Как автомобильные акустические материалы улучшают комфорт в салоне | Руководство по NVH

Как автомобильные акустические материалы повышают комфорт в салоне

Для инженеров автомобильных OEM-производителей и поставщиков первого уровня комфорт в салоне — это не просто снижение уровня шума на несколько децибел.

Эффективная акустическая инженерия в автомобиле начинается с трех фундаментальных вопросов:

• Откуда этот шум?
• Как оно попадает в салон?
• Какое материальное или конструктивное решение лучше всего подходит для контроля этого явления?

В автомобильной инженерии шум и вибрация (NVH) обычно достигают салона автомобиля двумя основными путями:

• Воздушный шум
• Структурный шум

Понимание разницы между этими двумя путями передачи звука имеет важное значение при выборе автомобильных акустических поглотителей, изоляционных материалов, демпфирующих слоев, развязывающих элементов и многослойных акустических систем.

Быстрый ответ

Автомобильные акустические материалы повышают комфорт в салоне, контролируя звук и вибрацию с помощью нескольких различных механизмов.

Пористые волокнистые материалы в основном используются для поглощения звука, распространяющегося по воздуху.

Демпфирующие материалы помогают снизить вибрацию панелей.

Звукоизоляционные слои снижают передачу звука.

Разделяющие материалы помогают ограничить передачу вибрации между конструкциями.

В реальных условиях эксплуатации автомобилей эти функции часто объединяются в единый акустический пакет, а не полагаются на один материал для решения всех проблем, связанных с шумом и вибрацией.

1. Что такое автомобильный NVH (шум, вибрация и жесткость)?

Аббревиатура NVH означает:

• Шум
• Вибрация
• Резкость

В совокупности эти факторы оказывают сильное влияние на то, как водители и пассажиры воспринимают комфорт и качество автомобиля.

Шум

Шум — это звук, который слышат пассажиры транспортного средства.

Типичные источники автомобильного шума включают:

• Шум от шин и дороги
• Шум ветра
• Шум двигателя
• Шум электродвигателя
• Визг шестерни
• шум от системы отопления, вентиляции и кондиционирования
• Шум системы охлаждения
• Излучение от панелей для тела

Различные частотные диапазоны создают совершенно разные субъективные впечатления.

Низкочастотный шум может восприниматься как:

• растущий
• урчание
• монотонное бормотание

Высокочастотный шум может восприниматься как:

• нытье
• шипение
• резкий тональный шум
• высокочастотный шум электродвигателя

Именно поэтому общий уровень звукового давления сам по себе не может в полной мере описать акустические качества салона.

Вибрация

Вибрация возникает в результате механического возбуждения.

Типичные источники включают в себя:

• Взаимодействие шины и дороги
• движение подвески
• возбуждение силовой установки
• Электродвигатели
• Системы передач
• Структурный резонанс

Эти вибрации могут распространяться через:

• Компоненты подвески
• Подрамники
• Шасси
• Кузовные панели
• Направляющие сиденья
• Системы рулевого управления

Некоторые вибрации непосредственно ощущаются пассажирами.

Другие воздействуют на кузовные панели, которые затем излучают звук в салон.

Резкость

Понятие "жесткость" относится скорее к субъективному восприятию вибрации и качества звука транспортного средства, чем к какому-либо одному физическому параметру.

Примеры включают в себя:

• Сильные удары при движении по неровностям дороги.
• Чрезмерная низкочастотная вибрация
• Шум в кабине автомобиля на определенных скоростях.
• Неприятный структурный резонанс

Таким образом, цель качественной работы в области NVH-проектирования состоит не в устранении всех звуков.

Это необходимо для контроля нежелательной акустической и вибрационной энергии.

2. Как шум проникает в салон автомобиля?

С точки зрения путей передачи, шум в салоне автомобиля, как правило, можно разделить на две основные категории:

Воздушный шум

и

Структурный шум

Эти два механизма требуют различных стратегий управления.

3. Что такое воздушный шум?

Воздушный шум — это звуковая энергия, которая распространяется преимущественно по воздуху, прежде чем достичь салона автомобиля.

Например, взаимодействие шины с дорогой генерирует акустическую энергию в области колеса.

Часть этого звука распространяется по воздуху и может проникать в автомобиль через пол, колесные арки, двери или другие элементы кузова.

Аналогичным образом, вентиляторы систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха создают звук, который распространяется непосредственно по воздуховодам и салону автомобиля.

К типичным источникам шума в воздухе относятся:

• Шум ветра
• Шум от излучения шин
• шум от системы отопления, вентиляции и кондиционирования
• Охлаждающий шум вентилятора
• Внешний шум от дорожного движения
• Некоторый шум электродвигателя
• Некоторый шум в трансмиссии

После того как звуковой сигнал попадает в салон, он может многократно отражаться от внутренних поверхностей.

Если в салоне автомобиля недостаточно звукопоглощающих материалов, звуковая энергия может продолжать отражаться от таких мест, как:

• крыша
• Хедлайнером
• Двери
• Главная
• Этаж
• Хобот

Это увеличивает акустическую энергию, воспринимаемую находящимися в помещении людьми.

Именно поэтому звукопоглощающие материалы широко используются в салоне автомобиля.

4. Как волокнистые автомобильные акустические материалы поглощают звук?

Волокнистые акустические материалы из полипропилена/полиэтилена (PP/PET) представляют собой типичные пористые звукопоглотители.

Когда звуковая волна проникает в волоконно-оптическую сеть, частицы воздуха перемещаются через сложную пористую структуру.

В ходе этого процесса акустическая энергия снижается за счет таких механизмов, как:

• Трение между воздухом и волокнами
• Вязкие потери
• Теплообмен
• Рассеивание энергии, вызванное потоком воздуха через пористую сеть.

Небольшая часть акустической энергии в конечном итоге преобразуется в тепло.

В результате в салон отражается меньше звуковой энергии.

Это основной принцип работы волокнистых автомобильных акустических поглотителей.

5. Почему одной лишь толщины недостаточно?

Распространенное заблуждение заключается в том, что более толстый акустический материал всегда демонстрирует лучшие характеристики.

В действительности звукопоглощение в автомобилях зависит от многих параметров, в том числе:

• Толщина
• Базовый вес
• Плотность
• диаметр волокна
• Структура волокна
• Пористость
• Сопротивление воздушного потока
• Коэффициент сжатия
• Условия установки
• Целевой диапазон частот

Одним из важнейших параметров является сопротивление воздушному потоку.

Если материал слишком пористый, звук может легко проходить сквозь него, но взаимодействие между движущимся воздухом и волоконной сетью может быть недостаточным.

Если материал слишком плотный, то слишком много звука может отражаться от поверхности, а не проникать в пористую структуру.

Таким образом, для высокоэффективных акустических материалов необходим надлежащий баланс между:

Пористость, структура волокон и сопротивление воздушному потоку.

6. Что такое структурный шум?

Структурный шум возникает в результате механической вибрации, передаваемой через конструкцию транспортного средства.

Типичный пример:

возбуждение дороги

↓

Вибрация шин

↓

Подвеска

↓

подкадр

↓

Кузов автомобиля

↓

Вибрация кузова

↓

Звуковое излучение в салон

Последний звук, возможно, всё ещё слышен в воздухе, но первоначальный путь передачи был структурным.

В этом и заключается ключевое различие между шумом, распространяющимся по зданиям, и шумом, распространяющимся по воздуху.

7. Почему акустическое волокно не может решить все проблемы, связанные с шумом, передаваемым от конструкций?

Это одно из важнейших отличий в автомобильной акустической инженерии.

Пористое акустическое волокно в основном предназначено для поглощения звуковой энергии, передаваемой по воздуху.

Если основная проблема заключается в сильной вибрации дверной панели, панели пола, рулевой рубки или другого конструктивного элемента, то добавление большего количества акустического волокна само по себе не устранит первопричину.

Для подавления структурного шума обычно требуется сочетание нескольких методов контроля.

Демпфирующие материалы

Демпфирующие слои используются для снижения амплитуды вибраций в металлических или композитных панелях.

Типичные области применения включают в себя:

• Внешние панели двери
• Панели пола
• зоны рулевой рубки
• Панели багажника
• Листовой металл корпуса

Разделяющие материалы

Разделяющие слои помогают уменьшить механическую связь между конструкциями.

Они также важны в многослойных акустических системах, где требуется гибкий слой между барьером и кузовом транспортного средства.

Барьерные материалы

Звукоизоляционные слои используются для снижения звукопередачи.

Как правило, для уменьшения потерь при передаче они используют большую поверхностную массу или многослойную конструкцию.

Поглощающие материалы

Звукопоглощающие слои снижают уровень звуковой энергии, передаваемой по воздуху, после того, как эта энергия достигает салона или акустического блока.

В практическом проектировании транспортных средств эти функции часто комбинируются следующим образом:

Демпфирование + Разделение + Барьер + Поглощение

8. Воздушный шум и шум, распространяющийся от зданий, часто взаимосвязаны.

В реальных условиях эксплуатации транспортных средств механизмы передачи шума и вибрации (NVH) не являются полностью независимыми.

Например:

Сначала происходит возбуждение дорожного покрытия, вызывающее механическую вибрацию.

Эта вибрация передается через подвеску и конструкцию кузова.

Затем происходит возбуждение кузовной панели.

Вибрирующая панель излучает звук в воздух салона.

Таким образом, полный путь может выглядеть следующим образом:

Дорожное возбуждение

↓

Вибрации, возникающие в результате воздействия конструкции

↓

Вибрация панели корпуса

↓

Воздушное звуковое излучение

↓

Восприятие пассажиров

По этой причине инженеры OEM-производителей, специализирующиеся на шуме, вибрации и жесткости, не ограничиваются вопросом о том, связана ли проблема с воздушным потоком или со структурой конструкции.

Они должны понимать:

• Какой источник является доминирующим?
• Какой из путей передачи вносит наибольший вклад?
• Какой частотный диапазон нуждается в улучшении?

9. Для разных частотных диапазонов требуются разные стратегии снижения шума и вибрации.

Ни один материал сам по себе не может эффективно решить все проблемы, связанные с шумом, во всем частотном спектре.

Для разных частотных диапазонов обычно требуются разные инженерные стратегии.

Низкая частота

Проблемы, возникающие на низких частотах, часто связаны со следующими факторами:

• Режимы тела
• Структурная вибрация
• Резонанс панели
• Возбуждение суспензии
• возбуждение силовой установки

Серьезные проблемы на низких частотах, как правило, не могут быть решены одними лишь легкими пористыми поглотителями.

Типичные решения могут включать в себя:

• Структурная оптимизация
• демпфирование
• Виброизоляция
• Оптимизация монтажа
• Оптимизация жесткости тела

Средняя частота

Для подавления шума средней частоты часто требуется сочетание следующих факторов:

• демпфирование
• Развязка
• Производительность барьера
• Звукопоглощение

Средне-высокочастотный

Волокнистые пористые поглотители особенно полезны в средне- и высокочастотном диапазоне.

Их акустические характеристики можно настроить, отрегулировав:

• Толщина
• Базовый вес
• Структура волокна
• Сопротивление воздушного потока

Именно поэтому автомобильные акустические материалы не следует оценивать по одному единственному показателю звукопоглощения.

Полная кривая поглощения в соответствующем диапазоне частот гораздо более информативна.

10. Почему электромобили меняют требования к звукоизоляционным материалам?

Электромобили не упрощают проектирование систем снижения шума и вибрации.

Они изменяют спектр шума.

В автомобилях с двигателями внутреннего сгорания шум двигателя создает относительно сильный фоновый звук, который может заглушать другие источники шума.

В электромобилях этот маскирующий эффект снижен.

В результате ранее менее заметные звуки могут стать более отчетливыми, в том числе:

• Шум шин
• Дорожный шум
• Шум ветра
• Свист электродвигателя
• Шум шестерни
• Тональный шум инвертора
• шум от системы отопления, вентиляции и кондиционирования
• Шум системы охлаждения

Поэтому в акустическом дизайне электромобилей больше внимания уделяется следующим аспектам:

• Широкополосное звукопоглощение
• Контроль шума в средне- и высокочастотном диапазоне
• Облегчение
• Интеграция материалов
• Локальная акустическая оптимизация

11. Почему легкие акустические материалы приобретают все большее значение?

Добавление большего количества материалов, снижающих шум и вибрацию, может улучшить акустические характеристики.

Однако добавление материала также увеличивает массу автомобиля.

Это может напрямую повлиять на:

• Масса автомобиля
• Потребление энергии
• Запас хода электромобиля
• Стоимость производства
• Сложность сборки

Поэтому цель состоит не просто в добавлении большего количества материала.

Цель состоит в достижении требуемых акустических характеристик при меньшем весе и меньшей занимаемой площади.

Это одно из главных преимуществ волокнистых автомобильных акустических материалов.

Путем корректировки:

• Состав волокна
• Базовый вес
• Толщина
• Плотность
• Структура слоев

Данный материал может быть оптимизирован для различных мест применения и платформ транспортных средств.

12. Где используются автомобильные акустические материалы?

Для разных зон салона транспортного средства предъявляются разные акустические требования.

Крыша и потолочная обшивка

Типичные проблемы включают:

• Шум ветра
• Реверберация в салоне
• шум от удара дождя
• Широкополосное звукопоглощение

Низкий вес особенно важен в этой области.

Двери

На работу дверных систем могут влиять следующие факторы:

• Внешний шум, распространяющийся по воздуху
• Вибрация дверной панели
• Резонанс полости
• Взаимодействие говорящих

По этой причине дверные акустические системы часто требуют как поглощения звука, так и контроля структурных вибраций.

Область брандмауэра и панели управления

Это одна из важнейших зон контроля шума и вибрации.

Типичные источники шума включают:

• шум силового агрегата
• Дорожный шум
• шум от системы отопления, вентиляции и кондиционирования
• Структурное излучение

В данном случае обычно используются многослойные акустические системы, а не однослойные поглотители.

Этаж

Типичные проблемы включают:

• Воздействие шины на дорогу
• Шум подвески
• Шум под днищем
• Структурная вибрация

К распространенным системам акустической защиты пола могут относиться:

Поглотитель + Разделитель + Барьер

с локальным демпфированием там, где это необходимо.

Колесная арка

Область колес является одним из наиболее важных источников шума в автомобиле.

При выборе используемых здесь акустических материалов может потребоваться учесть следующие моменты:

• Шум шин
• возбуждение дороги
• Удар камня
• Воздействие воды
• загрязнение

Следовательно, при выборе материалов необходимо также учитывать:

• Влагостойкость
• Долговечность
• Устойчивость к загрязнению

Хобот

Воздействие задних колес и задней части кузова может передавать значительную акустическую энергию в полость багажника.

Звукопоглощающие материалы могут уменьшить отражение звука от стенок полости и помочь ограничить дальнейшее распространение звука в сторону пассажирского салона.

Столбы и полости тела

Полости в транспортных средствах могут служить путями передачи звука.

Правильное использование:

• Акустические поглотители
• Заполнение полостей
• Системы уплотнения

может снизить передачу звука через эти области.

13. Какие параметры материалов должны оценивать инженеры-производители оригинального оборудования?

Автомобильные акустические материалы не следует оценивать только по тому, насколько хорошо они «поглощают звук».

Более полная оценка должна включать следующие параметры.

Acoustic Performance

• Коэффициент звукопоглощения
• Частотно-зависимая кривая поглощения
• Сопротивление воздушного потока
• Сопротивление воздушному потоку

Физические свойства

• Толщина
• Базовый вес
• Плотность
• Восстановление сжатия
• Размерная стабильность

Экологические показатели

• Жаростойкость
• Влагостойкость
• Устойчивость к старению

Требования к автомобилям

• воспламеняемость
• показатели ЛОС
• запах
• затемнение
• Совместимость материалов

Производительность обработки

• Высечка
• термоформования
• расслоение
• Самоклеящаяся подложка
• Ламинирование алюминиевой фольгой
• Преобразование сложной формы

Стабильность

• Облегчение
• Рециркуляции
• Упрощение материалов
• Переработанный контент

14. Почему условия установки так же важны, как и данные о материале?

Один и тот же акустический материал может вести себя совершенно по-разному в различных условиях установки.

Важные факторы включают в себя:

• Воздушный зазор
• компрессия
• Подложка
• Место установки
• Geometry
• Утечка по краю
• Соседние материалы
• Многослойная конструкция

Например, материал с толщиной в свободном состоянии 20 мм может вести себя совершенно иначе, если после установки его сжать до 8 мм.

Степень сжатия может меняться:

• Пористость
• Сопротивление воздушного потока
• Эффективная толщина
• Акустические характеристики

Именно поэтому автомобильные акустические материалы не следует оценивать исключительно по лабораторным данным.

Необходимо также учитывать окончательное состояние после установки.

15. Акустические материалы для автомобилей Transulate™

Transulate ™ — это серия двухкомпонентных волоконных материалов из полипропилена и полиэтилентерефталата, разработанная компанией SINOYQX для применения в автомобильной акустической и теплоизоляции.

Данный материал предназначен для следующих применений:

• Звукопоглощение в автомобиле
• Теплоизоляция
• Легкие акустические пакеты

Типичные области применения включают в себя:

• крыша
• Хедлайнером
• Двери
• Главная
• Межсетевые экраны
• Этаж
• Хобот
• мародерство
• Внутренняя отделка

В зависимости от проекта, ключевые параметры материалов могут быть настроены индивидуально, в том числе:

• Базовый вес
• Толщина
• Плотность
• Структура волокна
• Структура ламинирования

16. Как выбрать серию Transulate™

Transulate ™ LT Series

Типичный базисный вес:

100–200 г/м²

Типичная толщина:

10 – 20 мм

Подходит для применения в легких конструкциях, таких как:

• крыша
• Хедлайнером
• Двери
• мародерство
• Внутренняя отделка

Основной упор делается на малый вес.

Transulate ™ AP Series

Типичный базисный вес:

300–500 г/м²

Типичная толщина:

20 – 30 мм

Для:

• Межсетевые экраны
• Двери
• Этаж
• Хобот
• Общие акустические пакеты

Transulate™ HP Series

Типичный базисный вес:

600–900 г/м²

Типичная толщина:

30 – 50 мм

Подходит для применений, требующих более высокого уровня звукопоглощения, и в местах с большим пространством для установки.

17. Какие дополнительные варианты обработки доступны?

В зависимости от требований OEM-производителей и поставщиков первого уровня, система Transulate™ может поставляться или перерабатываться в следующих вариантах:

• Rolls
• Листы
• Штампованные детали
• Самоклеящиеся детали
• Изделия, ламинированные алюминиевой фольгой
• нетканые изделия
• Многослойные композиты
• Подгонянная толщина
• Индивидуальный базисный вес

Окончательный выбор акустической конструкции должен осуществляться в соответствии со следующими критериями:

Целевая частота + Место установки + Доступное пространство + Целевой вес

18. В автомобильной акустической инженерии происходит переход от выбора материалов к проектированию систем.

Будущее разработки в области NVH (шум, вибрация и жесткость) в автомобильной промышленности заключается не просто в определении того, какой поглотитель обладает самым высоким коэффициентом звукопоглощения.

Наиболее важные вопросы следующие:

• Какой источник шума является доминирующим?
• Какой путь передачи данных наиболее важен?
• Какой частотный диапазон нуждается в улучшении?
• Какой материал лучше всего подходит для данного места?
• Как можно достичь целевых показателей производительности при меньшем весе?

Более эффективным процессом разработки является:

Определите источник шума

↓

Проанализируйте путь передачи.

↓

Определите целевую частоту

↓

Выберите стратегию управления

↓

Сопоставьте материал

↓

Проверка на уровне компонентов.

↓

Проверка на уровне транспортного средства

Вот как можно преобразовать эксплуатационные характеристики материалов в настоящий комфорт в салоне.

Заключение

Комфорт в салоне автомобиля определяется не одним единственным материалом.

Основной способ борьбы с воздушным шумом — это:

Звукопоглощение и звукоизоляция.

Для подавления структурного шума обычно требуется:

Демпфирование, виброизоляция, развязка и структурная оптимизация.

Волокнистые автомобильные акустические материалы играют важную роль в снижении энергии воздушного звука, ограничении отражений от салона и улучшении акустических характеристик в средне- и высокочастотном диапазоне.

Это становится еще более важным в электромобилях, где снижение уровня шума от двигателя делает более заметными шум от шин, шум ветра и тональный шум электропривода.

Одновременно с этим производители автомобилей продолжают снижать вес.

По этой причине следующее поколение автомобильных акустических систем не сводится к добавлению большего количества материала.

Это о:

Использование подходящего материала, в подходящем месте, для подходящего частотного диапазона.

Автомобильные акустические материалы Transulate™ могут быть изготовлены на заказ в соответствии с требованиями OEM-производителей и поставщиков первого уровня, включая место применения, целевую частоту, толщину, удельный вес, структуру ламинирования и годовой спрос.

Часто задаваемые вопросы

В чём разница между воздушным шумом и структурным шумом в транспортном средстве?

Воздушный шум распространяется преимущественно по воздуху, например, шум ветра, шум от систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также некоторые виды шума от автомобильных шин.

Структурный шум начинается как механическая вибрация, передаваемая через подвеску, кузов или другие конструктивные элементы, прежде чем излучаться в виде звука.

Может ли автомобильное акустическое волокно напрямую снизить уровень структурного шума?

Не полностью.

Пористые волокнистые материалы в основном поглощают звук, распространяющийся по воздуху.

Если основная проблема заключается в вибрации несущих панелей, обычно требуется дополнительное демпфирование, изоляция, развязка или оптимизация конструкции.

Какие параметры наиболее важны для автомобильных звукопоглотителей?

Важные параметры включают толщину, удельный вес, структуру волокна, сопротивление воздушному потоку, поглощающие свойства в широком диапазоне частот, условия сжатия, зазор при установке и целевой диапазон частот.

Почему легкие акустические материалы важны для электромобилей?

В электромобилях меньше маскирующего шума от двигателя, поэтому шум от шин, шум ветра, шум электродвигателя и другие высокочастотные звуки становятся более заметными.

В то же время, меньшая масса автомобиля способствует повышению энергоэффективности и увеличению запаса хода.

Где можно использовать автомобильные акустические материалы Transulate™?

Типичные области применения включают крышу, потолок, двери, перегородку моторного отсека, приборную панель, пол, багажник, стойки и внутреннюю отделку.

Окончательный выбор материала должен осуществляться с учетом необходимого пространства для установки, целевой частоты, удельного веса и толщины.