ДЕТАЛЬ ОТДЕЛКИ САЛОНА АВТОМОБИЛЯ, ОСЛАБЛЯЮЩАЯ ШУМ
CAR CABIN FINISHING PART THAT LESSENS NOISE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к детали отделки салона автомобиля для ослабления шума в транспортном средстве.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В транспортном средстве существует множество источников шума, и они включают в себя, в том числе, силовой агрегат, трансмиссию, пятно контакта шины с дорогой (возбуждаемое поверхностью дороги), тормоза и ветер. Шум, сгенерированный всеми этими источниками внутри салона транспортного средства, охватывает довольно большой диапазон частот, который для обычных транспортных средств с дизельными и бензиновыми двигателями может доходить до 6,3 кГц (выше этой частоты акустическая мощность, излучаемая источниками шума в транспортном средстве, обычно является пренебрежимо малой). Шум от транспортного средства обычно разделяют на низкочастотный, среднечастотный и высокочастотный шум. Как правило, полагают, что низкочастотный шум охватывает диапазон частот между 50 Гц и 500 Гц и что доминирующим является шум, "передаваемый конструкцией": вибрация передается на панели, окружающие пассажирский салон, по множеству путей, обусловленных конструкцией, и эти панели затем излучают шум непосредственно в салон. С другой стороны, обычно полагают, что высокочастотный шум охватывает частотный диапазон выше 2 кГц. Обычно в высокочастотном шуме доминирующим является "аэродинамический" шум: в этом случае передача вибраций на панели, окружающие пассажирский салон, происходит по путям в воздухе. Признают, что существует промежуточная область, в которой объединяются эти два эффекта, и ни один из этих двух эффектов не является доминирующим. Однако для комфорта пассажира важно, что шум ослаблен в среднечастотном диапазоне, а также в низкочастотном и в высокочастотном диапазонах.
Для ослабления шума в транспортных средствах, таких как автомобили и грузовики, хорошо известно использование изоляторов, демпферов и поглотителей для отражения и рассеяния звука и для ослабления, таким образом, общего уровня шума внутри.
Изоляцию традиционно получают посредством защитной системы типа "масса-пружина", в соответствии с которой элемент, имеющий массу, сформирован из слоя непроницаемого материала с высокой плотностью, обычно обозначаемого как тяжелый слой, и пружинящего элемента, сформированного из слоя материала с низкой плотностью, такого как, например, неуплотненный войлок или пена.
Наименование "масса-пружина" обычно используют для определения защитной системы, которая обеспечивает звукоизоляцию посредством комбинации двух элементов, именуемых "массой" и "пружиной". Деталь или устройство именуют работающими как "масса-пружина" в том случае, если ее (его) физическое поведение может быть представлено комбинацией элемента, имеющего массу, и пружинящего элемента. Идеальная система масса-пружина действует в качестве звукоизолятора, главным образом, благодаря механическим характеристикам его элементов, соединенных друг с другом.
Систему масса-пружина обычно помещают в автомобиль поверх слоя стали, причем пружинящий элемент находится в контакте со сталью. Если рассмотреть ее как единое целое, то вся система (масса-пружина плюс слой стали) имеет характеристики двойной перегородки. Вносимое затухание представляет собой количественную величину, которая описывает, насколько эффективным является действие системы масса-пружина, когда она помещена поверх слоя стали, вне зависимости от изоляции, обеспечиваемой самим слоем стали. Следовательно, вносимое затухание показывает эффективность изоляции, обеспечиваемой системой масса-пружина.
Теоретическая кривая вносимого затухания (ВЗ, измеренного в децибелах (дБ)), характеризующая систему масса-пружина, имеет, в частности, следующие особенности. В большей части диапазона частот кривая растет приблизительно линейно с ростом частоты, и скорость роста составляет, приблизительно, 12 дБ/на октаву; такой линейный тренд считают очень эффективным для гарантированного обеспечения хорошей изоляции от входящих звуковых волн, и по этой причине системы масса-пружина широко использовались в автомобильной промышленности. Этот тренд достигнут только выше определенного значения частоты, именуемого “резонансной частотой системы масса-пружина”, при котором система не действует в качестве звукоизолятора. Резонансная частота зависит, главным образом, от массы элемента, имеющего массу (чем больше масса, тем более низкой является резонансная частота), и от жесткости пружины (чем больше жесткость, тем более высокой является резонансная частота). На резонансной частоте системы масса-пружина пружинящий элемент очень эффективно передает вибрацию нижележащей конструкции на элемент, имеющий массу. На этой частоте вибрация элемента, имеющего массу, является даже более высокой, чем вибрация нижележащей конструкции, и, таким образом, шум, излучаемый элементом, имеющим массу, является еще более сильным, чем шум, который излучала бы нижележащая конструкция без системы масса-пружина. Вследствие этого, вокруг резонансной частоты системы масса-пружина кривая ВЗ имеет отрицательный минимум.
Эффективность изоляции акустического барьера оценивают по потерям при передаче звука (ПП). Способность акустического барьера уменьшать интенсивность передаваемого шума зависит от свойств материалов, образующих барьер. Важным физическим свойством, регулирующим ПП звука для акустического барьера, является масса на единицу площади слоев, из которых он состоит. Для наилучшей эффективности изоляции тяжелый слой системы масса-пружина часто имеет гладкую поверхность с высокой плотностью для максимального увеличения отражения шумовых волн, непористую структуру и определенную жесткость материала для минимизации вибраций.
3
Типичные классические слои, имеющие массу, выполнены из высоконаполненных плотных материалов, таких как, например, каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM), этиленвинилацетат (EVA), полиуретан (PU), полипропилен (PP) и т.д. Эти материалы имеют высокую плотность, обычно свыше 1000 (кг/м), гладкую поверхность для обеспечения максимального отражения шумовых волн, непористую структуру и определенную жесткость для минимизации вибраций. С этой точки зрения известно, что многие текстильные ткани, тонкие и/или имеющие пористую структуру, не являются идеальными для шумоизоляции.
Поглощение обычно получают за счет использования пористых слоев. Поглощающую способность звукопоглощающей системы оценивают по коэффициенту поглощения (безразмерной величине). Поглотители обычно выполнены из пористых материалов с открытыми порами, например из войлока или из пеноматериалов.
Обе системы: поглощающая система и изолирующая система, сами по себе имеют лишь малую ширину полосы частот, в которой они работают оптимально. Поглотитель обычно лучше работает на высоких частотах, тогда как изолятор обычно лучше работает на низких частотах. Кроме того, обе системы являются субоптимальными для использования в современном транспортном средстве. Эффективность изолятора сильно зависит от его массы, чем больше масса, тем более эффективным является изолятор. С другой стороны, эффективность поглотителя сильно зависит от толщины материала, чем более толстым он является, тем лучше. Однако на толщину и на массу накладывают все более и более сильные ограничения. Например, масса влияет на топливную экономичность транспортного средства, а толщина материала влияет на вместительность транспортного средства.
Для обычных изоляторов типа "масса-пружина" поглощение является очень плохим и близким к нулю, главным образом, потому, что поверхность слоя, имеющего массу, обычно не является пористой. Система масса-пружина имеет заметный максимум поглощения только лишь в узкой полосе вокруг резонансной частоты. Однако он расположен на низкой частоте, а не в области поглощения, представляющей интерес, которой является среднечастотная и высокочастотная область.
В прошлом было предпринято множество попыток такой оптимизации звукоизоляции в транспортном средстве для уменьшения его массы (веса) при сохранении того же самого уровня акустического комфорта. В транспортных средствах, оснащенных традиционными системами масса-пружина, возможность такой оптимизации массы, в основном, предоставляет тяжелый слой, и поэтому попытки оптимизации, предпринятые до настоящего времени в таких случаях, были сосредоточены на уменьшении массы тяжелого слоя. Однако эти попытки показали, что если масса тяжелого слоя уменьшена свыше определенного физического предела, система изоляции больше не ведет себя как система масса-пружина и неизбежно происходят потеря акустического комфорта. В таких случаях в последние годы были предприняты попытки использования дополнительного поглотителя для компенсации этой потери акустического комфорта.
В прошлом одним из способов решения этой проблемы являлось использование полностью пористых систем. Однако пористые поглотители имеют очень низкую звукоизоляцию. Для пористой системы кривая ВЗ растет приблизительно линейно с ростом частоты, но скорость роста составляет всего лишь, приблизительно, 6 дБ/на октаву вместо 12 дБ/на октаву, что может наблюдаться при использовании непроницаемого защитного материала в качестве тяжелого слоя.
Другой общепринятой практикой решения вышеупомянутой проблемы является размещение поглотителя поверх системы масса-пружина. В такой конфигурации ожидают, что наличие дополнительного материала, в основном, добавляет поглощающие свойства к системе ослабления шума. В то же самое время также ожидают, что поскольку он определяет увеличение массы всей системы, то тот же самый дополнительный материал будет оказывать положительное влияние на звукоизоляцию нижележащей системы масса-пружина.
Изделия этого типа часто именуют системы ABA (поглотитель-барьер-поглотитель). Большинство систем ABA выполнено с первым поглощающим слоем из пены или войлока, с барьером, например, в виде рассмотренного материала тяжелого слоя и с поглощающим слоем, функционирующим также в качестве пружинящего слоя для системы масса-пружина. К тому же, этот поглощающий слой обычно состоит из войлока или пены. Барьерный слой вместе с поглощающим слоем, находящимся в непосредственном контакте с конструкцией, для которой применена эта система, должен функционировать в качестве системы масса-пружина, тогда как верхний поглощающий слой должен функционировать в качестве дополнительного звукопоглотителя.
2
2
2
2
2
Исходя из опыта, ожидают, что когда поверх системы масса-пружина помещена дополнительная масса, такая дополнительная масса должна положительно влиять на эффективность изоляции, обеспечиваемой системой; например, добавление материала с удельной массой на единицу площади, равной 250 г/м, поверх системы масса-пружина с тяжелым слоем, имеющим удельную массу на единицу площади, равную 2 кг/м, должна дать общее увеличение ВЗ, приблизительно, на 1 дБ, тогда как добавление материала с удельной массой на единицу площади, равной 500 г/м, поверх той же самой системы должно дать увеличение ВЗ уже на 2 дБ. Увеличение ВЗ более чем на 1 дБ обычно считают подходящим для общего ослабления шума в пассажирском салоне транспортного средства. Для тяжелого слоя, имеющего удельную массу на единицу площади, равную 1 кг/м, такой эффект увеличения на 1 дБ уже должно давать добавление материала с удельной массой на единицу площади, равной 150 г/м.
К удивлению, было установлено, что когда поверх системы масса-пружина добавлен поглощающий слой для получения системы ABA с тяжелым слоем в качестве барьера, наблюдаемое увеличение ВЗ системы является намного более низким, чем то, которое можно ожидать от добавленной массы. Во многих случаях добавление поглощающего слоя даже ведет к снижению ВЗ системы.
2
2
Во многих областях применения систем ABA в качестве верхнего поглощающего слоя используют очень мягкий войлок (обычно именуемый "флисом") с удельной массой на единицу площади от 400 г/м до 600 г/м. Поскольку такой поглотитель является механически очень мягким (его модуль продольной упругости (модуль Юнга) на сжатие является очень низким, обычно намного более низким, чем модуль продольной упругости воздуха при стандартных условиях), то он не принимает активное участие в изолирующей функции системы, так как связь между волокнами и нижележащим тяжелым слоем является недостаточно сильной для обеспечения эффекта массы. В результате, добавление поглотителя не приводит к какому-либо увеличению ВЗ системы, и изолирующая функция системы определяется только лишь массой тяжелого слоя, помещенного поверх развязывающего слоя. Очень мягкие материалы из войлока (или "флисы") являются более дорогостоящими, чем обычные термоформуемые волокнистые материалы, и обычно применяются в виде накладок поверх системы масса-пружина. Такое нанесение необходимо производить вручную, и эта операция является дорогостоящей.
2
2
В альтернативном варианте система ABA может быть получена путем формовки или приклеивания более традиционного термоформуемого войлока с удельной массой на единицу площади, равной, например, от 500 г/м до 2000 г/м, поверх тяжелого слоя, чтобы он действовал в качестве поглотителя. Неожиданно было установлено, что в этом случае нанесение верхнего поглощающего слоя оказывает отрицательный эффект на эффективность изоляции нижележащей системы масса-пружина, определяя ухудшение ее кривой ВЗ. Такое ухудшение вызвано шумовым излучением системы, образованной тяжелым слоем и верхним поглощающим слоем. Фактически существует конкретная частота, именуемая частотой излучения, при которой вибрации тяжелым слоем очень эффективно передаются в верхний поглощающий слой, что, следовательно, вызывает излучение шума верхним поглощающим слоем. На частоте излучения верхняя поверхность верхнего поглощающего слоя вибрирует даже больше, чем нижележащий тяжелый слой. Вследствие этого эффекта вносимое затухание системы ABA является сильно ухудшенным в полосе частот вокруг частоты излучения. В этом диапазоне частот ВЗ системы ABA является более низким, чем ВЗ системы масса-пружина, из которой оно получено. Таким образом, добавление звукопоглощающей функции (поглощения посредством поглотителя, добавленного поверх) значительно ухудшает исходную функцию системы, то есть изоляцию; звуковое излучение системы, образованной тяжелым слоем и верхним пористым слоем друг с другом, ухудшает изоляцию, обеспечиваемую системой, то есть имеет место случай, который не был рассмотрен ранее на существующем уровне развития техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание детали отделки салона, ослабляющей шум, которая работает в диапазоне частот, важных для ослабления шума в транспортном средстве без недостатков, свойственных современному уровню развития техники. В частности, для оптимизации использования массы для ослабления шума.
Задача настоящего изобретения решена посредством создания детали отделки салона, ослабляющей шум, по п. 1 формулы изобретения, содержащей, по меньшей мере, одну изолирующую область со звукопоглощающими характеристиками системы масса-пружина, которая содержит, по меньшей мере, один слой, имеющий массу, и развязывающий слой, смежный со слоем, имеющим массу, при этом слой, имеющий массу, состоит из пористого волокнистого слоя и барьерного слоя, причем этот барьерный слой расположен между пористым волокнистым слоем и развязывающим слоем и все слои вместе образуют многослойную структуру, и при этом пористый волокнистый слой, по меньшей мере, в изолирующей области выполнен так, что имеет динамический модуль продольной упругости (в паскалях), равный, по меньшей мере:
,
b
p
p
2
2
2
где AW - удельная масса на единицу площади (в граммах на квадратный метр (г/м)), которую имеет барьерный слой, AW - удельная масса на единицу площади (в г/м), которую имеет пористый волокнистый слой, t - толщина пористого волокнистого слоя (в миллиметрах (мм)) и ν - частота излучения (в герцах (Гц)); причем частота  излучения составляет, по меньшей мере, 3000 Гц, а барьерный слой имеет удельную массу на единицу площади, равную, по меньшей мере, 400 г/м.
Для пассажирского салона транспортного средства тем диапазоном частот, в котором звукоизолирующие детали отделки салона являются наиболее эффективными, является диапазон частот от 800 Гц до 3000 Гц. Идеальная система масса-пружина имеет кривую ВЗ со скоростью роста, равной 12 дБ/на октаву. Из общей полученной изоляции определяющей является только фактическая масса, используемая в слое, имеющем массу. Для получения той же самой скорости роста в системе ABA частота  излучения должна превышать верхнюю предельную частоту из диапазона частот, представляющего интерес, в этом случае, по меньшей мере, свыше 3000 Гц, предпочтительно свыше 4000 Гц или более предпочтительно свыше 5000 Гц, хотя этот предел зависит от области применения.
К удивлению, было установлено, что существует соотношение между динамическим модулем продольной упругости материала, из которого состоит пористый волокнистый слой, и частотой излучения. Это соотношение параметрически зависит от удельной массы на единицу площади, от толщины пористого волокнистого слоя и от удельной массы на единицу площади барьерного слоя. Для использования такого материала для пористого волокнистого слоя, чтобы частота излучения была достаточно высокой для того, чтобы не ухудшать общую эффективность изоляции нижележащей системы масса-пружина, предпочтительно, чтобы при частоте, по меньшей мере, выше 3000 Гц динамический модуль E продольной упругости был равным, по меньшей мере, приблизительно . Это может быть обеспечено, например, путем правильного выбора материала, его удельной массы на единицу площади, его толщины и необходимой степени сжатия. Не для каждого материала может быть достигнут необходимый модуль продольной упругости.
Путем регулирования динамического модуля продольной упругости материала, образующего пористый волокнистый слой, таким образом, что он превышает минимальный модуль продольной упругости, необходимый для того, чтобы частоты излучения находилась за пределами диапазона частот, представляющего интерес, как заявлено в изобретении, в кривой ВЗ системы может быть получена скорость роста, равная 12 дБ/на октаву. Таким образом, кривая ВЗ системы ABA согласно настоящему изобретению имеет качественный характер поведения, аналогичный характеру поведения кривой ВЗ нижележащей системы масса-пружина. В то же самое время также замечено, что кривая ВЗ системы ABA согласно настоящему изобретению является более высокой, чем кривая ВЗ нижележащей системы масса-пружина, причем разница обусловлена дополнительной массой пористого волокнистого слоя. Таким образом, пористый волокнистый слой вносит вклад в изолирующую функцию системы и полный массовый потенциал слоя, имеющего массу, который состоит из барьерного слоя и пористого волокнистого слоя, может использоваться для изоляционных свойств детали отделки салона. В то же самое время пористый волокнистый слой с отрегулированным модулем продольной упругости сохраняет поглощающие свойства.
В настоящем изобретении поглощающий верхний слой в виде пористого волокнистого слоя, имеющего модуль продольной упругости согласно настоящему изобретению, увеличивает количество материала, активно участвующего в эффекте масса-пружина.
За счет использования ABA согласно настоящему изобретению теперь обеспечена возможность настройки или регулирования детали отделки салона для любого конкретного применения в транспортном средстве, в частности для систем для внутренней поверхности панели приборов или напольного покрытия. Регулировка может быть получена с точки зрения эффективности, например лучшей изоляции при той же самой общей массе или весе, например более низкой массе при той же самой эффективности глобальной изоляции.
Резонансная частота системы масса-пружина, как описано во введении, и частота излучения слоя, имеющего массу, образованного верхним пористым волокнистым слоем и барьерным слоем, как описано в изобретении, приводят к различным и независимым влияниям на кривую ВЗ. Обе из них появляются на кривой ВЗ для многослойной структуры согласно настоящему изобретению и оказывают отрицательный эффект на эффективность изоляции, причем обе из них вызывают наличие провала на кривой ВЗ. Но эти два провала обычно наблюдаются в двух отдельных участках кривой ВЗ. Для многослойной структуры рассмотренных типов резонансная частота системы масса-пружина, также известная как резонансная частота, обычно наблюдается в интервале от 200 Гц до 500 Гц, тогда как частота излучения слоя, имеющего массу, раскрытая здесь как частота излучения, находится в интервале выше, приблизительно, 800 Гц. Для ясности выбран вариант использования двух различных терминов ("резонансная частота" и "частота излучения") для проведения различий между этими двумя различными частотами.
Несмотря на то что могут быть сделаны детали отделки салона, имеющие конфигурацию типа ABA по всей их поверхности, также могут быть сделаны детали отделки салона с различными областями, предназначенными для различных звукопоглощающих функций (например, исключительно для поглощения, исключительно для изоляции) или даже комбинированные области.
Предпочтительная деталь отделки салона согласно настоящему изобретению основана на той идее, что для точной настройки ослабления шума в автомобиле необходимы обе области: изолирующая область и поглощающая область. За счет использования одного и того же пористого волокнистого слоя всюду по всей площади детали отделки салона: как для изолирующей области, так и для поглощающей области, возможно объединить обе эти функции в детали отделки салона, предпочтительно в отдельных областях. По своему опыту специалист в данной области техники знает, какая звукопоглощающая функция нужна для конкретных областей, теперь он способен поставлять детали с использованием этих знаний и вместе с тем использовать меньшее количество материалов в одной детали, и он способен проектировать деталь в соответствии с потребностями. Деталь отделки салона согласно настоящему изобретению имеет, по меньшей мере, одну поглощающую область и одну изолирующую область, однако фактическое количество областей для каждой звукопоглощающей функции (изоляции или поглощения) и/или размер областей может быть различным в зависимости от детали и того места, где используется эта деталь, и, наконец, что не менее важно, в зависимости от фактических потребностей.
Поглощающая область задана как область детали отделки салона, которая преимущественно ведет себя как поглотитель.
Изолирующая область задана как область на детали отделки салона, которая ведет себя, по меньшей мере, как хороший изолятор.
Пористый волокнистый слой
Использование пористых волокнистых материалов, таких как войлоки или нетканые материалы, для изготовления звукопоглощающих деталей является известным, в частности, в случае верхнего поглотителя системы ABA. Чем более толстым является волокнистый слой, тем лучшим является звукопоглощение. Однако в данной области техники неизвестно отрицательное влияние поглощающего верхнего слоя на общую эффективность изоляции, в частности, неизвестно, как следует настраивать характеристики пористого волокнистого слоя, чтобы избежать этого отрицательного влияния на изоляцию и в полной мере использовать массу пористого волокнистого слоя для звукоизоляции.
К удивлению, было установлено, что динамический модуль продольной упругости пористого волокнистого слоя связан с частотой излучения слоя, имеющего массу, который образован пористым волокнистым слоем вместе с барьерным слоем, следующим образом:
, (Уравнение 1)
b
p
p
2
2
где E - динамический модуль продольной упругости (в паскалях) материала, образующего пористый волокнистый слой, ν - частота излучения (в герцах (Гц)), AW - удельная масса на единицу площади (в килограммах на квадратный метр (кг/м)), которую имеет непроницаемый барьерный слой, AW - удельная масса на единицу площади (в килограммах на квадратный метр (кг/м)), которую имеет пористый волокнистый слой, и t - толщина (в метрах (м)) волокнистого пористого слоя. Согласно этому соотношению, собственное значение динамического модуля продольной упругости пористого волокнистого материала обеспечивает возможность создания детали отделки салона с частотой излучения вне диапазона частот, представляющего интерес, и, следовательно, невозмущенного вносимого затухания в диапазоне частот, представляющем интерес. В частности, если динамический модуль продольной упругости пористого волокнистого слоя превышает минимальное значение, заданное как
0
где ν=3000 Гц, то частота излучения системы масса-пружина будет находиться выше диапазона частот, представляющего интерес для применения деталей отделки салона в транспортных средствах, в частности в пассажирском салоне.
0
Диапазоном частот, представляющим интерес для изоляции в транспортном средстве, в особенности, когда необходима определенная масса системы масса-пружина, в большинстве случаев является диапазон частот до 3000 Гц, однако им также может являться диапазон частот до 4000 Гц или даже до 5000 Гц в зависимости от фактического применения и требований, предъявляемых к уровню шума. Например, когда необходимо обеспечение изоляции в диапазоне частот до 3000 Гц, ν должна быть равной 3000 Гц и, следовательно, динамический модуль продольной упругости должен быть равным, по меньшей мере:
b
p
p
2
2
где AW - удельная масса на единицу площади (в граммах на квадратный метр (г/м)), которую имеет непроницаемый слой, имеющий массу, AW - удельная масса на единицу площади (в граммах на квадратный метр (г/м)), которую имеет пористый волокнистый слой, и t - толщина (в миллиметрах (мм)) пористого волокнистого слоя. Это дает высокий динамический модуль продольной упругости, при котором волокнистый материал больше не может быть легко сжат.
Деталь отделки салона согласно настоящему изобретению содержит развязывающий слой и слой, имеющий массу, состоящий из
- пористого волокнистого слоя с динамическим модулем продольной упругости, равным, по меньшей мере:
, и
b
2
2
- непроницаемого барьерного слоя с удельной массой AW на единицу площади (в граммах на квадратный метр (г/м)), равной, по меньшей мере, 400 г/м.
Когда все слои соединены вместе в виде многослойной структуры, образуя одну деталь, то эта деталь отделки салона будет иметь ВЗ, эквивалентное ВЗ звукопоглощающей системы масса-пружина со скоростью роста, равной, приблизительно 12 дБ/на октаву и соответствующей массе, равной общей удельной массе на единицу площади, которую имеют барьерный слой и пористый волокнистый слой.
Кроме того, пористый волокнистый слой добавляет поглотительную функцию, что являлось первоначальной причиной внедрения систем ABA и которая отсутствовала в классических системах масса-пружина со слоем, имеющим массу, состоящим только из непроницаемых материалов. Благодаря регулированию модуля продольной упругости пористого волокнистого слоя частота излучения пористого волокнистого слоя вместе с барьерным слоем находится выше диапазона частот, представляющего интерес, и больше не нарушает общую эффективность изоляции, обеспечиваемой системой.
По сравнению с системами ABA, существующими на современном уровне развития техники, настоящее изобретение отличается тем, что верхний слой, или пористый волокнистый слой, в дополнение к поглотительной функции активно участвует в изолирующей функции системы. Это возможное только на основании правильного выбора характеристик материалов и конструкции материала пористого волокнистого слоя, что показано уравнением (1) и описано в примерах.
Пористым волокнистым слоем может являться войлок любого типа. Он может быть выполнен из любых термоформуемых волокнистых материалов, включая материалы, полученные из натуральных и/или синтетических волокон. Предпочтительно войлок выполнен из вторично используемого волокнистого материала, такого как регенерированный хлопок, или иных вторичных волокон, например полиэфирных волокон.
Волокнистый материал обычно изготавливают в виде заготовок, то есть, полуфабриката, в котором волокна собраны вместе. Заготовка в разумном приближении является однородной. Заготовка образована листом материала, имеющего первоначальную толщину, и характеризуется ее удельной массой на единицу площади, поскольку волокна равномерно распределены по площади. Когда заготовка сформирована, например, путем сжатия, она приобретает окончательную форму. В конечном счете, получают слой определенной толщины. После процесса формования удельная масса на единицу площади, то есть масса материала на единицу площади, сохраняется. Из одной и той же заготовки может быть получено несколько окончательных толщин в зависимости от степени сжатия.
Динамический модуль продольной упругости волокнистого материала зависит от нескольких параметров. Во-первых, от характеристик самого материала, то есть от состава материала, от типа и количества волокон, от типа и количества связующих компонентов и т.д. Кроме того, для одной и той же рецептуры волокон он зависит от плотности материала, которая связана с толщиной слоя. Следовательно, для войлока определенного состава динамический модуль продольной упругости может быть измерен при различных значениях толщины и, следовательно, принимает различные значения, обычно увеличиваясь при уменьшении толщины (для одной и той же исходной заготовки).
Волокнистый войлочный материал предпочтительно содержит связующее вещество либо в виде связующих волокон, либо в виде смолистого вещества, например термопластичные или термореактивные полимеры. Предпочтительными являются, по меньшей мере, 30% эпоксидной смолы или, по меньшей мере, 25% волокон двухкомпонентного связующего вещества. Возможны и не исключаются другие связующие волокна или материалы, обеспечивающие пористый волокнистый слой согласно настоящему изобретению. Материал пористого волокнистого слоя может быть получен через иглопробивным способом или любым иным способом, увеличивающим динамическую жесткость материала при сжатии.
2
2
2
2
Предпочтительно удельная масса на единицу площади, которую имеет пористый волокнистый слой, составляет от 500 г/м до 2000 г/м, более предпочтительно от 800 г/м до 1600 г/м.
Дополнительным ограничением обычно также является свободное пространство в автомобиле, где может быть размещена звукопоглощающая деталь отделки салона. Это ограничение обычно задает автомобилестроитель, и оно находится в интервале максимум от 20 мм до 25 мм. Все слои детали отделки салона должны совместно использовать это пространство. Следовательно, толщина пористого волокнистого слоя предпочтительно составляет от 1 мм до 10 мм, а более предпочтительно - от 1 мм до 6 мм. Это оставляет достаточное пространство для развязывающего слоя. В частности, развязывающий слой может изменяться по толщине в соответствии с трехмерной формой детали, которая должна совпадать со свободным пространством в автомобиле.
На современном уровне развития техники в детали отделки салона существуют сильно сжатые области вокруг отверстий, необходимые для пропускания кабелей или крепежных приспособлений. Эти последние области обычно не предназначены для звукоизоляции, поскольку ослабление звукопоглощения в области отверстий ухудшает любую характеристику звукоизоляции в непосредственной близости от них.
Барьерный слой
Слой, имеющий массу, который расположен между пористым волокнистым слоем и развязывающим слоем, должен быть непроницаемым (воздухонепроницаемым) для функционирования в качестве идеального звукового барьера. Пористый волокнистый слой с отрегулированным модулем продольной упругости будет функционировать вместе с барьерным слоем в качестве слоя, имеющего массу, для системы пружина-масса только в том случае, если барьерный слой является воздухонепроницаемым. Несмотря на то, что в примерах приведен тяжелый слой, в качестве альтернативы могут использоваться непроницаемые защитные материалы, имеющие массу.
2
2
2
Если в качестве непроницаемого барьерного слоя используется тяжелый слой, то он предпочтительно имеет толщину от 0,2 мм до 5 мм, более предпочтительно от 0,8 мм до 3 мм. Удельная масса на единицу площади, которую имеет непроницаемый слой, имеющий массу, составляет, по меньшей мере, 0,4 кг/м, предпочтительно от 0,5 кг/м до 2 кг/м. Однако выбор массы непроницаемого барьерного слоя связан с конструкцией слоя, имеющего массу, который образован пористым волокнистым слоем вместе с барьерным слоем.
Непроницаемый барьерный слой может быть выполнен из высоконаполненных плотных материалов, которые могут включать в себя термореактивную пластмассу, включая сополимер этиленвинилацетата (EVA), полиэтилен высокой плотности, полиэтилен низкой плотности, линейный полиэтилен низкой плотности, полипропилен, термопластичный эластомер/каучук, поливинилхлорид (PVC) или любую комбинацию вышеупомянутых материалов.
Выбор защитного материала зависит от пористого волокнистого слоя и от развязывающего слоя, и они должен быть способны образовывать многослойную структуру, связывающую все слои друг с другом. Также могут использоваться напыляемые или приклеиваемые материалы. Однако, после соединения и/или формования детали отделки салона в конечном изделии барьер, имеющий массу, должен быть воздухонепроницаемым.
При необходимости для формирования многослойной структуры, состоящей из барьерного слоя вместе с пористым волокнистым слоем или с развязывающим слоем, может использоваться липкий слой в виде пленки, порошка или жидкого напыления, являющийся известным в данной области техники.
Объединенные области в детали отделки салона
Для уменьшения уровня звукового давления в пассажирском салоне в транспортном средстве обычно требуется хороший баланс между изоляцией и поглощением, обеспечиваемый звукопоглощающими деталями отделки салона. Различные детали могут иметь различные функции (например, на внутренней поверхности панели приборов может быть обеспечена изоляция, а на ковровом покрытии может быть обеспечено поглощение). Однако в настоящее время существует тенденция, заключающаяся в обеспечении более детализированного подразделения звукопоглощающих функций в отдельных областях для оптимизации глобальных акустических характеристик. В качестве примера, внутренняя поверхность панели приборов может быть разделена на две части, одна из которых обеспечивает высокое поглощение, а другая обеспечивает высокую изоляцию. Нижняя часть панели приборов обычно является более подходящей для изоляции, поскольку шум, поступающий от двигателя и передних колес через эту нижнюю область, является более существенным, тогда как верхняя часть панели приборов является более подходящей для поглощения, поскольку некоторая изоляция уже обеспечена другими элементами автомобиля, например приборным щитком. Кроме того, задняя сторона приборного щитка отражает звуковые волны, проходящие через верхнюю часть панели приборов, скрытую позади самого приборного щитка. Эти отраженные звуковые волны могут быть эффективно устранены с использованием поглотителя. Аналогичные соображения могут быть применены к другим звукопоглощающим деталям автомобиля. Например, к настилу пола: в областях углублений для ног в полу кузова и в области туннеля преимущественно используется изоляция, тогда как под передним сиденьем и в задних панелях покрытия пола преимущественно используется поглощение.
2
Различные локальные требования могут быть удовлетворены при помощи звукоизолирующей детали отделки салона, разделенной на области, при этом, по меньшей мере, одна область имеет преимущественно звукопоглощающие характеристики (поглощающая область), в соответствии с чем эта поглощающая область содержит, по меньшей мере, один пористый волокнистый слой, а, по меньшей мере, одна другая область имеет акустические характеристики системы масса-пружина (изолирующая область), в соответствии с чем эта изолирующая область состоит, по меньшей мере, из одного слоя, имеющего массу, и развязывающего слоя. Согласно настоящему изобретению, слой, имеющий массу, состоит из пористого волокнистого слоя с динамическим модулем продольной упругости, отрегулированным так, что он имеет частоту излучения вне частоты, представляющей интерес, по меньшей мере, выше 3000 Гц и барьерный слой с удельной массой на единицу площади, равной, по меньшей мере, 400 г/м. Для поглощающей области может использоваться тот же самый пористый волокнистый слой. Следовательно, пористый волокнистый слой совместно используется поглощающей областью и изолирующей областью, причем первый участок в изолирующей области имеет модуль продольной упругости, отрегулированный так, что он имеет частоту излучения, по меньшей мере, выше 3000 Гц, а участок в поглощающей области является оптимизированным для максимального поглощения. В общем, толщина пористого волокнистого слоя является большей в поглощающей области, чем в изолирующей области.
-3
-3
-3
-3
-3
-3
Аэродинамическое сопротивление (АДС) пористого волокнистого слоя в поглощающей области предпочтительно равно от 300 нсм (ньютон-секунд на кубический метр) до 3000 нсм, предпочтительно от 400 нсм до 1500 нсм. Более высокое АДС лучше для поглощения. Однако оно уменьшается при увеличении толщины, следовательно, для толщины от 8 мм до 12 мм АДС предпочтительно составляет от 400 нсм до 1500 нсм.
Добавление дополнительных поглощающих слоев и/или слоев холста может дополнительно усилить поглощение; либо локально в поглощающих областях, либо в качестве дополнительного слоя, по существу, на всей детали отделки салона. Дополнительные слои могут быть выполнены в виде аналогичного войлочного материала или в виде того же самого материала, который используется для пористого волокнистого слоя и/или для дополнительных слоев холста.
Рядом с поглощающими областями и изолирующими областями также существуют промежуточные области, образующие области между изолирующей областью и поглощающей областью или на периферии детали. Эти области сложнее идентифицировать как поглощающую область или изолирующую область, в основном, вследствие технологического режима, при котором создается тип промежуточных зон с изменяющейся толщиной, увеличивающейся в направлении поглощающей зоны и, следовательно, имеющей характер поведения между хорошим поглотителем и неплохим изолятором.
Промежуточные области иного типа могут существовать локально в соответствии с трехмерной формой детали, которая должна совпадать со свободным пространством в автомобиле. На современном уровне развития техники вокруг отверстий в детали отделки салона существуют сильно сжатые области, необходимые для пропускания кабелей или крепежных приспособлений. Эти последние области обычно не предназначены для звукоизоляции, поскольку ослабление звукопоглощения в области отверстий ухудшает любую характеристику звукоизоляции в непосредственной близости от них.
Развязывающий слой
Следуя тем же самым принципам, в качестве развязывающего слоя в детали отделки салона согласно настоящему изобретению может использоваться стандартный материал, используемый для пружинящего слоя в классической акустической системе масса-пружина. Этот слой может быть сформирован из термопластичной и термореактивной пены любого типа, с закрытыми или открытыми порами, например из полиуретановой пены. Он также может быть выполнен из волокнистых материалов, например из термоформуемых волокнистых материалов, включая материалы из натуральных и/или синтетических волокон. Предпочтительно развязывающий слой имеет низкую жесткость при сжатии менее 100 килопаскалей. Предпочтительно развязывающий слой также является пористым или имеющим открытые поры для усиления пружинящего эффекта. В принципе, развязывающий слой должен быть присоединен к барьерному слою по всей поверхности детали для получения наиболее оптимизированного эффекта, однако вследствие технологии производства это может не происходить в некоторых местах. Поскольку вся деталь должна функционировать как звукопоглощающая система масса-пружина, то небольшие локальные области, где слои не соединены, не ослабляют общий эффект ослабления шума.
Толщина развязывающего слоя может быть оптимизирована, однако она, в основном, зависит от ограничения по габаритным размерам в автомобиле. Предпочтительно толщина может изменяться по площади детали в соответствии со свободным пространством в автомобиле. Обычно толщина составляет от 1 мм до 100 мм, а в большинстве областей от 5 мм до 20 мм.
Дополнительные слои
2
2
Поверх пористого волокнистого слоя может быть помещен дополнительный холст для улучшения звукопоглощения и/или для защиты нижележащих слоев, например, от воды и т.д. Дополнительный поглотитель может быть помещен поверх волокнистого пористого слоя, по меньшей мере, частично для дополнительного улучшения поглощающих свойств. Удельная масса на единицу площади, которую имеет дополнительный слой, предпочтительно составляет от 500 г/м до 2000 г/м.
-3
-3
-3
Поглощающий слой может быть сформирован из термопластичной и термореактивной пены любого типа, например из полиуретановой пены. Однако для поглощения шума пена должна иметь открытые поры и/или являться пористой для обеспечения возможности входа звуковых волн согласно принципам звукопоглощения, известным в данной области техники. Поглощающий слой также может быть выполнен из волокнистых материалов, например из термоформуемых волокнистых материалов, включая материалы из натуральных и/или синтетических волокон. Он может быть выполнен из материала того же самого типа, что и волокнистый пористый слой, но предпочтительно должен быть упругим для предотвращения образования препятствий для изолирующей способности. Аэродинамическое сопротивление (АДС) поглощающего слоя предпочтительно составляет, по меньшей мере, 200 нсм, предпочтительно от 500 нсм до 2500 нсм. Также поверх пористого волокнистого слоя могут быть помещены поглощающие системы более чем с одним поглощающим слоем.
-3
-3
-3
-3
Также поверх поглотителя или пористого волокнистого слоя может быть помещен дополнительный холст для еще большего улучшения звукопоглощения и/или для защиты нижележащих слоев, например, от воды и т.д. Холст представляет собой тонкий нетканый материал толщиной от 0,1 мм до, приблизительно, 1 мм, предпочтительно от 0,25 мм до 0,5 мм. Предпочтительно он имеет аэродинамическое сопротивление (АДС) от 500 нсм до 3000 нсм, более предпочтительно от 1000 нсм до 1500 нсм. В соответствии с этим, холст и нижележащий поглощающий слой предпочтительно имеют различные АДС для получения более высокого поглощения. Предпочтительно АДС холста отличается от АДС пористого волокнистого слоя.
2
2
2
2
Удельная масса на единицу площади, которую имеет слой холста, может составлять от 50 г/м до 250 г/м, предпочтительно от 80 г/м до 150 г/м.
Холсты могут быть выполнены из цельных или штапельных волокон или из смесей волокон. Волокна могут быть изготовлены по технологии "мелтблаун" (meltblown) или по технологии "спанбонд" (spunbond). Они также могут быть смешаны с натуральными волокнами. Холсты выполнены, например, из волокон полиэфира или полиолефина или из комбинации волокон, например полиэфира и целлюлозы, или полиамида и полиэтилена, или полипропилена и полиэтилена.
Эти и другие признаки настоящего изобретения станут ясны из приведенного ниже описания предпочтительных вариантов его осуществления, приведенных в качестве не ограничивающих примеров, со ссылкой на приложенные чертежи.
Способ изготовления
Деталь отделки салона согласно настоящему изобретению может быть изготовлена способами холодного и/или горячего формования, которые являются общеизвестными в данной области техники. Например, может быть сформирован пористый волокнистый слой с барьерным слоем или без него для получения материала со свойствами динамического модуля продольной упругости, отрегулированными согласно настоящему изобретению, и, в то же самое время, для формирования детали необходимой объемной формы, и на этом этапе к задней стороне барьерного слоя может быть добавлен либо развязывающий слой методом инжекционного формования, либо слой пены или волокнистого материала.
Определение механической жесткости и жесткости при сжатии, и их измерение
Механическая жесткость связана с реакцией, которую проявляет материал на возбуждение внешней механической нагрузкой. Жесткость при сжатии связана с возбуждением при сжатии, а жесткость при изгибе связана с возбуждением при изгибе. Жесткость при изгибе связывает приложенный изгибающий момент с результирующей упругой деформацией. С другой стороны, жесткость при сжатии или нормальная жесткость связывает приложенную нормальную силу с результирующим растяжением. Для однородной пластины, выполненной из изотропного материала, она равна произведению модуля E упругости материала на площадь поверхности А пластины.
Для пластины, выполненной из изотропного материала, как жесткость при сжатии, так и жесткость при изгибе непосредственно связаны с модулем продольной упругости материала, и одна из них может быть вычислена из другой. Однако если материал не является изотропным, что имеет место для большинства войлоков, только что объясненные соотношения больше не применимы, поскольку жесткость при изгибе связана, в основном, с модулем продольной упругости материала в плоскости, тогда как жесткость при сжатии связана, в основном, с внеплоскостным модулем продольной упругости. Следовательно, больше невозможно вычислить одну из другой. Кроме того, как жесткость при сжатии, так и жесткость при изгибе могут быть измерены в статических или в динамических условиях, и, в принципе, они являются различными в статических и в динамических условиях.
Излучение слоя материала порождено вибрацией слоя, ортогонального к его плоскости, и, в основном, связано с динамической жесткостью материала при сжатии. Динамический модуль продольной упругости пористого материала был измерен при помощи серийно выпускаемого устройства “Elwis-S” (фирмы Rieter Automotive AG), в котором образец возбуждают сжимающим усилием. Измерение с использованием устройства "Elwis-S" описано, например, в публикации BERTOLINI и др. "Transfer function based method to identify frequency dependent Young's modulus, Poisson's ratio and damping loss factor of poroelastic materials". Symposium on acoustics of poro-etastic materials (SAPEM), Bradford, Dec. 2008.
Поскольку измерения этих типов пока еще не являются широко используемыми для пористых материалов, то не существует каких-либо официальных стандартов, разработанных Национальным институтом стандартизации Нидерландов (NEN) или Международной организацией по стандартизации (ISO). Однако, известны и используются другие аналогичные системы измерений, основанные на аналогичных физических принципах, как подробно описано в публикации: LANGLOIS и др. "Polynomial relations for quasi-static mechanical characterization of isotropic poroelastic materials". J. Acoustical Soc. Am. 2001, vol.10, no.6, p.3032-3040.
Непосредственная связь модуля продольной упругости, измеренного статическим способом, и модуля продольной упругости, измеренного динамическим способом, не является прямой и в большинстве случаев не имеет смысла, поскольку динамический модуль продольной упругости измеряют в частотной области в заданном диапазоне частот (например, 300-600 Гц), а статическое значение модуля продольной упругости соответствует предельному случаю 0 Гц, а оно не может быть непосредственно получено из результатов динамических измерений.
Для данного изобретения важной является жесткость при сжатии, а не статическая механическая жесткость, обычно используемая на современном уровне развития техники.
Другие измерения
Аэродинамическое сопротивление было измерено согласно стандарту ISO9053.
Удельная масса на единицу площади и толщина были измерены с использованием стандартных способов, известных в данной области техники.
Потери при передаче (ПП), которые имеет конструкция, являются мерой ее звукоизоляции. Они заданы как отношение акустической мощности, падающей на конструкцию, и акустической мощности, переданной конструкцией приемной стороне, выраженное в децибелах. В случае конструкции автомобиля, оснащенной звукопоглощающей деталью, потери при передаче обусловлены не только наличием этой детали, но также и стальной конструкцией, на которой установлена эта деталь. Поскольку важно произвести оценку звукоизоляционных характеристик звукопоглощающей детали для автомобиля вне зависимости от стальной конструкции, на которой она установлена, то введено вносимое затухание. Вносимое затухание (ВЗ) звукопоглощающей детали, установленной на конструкции, задано как разность между потерями при передаче, которые имеет конструкция, оснащенная звукопоглощающей деталью, и потерями при передаче, которые имеет только лишь сама конструкция:
детали
детали+стали
стали
ВЗ=ПП-ПП (в децибелах).
Вносимое затухание и коэффициент поглощения были смоделированы с использованием программы SISAB, представляющей собой программу численного моделирования для вычисления акустических характеристик звукопоглощающих деталей на основании метода матриц передачи. Метод матриц передачи представляет собой способ моделирования распространения звука в многоуровневых средах, и он описан, например, в публикации BROUARD B. и др. "A general method for modelling sound propagation in layered media". Journal of Sound and Vibration. 1995, vol.193, no.1, p.129-142.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 изображен пример детали отделки внутренней поверхности панели приборов со звукоизолирующими областями и звукопоглощающими областями.
На Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4 и Фиг.5 изображены схемы расположения материала в детали отделки салона согласно настоящему изобретению.
На Фиг.6 изображен график с кривыми вносимого затухания для образцов A-D.
На Фиг.7 изображен график с кривыми поглощения для образцов A-D.
На Фиг.8 изображен график зависимости динамического модуля продольной упругости от удельной массы на единицу площади и от толщины пористого волокнистого слоя.
ПРИМЕРЫ
На фиг.1 показан пример внутренней поверхности панели приборов с двумя отдельными областями, имеющими различные акустические функции, для получения оптимизированного компромисса между изоляцией и поглощением. Нижняя часть внутренней поверхности панели приборов обычно является более подходящей для изоляции (I), поскольку пути шума, поступающего от двигателя и передних колес через эту нижнюю область, являются более существенными, тогда как верхняя часть панели приборов (II) является более подходящей для поглощения, поскольку некоторая изоляция уже обеспечена другими элементами автомобиля, например приборным щитком. Между этими областями, в областях, где пространство для укладки является минимальным, или в областях, имеющих сложную трехмерную форму, обычно невозможно идентифицировать фактические характеристики звукопоглощения, например, либо вследствие нарушения развязывающего слоя, либо вследствие сжатия упругого слоя, который должен функционировать в качестве поглощающего слоя.
Для обеспечения лучшего общего ослабления звука для детали отделки внутренней поверхности панели приборов вся деталь может быть выполнена с наличием различных областей, которые отличаются одна от другой:
1) изолирующая область (I) может быть сформирована путем объединения непроницаемого барьерного слоя и первого участка пористого волокнистого слоя, имеющего отрегулированный динамический модуль продольной упругости, и развязывающего слоя для формирования альтернативной системы ABA согласно настоящему изобретению с использованием суммарной массы двух верхних слоев, функционирующих вместе в качестве одного слоя, имеющего массу, для системы масса-пружина, и пористого волокнистого слоя, добавляющего поглощающие свойства, а также предотвращающего прямое отражение звука, и
2) поглощающая область (II) может быть сформирована из участка пористого волокнистого слоя, не приспособленного для изоляции.
Таким образом, показанная область I детали отделки внутренней поверхности панели приборов содержит альтернативную систему ABA согласно настоящему изобретению. Область II содержит пористый волокнистый слой, функционирующий в качестве стандартного поглотителя, известного в данной области техники.
На фиг.2 схематично показан поперечный разрез детали отделки салона согласно настоящему изобретению. Она содержит слой A, имеющий массу, который состоит из комбинации барьерного слоя 2 и пористого волокнистого слоя 1 согласно настоящему изобретению, и пружинящий слой B, состоящий из развязывающего слоя 3. Вместе они образуют звукопоглощающую систему ABA. Можно ожидать, что звукоизоляционные характеристики появляются в результате объединенной массы барьерного слоя и пористого волокнистого слоя. Кроме того, пористый волокнистый слой 1 сохраняет поглощающие свойства. Предпочтительно поверх пористого волокнистого слоя 1 может быть помещен дополнительный слой холста 5 для еще большего усиления эффекта поглощения звука.
На фиг.3 схематично показан поперечный разрез многослойной структуры согласно настоящему изобретению. Многослойная структура согласно настоящему изобретению содержит, по меньшей мере, область со звукоизолирующими характеристиками (I), ниже именуемую изолирующей областью, и область со звукопоглощающими характеристиками (II), ниже именуемую поглощающей областью. Местоположение областей на детали зависит от той области в транспортном средстве, где используется эта деталь, и от ожидаемых уровней шума и от частотных характеристик в этой конкретной области (см. в качестве примера вышеописанную внутреннюю поверхность панели приборов.)
Изолирующая область (I) и поглощающая область (II) имеют, по меньшей мере, один и тот же пористый волокнистый слой (1), в соответствии с чем участок пористого волокнистого слоя в изолирующей области является сжатым, образуя жесткий слой (1), при этом динамический модуль продольной упругости материала, образующего этот пористый волокнистый слой, отрегулирован так, что он имеет частоту излучения выше, по меньшей мере, 3000 Гц. Минимальное значение модуля продольной упругости материала, образующего пористый волокнистый слой, необходимое для такого характера поведения, задано следующей формулой
.
Когда это условие выполнено, объединенный слой, образованный пористым волокнистым слоем и барьерным слоем, действует как жесткая масса и гарантирует оптимальную эффективность изоляции согласно настоящему изобретению.
Изолирующая характеристика сформирована слоем A, имеющим массу, который состоит из барьерного слоя 2 и пористого волокнистого слоя 1, согласно настоящему изобретению, и пружинящим слоем B, состоящим из развязывающего слоя (3), которые все вместе образуют звукопоглощающую систему масса-пружина. Соответственно, в области I может ожидаться преобладающая звукоизолирующая характеристика.
В области II пористый волокнистый слой 1 не имеет модуль продольной упругости согласно уравнению 1, но обеспечивает характеристики звукопоглощения в этой области. Предпочтительно поверх поглощающего слоя может быть помещен дополнительный слой (4) холста для еще большего усиления эффекта звукопоглощения.
На фиг. 4 показан альтернативный вариант многослойной структуры согласно настоящему изобретению, основанной на тех же самых принципах, что и многослойная структура, показанная на фиг.3 (см. для ссылки). Разница состоит в том, что область под уплотнением использована для добавления барьерного слоя и развязывающего слоя, что приводит к созданию более ровной детали. На практике эта деталь будет в большей степени переходной между фиг.3 и фиг.4, в частности, детали отделки салона автомобиля обычно имеют трехмерную форму, и это также влияет на окончательную компоновку многослойной структуры. К тому же, между изолирующей областью и поглощающей областью имеются промежуточные области, а не четкие границы.
На фиг.5 показан альтернативный вариант многослойной структуры согласно настоящему изобретению, в которой барьер и развязка имеются на всей поверхности детали, включая поглощающую область. Это может иметь преимущества с точки зрения технологического процесса, уменьшая количество технологических операций и/или объем ручного труда, задействованного при использовании накладок вместо нанесения слоев, полностью покрывающих всю деталь.
3
Вносимое затухание и звукопоглощение различных многослойных конструкций, ослабляющих шум, из современного уровня техники были измерены или смоделированы с использованием измеренных параметров материалов и сравнены с вносимым затуханием и со звукопоглощением многослойной структуры, ослабляющей шум, согласно настоящему изобретению. Для обеспечения непосредственного сравнения для всех образцов был использован одна и та же развязка из пены с плотностью 56 кг/м и толщиной 14 мм.
2
2
Образец A, приведенный для сравнения, представляет собой классическую систему масса-пружина со слоем, имеющим массу, который сформирован из материала тяжелого слоя, представляющего собой каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM) с удельной массой на единицу площади, равной 3 кг/м, и инжектированной пены в качестве развязывающего слоя. Суммарная удельная масса на единицу площади, которую имел образец A, составляла 3840 г/м.
2
2
2
2
Образец B, приведенный для сравнения, представляет собой систему ABA согласно современному уровню техники со слоем, имеющим массу, который сформирован из материала тяжелого слоя, представляющего собой каучук на основе сополимера этилена, пропилена и диенового мономера (EPDM) с удельной массой на единицу площади, равной 3 кг/м и инжектированной пены в качестве развязывающего слоя. Поверх использовался дополнительный слой из хлопчатобумажного сукна с 30% волокон двухкомпонентного связующего вещества. Слой войлока имеет удельную массу на единицу площади, равную 1000 г/м, и толщину 9,8 мм. Следовательно, суммарная удельная масса на единицу площади, которую имеет комбинация из верхнего слоя войлока и барьерного слоя, составляет 4 кг/м. Суммарная удельная масса на единицу площади, которую имел образец A, составляла 4960 г/м.
2
2
Образец C, приведенный для сравнения, также представляет собой систему ABA согласно современному уровню техники с удельной массой на единицу площади, равной 400 г/м, из упругого флиса толщиной 11 мм, наклеенного поверх той же самой системы масса-пружина, которая была использована в предыдущих образцах, приведенных для сравнения. Суммарная удельная масса на единицу площади, которую имеет комбинация из верхнего слоя войлока и барьерного слоя, соединенных друг с другом, составляет 3,4 кг/м.
На фиг.6 показаны кривые вносимого затухания (ВЗ) для образцов A, B и C, приведенных для сравнения, и для образца D. Показанное смоделированное вносимое затухание представляет собой потери при передаче, которые имеет система, образованная многослойной структурой и стальным листом, на который она нанесена, за вычетом потерь при передаче, которые имеет непосредственно сам стальной лист.
2
2
На фиг.6 показаны кривые ВЗ для всех систем из современного уровня техники. Образец A представляет собой классическую систему масса-пружина с ожидаемой скоростью роста 12 дБ/на октаву, и здесь его используют в качестве эталона. Образец B имеет суммарную массу обоих верхних слоев, равную 4 кг/м, и ожидают, что он имеет более высокое вносимое затухание, чем эталонный образец A. Однако это справедливо только для низкочастотного диапазона ниже частоты 630 Гц. Выше частоты 630 Гц общее вносимое затухание ухудшается до функционирования, которое имеет место при вносимом затухании, меньшем, чем вносимое затухание, ожидаемое для слоя, имеющего массу, который имеет удельную массу на единицу площади, равную 3 кг/м. Дополнительная масса, используемая для верхнего поглощающего слоя, вообще не вносит какой-либо вклад в общую эффективность изоляции, она даже отрицательно оказывает влияние на вносимое затухание, которое имеет нижележащая система масса-пружина.
Был измерен динамический модуль продольной упругости войлока из образца B толщиной 10 мм, и он равен 108000 паскалей. Согласно уравнению (1), тяжелый слой и пористый слой войлока вместе имеют частоту излучения, равную, приблизительно, 980 Гц. Фактически, на фиг.6 для кривой B наблюдается провал D1. Для вычислений в диапазоне третьей октавы провал D1 на кривой находится в интервале от 800 Гц до 1000 Гц. В этом случае ясно, что частота излучения находится в пределах диапазона частот, представляющего основной интереса для ослабления шума в транспортных средствах.
К тому же, в образце C, приведенном для сравнения, ожидается, что добавление слоя флиса поверх тяжелого слоя приведет к некоторому росту кривой ВЗ. Тем не менее, кривая ВЗ для образца C практически является равной кривой для нижележащей системы масса-пружина (то есть для образца A). К тому же, для этого образца увеличение массы не приводит к какому-либо улучшению наблюдаемой звукоизоляции. В этом случае верхний слой из флиса вообще не вносит какой-либо вклад в эффективность изоляции.
2
2
Образец D выполнен согласно настоящему изобретению со слоем, имеющим массу, который состоит из пористого волокнистого слоя с удельной массой на единицу площади, равной 1500 г/м, поверх барьерного слоя с удельной массой на единицу площади, равной 1500 г/м, и развязывающего слоя, причем модуль продольной упругости пористого волокнистого слоя отрегулирован так, что частота излучения барьерного слоя и пористого волокнистого слоя вместе превышает, по меньшей мере, 3000 Гц. Вносимое затухание показывает ту же самую скорость роста, равную 12 дБ/на октаву, как и при том же самом уровне вносимого затухания в образце A, по меньшей мере, в значительной части диапазона частот, представляющего интерес.
2
Поскольку общая масса слоя, имеющего массу, для образца D сопоставима с эталонным образцом A - оба из них имеют удельную массу на единицу площади, равную 3 кг/м - здесь ясно показано, что потенциальные возможности верхнего поглощающего слоя могут быть полностью использованы для обеспечения общей эффективности изоляции образца согласно настоящему изобретению.
Был измерен динамический модуль продольной упругости войлока из образца D толщиной 3,5 мм, и он равен 550000 паскалей. Минимальный модуль продольной упругости пористого волокнистого слоя, необходимый для того, чтобы для образца D частота излучения была выше 3000 Гц, согласно формуле
равен 390000 паскалей. Поскольку измеренный модуль продольной упругости является большим, чем необходимый минимальный модуль продольной упругости, то пористый волокнистый слой вместе с барьерным слоем действует как масса в системе масса-пружина в диапазоне частот, представляющем интерес. Согласно уравнению (1), тяжелый слой и пористый слой войлока вместе имеют частоту излучения, приблизительно, 3600 Гц. Фактически, на фиг.6 для кривой D наблюдается провал D2. Для вычислений в диапазоне третьей октавы провал D2 на кривой находится в интервале от 3150 Гц до 4000 Гц. Провал появляется на частоте выше 3000 Гц и вне диапазона частот, представляющего основной интерес для ослабления шума в транспортных средствах.
На фиг.7 показаны кривые поглощения для тех же самых образцов A и C, приведенных для сравнения, а также для образца D. Результаты показывают, что классический слой масса-пружина - образец A - не обладает заметным звукопоглощением. Тогда как свободно висящий флис толщиной 11 мм имеет хорошее поглощение. К удивлению, образец D согласно настоящему изобретению, имеющий толщину пористого волокнистого слоя, равную 3,5 мм, имеет, тем не менее, среднее звукопоглощение. Теперь известно, что для того, чтобы повысить общее ослабление звука на 1 дБ, необходимо меньшее увеличение массы для системы изоляции и значительно большее увеличение в том случае, когда выбрана система поглощения. Следовательно, общее увеличение ослабления, которое может быть достигнуто с использованием потенциальных возможностей общей массы используемых материалов, не только компенсирует незначительные потери поглощающих свойств, но и улучшает эти свойства.
Следовательно, создание слоя, имеющего массу, согласно настоящему изобретению включает в себя следующие операции:
1. Выбирают состав войлока и удельную массу на единицу площади.
2. Выбирают барьерный слой и его удельную массу на единицу площади.
3. Сумма этих двух значений удельной массы на единицу площади обеспечивает общую массу системы масса-пружина.
4. Затем формуют эти два материала способом, в котором каждый материал принимает форму слоя и принимает определенную толщину.
p
p
b
2
2
5. Измеряют удельную массу на единицу площади (AW, г/м) и толщину (t, мм) сформированного пористого волокнистого слоя. Измеряют удельную массу на единицу площади (AW, г/м) сформированного барьерного слоя.
6. Измеряют модуль продольной упругости пористого волокнистого слоя при помощи устройства "Elwis-S", для сформированного образца толщиной  (измеренный модуль продольной упругости: ).
min
p
b
p
7. Вычисляют необходимый минимальный модуль продольной упругости (E) по формуле , для AW, AW и t берут измеренные данные для точки 5. В этом примере частота излучения взята, по меньшей мере, выше 3000 Гц.
8. Необходимо проверить, что выполняется условие .
Если это условие выполнено, то выбор материала является удовлетворительным согласно настоящему изобретению и волокнистый материал определенной толщины может использоваться вместе с выбранным барьерным слоем, причем эти два слоя действуют вместе как слой, имеющий массу, в системе масса-пружина. В противном случае выбор параметров и, в частности, выбор модуля продольной упругости войлока должен быть изменен и повторен, повторно начиная с одной из точек 1-4, где параметры (состав войлока, и/или удельная масса на единицу площади войлока, и/или толщина войлока, и/или удельная масса на единицу площади барьера, имеющего массу) должны быть изменены. Обычно выбор только лишь одной удельной массы на единицу площади барьера является недостаточным для изготовления надлежащего слоя, имеющего массу. Если это условие не выполнено, то в большинстве случаев параметры войлока, в частности динамический модуль продольной упругости, необходимо выбирать надлежащим образом.
Ниже приведено более подробное объяснение вышеописанного процесса разработки на примере.
На фиг.8 показан график зависимости динамического модуля продольной упругости от толщины для изолирующего слоя, имеющего массу, согласно настоящему изобретению. В этом случае был взят слой войлока, выполненный, в основном, из хлопка из вторсырья с 30% фенольной смолы. Этот материал использовался до недавнего времени в качестве развязки или поглощающего слоя, в основном, в многослойных конфигурациях. Он здесь выбран не в качестве ограничивающего образца, но в большей мере в качестве примера для демонстрации того, как с технической точки зрения следует разрабатывать материал согласно настоящему изобретению.
2
На фиг.8 линия L1000gsm показывает минимальный динамический модуль продольной упругости, который должен иметь пористый волокнистый слой с удельной массой на единицу площади, равной 1000 г/м, согласно настоящему изобретению, в зависимости от толщины слоя. Он был вычислен по формуле
2
2
2
2
для частоты излучения, равной 3000 Гц, и удельной массы на единицу площади для тяжелого слоя, равной 1500 г/м, и, следовательно, показан на фиг.8 как прямая линия. Линии L1200gsm, L1400gsm и L1600gsm на том же самом чертеже показывают аналогичные данные для значений удельной массы на единицу площади пористого волокнистого слоя, равных 1200 г/м, 1400 г/м и 1600 г/м. Динамический модуль продольной упругости пористого волокнистого слоя с заданной толщиной и одно из этих значений удельной массы на единицу площади должны быть расположены выше линии, соответствующей его удельной массе на единицу площади, для обеспечения сдвига частоты излучения, по меньшей мере, до 3000 Гц и, следовательно, за пределы диапазона частот, представляющего основной интерес для ослабления шума в транспортных средствах.
2
2
2
2
На фиг.8 линия A1000gsm показывают измеренный динамический модуль продольной упругости слоя, в основном, из хлопчатобумажного сукна с 30% фенольной смолы, который имеет удельную массу на единицу площади, равную 1000 г/м, в зависимости от толщины слоя. На том же самом чертеже линии A1200gsm, A1600gsm показывают аналогичные данные для значений удельной массы на единицу площади, равных, соответственно, 1200 г/м и 1600 г/м. Был измерен динамический модуль продольной упругости для определенных точек, и по этим результатам измерений был экстраполирован изображенный характер поведения. Этот материал демонстрирует быстрое увеличение динамического модуля продольной упругости, показывая частоту излучения выше 3000 Гц уже при удельной массе на единицу площади, равной 1000 г/м, и толщине около 7,7 мм. Однако вследствие ограничений по габаритным размерам эта толщина не является предпочтительной для внутренней отделки автомобиля, например для внутренней поверхности панели приборов.
2
2
На фиг.8 линия B1200gsm показывает динамический модуль продольной упругости слоя материала, выполненного, в основном, из образом хлопчатобумажного сукна с 30% эпоксидной смолы, имеющего удельную массу на единицу площади, равную 1200 г/м, в зависимости от толщины слоя. Линия B1600gsm показывает аналогичные данные для случая удельной массы на единицу площади, равной 1600 г/м. Был измерен динамический модуль продольной упругости для определенных точек, и по этим результатам измерений был экстраполирован изображенный характер поведения. Если сравнить эти данные с данными для войлока с фенольной смолой, который рассмотрен выше, ясно видно, что связующее вещество оказывает влияние на жесткость материала при сжатии и, следовательно, на динамический модуль продольной упругости при определенной удельной массе на единицу площади и толщине.
2
Линия C1400gsm показывает динамический модуль продольной упругости слоя материала, выполненного, в основном, из хлопчатобумажного сукна, связанного с 15% двухкомпонентных связующих волокон и имеющего удельную массу на единицу площади, равную 1400 г/м, в зависимости от толщины слоя. Был измерен динамический модуль продольной упругости для определенных точек, и по этим результатам измерений был экстраполирован изображенный характер поведения.
В ряде образцов влияние материала связующего компонента, в частности типа и количества связующего компонента, рассмотрено более подробно.
На фиг.8 показано влияние материала связующего компонента, в частности типа и количества связующего компонента. Кроме того, на фиг.8 объяснено, как выбирают и регулируют пористый волокнистый слой согласно настоящему изобретению.
b
2
2
2
Например, рассмотрим кривые B1200gsm и L1200gsm. Линия L1200gsm нарисована с учетом того, что удельная масса на единицу площади (AW), которую имеет барьерный слой, равна 1500 г/м. При толщине 8 мм пористый волокнистый слой имеет измеренный динамический модуль продольной упругости, равный 187000 паскалей, который задан кривой B1200gsm. Нижний предел модуля продольной упругости согласно настоящему изобретению, для того чтобы частота излучения была выше 3000 Гц, задан линией L1200gsm и установлен равным 757000 паскалей при толщине 8 мм. Следовательно, при толщине 8 мм слой материала, выполненного, в основном, из хлопчатобумажного сукна с 30% эпоксидной смолы и имеющего удельную массу на единицу площади, равную 1200 г/м, будет иметь частоту излучения ниже 3000 Гц и не будет функционировать согласно настоящему изобретению. Фактически, согласно уравнению (1) материал толщиной 8 мм будет иметь частоту излучения, равную 1500 Гц. При толщине 5,5 мм пористый волокнистый слой имеет измеренный динамический модуль продольной упругости, равный 730000 паскалей, который задан кривой B1200gsm. Нижний предел модуля продольной упругости согласно настоящему изобретению для того, чтобы частота излучения была выше 3000 Гц, задан линией L1200gsm и установлен равным 520000 паскалей при толщине 5,5 мм. Следовательно, при толщине 5,5 мм слой материала, выполненного, в основном, из хлопчатобумажного сукна с 30% эпоксидной смолы и имеющего удельную массу на единицу площади, равную 1200 г/м, будет иметь частоту излучения выше 3000 Гц и будет функционировать согласно настоящему изобретению. Фактически, согласно уравнению (1) материал толщиной 5,5 мм будет иметь частоту излучения, равную 3600 Гц.
В итоге, на фиг.8 также показано то, каким образом, после того как зафиксирована удельная масса на единицу площади барьерного слоя, следует выбирать и регулировать характеристики пористого волокнистого слоя (тип материала, удельную массу на единицу площади, толщину), чтобы модуль продольной упругости соответствовал настоящему изобретению.
Когда выбран пористый волокнистый слой, и его модуль продольной упругости отрегулирован согласно настоящему изобретению, получают удивительный изолирующий эффект, не сильно зависящий от АДС верхнего слоя. С другой стороны было установлено, что основным фактором для получения плотной изоляции без какого-либо эффекта провала в диапазоне частот, представляющем интерес, например, для применений в автомобилях, является модуль продольной упругости верхнего слоя согласно настоящему изобретению.
Когда изменяется толщина верхнего слоя, то изменяются оба параметра: АДС и модуль продольной упругости, и, как правило, когда толщина слоя уменьшается, то увеличивается как АДС, так и модуль продольной упругости. Однако величина каждого из этих параметров связана с характеристиками материала. АДС и модуль продольной упругости, а также другие параметры звукопоглощения и механические параметры пористого материала зависят не только от толщины.
2
-3
-3
-3
В качестве примера приведено сравнение АДС двух сопоставимых материалов из войлока одинаковой толщины. "Пневмоуложенный" войлок, обычно используемый для применения в автомобилях, с удельной массой на единицу площади, равной 1000 г/м, имеет АДС, равное 3200 нсм, при толщине, приблизительно, 2,5 мм. Тот же самый материал при толщине 6 мм имеет АДС, равное 1050 нсм. В сравнении с ним "иглопробивной" войлок, обычно используемый для применения в автомобилях, имеющий приблизительно ту же самую удельную массу на единицу площади, равную 1000 г/м2, имеет АДС, равное 220 нсм, при толщине, приблизительно, 6 мм. При одинаковой самой толщине эти два материала имеют различное АДС. Эти два войлока отличаются, главным образом, по способу обработки волокон для формирования слоя материала, и это влияет на АДС.
Те же самые соображения применимы к модулю продольной упругости: для каждого материала модуль продольной упругости увеличивается с уменьшением толщины, однако два различных материала одинаковой толщины не обязательно имеют одинаковое значение модуля продольной упругости и могут характеризоваться совершенно различными модулями продольной упругости, зависящими, в основным образом, от их состава и способа их изготовления.
Кроме того, АДС и модуль продольной упругости являются независимыми параметрами, причем первый связан со звукопоглощающими характеристиками материала, а второй связан с механическими характеристиками материала. В качестве примера, два материала с одинаковым АДС (что связано, например, с одинаковым распределением волокон в материалах) могут иметь различный модуль продольной упругости (что связано, например, с различном количеством связующих компонентов в материале) и, следовательно, различные рабочие характеристики.
Из изображенных на чертеже материалов также видно, что некоторые материалы являются непригодными для формирования слоя, имеющего массу, согласно настоящему изобретению, в основном, потому, что они должны быть сжаты до толщины, которую уже невозможно достичь, или за счет приложения чрезвычайно больших сил давления, что делает технологический процесс уже нерентабельным. Однако за счет регулирования соотношения между связующим веществом и волокнистым материалом, используемого связующего вещества и удельной массы на единицу площади и/или толщины можно разработать материалы, пригодные для использования в качестве пористого волокнистого слоя, имеющего массу, согласно настоящему изобретению.
За счет регулирования динамической жесткости материала, образующего верхний пористый волокнистый слой, вместе с удельной массой на единицу площади барьерного слоя согласно раскрытому уравнению частота излучения слоя, имеющего массу, который сформирован путем объединения пористого волокнистого слоя и барьерного слоя, сдвинута за пределы диапазона, представляющего основной интерес для применений в автомобилях, и в то же самое время получен дополнительный эффект массы благодаря наличию пористого волокнистого слоя. Увеличение общего вносимого затухания (ВЗ) зависит от удельной массы на единицу площади, которую имеет пористый волокнистый слой, вместе с удельной массой на единицу площади, которую имеет барьерный слой, и может быть оценено в приемлемом приближении.
Звукоизолирующая деталь отделки салона согласно настоящему изобретению, в которой барьерный слой расположен между пористым волокнистым слоем и развязывающим слоем и все слои соединены вместе в виде многослойной структуры, может использоваться в автомобиле, например, в качестве внутренней поверхности панели приборов, как описано выше. Однако она также может использоваться в качестве напольного покрытия, в конечном счете, с декоративным слоем или со слоем коврового покрытия поверх нее, при этом слой коврового покрытия предпочтительно представляет собой пористую систему, например ворсовый коврик или коврик из нетканого материала. Она также может использоваться в наружных или внутренних подкрылках. Все применения могут быть реализованы в таких транспортных средствах, как автомобиль или грузовик.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ НА ЧЕРТЕЖАХ
I - изолирующая область
II - объединенная изолирующая и поглощающая область
A - слой, имеющий массу, который содержит, по меньшей мере:
1 - пористый волокнистый слой
2 - барьерный слой
B - пружинящий слой, который содержит, по меньшей мере:
3 - развязывающий слой
Дополнительные слои:
4 - поглощающий слой
5 - слой холста