示。通过两种不同的测量技术获得的结果之间具有很好的相关性。两条吸音系数曲线在大约2000Hz时均接近0.70的相当好的值，对于这种相对薄的材料层而言是合适的。


通过标准阻抗管方法实验确定的材料（蓝色实线）的吸音系数，并根据标准与参考曲线（红色虚线）进行比较


在混响室内通过实验确定的材料的吸音系数，并根据标准以1/3倍频程中心频率表示

下图显示了通过实验确定的由每体积2％和4％的基础材料组成的声学材料层的传输损耗特性。考虑到类型，TL结果显示出足够的隔音性能，达到大约12dB。


材料的TL特性是通过标准的双腔室方法确定的，材料层密度为4％的被研究层（蓝色实线）和材料密度为2％的比较层（红色虚线）


以90km/h的骑行速度在摩托车头盔内部测得的A加权声压级：（带红色虚线），无材料插入物（蓝色实线）


以110 km/h的骑行速度在摩托车头盔内部测得的A加权声压级：（红色虚线），无插入材料（蓝色实线）

可以预期，具有较高密度（4％）和较低孔隙率的材料几乎可以在整个研究频率范围内提供约2dB的较高噪声隔离。尽管在125Hz和200Hz处有一些峰值，该材料仍提供了相对独立于频率的传输损耗特性，通常对于宽带噪声（例如，汽车轮胎–道路噪声和空气动力学产生的噪声）控制应用而言更为可取。


骑行时头盔内装的材料的消音效果：90km/h（红色实线）和110km/h（绿色虚线）

从头盔内噪声测量获得的声压级结果清楚地表明，新材料具有抑制骑行者耳朵最关键区域内模块化头盔内部主要由空气动力引起的噪声级的能力。上图清楚地显示了头盔内部材料插入物的消音效果，在两个骑行速度上几乎类似，从几dB的低频处到高频区出色的20 dB。


表1中比较的A加权声压级结果也证实了通过在头盔中使用新材料插入件而产生的可观的降噪效果。

总结

本文通过实验确定了一种新型环保声学材料的吸声和隔音性能，为该材料的声学表征提供了完整的数据。

通过比较两种标准方法（阻抗管方法和混响室方法）来测量吸音系数，结果显示出良好的相关性，并且材料具有足够的吸收噪声的能力。通过确定标准的TL特性，证明了该材料适用于隔音应用。

还已经证明，通过将新材料装入骑手耳朵周围的关键区域，可以在很大的频率范围内显着降低摩托车头盔内的噪音水平。