声学泡沫｜不止优化汽车NVH，更对生命安全担重责！

　　

　　图源：Drartex

　　许多车主抱怨说，他们的车质量很差。使用机动车辆时，尤其是较旧的车辆通常会产生令人不安的巨大噪音。即使是新能源电车，也存在不少的噪音干扰。有统计资料显示，整车约有1/3的故障问题是和车辆的NVH问题有关系。

　　汽车公司对NVH（降噪、振动和粗糙度）的重要性是显而易见的。为了营造安静的内部驾驶环境，降低汽车内部的噪音对汽车制造商来说至关重要。降噪已成为汽车竞争力的质量特征。根据行业平均水平，大型汽车公司约20％的研发费用用于解决汽车的NVH问题。

　　尽管各种汽车公司在噪音控制技术，车身结构、进气和排气噪音消除系统，空气动力性能，发动机降噪等方面做出了很多努力，但仍拦不消费者对汽车是否足够安静的测试体验吹毛求疵。

　　

　　汽车加速行驶车外噪声测量系统 图源：武汉博格纳科技有限公司

　　# 汽车噪音产生的原因有哪些？

　　另外，来自轮胎的滚动阻力、发动机噪音或道路噪音就共同导致车辆噪音水平升高。阵风、雨声或轮胎沙沙声都会直接进入驾驶舱，通常会终结驾驶乐趣。

　　车辆中的持续噪音不仅会影响乘客体验环境，还会影响驾驶员的注意力和表现。在严重的情况下，这可能成为安全隐患。超过 85dB的永久性噪音水平会增加压力、心脏和循环系统疾病的风险，并可能导致听力永久性损伤。

　　为了抑制这种噪音，汽车制造商在隔音措施和噪音抑制新技术方面投入了大量资源。然而，隔音效果往往不足，尤其是在旧车或大型商用车中。造成这种情况的原因主要在于车辆本身的设计。发动机的鼓声会产生振动，这些振动会传递到车身的大型金属结构（例如车门、地板、车顶）并导致它们振动。如果这些结构元件没有得到足够的阻尼，振动就会以“结构声”的形式通过车辆传播，然后以响亮的鼓声的形式散发到车体环境中。

　　

　　车辆上的大型金属结构，例如车门、车顶和地板，在运行时会开始振动并传输结构声。当空气传播的声音和噪音发生时，这会被排放到环境中。图源：Zoni

　　# 声学泡沫的重要性

　　汽车隔音降噪旨在减少或消除外部噪音的影响，主要是发动机、排气和轮胎噪音在很宽的频率范围内。汽车的噪音和振动控制可以通过使用增加机械阻尼、增加吸音或隔音的材料来实现。为了实现这些目标，发泡材料已在该行业中使用了数十年并在新应用中逐渐取代金属。近些年，更轻、可持续、高性能的发泡材料成为汽车降噪的研究应用重点材料之一。

　　

　　没有（中）和（右）阻尼处理的汽车地板的空间平均粒子速度谱（左）和宽带颜色图。将隔音泡沫视为海绵，但它不会吸水，而是会吸收噪音。吸收的声音的频率和总量取决于泡沫。与会反射声波的硬金属表面不同，多孔泡沫表面允许声波穿透它。一旦进入，波浪就会在泡沫内部回荡，直到它耗尽能量或退出。泡沫越厚，吸收噪音的能力就越好，尤其是低频声波。图源：Wikipedia

　　表面阻尼材料在降低结构噪声方面非常有效。在制造具有隔音功能的车辆时，会安装面板阻尼材料。车辆内部会产生许多复杂的噪音，这些噪音会随着驾驶环境和车辆行驶速度而变化。汽车环境限制了可以使用的材料厚度，但阻尼器、屏障和吸收器的组合包括毡、泡沫、聚酯、聚丙烯等混合材料都在运用。

　　声学泡沫的吸声和去耦在降低分贝和改善汽车声学方面起着关键作用，通常使其成为吸音、隔音、阻尼材料的必要补充。通过安装不同类型的声学泡沫或者其他材料的组合，可以显著降噪，可以减少风声、引擎声、道路声和轮胎声，为您的汽车音响和日常生活提供最佳环境。在您确定噪声源后，利用声学泡沫对单个组件（例如地板）或独立区域（例如发动机室）可以选择性地进行隔音，将减少内部噪音和回声。

　　在制造过程中，声学泡沫可应用于车辆的不同区域，以降低机舱噪音。发泡材料及部件在安装方面还具有成本和性能优势，因为发泡材料可以在应用后膨胀并填充空腔，还可以防止泄漏和一些气体进入车辆。

　　

　　白车身声学损失测试结果对比

　　数据显示，2020年发达国家汽车平均塑料用量达每辆500千克，而2011年为300千克，在整车质量占比为20%；目前国内各类汽车塑料用量为每量130-160千克，泡沫塑料在汽车上的应用不断扩大，从软质泡沫塑料（静音垫、坐垫、顶棚内衬、地毯背衬）到半硬质泡沫塑料（汽车仪表盘、门内饰板、遮阳板），再到硬质泡沫塑料（车门内板、顶棚、保险杠等内饰件）。

　　这些非金属结构和部件的材料中，发泡材料都有吸音降噪功能，但所有的降噪功能各有不同。从聚氨酯、聚烯烃、到硅橡胶，到结构泡沫、金属泡沫及发泡材料与纤维增强或非织造布增强的树脂基复合材料，这些声学泡沫或组合在汽车优化NVH性能中发挥着中流砥柱的作用，显著降低发动机噪音、降低风噪、降低胎噪同时，更大程度上保障了生命安全。

　　NVH有发动机NVH、车身NVH和底盘NVH三大部分，进一步还可细分为空气动力NVH、空调系统NVH、道路行驶NVH、制动系统NVH。发泡材料家族中常用的PU、EPS、EPP、IXPE/IXPP、三聚氰胺树脂沫、硅橡胶泡绵等等都具有或优或良的声学表现，应用于与声音振动有关的各部件。

　　若升华到NVH的最高境界，就是最大提升和保障生命安全性，这是底线，也是最高原则。那么结构泡沫、金属泡沫以及创新的发泡材料与增强复合组合，凭借卓著的声学和力学结合，进一步提升整车缓冲撞击性能，最大程度保障驾驶员、乘客和行人的生命安全。

　　

　　汽车NVH泡沫系统 图源：Customfoam

　　

　　aixFOAM

　　“老当益壮”的聚氨酯泡沫

　　

　　图源：Rogers

　　

　　声学开孔和闭孔腔填充泡沫（BETAFOAM ）为内燃机 (ICE) 和电动汽车 (EV) 提供卓越的噪音、振动和粗糙度 (NVH) 降低。这些双组分聚氨酯泡沫用作腔体密封和封闭泡沫。 图源：陶氏公司

　　

　　特种聚氨酯泡绵作为电动汽车静音轮胎隔层降噪材料，可极大提升驾乘体验。对于电动汽车，特种聚氨酯泡绵服务于轮胎消音效果更加明显。由于电动汽车没有发动机，电动机产生的声音比汽油或柴油发动机产生的声音小得多，在行驶时几乎不会产生噪音。因此，风噪声和轮胎噪声的影响更为明显。电动汽车轮胎最重要的要求之一是尽可能降低道路噪音，以保证安静行驶。特种聚氨酯泡绵与专用胎面花纹和橡胶化合物创新的胎面设计不仅可以降低噪音，还可以提高在潮湿道路上行驶时的排水速度。

　　

　　

　　

　　“不暴躁”的膨胀聚苯乙烯

　　通过战略性地依赖 EPS 泡沫，汽车行业以优雅且具有成本效益的方式应对不同的降噪设计挑战。

　　EPS通过缓冲减震实现消音降噪，进而被制造商有效地用于减轻重量、提供能量吸收保护和增加乘客舒适度。EPS泡沫可用于大多数私家车、商务车和卡车的保险杠保护与车身侧面成型，空气动力学设计考虑决定了车辆这些区域的流线型形状，特别适合使用 EPS可以实现的各种可成型形状，同时最大限度地吸收冲击。虽然放置在乘客舱外的 EPS 提供了第一道防线，并在很大程度上减轻了碰撞的影响，但 EPS还为车内的乘客提供了保护。EPS泡沫可以在仪表板、座垫下方、车门饰板和扶手后面、顶篷上方和膝垫中找到。也广泛用于儿童保护座椅。

　　

　　除了为乘客提供更高的安全性之外，EPS 泡沫还通过隔离声音和温度来提高乘客的舒适度。EPS 泡沫可用于隔离空调设备，减少传递到机舱的道路、风和发动机噪音。最后，EPS 泡沫的重量减轻特性使其成为用于固定备用轮胎千斤顶或音频部件等物品的金属部件的自然替代品。

　　“静好青年”发泡聚丙烯

　　80年代，汽车制造中第一次应用膨化聚丙烯创建了一个保险杠组件。结果表明，聚丙烯具有较高的冲击吸收性能，即使在多次冲击后，也不会发生永久变形或破坏。直到今天，负责汽车安全的部件都优先用这种材料制造。

　　减震聚丙烯泡沫用于生产汽车驾驶舱元件，保证了在发生事故时驾驶员的最佳安全。汽车驾驶舱部件如EPP方向盘、立柱垫和膝垫是汽车中不可缺少的损伤防护部件。这种材料的优异声学性能使其能够有效地消除嗡嗡声、砰砰声和所谓的“锡门效应”。用这种高弹性和吸振材料覆盖空间、车顶与座椅，不仅可以提高声学舒适性，而且还能在侧面碰撞时保护乘客。

　　

　　图源：Feurer

　　另外，膨胀聚丙烯的最大性能之一，易于加工压缩成型为几乎任何形状，并适合难以到达的地方，从而服务于汽车减振元件。一个典型的例子是用于后备箱的内部，EPP 模制的行李箱存储元件可以包括用于连接紧固备用车轮、千斤顶或车轮扳手，从而避免了撞击声。发泡聚丙烯隔音垫还可以将“工具箱”放置在备用轮或各种储藏室内，以便于进行凹槽的功能开发。另一个难以隔音的元素是汽车门，EPP隐藏不规则形状的空旷空间、加固物和打开窗户或为扬声器供电的电子机制。EPP隔音泡沫与个别调整的形状证明是非常有用的应用。

　　正因为如此，EPP迎合了越来越广泛和复杂的概念设计，从内装零部件、汽车内饰用垫块、座椅系统、行李箱工具盒、方向盘、遮阳板、到重型车卧铺以及卧铺下工具箱，以及动力电池防护包，使发泡聚丙烯在汽车零部件和功能组件降噪中的作用愈加突出。

　　

　　灵活多样的EPP声学部件

　　

　　减震器和空气格栅 图源：可耐福

　　“绝代双骄”IXPE/IXPP

　　电子辐照交联聚乙烯发泡材料（IXPE）、电子辐照交联聚丙烯发泡材料（IXPP）是新一代绿色发泡材料，在防水密封、隔音降噪、缓冲减震方面表现优异，应用于汽车皮革装饰衬垫、汽车面板防水膜。

　　

　　图源：润阳新材料

　　这对“双胞胎”在NVH表现优势是显而易见的，用作汽车风管，顶棚内衬、扬声器垫片、新能源汽车电池保护、汽车引擎、车门与后备箱及中控台内饰等处。产品密度可调范围广，可以起到车辆减重、降噪、减少冷暖空气的能量损失等作用，如使用新型IXPP材料后汽车风道重量能减轻至90克以下,相比传统硬质风道减重超59%；且导热系数小于 0.04w/m*k能够有效的减少冷暖空气的能量损失。

　　这样高端的聚烯烃发泡材料技术壁垒较高，但不阻止汽车对其NVH的需求创新应用正不断冲击传统材料的趋势。

　　

　　图源：湖北祥源新材料

　　“敢挑大梁”三聚氰胺树脂泡沫

　　三聚氰胺树脂柔性开孔泡沫是卓越的吸声材料。得益于细筋形成的错综复杂的空间网状结构，确保声波不会作为回声反射，但可以不受阻碍地穿透细胞结构从而散失声能。例如，在低频下，可以通过添加较重的材料层来改善声音。在汽车制造中，三聚氰胺树脂泡沫可以压制成轮廓精确的部件，从而提供最佳的隔音效果。

　　三聚氰胺树脂泡沫可与毛毡或塑料薄膜结合在汽车上应用，在汽车降噪方面有极佳的声学作用。其层压吸声板非常适合用在发动机罩衬垫，或作为汽车前部的防火墙及传动轴通道中的挡热板，用它制成的发动机罩优化了行人保护效果，能够符合现行更严格的行人保护要求。三聚氰胺树脂泡沫良好的吸声性能，用其制成的嵌件可降低卡车和农业机械车辆驾驶室中的噪声等级，从而保护驾驶员健康，提高道路安全性。

　　

　　Basotect G+（混响室）的吸声 图源：巴斯夫

　　由于其优异的综合性能，还被用于发动机隔声罩。作为发动机罩盖内衬可以帮助汽车厂家解决多种问题。该部件在汽车最热的区域起到优异的消声、阻燃和减重作用。由于其回弹性、重量轻、声学性能出众等优点，也被用于填充车内的空腔部分，如A柱、B柱和C柱等的填充。

　　“温柔不粘人”的硅橡胶泡绵（胶带）

　　发泡橡胶是一种理想的 NVH 材料，硅胶、三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶（NBR）、氯丁橡胶（CR）和丁苯橡胶（SBR）等材质的超软、半闭孔和超软泡沫为各种应用提供卓越的性能：耐用性、机械性能、更宽的功能温度范围以及与各种压敏粘合剂的兼容性来改善汽车NVH 功能。

　　橡胶发泡材料的高密度使其更容易吸收噪音和振动。可以模切或定制型材形式用于汽车行业的各种应用：密封件、垫圈、衬垫、封闭条、立柱填料、门板、仪表板、顶篷。这些泡沫和海绵部件单独使用或复合使用，以在车辆部件包括金属门、玻璃和内舱门装饰板的门系统实现 STL（声音传输损失）目标。

　　

　　EPDM垫片 图源：常州万凯塑胶有限公司

　　EPDM密封条是隔绝车内与外界环境声的理想密封材料。应用在车窗、车门、顶棚、装饰、镶嵌、植绒、涂复。当用于挡风玻璃、门板、仪表板和顶篷内或周围的声学/声音控制时，可以得到更好的NVH控制。

　　多样化的乙烯基/腈/氯丁橡胶混合泡绵（胶带）用于驾驶室的综合降噪。发泡硅胶应用于动力电池减震、密封和热管理。

　　

　　泡绵用于动力电池电芯间缓冲 图源：广迈电子

　　

　　图源：Tecman

　　“不可小窥”的聚酰胺泡沫

　　

　　PA 泡沫是未来汽车零部件重型材料的绝佳替代材料，具有高溶胀性、良好的耐化学品性以及优异的耐温性，使其成为结构部件以及绝缘体、管道、垫片、电动汽车电池壳和其他轻质部件中铝和金属的有前途的替代品。

　　

　　世界上第一个聚酰胺泡沫SunForce， 将此材料与聚酯无纺布一起使用可在 1000Hz 下实现 0.5 或更高的吸声系数。图源：Asahi Kasei

　　更重要的是，PA 泡沫还可提供出众的隔音效果。由于珠子的特殊形状所产生的降噪性能将满足人们对NVH应用的日益增长的需求。潜在的应用可以在汽车周围的任何地方找到，尤其是在发动机舱中，也可以在车顶、发动机罩、座椅和地板结构中找到。将 PA 泡沫用作发动机罩的材料，这不仅有助于减轻重量，而且还可以隔离发动机噪音。车顶以及座椅和地板结构也可以用泡沫制成更轻，以减少噪音。

　　

　　图源：DIMER

　　将树脂与聚酰胺泡沫结合而获得的吸音和隔音特性，两种材料的结合进一步提高了抗冲击性。当玻璃纤维复合板与PA泡沫结合时，冲击力降低了 30-48%，具体取决于所用复合材料的类型。此外，改变泡沫材料的厚度可以改变吸声频带。这些将扩大应用和设计的范围。

　　由于电动汽车、自动驾驶等的发展，PA泡沫在汽车产业中电子电气的功能化产品将会得到大幅应用。

　　

　　图源：Nippon Electric

　　PMI泡沫与CFRP/GFRP的“暴力美学”

　　目前，汽车制造中用到的复合材料多为纤维增强或机织物及非织造布增强的树脂基复合材料。车辆在行驶过程中会遭受外部振动，从而导致内部零件受损，因此，汽车一般需要具有较好的减震性。PMI(聚甲基丙烯酰亚胺)泡沫夹心层复合材料具有比重轻、减震性好的特点。目前，以PMI为代表的结构泡沫为夹芯层的纤维增强复合材料，用于高强、高弹性、耐热性的车身、底盘和安装部件，来进一步对降噪减震缓冲提质升级。

　　

　　ROHACELL 和 CFRP 制成的夹层复合结构可以在外壳上减轻 50% 甚至更多的重量，这为更优降噪带来的益处。图源：赢创

　　举个例子。汽车扰流板一般是为了增加高速行驶车辆轮胎的抓地力，以提高燃油效率。但是，扰流板会在车辆行驶带来的高速气流影响下产生振动，形成噪音。因此，汽车后扰流板需要重量轻，并且具有较好的减震性能。结构发泡材料一般芯层采用聚合物泡沫被两面表皮采用异质材料，如碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP），通过粘接实现复合。因此，采用PMI泡沫为芯材、碳纤维增强复合材料为表皮，开发夹心层复合材料扰流板，满足了汽车后扰流板重量轻和减震性能的要求。新扰流板的重量比原型ABS/PC材料扰流板要轻，但高机械刚性和刚度更强，抗冲击强度更强，进而实现更优异的减震降噪。

　　

　　图源：3A

　　除了减震降噪优化、节能驾驶和动力系统改进外，PMI也是减轻车辆重量，是节省燃料和减少 CO 2排放的优选方法。这对未来的城市车辆或电动汽车尤其重要，明显减轻重量并有助于缩小动力传动系并提高行驶里程。在大规模生产中，需要极高的自动化水平和极短的工艺周期时间，它要求加工和材料能够承受高压（> 30 bar）和高温（~ 180℃）。因此，PMI泡沫芯材限制了复合材料在大规模生产中的应用。

　　非织造布与发泡材料的极致结合

　　发泡材料与非织造布的降噪组合，打造更安静的车辆。提供高效的吸声性能，尤其是在中高频范围内。高性能的非织造布都具有很低的重量和很高的蓬松度。如内部纤维网由聚酯 (PE) 和聚丙烯 (PP) 纤维组合的非织造布，是最容易压缩的，并且具有出色的压缩恢复能力。可在不增加重量的情况下吸收高能量。

　　

　　非织造材料更完全单独或者组合发泡材料填充空隙并更有效地减少振动，使其成为立柱和装饰板后面、顶篷或仪表板中 NVH 空腔填充物的理想选择。与玻璃纤维、劣质、毛毡和 PET 相比，重量轻且易于处理。另外，由于材料厚度和所选纤维会改变非织造材料的特性，因此可以根据客户的要求定制衬垫。所使用的材料经过“微调”，以理想地覆盖汽车制造商所需的特定频谱。

　　发泡材料与非织造布勾勒出汽车降噪的无限创新可能，可制作变腔NVH、车门饰板、门孔密封条、头衬、轮井、行李箱内衬、车柱、仪表盘、包裹托盘。

　　

　　图源：UFP Technologies, Inc

　　泡沫铝占领未来汽车

　　汽车碰撞事故中，过大的加减速度峰值或汽车结构变形压迫是造成人员伤亡的主要原因，汽车复杂的碰撞过程与碰撞速度均会对汽车安全造成巨大影响，因此，汽车结构安全设计与碰撞速度对汽车性能的影响关系研究具有重要意义。

　　泡沫铝通过声学和力学的大力结合实现未来汽车的降噪减震，进一步增强汽车轻量化和安全性能。泡沫铝材料具有轻质、吸能力强的优良特性，被认为是一种最有前途的汽车轻量化材料，设计合理的泡沫铝复合结构既能达到降低碰撞加速度的效果，又能满足汽车轻量化设计要求。可替代曲轴箱、盖子、外壳的金属材料。

　　

　　图源：德国不来梅 IFAM

　　汽车发生侧面碰撞时，主要通过车门结构件、门槛横梁、底板、B 柱等结构件进行能量传递或自身的变形来吸收碰撞能。合理的侧面结构和新材料应用，是提高汽车侧碰安全的有效途径。基于泡沫铝材料在静压和冲击状态下的特性研究，将泡沫铝复合结构优化后填充到门槛横梁中以达到较好的减少侵入量和降低加速度峰值的效果。通过在车门防撞梁中使用泡沫铝材料的方法，起到提高吸能量和抗弯强度的作用。为了降低行人头部伤害，在汽车发动机罩中设计碳纤维增强泡沫和铝强化聚碳酸酯材料结构，可起到很好的吸收碰撞能的作用，有效地提高了发动机的静态特性和行人碰撞安全性。

　　

　　轻量化部件的使用对于车辆的生产越来越重要。电动汽车的前瞻性发展只有通过持续使用铝等极轻材料才能达到效率目标：缓冲碰撞噪音，保障电池安全。泡沫铝引领潮流的发展是电动汽车的电池盒。出色的吸音性、低重量、碰撞性能、高刚度和温度调节的可能性开阔了动力电池设计思路，电池之间的泡沫铝夹层形式的棒充当垫片和碰撞吸收器。型材或管道可以集成在泡沫铝中，例如用于电池冷却。

　　

　　Havel Lite 电池壳 图源：Havel metal foam

　　关键词：# Interfoam发泡者联盟 ##声学泡沫 NVH # 吸音 # 隔音 # 阻尼 # 聚氨酯 # 聚烯烃 # 硅橡胶 # 结构泡沫/结构发泡芯材 # 金属泡沫 # 泡沫铝 # 特种聚氨酯泡绵 # 电子辐照交联聚乙烯发泡材料（IXPE）# 电子辐照交联聚丙烯发泡材料（IXPP） # 三聚氰胺树脂柔性 # 三元乙丙橡胶（EPDM）# 丁腈橡胶（NBR）# 氯丁橡胶（CR） # 丁苯橡胶（SBR）# PA泡沫/尼龙泡沫 # PMI泡沫 # 碳纤维增强塑料（CFRP） # 玻璃纤维增强塑料（GFRP） #

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