CN105729897A - 交通工具隔音系统及方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种交通工具隔音系统及方法、应用。上述交通工具隔音系统包括第一声屏障、第二声屏障以及位于第一声屏障和第二声屏障之间的气凝胶层，第一声屏障与气凝胶层之间形成用于消音的第一消音介面，第二声屏障与气凝胶层之间形成用于消音的第二消音介面，气凝胶层为聚脲气凝胶层或者聚亚安酯气凝胶层。当声音从上述交通工具隔音系统的一侧传到另一侧时，需要依次经过第一声屏障、第一消音介面、气凝胶层、第二消音介面以及第二声屏障，在这个声音传递的过程中，声音经过数次跨介质传输，导致了声音能量的大量损耗。与传统的交通工具隔音材料相比，由于气凝胶层质轻且隔音效果好，故本发明的交通工具隔音系统有利于应用。
Description
技术领域
本发明涉及交通工具的隔音领域，特别是涉及一种交通工具隔音系统及方法、应用。
背景技术
2015年4月世卫组织和欧盟合作研究中心公开了一份关于噪音对健康影响的全面报告《噪音污染导致的疾病负担》。这是近年来对噪音污染研究最为全面的一份报告。尽管其对象是欧洲尤其是西欧发达国家，但它却是第一次指出噪音污染不仅只让人烦躁，睡眠差，更会引发或触发心脏病、学习障碍和耳鸣等疾病，进而减少人的寿命。噪音危害已成为继空气污染之后的人类公共健康的第二个杀手。
交通工具不仅是噪音的主要来源，也是噪音的主要污染地。随着我国国民经济的发展，人民生活水平的进一步提高，乘车舒适性越来越引起人们的重视。我国的交通工具类噪声控制法规也逐步变严。交通工具在工作的过程中，会产生大量的噪音，例如发动机振动产生的噪音，再加上公路噪音、风噪音以及来自乘客室的噪音等其他噪音，这给在乘坐交通工具时的乘客带来了巨大的困扰。因此，如何有效降低交通工具中的噪音是一个亟待解决的重要问题。
传统的交通工具隔音系统通常采用吸声材料，如玻璃纤维、石棉、毛毡、含铅的复合材料等，不仅降噪效果一般，而且材料本身还存在各种问题。如铅板复合材料，材料本身较重，无形中增加车辆负重，占用更多内部空间；玻璃纤维棉不防水，清洗或雨天行使吸水后容易造成车身自重增加，加速性能下降，而且短期内水分难以挥发，易腐蚀车体。因此，传统的交通工具隔音系统不利于应用。
发明内容
基于此，有必要针对传统的交通工具隔音系统不利于应用的问题，提供一种利于应用的交通工具隔音系统。
一种交通工具隔音系统，所述交通工具隔音系统包括第一声屏障、第二声屏障以及位于所述第一声屏障和所述第二声屏障之间的气凝胶层，所述第一声屏障与所述气凝胶层之间形成用于消音的第一消音介面，所述第二声屏障与所述气凝胶层之间形成用于消音的第二消音介面，所述气凝胶层为聚脲气凝胶层或者聚亚安酯气凝胶层。
当声音从上述交通工具隔音系统的一侧传到另一侧时，需要依次经过第一声屏障、第一消音介面、气凝胶层、第二消音介面以及第二声屏障，在这个声音传递的过程中，声音经过数次跨介质传输，导致了声音能量的大量损耗。同时，聚脲气凝胶具有较高机械强度，可承受较高机械外力，聚脲气凝胶层内的纳米纤维和纳米粒子自组装成的微纳级多孔结构能够有效衰减声波能量，隔音降噪效果好。聚亚胺酯气凝胶为超回弹记忆型气凝胶，有一定柔韧度，是新型的具有纳米孔洞结构的粘弹性阻尼材料，吸音效果更佳。因此，与传统的交通工具隔音材料相比，由于气凝胶层质轻且隔音效果好，故本发明的交通工具隔音系统有利于应用。不仅能够达到相同的隔音效果，可减少占用体积，节约内部空间；还可以减少负重，解决动力成本。
在其中一个实施例中，所述气凝胶层的密度为50kg/m3～650kg/m3。
在其中一个实施例中，所述气凝胶层的厚度为0.025mm～200mm。
在其中一个实施例中，所述气凝胶层沿所述第一声屏障向所述第二声屏障的方向的密度函数为减函数或增函数，或者所述气凝胶层沿所述第一声屏障向所述第二声屏障的方向的密度函数的导函数为减函数或增函数。
在其中一个实施例中，所述气凝胶层包括层叠的至少两个子层，相邻两个所述子层的密度不同。
在其中一个实施例中，所述交通工具隔音系统还包括用于隔音的第三声屏障，所述第三声屏障位于所述第一声屏障或所述第二声屏障与所述气凝胶层相对的另一侧，所述第三声屏障为粘弹性材料。
在其中一个实施例中，所述第一声屏障和所述第二声屏障之间设置有隔音层，所述隔音层位于所述第一声屏障与所述气凝胶层之间或者所述第二声屏障与所述气凝胶层之间，所述隔音层的内部填充有隔音棉、吸音棉、空气或者真空。
一种交通工具隔音方法，所述交通工具隔音方法包括
提供一种上述的交通工具隔音系统；
将所述交通工具隔音系统设置在交通工具的声源区域和声接收区域之间。
此外，还提供一种上述的交通工具隔音系统的应用，所述交通工具隔音系统应用于交通工具领域。
附图说明
图1为密度为100kg/m3的聚脲气凝胶层的扫描电镜图；
图2为密度为200kg/m3的聚脲气凝胶层的扫描电镜图；
图3为密度为200kg/m3的聚亚安酯气凝胶层的扫描电镜图；
图4为密度为350kg/m3的聚亚安酯气凝胶层的扫描电镜图；
图5为实施例1的交通工具隔音系统的结构示意图；
图6为实施例1的交通工具隔音系统与市售产品的空气噪声隔绝性能的实验室测试结果图；
图7为实施例2的交通工具隔音系统的结构示意图；
图8为实施例3的交通工具隔音系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
一实施方式的交通工具隔音系统，包括第一声屏障、第二声屏障以及位于第一声屏障和第二声屏障之间的气凝胶层。第一声屏障与气凝胶层之间形成用于消音的第一消音介面，第二声屏障与气凝胶层之间形成用于消音的第二消音介面，气凝胶层为聚脲气凝胶层或者聚亚安酯气凝胶层。其中，聚亚安酯(Polyurethane)是由乙烷有机单元链聚合而成的物质。气凝胶层可以紧密贴合在位于其两侧的第一声屏障和第二声屏障上，也可以通过粘结剂将气凝胶层粘结在位于其两侧的第一声屏障和第二声屏障上。
第一声屏障和第二声屏障可以为交通工具的任意部件上，例如车顶、车底、船舱、机舱或机动室墙壁等。
气凝胶层的密度可以为50kg/m3～650kg/m3。由于聚脲气凝胶或者聚亚安酯气凝胶均为纳米多孔材料，此密度范围内的气凝胶内部有大量内外连通的微小空隙和孔洞，且有较高孔隙率(80％)，当声波沿着微孔或间隙进入材料内部后，激发起纳米结构内部的空气振动，空气与孔壁摩擦，转化为内能。空气的粘滞性在纳米孔洞或间隙内产生相应的阻力，使得声波的振动能量转化为内能而逐渐被消耗减弱。
请参见图1和图2，分别为不同密度的聚脲气凝胶层的扫描电镜图。其中，图1中聚脲气凝胶层的密度为100kg/m3，图2中聚脲气凝胶层的密度为200kg/m3。图1和图2清楚地展示了聚脲气凝胶层的内部结构，从图中可以看出，聚脲高分子成纤维状，纳米纤维自组装成孔隙率极高的气凝胶结构，层层叠错。而其纳米级的纤维结构和致密的微纳尺度孔洞分布均匀，能够达到隔音降噪的效果。
请参见图3和图4，分别为不同密度的聚亚胺酯气凝胶层的扫描电镜图。其中，图3中聚亚胺酯气凝胶层的密度为200kg/m3，图4中聚亚胺酯气凝胶层的密度为350kg/m3。聚亚胺酯气凝胶为超回弹记忆型气凝胶，有一定柔韧度，是新型的具有纳米孔洞结构的粘弹性阻尼材料，吸音效果更佳。
气凝胶层可以制作成面积较大的板材，具体可以根据需要进行制作。例如气凝胶层的长宽尺寸为1.2m×2.4m，亦或比该尺寸更大。还可以根据需要制备曲面或异型聚脲气凝胶件。
气凝胶层的厚度可以为0.025mm～200mm。在一个较优的实施例中，气凝胶层的厚度为1mm～20mm。虽然增大气凝胶层的厚度可以提高材料对噪音的处理效果，尤其是低频噪音的处理效果。但实际应用中，增加厚度会直接影响交通工具的体积，导致交通工具内部空间减少或整体体积增大，不利于应用，故不可能一味地增加厚度。经过多次试验比较，综合考虑用料成本和空间成本，在气凝胶层的厚度为1mm～20mm时，为最优效果。当然，气凝胶层的厚度不以此为限，亦可为其他尺寸。
需要说明的是，整个气凝胶层的密度可以保持均一，也可以沿某个方向而发生变化。例如，气凝胶层的密度可以沿第一声屏障向第二声屏障的方向连续变化，例如可以为减函数或增函数，或者气凝胶层沿第一声屏障向第二声屏障的方向的密度函数的导函数为减函数或增函数。在声音传播的方向，渐变密度的气凝胶层的内部材料结构不是均一不变的，而是逐渐变化的，可以更广泛地减弱不同波长下的声音，同时可有效消除声音共振而带来的不良影响。
此外，气凝胶层可以包括层叠的至少两个子层，相邻两个子层的密度可以不同。同样的，每层气凝胶层的密度可以都保持均一，也可以都沿某个方向而发生连续变化，还可以为部分子层的密度均一，而其他子层的密度沿某个方向而发生连续变化。当然，当气凝胶层包括至少两个子层时，相邻两个子层的密度也可以相同。
需要说明的是，当气凝胶层包括至少两个子层时，至少两个子层可以均为聚脲气凝胶层或者均为聚亚胺酯气凝胶层，亦可以包括聚脲气凝胶层与聚亚胺酯气凝胶层，且二者的排列方式及各自数量不限，例如，二者可以单层交替叠加，亦可多层交替叠加，或者混合叠加。
此外，还可以在第一声屏障和第二声屏障之间设置有隔音层。隔音层位于第一声屏障与气凝胶层之间或者第二声屏障与气凝胶层之间。为了达到更好的隔音效果，隔音层的内部填充有隔音棉、吸音棉、空气或者真空。
由于声音在通过上述隔音层或者空腔传播的速度比通过固体传播的速度慢，能量损耗比固体大，因此，在气凝胶层中设置上述隔音层或者空腔更能够起到隔音降噪的功能。
当声音从上述交通工具隔音系统的一侧传到另一侧时，需要依次经过第一声屏障、第一消音介面、气凝胶层、第二消音介面以及第二声屏障，在这个声音传递的过程中，声音经过数次跨介质传输，导致了声音能量的大量损耗。同时，聚脲气凝胶具有较高机械强度，可承受较高机械外力，聚脲气凝胶层内的纳米纤维和纳米粒子自组装成的微纳级多孔结构能够有效衰减声波能量，隔音降噪效果好。聚亚胺酯气凝胶为超回弹记忆型气凝胶，有一定柔韧度，是新型的具有纳米孔洞结构的粘弹性阻尼材料，吸音效果更佳。因此，与传统的交通工具隔音材料相比，由于气凝胶层质轻且隔音效果好，故本发明的交通工具隔音系统有利于应用。不仅能够达到相同的隔音效果，可减少占用体积，节约内部空间；还可以减少负重，解决动力成本。
此外，交通工具隔音系统还可以包括用于隔音的第三声屏障。第三声屏障位于第一声屏障或第二声屏障与气凝胶层相对的另一侧，第三声屏障为粘弹性材料。粘弹性材料可以为高分子材料，例如橡胶、纤维或者塑料。在一个较优的实施例中，粘弹性材料为聚亚安酯气凝胶。在交通工具隔音系统中设置有上述粘弹性材料之后，更能够减慢声音通过上述交通工具隔音系统时的传播速度，有利于达到好的隔音降噪的效果。
一实施方式的交通工具隔音方法，包括如下步骤：
S10、提供一种上述的交通工具隔音系统。
S20、将所述交通工具隔音系统设置在交通工具的声源区域和声接收区域之间。
当声音从上述交通工具隔音系统的一侧传到另一侧时，需要依次经过第一声屏障、第一消音介面、气凝胶层、第二消音介面以及第二声屏障，在这个声音传递的过程中，声音经过数次跨介质传输，导致了声音能量的大量损耗。同时，气凝胶层内的纳米纤维和纳米粒子自组装成的微纳级多孔结构能够有效衰减声波能量，隔音降噪效果好。因此，交通工具隔音方法隔音效果较好。
一实施方式的上述交通工具隔音系统的应用，交通工具隔音系统应用于交通工具领域。交通工具可以为机动车、火车、高铁、船舶、航空器或航天器等，但不限于此。
下面为具体实施例：
实施例1
如图5所示，本实施例的交通工具隔音系统100可用于汽车底板或顶棚部位隔音，减少来自车身与底盘的传动噪声、车身振动噪声、轮胎噪声和制动噪声等。
车内噪音主要由发动机、底盘工作是产生的振动和路面摩擦产生的振动。车身壁板主要由金属板和玻璃构成，这些材料对声波均有较强的反射性能，在车内密闭的情况下，噪音传入车内，经过多次反射，互相叠加，形成车内噪音。因此解决汽车车内噪音问题，首先要解决车底盘和发动机噪音问题。
交通工具隔音系统100包括第一声屏障110、第二声屏障120以及位于第一声屏障110和第二声屏障120之间的第一聚脲气凝胶层131和第二聚脲气凝胶层132。
本实施例的第一声屏障110为绒质吸音毯，而第二声屏障120为金属车架。第一聚脲气凝胶层131和第二聚脲气凝胶层132的密度分别为100kg/m3和200kg/m3。二者的厚度分别为10mm和10mm。
将本实施例的交通工具隔音系统100与某等厚度的一市售隔音产品(黑发泡聚氨酯)进行SAEJ1400-2010汽车材料和组件的空气噪声隔绝性能的实验室测量测试，结果如图6所示。结果表明，在同一频率下，本实施例的交通工具隔音系统100的隔音量为上述市售等厚度黑发泡聚氨酯的2～3倍，隔音效果较好。
实施例2
如图7所示，本实施例的交通工具隔音系统200可用于船舱隔音。
交通工具隔音系统200除了包括第一声屏障210、第二声屏障220以及位于第一声屏障210和第二声屏障220之间的第一聚脲气凝胶层231和第二聚脲气凝胶层232之外，还包括位于第一声屏障210另一侧的第三声屏障240。
其中，第一声屏障210为甲板，第二声屏障220为船舱，而第三声屏障240为一种吸音材料，具体为硅橡胶。此外，第一聚脲气凝胶层231和第二聚脲气凝胶层232的密度分别为100kg/m3和200kg/m3。而二者的厚度分别为5mm和5mm。
未应用本实施例的交通工具隔音系统200之前，甲板直接与船舱相连，而船舱下面为健身房，甲板之上为透平机。透平机运转过程中产生的噪音、震动和高温透过甲板传递至下方的健身房，导致房间内的噪音和温度超标。经连续定点监测，在运转一台透平机的情况下，4小时内健身房内噪音平均值为90.2dB，而温度高达32℃。
应用了本实施例的交通工具隔音系统200之后，经连续定点监测，健身房内的噪音平均值降为60dB，温度也降至28℃。监测结果表明，本实施例的交通工具隔音系统200用于船舱隔音时，隔音效果较好，同时还具有一定的隔热功能。
实施例3
如图8所示，本实施例的交通工具隔音系统300可用于波音777-300ER飞机发动机舱隔音。
交通工具隔音系统300包括第一声屏障310、第二声屏障320以及位于第一声屏障310和第二声屏障320之间的聚脲气凝胶层331和聚亚安酯气凝胶层332。
本实施例的第一声屏障310为飞机发动舱的金属外壳，而第二声屏障320为飞机发动舱的金属内衬。聚脲气凝胶层331和聚亚安酯气凝胶层332的密度分别为160kg/m3和300kg/m3。二者的厚度分别为30mm和30mm。
将本实施例的交通工具隔音系统300用于波音777-300ER飞机发动机舱隔音之后，飞机发动机舱的隔音值由原先的75dB～85dB降至60dB上下，起到了有效的隔音效果。可明显有效降低经济舱25～36排机翼附近的噪音问题。为长途飞行的旅客提供更安静舒适的乘机环境。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种交通工具隔音系统，其特征在于，所述交通工具隔音系统包括第一声屏障、第二声屏障以及位于所述第一声屏障和所述第二声屏障之间的气凝胶层，所述第一声屏障与所述气凝胶层之间形成用于消音的第一消音介面，所述第二声屏障与所述气凝胶层之间形成用于消音的第二消音介面，所述气凝胶层为聚脲气凝胶层或者聚亚安酯气凝胶层。
2.根据权利要求1所述的交通工具隔音系统，其特征在于，所述气凝胶层的密度为50kg/m3～650kg/m3。
3.根据权利要求1所述的交通工具隔音系统，其特征在于，所述气凝胶层的厚度为0.025mm～200mm。
4.根据权利要求1所述的交通工具隔音系统，其特征在于，所述气凝胶层沿所述第一声屏障向所述第二声屏障的方向的密度函数为减函数或增函数，或者所述气凝胶层沿所述第一声屏障向所述第二声屏障的方向的密度函数的导函数为减函数或增函数。
5.根据权利要求1所述的交通工具隔音系统，其特征在于，所述气凝胶层包括层叠的至少两个子层，相邻两个所述子层的密度不同。
6.根据权利要求1所述的交通工具隔音系统，其特征在于，所述交通工具隔音系统还包括用于隔音的第三声屏障，所述第三声屏障位于所述第一声屏障或所述第二声屏障与所述气凝胶层相对的另一侧，所述第三声屏障为粘弹性材料。
7.根据权利要求1所述的复合保温隔音板，其特征在于，所述第一声屏障和所述第二声屏障之间设置有隔音层，所述隔音层位于所述第一声屏障与所述气凝胶层之间或者所述第二声屏障与所述气凝胶层之间，所述隔音层的内部填充有隔音棉、吸音棉、空气或者真空。
8.一种交通工具隔音方法，其特征在于，所述交通工具隔音方法包括
提供一种如权利要求1～7中任一项所述的交通工具隔音系统；
将所述交通工具隔音系统设置在交通工具的声源区域和声接收区域之间。
9.一种如权利要求1～7中任一项所述的交通工具隔音系统的应用，其特征在于，所述交通工具隔音系统应用于交通工具领域。
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