CN110789466A - 基于海螺仿生的梯度孔隙率微结构汽车内前围声学包结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于海螺仿生的梯度孔隙率微结构汽车内前围声学包结构，包括硬层多孔材料层、微结构材料层、防渗层或弹性固体层、微结构材料层和软层多孔材料层，所述硬层多孔材料层和软层多孔材料层为孔隙率梯度结构的材料层，所述防渗层采取海螺仿生共振吸声结构，防渗层包括中间的防渗层主体部分Ⅰ和两侧面的海螺仿生结构部分Ⅱ，所述海螺仿生结构部分Ⅱ上带有多个均布排列的空腔开口，所述空腔开口内带有多个螺旋递进依次排列的空腔室，所述空腔室通过每个空腔室伸出的室连通管实现连通，所述空腔室的内表面铺设有吸音材料层；所述硬层多孔材料层与防渗层、软层多孔材料层与防渗层之间分别增加一层微结构材料层，所述微结构材料层采用负泊松比内凹三角形结构。本发明有效提高吸隔声性能，能在汽车前舱发生碰撞时提高前围板的耐撞性。
Description
技术领域
本发明涉及汽车降噪领域，具体涉及一种基于海螺仿生的梯度孔隙率微结构汽车内前围声学包结构。
背景技术
如今，汽车已经成为了每个人生活中最重要的交通工具之一，人们逐渐对汽车的声品质提出了更高要求。汽车发动机是汽车噪声的主要来源之一，汽车前围板是阻隔发动机舱噪音向乘员舱传递的主要汽车零部件，汽车内前围是整车中最重要的、吸隔声量最大的声学包之一。
目前，公开号为CN 106113841 A的中国专利公开了一种隔音汽车前围，通过从隔音和发泡粘结方面考虑，制造了具有良好隔音性能和发泡粘结性能的汽车前围；公开号为CN 108891106 A的中国专利公开了一种隔音吸音前围的结构及制造工艺，通过在前围板外包裹PET吸音棉、EVA重涂层、隔音止振板等材料达到吸音降噪的效果；公开号为CN109353101 A的中国专利公开了一种针对汽车高频啸叫的内前围隔音垫，通过加入一层不透气的隔声膜来克服吸音材料透气的缺点，并合理设计和匹配多层材料之间阻抗的变化来提高声压在材料表面的放射率，提高隔声性能；公开号为CN 109483962 A的中国专利公开了一种多层级三明治复合结构及应用该结构的汽车前围板，主要包括上顶板、第一夹心体、中间隔板，从而提高结构刚度和强度、抗弯性能、抗侵彻性能与异面耐撞性能；公开号为CN109484326 A的中国专利公开了汽车前围隔音垫及汽车，通过设置双组份棉层、PU层和EVA层，有效提升了隔音效果，同时也降低了隔音垫的整体重量，增强了耐久性。
以上专利对汽车前围的设计没有涉及到通过对材料结构方面的设计，考虑对乘员舱的吸声性能来提高内前围的整体吸隔声性能。在保证汽车内前围厚度、质量一定，如何通过对内前围声学包各层材料的结构设计来提高其吸隔声性能是本专利所要重点说明的。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的上述不足提供一种基于海螺仿生的梯度孔隙率微结构汽车内前围声学包结构，该汽车内前围声学包结构通过利用声学材料孔隙率的梯度变化来在不改变材料厚度的前提下有效提高该声学包装材料的声学性能；在内前围声学包结构中加入微结构材料，不仅能够提高内前围声学包结构的整体吸隔声性能，还能在汽车前舱发生碰撞时，提高前围板的耐撞性；通过将海螺的仿生结构添加到内前围声学包中间的防渗层或弹性固体层，有效提高吸隔声性能。
本发明的目的是这样实现的，一种基于海螺仿生的梯度孔隙率微结构汽车内前围声学包结构，包括硬层多孔材料层、微结构材料层、防渗层或弹性固体层、微结构材料层和软层多孔材料层，所述硬层多孔材料层和软层多孔材料层为孔隙率梯度结构的材料层，所述防渗层采取海螺仿生共振吸声结构，防渗层包括中间的防渗层主体部分Ⅰ和两侧面的海螺仿生结构部分Ⅱ，所述海螺仿生结构部分Ⅱ上带有多个均布排列的空腔开口，所述空腔开口内带有多个螺旋递进依次排列的空腔室，所述空腔室通过每个空腔室伸出的室连通管实现连通，所述空腔室的内表面铺设有吸音材料层；所述硬层多孔材料层与防渗层之间增加一层微结构材料层，所述软层多孔材料层与防渗层之间增加一层微结构材料，所述微结构材料层采用负泊松比内凹三角形结构。
所述硬层多孔材料层为孔隙率梯度结构的材料层，当硬层多孔材料层的层厚度小于3mm或约等于3mm时，采用孔隙率从小到大排列顺序的孔隙率梯度结构；当硬层多孔材料层1的层厚度大于3mm时，采用孔隙率从大到小排列顺序的孔隙率梯度结构。
所述软层多孔材料层为孔隙率梯度结构的材料层，采用孔隙率从大到小再到大排列顺序的孔隙率梯度结构。
本发明的优点和技术效果是：
1、本发明通过对汽车内前围硬层多孔材料孔隙率从小到大排列(当材料厚度小于3mm或约等于3mm时)，对软层多孔材料孔隙率从大到小再到大排列，在不改变每层材料厚度的前提下，能够有效分别明显提高该声学包装材料的正向吸声性能与反向吸声性能。
2、本发明通过将海螺的仿生结构添加到内前围声学包中间的防渗层或弹性固体层，构成一个对多个频率具有极强吸隔声性能的共振吸声结构，有效提高内前围整体的吸隔声性能。
3、本发明在内前围声学包结构的硬层多孔材料与防渗层(或弹性固体)之间以及软层多孔材料与防渗层(或弹性固体)之间加入一层微结构材料，不仅能够提高内前围声学包结构的整体吸隔声性能，还能在汽车前舱发生碰撞时，利用微结构材料的负泊松比力学性能来提高前围板的耐撞性。
附图说明
图1为本发明汽车内前围声学包整体结构图。
图2为本发明具有梯度孔隙率结构的硬层多孔材料层结构图。
图3为本发明硬层多孔材料层采用单一孔隙率与采用梯度孔隙率的吸声系数-频率曲线对比图。
图4为本发明具有梯度孔隙率结构的软层多孔材料层的结构图。
图5为本发明软层多孔材料层采用单一孔隙率与采用梯度孔隙率的吸声系数-频率曲线对比图。
图6为本发明防渗层中海螺仿生结构部分结构剖面图。
图7为本发明图6的A向投影结构图。
图8为本发明采取海螺仿生结构的防渗层(或弹性固体)结构剖面图。
图9为本发明微结构材料层中负泊松比内凹三角形微结构材料的立体结构图。
图10为本发明硬层多孔材料层与防渗层之间有、无微结构材料层的吸声系数-频率曲线对比图。
图11为本发明防渗层与软层多孔材料层之间有、无微结构材料层的插入损失-频率曲线对比图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例：
当前汽车内前围声学包结构主要分为三个层：硬层多孔材料、防渗层(或弹性固体)以及软层多孔材料。前后多孔材料层的硬层多孔材料和软层多孔材料都是一块单层材料，即单一孔隙率结构。单层材料的孔结构单一，其吸声系数-频率曲线存在波峰波谷，所以单一性质的单层材料在较宽的频域内存在峰值频率处吸声系数较大，其他频率的吸声系数较小。
由附图1所示：本发明汽车内前围结构的硬层多孔材料和软层多孔材料均采用多个单层材料复合在一起的梯度孔隙率结构，所述梯度孔隙率结构较单一孔隙率结构在较宽的频域内吸声系数更好。
汽车内前围声学包的主要作用是阻隔发动机舱噪声向乘员舱的传递以及吸收乘员舱的噪音。以正向(声源位于发动机舱)的吸声性能与隔声性能以及反向(声源位于乘员舱)的吸声性能为目标，设计汽车内前围结构。汽车内前围声学包正向吸声性能主要与防渗层之前的部分，即硬层多孔材料有关；汽车内前围声学包隔声性能主要与防渗层及其之后的部分，即防渗层及软层多孔材料有关；汽车内前围声学包反向吸声性能主要与防渗层之后的部分，即软层多孔材料有关。
图1为本发明汽车内前围声学包的总结构图。一种汽车内前围声学包结构，包括硬层多孔材料层1、微结构材料层2、防渗层(或弹性固体层)3、微结构材料层4、软层多孔材料层5。
所述硬层多孔材料层1为孔隙率梯度结构的材料层，当硬层多孔材料层1的层厚度小于3mm或约等于3mm时，采用孔隙率从小到大排列顺序的孔隙率梯度结构；当硬层多孔材料层1的层厚度大于3mm时，采用孔隙率从大到小排列顺序的孔隙率梯度结构；其相比于单一孔隙率结构，能够提高全频的吸声性能。
图2为具有梯度孔隙率结构的硬层多孔材料层结构图，所述硬层多孔材料层1由左向右依次包括1-1层、1-2层、1-3层，所述1-1层、1-2层、1-3层为孔隙率从小到大或从大到小排列的硬层多孔材料层。
以PET+EVA+PU结构为例，第一组(对照组)的硬层多孔材料层(PET)为单一孔隙率0.7，厚度为3mm；第二组(实验组)的硬层多孔材料层(PET)1的梯度孔隙率：1-1层0.3、1-2层0.7、1-3层0.8，每个梯度:1-1层、1-2层、1-3层材料的厚度分别为1mm，总厚度为3mm，两组中的EVA和PU参数保持一致。图3所示为两组结构在0°-78°扩散声场下的正向吸声系数-频率曲线对比图，由图中可以看出在4000-10000Hz频段内，当硬层多孔材料采用梯度孔隙率结构时，较单一孔隙率结构的吸声系数获得明显提高，吸声效果更好。
所述软层多孔材料层5为孔隙率梯度结构的材料层，采用孔隙率从大到小再到大排列顺序的孔隙率梯度结构。
对于软层多孔材料的孔隙率梯度结构的设计，要同时考虑正向吸声性能和反向吸声性能；若采取孔隙率从大到小的排列顺序，则梯度孔隙率结构与单一孔隙率相比，反向吸声系数变差；若采取孔隙率从小到大的排列顺序，则梯度孔隙率结构与单一孔隙率相比，正向吸声系数变差；当采用孔隙率从大到小再到大排列顺序的孔隙率梯度结构时，不仅可以保证正向吸声系数良好，还能明显提高反向吸声系数。在这里，对于梯度孔隙率结构，每两层材料的孔隙率差值在一定范围内越大，反向吸声系数提高得越明显。
图4为具有梯度孔隙率结构的软层多孔材料层5的结构图，所述软层多孔材料层5由左向右依次包括5-1层、5-2层、5-3层、5-4层、5-5层，所述5-1层、5-2层、5-3层、5-4层、5-5层为孔隙率从大到小再到大排列的软层多孔材料层。
以PET+EVA+PU结构为例，第一组(对照组)的软层多孔材料层(PU)为单一孔隙率0.9，厚度为25mm，第二组(实验组)的软层多孔材料(PU)5为梯度孔隙率5-1层0.98、5-2层0.9、5-3层0.82、5-4层0.9、5-5层0.98，每个梯度5-1层、5-2层、5-3层、5-4层、5-5层的材料厚度分别为5mm，总厚度为25mm，保持两组的PET和EVA材料参数一致。
图5所示为两组结构在0°-78°扩散声场下的反向吸声系数-频率曲线对比图，由图中可以看出在3000-10000Hz频段内，当软层多孔材料采用梯度孔隙率结构时，较单一孔隙率结构的吸声系数获得明显提高，吸声效果更好。
图6为海螺结构剖面图。当人们的耳朵紧贴在海螺开口处时，往往会听到“海的声音”；其实，这并不是真实的海的声音，即海螺并没有将大海的声音录下来。海螺内部有很大的空腔，开口小，内部空间弯弯曲曲，为一个容易引起共振的物理结构；该结构存在一个固有频率，其能够将空气中相应频率的声音共振放大，这就是我们听到的类似海的声音。
图7、8所示：所述防渗层3采取海螺仿生共振吸声结构，用来提高汽车内前围的吸隔声性能，包括中间的防渗层主体部分Ⅰ和两侧面的海螺仿生结构部分Ⅱ，图8所示为采取海螺仿生结构的防渗层结构A-A剖面图，其中海螺仿生结构部分Ⅱ上带有多个均布排列的空腔开口3-1，所述空腔开口3-1内带有多个螺旋递进依次排列的空腔室3-2，所述空腔室3-2通过每个空腔室伸出的室连通管3-3实现连通，所述空腔室3-2的内表面铺设有吸音材料层。在声波从空腔开口3-1处进入时，具有与声腔固有频率相同频率的声波与空腔之间产生共振，在空腔表面铺设的吸音材料层将该声波吸收掉，从而实现该结构具有强大的消耗接近f0频率的声波的能力。采用海螺的弧形结构，可以以最小的面积获得最多的具有不同固有频率f0的空腔结构，从而吸收外界的某一频率范围内的所有噪音，达到极高的吸隔声性能。共振频率公式为：
式中，c为声速，S为空腔开口3-1的截面积，d为空腔开口3-1的直径，l为空腔开口3-1的长度，V为空腔室3-2的容积。
所述硬层多孔材料层1与防渗层3之间增加一层微结构材料层2，所述软层多孔材料层5与防渗层3之间增加一层微结构材料4，所述微结构材料层2、4采用负泊松比内凹三角形结构(如图9所示)。
以PET+EVA+PU结构为例，在PET和EVA之间加一层2mm厚的微结构材料层2，图10所示为两组结构在0°-78°扩散声场下的正向吸声系数-频率曲线对比图。由图10可看出所述硬层多孔材料层1与防渗层3之间增加一层微结构材料2，可以显著提高内前围在2000-10000Hz频段的吸声性能。
以PET+EVA+PU结构为例，在EVA和PU之间加一层2mm厚的微结构材料层2，图11所示为两组结构在0°-78°扩散声场下的插入损失-频率曲线对比图。由图11可看出所述软层多孔材料层5与防渗层3之间增加一层微结构材料4，可以显著提高内前围的全频隔声性能。
增加一层微结构材料层2、4除了可以使内前围整体的声学性能得以提高之外，还能够利用负泊松比的力学性能，显著增强汽车内前围的耐撞性。
Claims (3)
1.一种基于海螺仿生的梯度孔隙率微结构汽车内前围声学包结构，其特征在于：包括硬层多孔材料层、微结构材料层、防渗层或弹性固体层、微结构材料层和软层多孔材料层，所述硬层多孔材料层和软层多孔材料层为孔隙率梯度结构的材料层，所述防渗层采取海螺仿生共振吸声结构，防渗层包括中间的防渗层主体部分Ⅰ和两侧面的海螺仿生结构部分Ⅱ，所述海螺仿生结构部分Ⅱ上带有多个均布排列的空腔开口，所述空腔开口内带有多个螺旋递进依次排列的空腔室，所述空腔室通过每个空腔室伸出的室连通管实现连通，所述空腔室的内表面铺设有吸音材料层；所述硬层多孔材料层与防渗层之间增加一层微结构材料层，所述软层多孔材料层与防渗层之间增加一层微结构材料，所述微结构材料层采用负泊松比内凹三角形结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于海螺仿生的梯度孔隙率微结构汽车内前围结构，其特征在于：所述硬层多孔材料层为孔隙率梯度结构的材料层，当硬层多孔材料层的层厚度小于3mm或约等于3mm时，采用孔隙率从小到大排列顺序的孔隙率梯度结构；当硬层多孔材料层的层厚度大于3mm时，采用孔隙率从大到小排列顺序的孔隙率梯度结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于海螺仿生的梯度孔隙率微结构汽车内前围结构，其特征在于：所述软层多孔材料层为孔隙率梯度结构的材料层，采用孔隙率从大到小再到大排列顺序的孔隙率梯度结构。
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