摘要
本文对来自数十家不同制造商的通用汽车材料的大量样本进行了吸声性能的研究，研究样本包括了128种不同的厚度和材料类型（棉混纺材料、微纤维等）。
研究结果发现，并没有一种材料是可以优于其它所有材料的。而不同的是，一些特性，例如空气流动阻力（Specific Air Flow Resistance)，相对于构成吸声体的材料显得更为重要。一般来说，在特定厚度范围和空气阻力的范围内，样本会表现出最好的性能。无论如何，并不存在一个特定的流动阻力率对所有材料厚度都是最优的，相对于较大的材料厚度，材料厚度越小时，需要的流动阻力率就越大。此外，由于空气流动阻力是如此重要的参数，以至于是否使用纤维织物表面都会对材料的吸声性能结果产生重大的影响。
简介
对于降低汽车内部噪声来说，一般存在三种主要的方法：
降低源的噪声和振动；
采用声障或其它措施阻止噪声传递到乘员舱中；
在汽车的内部或外施加吸声体耗散声能，从而降低总体的噪声水平。
在汽车内部的若干位置安装吸声垫能产生很好的效果。例如在车顶棚、车门板和立柱后以及地毯下安装吸声材料，都已证明是非常有效的。
吸声体一般会采用泡沫材料或纤维材料。当声波通过吸声材料中连通的孔隙（或纤维）时，粘性损耗会将声能转变为热。从耗散声能的角度，要求空气必须在多孔材料中流动，当吸声材料越靠近刚性边界（空气粒子的速度为零）时，材料的吸声性能趋向于变差。吸声效果的好坏与材料的厚度是直接相关的。当吸声体的厚度在声音波长的1/4〜1/2之间时，吸声的效果较好，而最优的厚度是声音波长的1/4。这意味着吸声体只对短波长的高频噪声具备好的效果，而在低频部分，要产生好的吸声效果，必须使用很厚的吸声材料，这在汽车内部是不可能实现的。
近年来在多孔弹性材料的声传播方面建立了两个非常类似的分析公式。一个是Biot Allard理论的公式，另一个是Boleon-Shaiu理论的公式。尽管这两个理论是独立发展出来的，但它们是非常类似的，并导致非常接近的预测结果。这两个理论用于预测多孔弹性材料中传播的三种形式的波：即空气传播的波（Airborne wave)、结构传播的波（Structureborne wave)和剪切波（Share wave,也是结构传播的）。
这些理论显示，不同类型波的参与方式是边界条件的函数。当一种多孔材料具有开放的表面，或者采用多孔纤维织物表面时，所携带的声能形式大部分都是空气传播的波，除非是多孔材料的结构刚度小于空气的情况。而后者材料的表现类似于流体。在这两种情形下，都可以认为空气传播的波是主要的声能携带方式。尽管对于空气传播的波而言，存在若干重要的影响因素，但一般来说，最主要的影响因素还是材料的流动阻力。本研究的试验中，大部分材料都是采用开放的表面或纤维织物覆盖的表面，所以空气传播的波是主导形式。本研究中，“纤维织物(Scrim)”是指具有有限流动阻力的纤维覆盖层；而“膜（Film)”是指具有无限流动阻力的塑性覆盖层。
与非多孔隔离材料粘结在一起的多孔材料所携带声能的形式主要是结构传播的波。此时主要的影响因素包括体积刚度和结构损耗因子。
流阻力测量方法是在给定流速下，测量材料一个表面到另一个表面的压力差，单位是Pa·s/m，或者mks rayls (瑞利）。流动阻力率是单位厚度的空气流动阻力，本文中采用的单位是mks rayls/mm。
对于汽车的应用来说，希望在低频能具有吸声能力，但是材料的厚度和重量又是受到限制的。我们可以使用具备不同空气流动阻力的材料尽量获得比较理想的结果。但无论如何，通过增加或减少空气流动阻力获得低频吸声能力的同时，也会对高频的性能发生影响，有时会是不利的影响。本文中通过对几种不同材料的研究结果，展示出这种相互影响的特性。
方法
当声波撞击一个表面时，部分声能将被吸收，而其余部分会被表面反射。被吸收的声能与所有可能的入射角度上平均入射能量的比值定义为表面的萨宾吸声系数(Sabineabsorptioncoefficient)，或者成为随机入射吸声系数。
材料吸声系数的测量方法是在一个混响室中安置一个声源，接通声源后测量声场的衰减：然后将材料安置在混响室中，再重复进行试验。
为了减小不同试验室对测量结果造成的误差影响，应该使用专用的混响室进行标准试验。大的混响室适合于长波长的试验，即对低频情况的测试，但它需要大的样本尺寸（一般大于6 m2)。获得这样的样本有一定的困难。出于这个原因，汽车制造商和NVH内饰/材料供应商都会选择Alpha舱（Alpha Cabin)或Beta舱（Beta Cabin）来进行试验。Alpha舱和Beta舱只需要很小的样本尺寸就可以获得合理的结果。本研究中使用了Alpha舱进行试验。
Alpha舱设备每次对1/3倍频的一个频段进行样本测试。首先，用三个扬声器在混响室中产生1/3倍频程带通滤波一个频段的短促声音，并用五个麦克风在不同的位置进行测量，记录声场的衰减速率。然后依次移动带通滤波器1/3倍频程的频段，并逐个记录声场的衰减速率。整个测试的频率移动覆盖了250〜10000Hz的频率范围。本研究中虽然得出了250Hz以上的结果，但是由于Alpha舱的尺寸较小，在400Hz以下，并不能包含表达漫射声场所有的模态（原因是400Hz以下声音的波长太长)。换句话说，在观察400Hz以下的结果是，必须加以小心。对每个1/3倍频程每个频段在五个麦克风位置测量值进行平均，就可以得到平均的衰减率。
材料的声吸收公式：
其中：S是材料的声吸收（单位：立方萨宾）；V是混响室的容积（单位：m3)，T0和T1分别是混响室中不安置材料和安置材料情况下60dB的衰减时间（单位：秒)。
从而吸声系数可以用下式计算：
式中α表示吸声系数；A表示材料样本的表面积；而0.92是考虑Alpha舱试验结果与全尺寸混响室试验结果差别而引入的修正因子。
注意Alpha舱测试的吸声结果有可能超过理论的最大值1，这是由于推导由测量的声衰减时间计算吸声的公式时所做的假设导致的。而样本边缘的衍射也是产生这种问题的原因之一。
空气流动阻力的测量主要是使用商业化的流阻仪，在200〜4000mks rayls的范围对材料和零件进行非破坏性空气流动阻力测量。
研究
制造商总共提供了128个样本进行评价。规定的材料厚度范围是5mm〜25mm, 而实际进行评价的材料厚度范围是6.4mm〜36.5mm。
若干评价的材料是棉和塑料纤维的针孔混合物，也称作“再生毛（shoddies)”。这种材料中很多都含有工业再生的纤维。
对若干种喷射塑料纤维材料进行了试验。聚酯材料和聚丙烯材料都是常用制造吸声体的这类材料。本研究中试验的塑料纤维吸声体多数是聚对苯二甲酸乙二酯纤维(polyethyleneterepthalate)材料的，简称PET。
另外一些试验的材料是轻质微纤维材料（lightweightmicrofibers)。这些材料同样包含喷射塑料纤维，但是厚度更大而纤维直径更小。
许多试验的样本材料中是不含再生毛或殖入层的，但也有许多是含再生毛和膜层的。也有一些样本是在材料内部殖入了再生毛层或隔声层。
对玻璃纤维材料也进行了试验，但数量上没有再生毛或PET样本多。主要原因是玻璃纤维材料在车内零部件上并不常用。
试验材料总结在下表中：
结果
出于篇幅的原因，我们没有给出全部 128种样本的详细结果。但在以下两个表中，我们提供了最好的10个样本和最差的10个样本的结果。表中同时给出了空气流动阻力率（比空气流动阻力除以厚度）、厚度和表面密度值。
通常情况下，噪声降低系数（Noise Reduction Coefficient - NRC)用做一个单一的指标来评价材料的吸声能力。它是对250Hz、500Hz、1000Hz和2000Hz四个频率点上的吸声系数取平均得到的值。由于Alpha舱测量范围最低只能到400Hz的频率，同时考虑到高频详细性能对本研究的重要性，我们对400〜10000Hz的频率范围，对每个1/3倍频程频段的吸声系数全部进行频率，得到的是更为精确的反映材料在Alpha舱吸声性能的单一指标（即上两表中α项)。
从上两表中我们可以获得一些初步的印象：没有哪个单一的材料构成表现为最好或最坏的吸声质量。比如塑料纤维可以构成非常好的吸声体，也可以构成非常坏的吸声体。在试验样本中，好几种最好的吸声体是轻质纤维材料的，好几种最差的吸声体是玻璃纤维材料的，但是这两种材料构成的样本都有排列在中等级吸声质量的。在表面密度方面也有类似的结论，尽管总体来看，吸声质量最好的样本组从总体的表面密度要大于吸声质量最差的样本组，但在每个组中, 表面的密度分布范围又是很宽的。
下面我们对128个样本中的8个样本进行详细的讨论。这8个样本的参数在表中给出。这8个样本即不是吸声性能最好的，也不是最差的，但是它们比较能够代表各种参数对吸声性能的贡献。
从这些样本反映的情况，一个的大致趋势是厚度最大的样本吸声效果最大；厚度最小的样本吸声效果也最小。如前所述，当吸声性能主要被空气传播的波主决时，以上的趋势是在预料之中的。但是这种趋势并不是绝对的，下图中就显示出一个例外。其中的样本是是E14 (19mm)和A19 (24mm)。
值得注意的是，以上例外中A19的样本的比空气流动阻力小于E14样本。这说明在考虑材料的吸声性能时，必须同时计入厚度和比空气流动阻力的影响。
如前所述，用空气流动阻力（单位：mks rayls)除以厚度（单位：mm）得到的是流动阻力率。在本研究的样本范围内，这个值的分布范围是1.3到295(不包括那些由于空气流动阻力值超出图形范围而无法计算流动阻力率的样本）。最好的吸声体是材料最厚、同时流动阻力率处于特定范围的样本。当然也有一些最差的样本流动阻力率也处于这个范围，但材料太薄，无法在整个频率谱的范围产生足够的吸声量。同样的情况，一些最差的样本尽管厚度处于典型的汽车应用的范围（15〜25mm)，但是它们的流动阻力率太低（例如表3中的A9和A19 样本，厚度都小于10mm)，同样不能获得好的吸声性能。
对整个样本群进行研究时，可以发现为了获得良好的吸声性能，材料越薄时，需要的流动阻力率就越大。事实上，一个对厚样本来说可能显得过大的流动阻力率，对于一个薄样本反而能产生理想的效果。下图的四个样本试验结果就反映了厚度与流动阻力率的这种趋势：B4a优于H1，F3优于E1。尽管相比较的样本在厚度上都是接近的。
从耗散噪声的角度，吸声体必须具备两个功能：第一，它必须允许声波进入到吸声材料内部；第二，它必须在声波在材料中传播的过程耗散声能。这两个功能的好坏决定了材料具备的竞争力。其中第一个功能的好坏与声波直接撞击的前表面声阻尼相关。如果声阻尼不匹配，就会导致声波从前表面反射回去。当材料越薄时，由于需要在更短的声波传播距离上耗散声能，所以需要的的流动阻力率就越大。因此对于薄的吸声材料设计，高流动阻力率显得特别重要。
比较大厚度（25mm及以上）的样本可以克服材料流动阻力率低的问题。而如果流动阻力率过大，如下图所示，会危害高频的性能（但是在一些情况下，低频的吸声性能是需要优先考虑的）。
128个样本的试验总体上支持了薄样本需要高流动阻力率的结论。下图的曲线是分别针对薄样本和厚样本绘制的流动阻力率与平均吸声系数α的关系。
上图中可以清楚地看出，对产生高吸声效果来说，薄材料与厚材料具有不同的流动阻力率的范围。此外我们也在以下图中给出了所有128个样本的比流动阻力与平均吸声系数α的关系。
从上图反映出，无论材料的厚度如何，比流动阻力值在1000mksrayls左右可以产生最好的吸声效果。同时值得关注的是，与薄的材料相比较，厚材料较大时，可以在相对更大的比流动阻力范围取得好的吸声效果。
结论
本研究的结果表明了，汽车中应用的多孔吸声材料的性能并不在明显的程度上取决于不同的材料类型（再生毛、PET或玻璃纤维等），而是取决于如何更好地构造材料而获得理想的吸声特性。对于开放表面或采用多孔纤维织物表面的吸声体，流动阻力是非常重要的参数。换句话说，与采用哪种多孔材料相比较，如何才能用经济的加工方式获得理想的声学特性显得更为重要。
是否能得到最好的吸声性能与具体使用材料的方式相关，例如所用材料的厚度及边界条件等。与采用厚材料相比较，采用薄材料需要明显高的流动阻力率。因此，在某个车型上接近最优化的材料应用，在另一个不同的车型上并不一定工作得好。但一般地说，无论材料的厚度是多少，将空气流动阻力值设计在1000mksrayls都可以获得比较好的总体吸声性能。
通过调整材料的特性可以改变在不同频率范围的吸声效果。例如，采用较低的流动阻力率有可能改善在低频的吸声性能，但是需要付出牺牲高频吸声性能的代价。
增加流动阻力率的一个常用的方法是增加可以提高流动阻力的纤维织物层或膜。它的好处是在提高流动阻力率的同时，并不明显增加重量和厚度。另外一个可能的方法是增加材料的表面密度（增加密度但不增加厚度）。但是这个方法会增加重量，对汽车的应用来说可能会有一定问题。总之，应用在汽车内部的不同类型吸声材料的声学性能分布在很宽的范围。所以每次进行材料变更时，必须通过材料模型分析、材料试验或整车试验等不同的方法对材料的声学性能进行仔细的比较。
本文来源于Roush噪声振动工程公司AndreaZent和福特汽车公司JohnT. Long所著论文“AutomotiveSound Absorbing Material Survey Results”
