车用声学材料隔声性能测试方法研究

车用声学材料隔声性能测试方法研究
侯兆平;莫天石;付年;郭名权
【摘要】混响室-消声室法是衡量声学隔声性能的重要方法,但声学实验室造价昂贵,且移动不便,所以可移动式的小型声学实验室的研发以及其测试能力的验证是非常必要的.本文使用混响室-消声室法与基于混响室-消声室原理设计的的Alpha舱法分别测试汽车地毯总成样件插入损失,并通过SEA法仿真计算该样件的插入损失,对这三种结果进行对比分析.结果表明,Alpha舱法测试结果与仿真结果更为接近,在800-4000Hz的中高频段内能较准确反映材料的隔声性能.结论可为相关企业选择检测材料声学性能的方法提供参考.
【期刊名称】《汽车科技》
【年(卷),期】2019(000)005
【总页数】5页(P55-58,54)
【关键词】混响室-消声室;Alpha舱;SEA法;插入损失
【作者】侯兆平;莫天石;付年;郭名权
【作者单位】上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州545000;中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司,天津300000;上汽通用五菱汽车股份有限公司,柳州545000;湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司,长沙410000
【正文语种】中文
【中图分类】U467.493
混响室-消声室法测量声学零件的插入损失在国内外学者对声学包零件隔声性能分
析上得到了广泛的应用。

相比于阻抗管隔声测试的声源垂直入射，混响室-消声室
法的声源无规入射，能够将被测样件的结构特性和材料不均匀性的影响考虑进去，更符合声学零件的实际使用情况。

PengCheng[1]、邓江华[2]、侯兆平[3]、姜东
明[4]等使用混响室-消声室法对整车前围隔声性能进行研究，测试结果与仿真计算值误差均在3dB以内，且趋势一致。

李鸿顺[5]、王志瑾[6]等使用混响室-消声室
法对材料级平板件的隔声性能进行研究，得到平板件的隔声性能与结构参数的关系，周晓琴[7]利用混响室-消声室方法对小试件进行隔声量测试，并将隔声量高的材料用于发动机隔声罩，在整车降噪上取得较满意的效果。

混响室-消声室法虽然有许多优势，但混响室和消声室造价高，体积大，移动不便，同时对测试样件要求较高，对不同的样件需要做不同的工装，而且整车上的很多零件很难做到满足混响室标准的样件，如汽车的座椅、仪表板等。

基于混响室-消声
室原理设计的Alpha 舱则能较好地解决上述问题，但由于其应用尚未普及，也没
有统一的测试标准，对于其测试结果能否准确反映材料的声学性能有待进一步的论证。

本次研究借助的Alpha 舱是基于混响室-消声室原理开发的一款设备，内部开辟两个声学舱--混响舱和消声舱，成本比修建两个声学实验室要低廉许多，且移动方便，可以测量声学材料的吸声系数和插入损失。

对混响室-消声室法与Alpha舱法测试地毯总成平板件的插入损失做比较，并结合SEA仿真计算值，对Alpha舱法测试结果做系统的分析，结果表明Alpha舱法在800-4000Hz的中高频段内能较准确反映材料的隔声性能。

1 测试机理
声学包的插入损失IL是指一个系统中放入被测样件前后声传递损失的差值[8]，见
式(1)。

声传递损失STL指入射到被测样件的声功率级减去透射过被测样件的声功率级[9]，见式（2）。

其中，STL1为放入被测样件前的声传递损失，STL2为放入被测试件后的声传递损失，Wi为入射声功率，Wt为透射声功率。

混响室-消声室法是将测试样件安装在混响室和消声室之间的隔墙窗口上，以混响室作为发声室，声源放置其中，消声室作为受声室[9]。

在混响室中，声场近似于混响声场，声音随机入射到被测样件中，可以通过混响声场的平均声压来计算入射声功率：
其中p2 是混响室的多点声压均方根值，S是被测样件面积，ρ空气密度，c是声速。

在受声室中可以通过声强来计算透射声功率：
其中，I为被测样件在受声室侧的声强，通过声强计用扫描法或固定测点法测出。

将（3）和（4）式代入（2）式，将空气密度ρ=1.18kg/m3 和声速c=344m/s 代入，得到混响室-消声室中被测试件的声传递损失：
其中Lp=10lg(p2/p02)是混响室的平均声压级，LI=10lg(I/I0)是消声室的平均声强级，参考声压p0=2×10-5 Pa，参考声强I0=10-12W/m2。

为了研究方便，减少不必要的误差，本文研究采用的实验样件是与地毯总成同样材质的平板件，面积为1.2m2,组成平板件的EVA和PU材料都是典型的汽车声学包材料，有利于切合生产实际，材料具体参数见表2。

2 测验设备和方法
表1 测试设备参数
2.1 混响室-消声室法
实验参考SAE J1400-1990[10]，测试使用BK传声器和无指向体积声源，超声波测漏仪（检测边缘是否有泄漏）和BK-LANXI数据采集系统。

使用工装将样件固定在混响室和消声室之间的墙体试件窗口,如图1所示。

使用超声波测漏仪对工装与窗口搭接处进行扫描，使用阻尼板对泄漏处进行密封处理，直到没有泄漏为止；同时为了消除高频声在样件搭接处的反射和折射影响，在消声室侧搭接处加上吸声体。

处理后的样件如图2所示。

测试样件面积较小且规则，故采用逐点扫描法测试消声室侧的声强。

图1 混响室-消声室示意图
图2 处理泄露后的样件
2.2 Alpha舱法
本实验与上一实验使用的样本为同一样本。

实验参考GB/T 19889.3-2005[11]。

本实验使用的Alpha舱，内部分两个舱（混响舱和消声舱），中间有一个窗口用于放置试件，类似于一个缩小版的混响室-消声室。

将样件放置在中间窗口，用密封膏填充样件与窗口的间隙，如图3所示：
图3 Alpha舱内的样件
3 SEA法仿真分析
整车声学包吸隔音材料主要用于改善车内中高频噪声环境，SEA法在90年代开始在分析汽车的中高频噪声上广泛应用，至今仍然是指导整车声学包开发设计的重要工具[12]。

对于平板件的插入损失，VA One软件利用SEA法仿真计算的结果在理论控制区与质量定律计算值比较一致、在高频区域与试验值比较一致[13]，所以本文利用VA One软件建立相应的平板件模型，计算模型的插入损失，并分析仿真值与两种实验值的差异。

仿真所需的材料参数，经专业机构检测，如下表2：
表2 各层材料属性
在VA One软件中直接建立模型，使用上表的参数在软件定义每层材料的物理特性。

在模型两侧分别创建两个声腔，模拟混响场和自由场，分别作为声源室和接收室，并对这两个声腔进行仿真分析，计算出中间样件的插入损失，分析模型如图4所示：
图4 SEA分析模型
4 结果分析
将实验插入损失值和仿真插入损失值做对比，如图5所示：
图5 试验插入损失值与仿真值对比
从图中可以看出，两种实验方法和仿真计算所得结果趋势一致，得到的平板件吻合频率基本一致，混响室-消声室法测试值在630Hz之前的1/3倍频带，插入损失
较高，与Alpha 舱法测试值和仿真值的误差较大。

混响室-消声室法与Alpha 舱法测插入损失，测试结果在800-4000Hz频段内误
差小于3dB的点占63%，800Hz以下的低频区误差较大。

这主要是因为Alpha
舱体积小，低频混响场的扩散效果较差，但体积小更容易激发更多中高频模式波，使得中高频声场的传播和相位无规性加大，更加符合扩散声场的特性，所以理论上Alpha舱中高频的测试结果较准确。

混响室-消声室法测试值在4000Hz后大于仿真值，主要是因为样件PU发泡厚度
过大，样件在4000Hz后的隔声性能超出了混响室的测试范围，故该频段后的测
试结果误差较大，仅作参考。

相比于混响室-消声室法测试值，Alpha舱法测试值更接近SEA仿真值，在
800Hz以下的1/3倍频带与仿真值一致性很好，800-4000Hz的中高频段两者误
差均满足±3dB的误差标准。

误差产生原因主要是实验时的边界条件是近似自由的，混响室和消声室分别是近似的扩散声场和自由声场，而仿真时边界条件是完全自由
的，建立的声学模拟场都是理想声场。

5 总结
本文使用混响室-消声室法与基于混响室-消声室原理设计的的Alpha舱法分别测试汽车地毯总成样件的插入损失，并通过SEA法仿真计算该样件的插入损失，对这三种结果进行对比分析：
（1）Alpha舱测试值在低频区域与混响室-消声室法测试值相差较多，但插入损失的变化趋势一致。

（2）Alpha舱测试值与SEA仿真计算值在800-4000Hz频段内具有较好的一致性，与混响室-消声室法测试值的误差大部分满足要求，该频段测试结果准确度较高。

（3）车用声学材料在800-4000Hz频段内的声学性能是整车声学包开发工程师改善车内噪声环境时非常关注的重要频段，Alpha舱测试结果在该频段内可以较准确反应材料的隔声特性。

专家推荐
罗成：
作者利用Alpha 舱改进了混响室-消声室法在应用中成本偏高、非标准件不适用的问题，并通过实验和计算模拟相结合的手段，验证改进后测试方法的准确性。

改进过程、实验设计过程符合一般科学原理。

【相关文献】
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