比翱工程实验室 | 将创新的声学材料概念融入整车设计流程中

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本文详细论述了声学材料微观参数的研究对于开展整车NVH与声学包正向研制的实际意义与工程价值，Biot（比翱）材料声学特性九大参数的深入探索，融合微观结构与宏观特性研究方法与模型化解析流程，可以用来预测运载交通工具和系统级型号产品早期设计过程中各种声学材料和内装配置的声学性能，是建立声包装内饰、声学组件与微结构正向设计与验证体系与能力平台和数据库评价体系的最关键和最基础的工作。

摘要将声学材料概念整合到车辆设计过程中是整车设计的重要组成部分。在设计过程的早期评估特定声学包装组件的声学性能的能力使设计人员可以在选择最终解决方案之前和早在设计冻结之前测试各种设计概念。本文介绍了一种创新的声学材料概念，该概念可以通过使用振动声学模拟和声学材料固有属性数据库（Biot参数，比翱参数）轻松集成到设计过程中。Biot参数被广泛用于许多行业的仿真中，它描述声波通过泡沫、纤维或均质超材料与这些多孔弹性材料的固相和液相之间的物理相互作用。因此，通过对基板进行声学处理，可以准确地预测基板的表面吸收、插入损耗和附加阻尼等特性。可以使用Biot参数在零部件和整车级别进行仿真，因为这些参数是多孔材料的固有属性，就像杨氏模量是钢的固有属性一样。此外，由于多孔有限元的存在或传递矩阵法(TMM)的应用，Biot参数可以直接用于有限元法(FEM)、边界元法(BEM)和统计能量分析(SEA)。 本文所述的新的声学材料概念在其所连接的面板上提供了吸声、传输损耗和附加阻尼的组合。在德国汽车制造商旗舰车上进行测试时，它显示出独特的振动声学性能，与传统的解决方案相比，它能够减少声学包部件所需的空间。它是通过浸渍聚氨酯泡沫（PU foam）总厚度的一小部分来制造的。这样就形成了两个隔音层，一个是轻质泡沫，另一个是厚重且高阻尼的层。描述了每一层的Biot参数测量结果和每一个样品的测试结果以及标准差。最后，使用TMM进行了仿真分析，以评估这种新型独特材料在空气中和在结构上的声学性能。  介绍本文介绍了如何使用Biot参数和TMM对复杂的声学内饰进行建模。TMM已广泛应用于与几何/厚度变化映射算法相结合的汽车复杂物理装饰件建模。此外，通过建立该部件的数值模型，即使只有在平坦均匀的形状下，也能为早期的声包设计阶段提供数据。关键是Biot参数的可用性。本文介绍的所有Biot参数数据和测量报告的内容均来自新的商业多孔材料数据库dB Porous^[1]。 本文的各个部分将介绍要建模的内饰材料、采用的建模策略、然后广泛描述为获取装饰材料每一层的Biot参数而进行的测量。最后，对内饰材料的空气传播和结构传播的声学性能进行了分析。 新型声学材料的说明O.C.-PREN SC NV是一种细孔的醚基聚氨酯泡沫。该材料组合物的特征在于，一侧层压有薄的微穿孔25微米PU箔，一侧涂覆有特殊浸渍的自粘膜。这种基于丙烯酸酯的矿物填料浸渍是使用一种特殊的浴涂工艺制造的，该工艺将spring-mass系统打造成一个具有多种性能的重单分子层。28 kg/m³的高密度和15 mm的厚度只是其中的一小部分。永久弹性和柔软的材料具有抗水解、阻燃和无排放的特性（图1）。  由于其特性，这种材料适合多种应用。这主要包括液压泵、压缩机和伺服电机的结构阻尼、隔热和吸音、热声隔离和封装等。图1  创新材料：部分浸渍丙烯酸酯类矿物填料的泡沫（已显示“仅泡沫”和“已浸渍泡沫”层；未显示自粘膜和PU箔） OCPREN SC NV设计用于在车顶内衬中吸收车顶内衬的26 Hz固有频率，以衰减车顶大内衬的中频频率，以达到更好的水平，防止风雨的影响。它在外层表肤上具有自粘性（-40°bis + 115°C），在顶部具有粘性，并且在内部具有阻燃性、无排放且无味。这样的解决方案可以满足对2–4 kg / m²的重量（最大厚度为50 mm）的严格要求。这种特殊浸渍的泡沫塑料在运行的G级车的顶棚中组装，可确保隔音、结构噪声和热声隔离，从而实现更好的语音清晰度和均衡的听觉体验。 建模策略20年前，只有极少数的工程师有机会使用Biot参数对车内声学内饰进行建模，而现有的分析公式已在SEA软件中实现，并在有限元环境中创建新的有限元单元来表示多孔材料。只有少数声学实验室能够测量所有比翱参数，并且必须使用昂贵的复杂测量设备。幸运的是，今天的情况已经发生了巨大变化，我们可以准确地确定Biot参数，并且正在开发标准，以帮助众多具有测量Biot参数能力的实验室获得一致的结果。  如今，借助经典的阻抗管、孔隙率与流阻率测量仪器，可以通过实验以合理的精度确定孔隙率和流阻率。其余的Biot声学参数可以使用间接方法计算^[2，3]，当然，有条件的情况下，最好也能采用直接测量的方法和设备。这些确定的比翱参数是多孔弹性材料的固有特性，可有效用于仿真中以模拟相同的各种厚度的声学材料。  为了完全表征泡沫材料，需要额外的特性，例如杨氏模量、泊松比和阻尼损耗因子。这些参数很容易从准静态力学测试中获得^[4]。表1列出了在仿真模型中完整表示多孔材料所需的声学和弹性参数的完整列表。

表1  完整表示整车模型中声学内饰所需的Biot参数列表

图2  各类BIOT（比翱参数）对吸声系数的影响

图2显示了哪些Biot参数在不同频率范围内驱动吸声系数响应^[5]。

因此，本文最后一部分中给出的模拟结果将包括所研究的多孔材料的Biot参数表现。由于研究的内饰材料具有两个截然不同的声学层，一个带有“仅泡沫”，另一个带有相同的“浸渍”泡沫（该材料实际上是一侧被部分浸渍的单个泡沫），使用了两组Biot参数。每一层被认为具有均匀厚度的材料特性。

 注意，在这项研究中忽略了在两层之间的界面处的复杂互穿。为了简单起见，也忽略了PU箔和自粘膜。 材料表征所有测量结果和“测量设置”和“实验结果”部分中使用的方法说明均从dB Porous数据库材料表征报告^[6]中提取。 测量设置比翱参数是从在传统阻抗管、孔隙率和流阻测试仪中进行的声学测量得出的。图3  阻抗管示意图 在多孔样品的前面和后面通过刚性背衬测量声压。切割样品以适合44.44 mm阻抗管。使用电子卡尺以0.01毫米的精度手动测量材料样本的厚度。对于没有完美表面的材料样品，厚度精度为0.1毫米。 实验结果在“铺层”、“仅泡沫”和“浸渍泡沫”的两层上进行测量。 图4在左侧显示了叠层第一层的“仅泡沫”样本。右侧是经过测试的“浸渍泡沫”样品。左侧的可见面名为“a”。右侧的可见面名为“b”。面“a”显示出均匀的颗粒状黑色表面，而面“b”显示出一些清晰的条纹和更致密的表面。这两个面表现出不同的特性（即材料是异质的）。 以下结果适用于面“a”，该面被认为是朝向声音入射的一面。下表显示了两层铺层上的实验测试活动的结果。图4  用于测量材料参数的样本示例。左仅泡沫，右浸渍泡沫-（左面a，右面b）表2  两层的测得比翱参数：仅泡沫和泡沫浸渍 以下各节包含用于计算每个Biot参数的平均值和标准偏差的实验结果。i、ii、iii表示特定测量中使用的每个样本。这应该使读者了解这些参数在一个样本之间如何变化。  声学参数结果流阻率：静态流阻率是根据在流阻测试与分析仪中测得的动态质量密度的虚部估算的。此测量遵循标准ISO 9053-1[7]。σx表示平均值的标准偏差。

表3  流阻率测试结果（仅泡沫和浸渍泡沫）

开孔孔隙率：孔隙率是根据Jaouen等人所述的动态体积模量的实部估算的^[8]。σx表示平均值的标准偏差。

表4  孔隙率测试结果（仅泡沫和泡沫浸渍）

曲折度：根据动质量密度和压缩性的实测数据，实现了对曲折度高频极限的估计。

表5  曲折度测试结果（仅泡沫和泡沫浸渍）

热特征长度和粘性特征长度：根据动态质量密度和可压缩性的测量数据，可以估算出材料的热特征长度和粘性特征长度的高频极限。

表6 粘性和热特性长度测试结果（仅泡沫和泡沫浸渍）

粘性和热特征长度是根据它们的解析表达式^[9，10]估算的，该解析表达式是根据Johnson-Champoux-Allard（JCA）模型^[11，12]或Johnson-Champoux-Allard-Lafarge（JCAL）模型^[13]。这些模型采用刚性静态骨架。 声学参数验证：图5、图6和图7比较了在阻抗管中测量的和使用Johnson-Champoux-Allard-Lafarge模型（JCAL）根据上述样品特征参数的平均值计算的法向入射吸声系数 i）仅泡沫、ii）泡沫浸渍面“a”、iii）泡沫浸渍面“b”。 测量数据表示为在所有特征样品上获得的色散包络线，并在图中以浅灰色显示。 考虑到浸渍层的工业生产过程中固有的一些样品的异质性，这些结果显示出合理的准确性。

图5  法向入射吸声系数（仅泡沫）

 图6  法向入射吸声系数（泡沫浸渍面“a”）

 图7  法向入射吸声系数（泡沫浸渍面“b”） 弹性参数用于得出弹性参数的方法是基于对单轴压缩试验下质量/弹簧系统振动的研究。测得的频率响应函数（FRF）定义为长方体或圆柱（具有圆形横截面）样品材料的顶部刚性块与底部移动板的位移之比（参见图8）。从实际的角度来看，加速度计用于确定基板的位移，第二个用于确定顶部负载质量的位移。 图8  实验设置以测量弹性参数当已知最大加载质量时，该方法可用于确定杨氏模量、泊松比和假定的各向同性材料样品的结构损耗因子。对质量/弹簧系统共振附近的FRF的分析可以确定结构损耗因子和表观杨氏模量。后者的模量与材料的实际杨氏模量之间存在因数关系，该因数取决于样品的形状和材料的泊松比。 因此，对于给定的形状因子，该系数仅取决于材料的泊松比^[4]。因此，通过测试具有不同形状因子的样本，可以估计泊松比。最后，从后一个值可以确定材料的实际杨氏模量。 弹性参数结果：表7给出了在单轴压缩试验下材料样品的弹性表征结果。

表7  杨氏模量、阻尼损耗因子和泊松比（仅泡沫）

表8  杨氏模量、阻尼损耗因子和泊松比（泡沫浸渍）
振动声学性能由于Biot参数代表了材料的固有特性，因此Biot参数非常适合计算声学性能数据和设计新的声学饰面，因此可以使用具有不同厚度的同一材料，而无需执行任何其他实验测量。当然，这假定厚度变化不涉及任何压缩。如果涉及压缩，则流阻、孔隙率和其他参数将不同。因此，压缩材料构成了一种新的且不同的声学材料。纤维被压缩到特定厚度通常是这种情况。应该测量最终压缩材料中的样品，而不是最初未压缩的样品。 在设计新的声学内饰材料时，应考虑其余的汽车声学组件以及对实际设计零件的要求。与传统的弹簧/质量声学内饰相比，某些车辆可能需要更高的表面吸收和更低的传输损耗。如果新的声学内饰件大大减少了在基板上应用滚珠和阻尼处理的需求，那么这也将大大降低成本和重量，并将在其选择中发挥作用。
以下各节介绍了以不同顺序堆叠在厚度为0.8 mm的钢板上的上一节中测量的两层声学结果。“仅泡沫”层为12毫米厚（在图中标记为Foam12），“浸渍泡沫”层为3毫米厚（在图中Imp3）。本节着眼于在钢板上放样并由散射声场激发时的层的吸收系数。它还查看了这些层的空气性能以及它们的堆叠顺序。最后，使用“rain on the roof”（ROR）类型的激励研究了叠层的结构承载性能。
扩散场吸收图9显示了胶粘到0.8 mm的钢板上并被散射声场激发时，各层的吸收系数。不出所料，钢板本身没有吸收。当将12 mm泡沫（Foam12）添加到板上时，吸收率随频率单调增加。另外，当在铺层的顶部添加3 mm浸渍泡沫（Imp3）时，吸收会在较低频率（〜1200 Hz）处急剧增加，然后随频率单调下降，这是弹簧/质量系统所预期的。如果多孔层的顺序相反，则将质量层粘贴到钢板上，而弹簧/质量系统的作用消失。可以进行进一步的分析和优化，以通过使用多个“浸渍”和“仅泡沫”层以及所有层的厚度变化来实际增加整个频带的吸收。图9  在扩散场激励下，放置在0.8 mm柔性钢板衬板上的各种顺序的被测层的吸收系数  
空气传播声学包内饰的重要空气传播性能标准是其传输损耗（TL）。 传输损失：图10显示了仅0.8 mm的钢的TL，然后粘贴了12 mm的“仅泡沫”的TL，然后在铺层中添加了3 mm的“浸渍泡沫”。通过将3 mm的“浸渍泡沫”粘贴到钢板上并在该铺层上添加12 mm的泡沫来进行类似的操作。从图中可以明显看出，“Steel+Foam12+Imp3”的弹簧/质量效应在整个感兴趣的频率范围内提供了最佳的TL。图10  0.8 mm钢板的传输损耗，加上不同顺序的测量层结构传播结构传播贡献对车辆内部噪声的影响可能非常显著，尤其是在当今采用新的电动汽车设计的情况下。不幸的是，降低结构传播噪声的要求与空气传播TL和吸音的要求冲突。如果结构工程师在基础钢板上添加了磁珠，从而增加了一些窄带低频之外的辐射功率，那么挑战甚至可能会增加。作者表明，将磁珠添加到面板时，尽管会减少在几个离散频率下的振动响应，面板辐射效率和辐射功率在很宽的频率范围内增加。因此，应当优选提供大量阻尼的解决方案。  提醒一下，面板的辐射功率（Π_rad）是面板的二次速度（v^2_rms）与辐射效率（σ）的乘积。在研究给定面板上的装饰变化时，其余项（A：面积，ρ_oc：空气特性阻抗）为常数。因此，辐射功率取决于被任何装饰物覆盖的基板的振动水平的幅度和辐射效率。 辐射效率：图11显示了0.8 mm裸钢板的辐射效率，以及将Foam12或Imp3粘在基板上并将剩余的泡沫层添加到叠层上的情况。显然，与弹簧/质量系统相比，浸渍层与基板接触的情况产生的辐射效率低得多。在低频到中频范围内，辐射效率的完整幅度的增长是不可忽略的。图11  仅0.8 mm钢板的辐射效率，并以两种顺序覆盖两种被测材料声强（与声功率密切相关）：类似地，在整个频域上，浸渍层与基板接触的情况提供的辐射声强度（与面积项的功率有关）要比弹簧/质量系统的情况低得多。 接收腔中的声压级：类似地，与钢板连接的消声室内部的声压级与浸渍的泡沫胶粘在钢板表面上相比，产生的声压级要低得多，比弹簧/质量系统低20 dB。图12  声学强度为0.8 mm的钢板，并以不同顺序覆盖了两个被测材料层图13  接收腔的SPL单独连接到0.8 mm的钢板，并以不同顺序覆盖了两个被测材料层
总结这项研究表明，Biot（比翱）参数可以用来预测早期设计过程中各种声学材料和配置的声学性能。尤其是在O.C.-PREN SC NV的情况下，已显示出取决于叠层胶合到基板的哪一侧，结果可能会发生巨大变化，这在设计声学解决方案时可以利用。这些Biot参数随后可以在设计过程中用于FEM模型中的修整组件的更详细表示中，其中可以将每层的厚度变化和气隙集成到模拟中以获得更准确的预测结果。 定义/缩写

σ - Flow resistivity 流阻率

φ - Open Porosity 开孔孔隙率

α - Tortuosity 曲折度

Λ - Viscous Characteristic Length 粘性特征长度 

Λ’ - Thermal Characteristic Length 热特征长度

E - Young’s Modulus 杨氏模量

ν - Poisson’s Ratio 泊松比

η - Damping Loss Factor (DLF)  阻尼损耗因子 

ρ - Density 密度 

TL - Transmission Loss 传递损失

SPL - Sound pressure level (SPL) 声压级

TMM - Transfer Matrix Method 传递矩阵法

 参考文献

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原文来源

Innovative Acoustic Material Concept Integration into Vehicle Design Process （SAE Technical Paper 2020-01-1527,2020,doi:10.4271/2020-01-1527） Denis Blanchet，dBVibroAcoustics； Michael Feist-Muench，Odenwald-Chemie GmbH 

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