CN100578609C - 包含粘弹性泡沫的汽车前隔板隔离物 - Google Patents

包含粘弹性泡沫的汽车前隔板隔离物 Download PDF

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Abstract

本发明描述了包括粘弹性泡沫的隔音系统。隔音系统包括吸音层。吸音层可包括粘弹性泡沫。任选的屏障层邻近吸音层。另外，任选的基材层邻近吸音层，且与任选的屏障层间隔开并相对。隔音系统特别适于用作车辆前隔板垫。

Description

包含粘弹性泡沫的汽车前隔板隔离物
相关申请的交互参考
本申请要求2004年1月12日提交的U.S.临时申请No.60/535,933的优先权。在此通过参考而引入以上申请的公开内容。
技术领域
本发明一般涉及隔音系统。更特别地，本发明涉及包含粘弹性泡沫(viscoelastic foams)的隔音系统。
背景技术
汽车制造商努力降低车辆中的总体噪声和振动。限制噪声、振动和猛烈性(即，“NVH”)已成为汽车设计的重要考虑。先前，发动机噪声典型地在总体车辆噪声中占主导地位。其它噪声源，如轮胎、风和排气管，也变成与发动机噪声一样需要降低。更近来，车辆内部噪声抑制已成为消费者要求降低车辆中噪声的直接结果。
因此，人们投入显著的努力致力于车辆内部噪声的降低。这些努力之一是使用屏障(barrier)概念，也称为前隔板垫(dashmat)或前隔板隔离物(dash insulator)系统。这些前隔板垫用于降低从发动机到车辆内部的噪声。典型地，这样的前隔板垫放置在基材(substrate)上或邻近基材，该基材如驾驶室前壁(firewall)，以降低从发动机通过驾驶室前壁传到车辆内部的噪声量。对前隔板垫技术的一般描述可以在U.S.专利申请公开No.2003/0180500A1中找到，在此特意通过参考而引入该文献的整个说明书。
在先的前隔板垫典型地由断开器(decoupler)制成，通常由泡沫(平板(slab)或铸塑(cast)泡沫)和屏障物组成，典型地由热塑性聚烯烃(thermoplastic polyolefin，TPO)或乙烯醋酸乙烯酯片(ethylene vinylacetate，EVA)制成。这些前隔板垫都意欲降低总体发动机舱噪声。这样的屏障物类型前隔板垫典型地相对较重，以产生所需的噪声降低结果。
相信前隔板垫性能的相当大部分依赖于泡沫的性能。通常认为泡沫性能是泡沫的传递损失、吸收、模量和阻尼(damping)特性的函数。
更近来，使用轻质前隔板垫。轻质概念采用吸收性材料，如长弹毛棉(shoddy cotton)。此类型前隔板垫的目标是当发动机噪声从发动机舱传到车辆内部时吸收和消散发动机噪声，而不是阻断发动机噪声。这些轻质前隔板垫系统也降低车辆的总体重量。对这些类型轻质前隔板垫系统的一般描述可以在U.S.专利Nos.6,145,617和6,296,075中找到，在此特意通过参考而引入所述文献的整个说明书。
任一类型前隔板垫的主要功能是降低车辆内部的噪声水平。传统上，相信根据质量定律来阻断噪声提供最好的噪声传递损失和噪声降低。传递损失和噪声降低是用于定量化前隔板垫系统性能的典型测量参数。
尽管常规前隔板垫在降低车辆内部噪声水平方面在一定程度上是成功的，但是它们不是完全令人满意的。更具体地，隔离泡沫(即，断开器)是相对无效的，因为它不具有合适的吸收性声学性能。因此，当噪声通过前隔板垫进入车辆内部时，不管它的来源是什么，都没有被足够地阻断、消散或降低。此外，较早的隔离泡沫由于基材或屏障层的振动而在防止噪声方面不太有效。
因此，希望能提供具有提高的传递损失性能特性的前隔板垫，以便可用来在车辆运行期间降低通过驾驶室前壁而来的发动机舱噪声和从其它来源进入乘客厢的噪声。
发明内容
根据本发明的第一实施方案，提供包含吸音层的隔音系统，该吸音层的吸收系数在约0.2至约1.0的范围内，阻尼损失因子在约0.3至约2.0的范围内。
根据本发明的替代实施方案，提供包含吸音层的隔音系统，该吸音层的吸收系数在约0.2至约1.0的范围内，阻尼损失因子在约0.3至约2.0的范围内。该系统进一步包含连接到该吸音层且基本上不渗透流经的流体流的屏障层。
根据本发明的替代实施方案，提供包含吸音层的隔音系统，该吸音层包含粘弹性泡沫。该粘弹性泡沫在约1000Hz至约6000Hz的频率下的吸收系数在约0.7至约1的范围内，且阻尼损失因子在约0.4至1.6的范围内。该系统进一步包含连接到该粘弹性泡沫且基本上不渗透流经的流体流的屏障层。
附图说明
从详细描述和附图可更完全理解本发明，在附图中：
图1是根据本发明一般教导的例示性隔音系统的剖视图；
图1A是根据本发明的一个实施方案连接到基材的图1所示隔音系统的剖视图；
图2是根据本发明的一个实施方案比较例示性吸音层的正入射吸收系数特性的图示说明；
图3是根据本发明的一个实施方案确定例示性吸音层的弹性模量和阻尼的例示性测试设置的概要说明；
图4是比较根据本发明的隔音系统和常规隔音系统的传递损失特性的图示说明；
图5是比较根据本发明的隔音系统和常规隔音系统的表面重量特性的图示说明；
图6是根据本发明的一个实施方案，与预定目标分布(profile)相关而比较根据本发明的隔音系统和常规隔音系统的传递损失特性的图示说明；
图7是根据本发明的一个实施方案，比较本发明的隔音系统和常规隔音系统的平均噪声降低特性的分贝改进的图示说明；
图8是显示阻尼测试结果的图；
图9是显示阻尼测试结果的图；
图10是显示插入损失测试结果的图；以及
图11是显示阻尼测试结果的图。
具体实施方式
对优选实施方案的如下描述本质上仅是例示性的，且决不意在限制本发明、它的应用或用途。
图1是本发明一个实施方案的横截面视图。如图1所示，存在一般显示为10的隔音系统。隔音系统10优选包括多层系统。隔音系统10优选包括一般指示为12的吸音层。一般指示为14的任选屏障层优选邻近吸音层12。应当认识到，系统10优选可用以可移动地或永久地紧固或连接到一般指示为14的任选基材，如驾驶室前壁，如图1A所示。基材16优选邻近音层12并与屏障层14间隔开且相对。
系统10优选提供多层前隔板垫，该多层前隔板垫优选用于降低通过仪表面板前端(front-of-dash panel)到车辆内部的噪声传递。除噪声阻断特征以外，系统10优选通过吸声而降低车辆内部的噪声水平。另外，系统10优选可用于发动机舱以降低离开发动机舱到车辆外部的噪声。系统10也优选提高对于内部和/或外部环境的声音质量感觉。系统10也可被引入其它汽车组件，例如但不限于车轮盖板(wheel wells)的衬里、挡泥板、发动机舱、门板、车顶(如，顶衬里)、地板体处理物(如，地毯背衬)、行李箱和包装架(如，包装托盘衬里)。此外，系统10可以被引入非汽车应用。
吸音层12优选包括泡沫材料18。泡沫材料18优选包括粘弹性泡沫，更优选粘弹性柔性(flexible)泡沫，还更优选粘弹性柔性聚氨酯泡沫。粘弹性泡沫，也称为记忆(memory)或调和(temper)泡沫，基本是开孔的(open-celled)并且通常特征为在压缩之后它的缓慢恢复。
根据本发明的粘弹性泡沫在前隔板垫系统中的使用也可能用作通常称为胶泥(mastic)的振动阻尼材料的替代。
尽管粘弹性泡沫优选用于本发明的实施，但是可以单独或结合使用具有在此所述的必要性能的其它泡沫。因此，泡沫材料18可包括任何天然或合成泡沫，不论是平板的还是模塑的(molded)。泡沫材料18可以是开孔的或闭孔的或其组合。泡沫材料18可包括胶乳泡沫聚烯烃、聚氨酯、聚苯乙烯、聚酯及其组合。泡沫材料18也可包括再利用泡沫、充满泡沫的纤维垫或微孔弹性体泡沫。另外，泡沫材料18可包括有机和/或无机填料。此外，可以将另外的添加剂引入泡沫材料18中，例如但不限于阻燃剂、防雾剂、紫外线吸收剂、热稳定剂、颜料、着色剂、气味控制剂等。
根据本发明的优选实施方案，泡沫材料18具有相对高的吸收系数。不受本发明操作的特定理论的约束，相信相对高的吸收系数会通过声音在泡沫材料18中的消散而增加总体传递损失。
图2显示各种泡沫的吸声。VE表示粘弹性泡沫。PCF是以lb/ft3计的密度量度。所使用的特定VE泡沫是FOAMEX H300-10N。平板泡沫是三聚氰胺而铸塑泡沫是聚氨酯泡沫。根据本发明的优选实施方案，泡沫材料18的吸收系数约为0.2或更大，更优选约0.4或更大，还更优选约0.7或更大，最优选约1.0。在最优选的实施方案中，在约1000Hz至约6000Hz的频率下吸收系数在约0.7至1的范围内。
根据本发明的优选实施方案，泡沫材料18具有相对低的弹性模量。不受本发明操作的特定理论的约束，相信相对低的弹性模量允许泡沫材料18更均匀地接触基材16(如，驾驶室前壁或车辆钢结构)，并防止侧面噪声进入车辆内部。因此，优选具有相对较低的模量。较低的模量允许泡沫层18更容易贴合基材。如果模量太高，泡沫18就会太刚硬且不容易贴合基材。然而，模量不应当低得以至于不具有结构完整性。
通常，最小模量足够让泡沫泡孔(cells)保持它们的结构。根据本发明的优选实施方案，泡沫材料18的弹性模量在约4x103Pa至约1x106Pa的范围内。
在另一个优选的实施方案中，模量在约1x104至约1x105的范围内。这些范围是根据图3所示的测试设置而测量的。
根据本发明的优选实施方案，泡沫材料18具有相对高的阻尼损失因子(tan delta)。不受本发明操作的特定理论的约束，相信相对高的阻尼损失因子有助于降低车辆钢结构中的振动，它会增加前隔板垫的总体传递损失。根据本发明的优选实施方案，泡沫材料18的阻尼损失因子(tan delta)约为0.3或更大，更优选约0.4或更大，还更优选约1.0或更大。
根据本发明的另一个优选实施方案，泡沫材料18的阻尼损失因子(tan delta)在约0.3至约2.0的范围内，更优选在约0.4至约2.0的范围内，还更优选在约0.4至约1.6的范围内。这些数值是根据图3所示的测试设置而测量的。
作为非限制性例子，满足以上要求的泡沫材料包括Dow试验粘弹性聚氨酯泡沫#76-16-06HW，#76-16-08HW，#76-16-10HW，#056-53-01HW和#056-53-29HW；Foamex 2磅每立方英尺(pcf)和FoamexH300-10N 3pcf粘弹性泡沫(容易市购)；Carpenter 2.5pcf粘弹性泡沫(容易市购)；及Leggett和Platt粘弹性泡沫25010MF和30010MF(容易市购)。
吸音层12的厚度可依赖于特定的应用而变化。尽管优选厚度为约6mm至约100mm之间，更优选约12mm至约50mm，还更优选约12mm至约25mm，但是会认识到，厚度可依赖于特定的应用而变化，甚至在这些范围以外。厚度对吸音层12的刚度有影响。也会认识到，吸音层12的厚度可变化并可以是非均匀的。
此外，要理解，吸音层12可包括彼此相邻的材料的组合。即，吸音层12可包括相似或不相似材料的一个以上的亚层(sublayer)。
本发明的吸音层的正入射吸收系数根据ASTM E1050测量。参考图2，显示三种样品泡沫，Dow#76-16-10HW和#76-16-08HW以及Leggett & Platt 30010MF的正入射吸收系数分布。应当注意到，这三种样品泡沫落入吸收系数的优选范围，即，约1000至8000Hz的范围。
本发明吸音层的弹性模量和阻尼是使用板、振动器和两个加速计测量的。参考图3，显示例示性测试设置的概要说明。在加速计1和加速计2之间测量传递性且确定了系统的第一共振频率。然后由如下公式确定弹性模量：
E＝ω2mt/WL
其中：E＝弹性模量(Pa)
ω＝角频率(rad/s)
m＝板质量(kg)
t＝泡沫厚度(m)
W＝板宽度(m)
L＝板长度(m)
阻尼是使用半功率带宽技术从传递性测量的。
屏障层14优选包括相对薄的基本不渗透层。屏障层14基本不渗透流经的流体流。根据本发明的优选实施方案，屏障层14包括热塑性烯烃。通过非限制性例子，屏障层14优选包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、高抗冲聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯(如，填充的聚丙烯)、聚氨酯(如，模塑聚氨酯)、乙烯醋酸乙烯酯等的片。屏障层14也可包括天然或合成纤维用于赋予强度。屏障层14也优选是可形状成形的且可保留的，以对于任何特定的应用而贴合吸音层12和/或基材16。另外，屏障层14可包括有机和/或无机填料。此外，可以将另外的添加剂引入屏障层14成分，例如但不限于阻燃剂、防雾剂、紫外线吸收剂、热稳定剂、颜料、着色剂、气味控制剂等。
根据本发明的优选实施方案，屏障层14优选包含约15wt.％聚丙烯，约25wt.％热塑性弹性体(如，
Figure C20058000221900091
市售的)，约55wt.％碳酸钙填料和约5wt.％添加剂(如，加工助剂，着色剂等)。
根据本发明的优选实施方案，屏障层14的比重优选为约0.9或更大，更优选约1.4或更大，还更优选约1.6或更大。也优选屏障层14的表面重量约为.1kg/m2或更大。更优选屏障层14的表面重量大于.4kg/m2。
如吸收层12一样，屏障层14可具有变化的厚度。优选屏障层的厚度在0.1和50mm之间。另外，应理解，厚度可依赖于特定的应用而变化，甚至在优选的范围以外，并且厚度也可以是非均匀的。
尽管显示单一屏障层14，但是应理解，可以使用变化厚度的多个屏障层14。因此，每个屏障层14可包括相似或不相似材料的一个以上的亚层。
如上所述，屏障层14优选是可形状成形的和可保留的，以对于任何应用使系统10的形状贴合基材16。为结合吸音层12与屏障层14，可以使用任何合适的制造技术。一些这样的例子包括由热层压或通过在各个层之间施加粘合剂而连接各个层。这样的粘合剂可以是热活化的。也可以在形状成形工艺期间通过使层加热且然后在成形工具中施加压力，或施加粘合剂到层且然后在成形工具中施加压力，而粘合各个层。
系统10也可以在铸塑泡沫工具中通过将屏障层14材料，如聚合物膜，插入模具中心部分且然后将泡沫，如粘弹性聚氨酯泡沫，注入工具两侧而制造。系统10也可以由如下方式形成：共同和/或独立生成吸音层12和屏障层14，然后由常规方法固定它们，例如使用机械紧固件、热熔化、声波熔化和/或粘合剂(如，胶水、胶带等)。
基材16可以包括任何数目的合适材料。作为非限制性例子，基材16可以包含金属、天然纤维垫、合成纤维垫、长弹毛垫、柔性聚氨酯泡沫、硬质聚氨酯泡沫及其组合。
关于紧固或连接吸音层12到基材16，可以采用任何数目的合适方法。作为非限制性例子，可以使用机械紧固件、热熔化、声波熔化和/或粘合剂(如，胶水、胶带等)。
进行了分析，以展示相对于传统轻质平板泡沫构造，在前隔板垫中使用本发明的粘弹性泡沫的性能益处。通过检查0.8mm钢面板和前隔板垫系统(即，粘弹性泡沫吸音层和热塑性烯烃屏障层)的传递损失，而确定前隔板垫性能。传递损失是使用称为统计能量分析的模拟方法来计算的。此分析采用泡沫和其它材料的材料性能以在100至10,000Hz的频率范围内计算传递损失和其它量。
分析中的设计变量是：(1)泡沫类型：(a)传统轻质平板泡沫；(b)Dow粘弹性泡沫(配方#76-16-10HW)；和(c)Foamex 2 pcf粘弹性泡沫；(2)屏障层(如，热塑性烯烃)比重：1.2，1.4和1.6；和(3)泡沫厚度：13mm和18mm。应当注意到，屏障层厚度保持恒定在2.4mm。
前隔板垫构造根据典型的吸音器/屏障层系统模拟，如图1A一般所示。对于设计变量的每种组合计算传递损失。
参考图4，显示在18mm泡沫厚度下使用各种泡沫类型和各种比重屏障层的配置之间的比较。以下描述测试过程。如图4所示，改变泡沫类型到任一种粘弹性泡沫改进了前隔板垫系统的传递损失，特别是在1000至10,000Hz的区域中。此外，改变泡沫类型到任一种粘弹性泡沫增加传递损失大于当使用平板泡沫时增大屏障层的比重。
为更有效地比较设计变量的性能，选择目标配置。选择目标配置为如下配置：18mm传统平板泡沫，具有1.4比重的屏障层。将所有其它粘弹性配置与此目标配置的性能比较。
将样品放置在0.8mm厚钢板上，并将组合体插入混响室和半消声室之间的壁中。在混响室中使用扬声器产生噪声，并使用四个放置在距钢板1.17m的麦克风测量声压水平。将十二个麦克风的阵列放入半消声室中距样品外部泡沫侧0.76m。使用公式1，根据SAE J1400的通用协议计算噪声降低。噪声降低测试的结果见图4。
公式1.NR＝(平均SPL1)-(平均SPL2)
其中：SPL2＝消声声压水平(dB)
      SPL1＝混响声压水平(dB)
参考图5，显示与目标表面重量相比较，所有粘弹性泡沫配置的表面重量。表面重量(即，前隔板垫构造的质量除以面板面积)用于比较每种配置的相对重量。前隔板垫构造中的较低重量对于改进的车辆燃料经济性、发动机性能等是所需的。三种粘弹性泡沫配置的表面重量低于目标。这些是：(1)1.2比重的13mm Dow粘弹性泡沫(配方#76-16-10HW)；(2)18mm Foamex 2pcf粘弹性泡沫；和(3)13mmFoamex 2pcf粘弹性泡沫。
参考图6，显示与目标配置比较的两种粘弹性泡沫配置。这两种配置展示了粘弹性泡沫采用相似或更低重量增加前隔板垫传递损失的能力。
测试也是在GM卡车车辆前隔板部分(section)上完成的，以确定与传统平板泡沫前隔板垫相比，粘弹性泡沫的噪声降低能力。由于对于车辆部分难以测量传递损失，所以使用噪声降低代替传递损失。将车辆部分放入在混响室和消声室之间的壁中。在两个室中进行声压水平测量以计算噪声降低。
参考图7，显示采用三种不同前隔板垫测试车辆前隔板部分的结果。所测试的三种前隔板垫可以描述为：(1)优化的1.4比重前隔板垫，即前隔板垫具有传统平板泡沫且具有1.4比重屏障层(如，TPO)；(2)优化的1.8比重前隔板垫，即前隔板垫具有传统平板泡沫且具有1.8比重屏障层(如，TPO)；和(3)优化的1.4比重前隔板垫，即前隔板垫具有Foamex 2 pcf粘弹性泡沫且具有1.4比重屏障层(如，TPO)。注意到，在630Hz处对于一些测试识别到密封磨损问题(特别是显示负dB改进的那些)。
图7说明与传统平板泡沫相比，根据本发明具有粘弹性泡沫的前隔板垫一直到2000Hz都表现得更好，并且在2000Hz以上类似于传统平板泡沫。
将粘弹性泡沫作为吸音层12使用增加了应用系统10的钢片金属上振动的阻尼。这降低进入车辆内部的噪声辐射。粘弹性泡沫也通过阻尼降低屏障层14的振动运动。即，吸收层抑制至屏障层的振动以降低该屏障层的振动。采用此方式，吸收层也用作振动阻尼层。这可导致系统10的传递损失的增加。此外，粘弹性泡沫由于泡沫的泡孔结构和粘弹性而具有良好的吸声性能。将会认识到，粘弹性泡沫层适于靠着(against)基材放置，如靠着车辆的组件放置。
图8显示同等厚度泡沫的各种样品的阻尼比较。图例中列举的第一泡沫是如上所述的粘弹性泡沫，但是为2pcf泡沫。列举的第二泡沫是1.2pcf的平板泡沫。也显示了泡沫样品的重量。所使用的平板泡沫包括三聚氰胺。采用本领域已知的方式进行阻尼测试。采用振动来激发样品。通过将板的加速度除以所施加的力来计算传输函数。采用此方式，消除了力的大小对结果的影响。如图8所示，粘弹性泡沫通过较高的阻尼导致较低的振动水平。因此，当在系统10中用作吸音层12时，粘弹性泡沫通过阻尼降低屏障层14的振动运动。这可增加总体系统的传递损失。
图9显示具有相等质量的样品的阻尼比较。采用以上与图8相关说明的相同方式进行测试。
图10显示靠着钢放置粘弹性层对插入损失的影响。更具体地，准备系统10的一个样品。样品由粘弹性泡沫吸收层12、HIPS屏障层14和长弹毛吸收层12组成。测试由如下方式进行：首先将长弹毛吸收层邻近钢放置并采用与以上说明相同的方式确定插入损失。随后，通过靠着钢放置粘弹性吸收层并确定插入损失而测试相同的样品。结果见图10。如图所示，当靠着钢放置粘弹性泡沫时获得插入损失的增加。因此，当安装系统10时，优选将粘弹性泡沫层靠着基材放置，如靠着车辆组件放置。
图11显示粘弹性泡沫对屏障层的阻尼效果。为测试屏障物上粘弹性吸收层的阻尼效果，测试了两个样品。在每种情况下，吸收层是粘弹性泡沫。在第一样品中，粘弹性泡沫是以上确定的FOAMEX泡沫。在第二样品中，粘弹性泡沫包括也购自FOAMEX的Qylite。屏障层在每种情况下都是HIPS。图11所示的频率响应表示与图8所示的传输函数相同的情况。用于确定频率响应的测试与以上关于图8说明的相同。如图11中的结果所示，粘弹性泡沫吸收层降低屏障层的运动或振动。这使得较少的噪声传递到车辆内部。
也认识到，尽管系统10特别适于汽车应用，但其也可用于其它应用。这样的其它应用包括建筑、工业、器具、航天、卡车/公共汽车/铁路、娱乐、海上和军事应用。
尽管在以上内容中为了说明的目的而详细描述了本发明，但是应理解，这样的细节仅用于那一目的，且其中可以由本领域技术人员进行变化而不背离本发明的精神和范围，除非其由权利要求所限制。

Claims (7)

1.一种隔音系统，包含：
吸收系数在0.2至1.0的范围内且阻尼损失因子在0.3至2.0的范围内的吸音层；和
连接到该吸音层且基本不渗透流经的流体流的屏障层；
其中该屏障层的比重为0.9至1.6，厚度在0.1mm至50mm之间，并且是可泡沫成形的。
2.如权利要求1所述的隔音系统，其中该吸音层包含粘弹性泡沫。
3.如权利要求2所述的隔音系统，其中该粘弹性泡沫的阻尼损失因子在约0.4至1.6的范围内。
4.如权利要求3所述的隔音系统，其中该屏障层包括热塑性烯烃。
5.如权利要求4所述的隔音系统，其中该屏障层包含聚丙烯和热塑性弹性体。
6.如权利要求4所述的隔音系统，其中在约1000Hz至约6000Hz范围内的频率下，该粘弹性泡沫的该吸收系数优选在约0.7至约1的范围内。
7.如权利要求6所述的隔音系统，进一步包括基材，该粘弹性泡沫固定到该基材，该基材是车辆上的金属结构。
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