具降噪和音质改善功能的隔音挡风玻璃

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图1  以厚度为5mm的单片玻璃 （绿色曲线）为参照物，20℃时，由2.1mm玻璃层/PVB /2.1mm玻璃层（黑色曲线）构成的标准挡风玻璃的声音传送损失量



当代汽车工业，隔音技术正发挥着举足轻重的作用。尤其是挡风玻璃，糟糕的隔音性能使其成为汽车前部的“大缺陷”。首诺公司开发的首孚信 Q系列新型隔音级别中间膜可有效改善标准挡风玻璃在隔音性能上的不足，从而降低车厢的噪声级别，提高整体声音质量。

玻璃具有的吻合频率使声波在空气中的传播速度能与玻璃的弯曲波相吻合。当达到吻合频率时，声波对玻璃振动的产生发挥十分显著的作用，而振动的玻璃在达到或超过特定频率时就变成了高效的声辐射体。结果，玻璃变得对声音透明，造成传递损失下垂，或称“符合频率下垂”。由于增加玻璃厚度不能有效解决符合频率下垂，因此这一现象与质量定律产生了很大偏差。

具有标准PVB中间膜和传音功能的挡风玻璃

标准挡风玻璃的构造由两片玻璃在高温高压下在中间夹入0.76mm标准PVB胶片制成，每片玻璃的厚度通常为2.3mm。

用PVB制成的钢化玻璃和标准挡风玻璃具有不同的声音传送损失量（STL）但类似的声透射性（见图1）。虽然PVB胶片能减少玻璃的符合频率下垂，但该现象仍然存在，并与质量定律产生很大偏差。在频率为1500～5000Hz的范围内发生时，就能听到风噪声并严重干扰语音识别度。

为了进一步评测轻量化及其对隔音性能造成的后续影响，首诺公司生产出了不同厚度和/或重量的标准挡风玻璃。改善标准挡风玻璃隔音性能的传统方案是采用较厚的玻璃，厚的玻璃层虽然在中低频率范围内具有较好的隔音性，但当频率达到1500Hz以上后，其隔音性与薄玻璃无明显差别。另外，符合频率下垂是传递风、空气和公路噪声的重要因素，因此采取厚重的玻璃层不足以显著改善车辆内部的声环境。

目前，设计厚度较薄的轻质挡风玻璃的一项方案是采用不对称结构的玻璃。其外层玻璃厚度通常为2.1～2.3mm，能保持抗冲击性，抵御砂石的撞击；同时减少内层玻璃厚度，可显著减轻挡风玻璃的重量，从而实现了合理的整体机械强度并减轻了重量，然而取得这些成果是以牺牲挡风玻璃的隔音特性或汽车驾驶室内的安静为代价的。因此，为了制定合理的挡风玻璃NVH解决方案，就有必要开发一种新型中间膜，它在面临共振及符合频率下垂等标准挡风玻璃存在的基本性能问题时，仍然能够满足特定性能指标。

可控制车内噪声的增强型隔音挡风玻璃

首诺公司在设计新型隔音中间膜时考虑的主要参数有：中间膜的动态机械性能、PVB夹层玻璃的阻尼特性和声波在挡风玻璃内的相互作用，以及研究范围的频率和使用温度等；同时，必须满足汽车工业中关于抗冲击性方面的安全要求，这一要求限制了粘弹性聚合物材料的选择，从而增加了隔音中间膜的设计难度。

此外，新型隔音挡风玻璃还必须根据人们对车内噪声和隔音舒适度要求进行优化和校准。人类听觉最敏感的范围约为100～ 4000Hz，语音识别范围为100～8000Hz，其中，500～ 8000Hz时的语音清晰度为95%，而1000～6000Hz时则为60%。




图2  以厚度为5mm的单片玻璃（绿色曲线）为参照物，隔音中间膜 （蓝色曲线）和标准PVB中间膜（黑色曲线）在20℃时的声音传送损失量






首孚信Q系列产品是首诺公司开发的新型隔音级别中间膜，可以在设计新型挡风玻璃夹层时显著改善标准挡风玻璃在隔音性能上的不足（特别是吻合效应和共振时），从而降低车厢的噪声级别，提高整体声音质量。此中间膜用于挡风玻璃，可改善玻璃的阻尼特性，使其不容易受到入射声的影响，并使吻合效应最小化。

通过比较隔音挡风玻璃与标准挡风玻璃的声传递特性（见图2）发现，隔音中间膜对玻璃的吻合效应具有重大影响。当标准中间膜使钢化玻璃的声音传送损失量提高3～4dB时，隔音中间膜的声音传送损失量则可超出标准膜7～8dB。因此，对吻合效应的抑制有利于减少风噪声和外部空气传播的噪声。




隔音挡风玻璃的构造、重量和隔音特性





为了进行精确的降噪对比，研究人员先后对装有标准挡风玻璃和隔音挡风玻璃的四门轿车、SUV车型和小型货车的前排座位顶部空间的噪声声压级别进行测试。所有测试车辆均采用气动引擎，在高速轨道上进行，且气候条件良好。首先记录下车辆的基准数据；然后再以隔音挡风玻璃替换标准挡风玻璃，并在测量前风干24h；最后，安装好标准挡风玻璃并再次测量车辆基准数据。车辆运行速度为80～161km/h，速度增量为16km/h。当车辆以速度96km/h行进时，隔音挡风玻璃可降低风噪及公路噪声达6dB；另外，在低频至中频范围内，噪声级别也明显降低（见图3）。安装隔音挡风玻璃后，清晰度指数（AI）可增至7，Zwicker响度可减少2宋。当车辆以其他速度运行时，其降噪和音质改善的效果也与之类似。




图3  车速为96km/h时，2007道奇SUV的前排座位顶部空间的车内噪声声压级






设计既改善隔音又轻质的挡风玻璃

试验表明，较薄的隔音挡风玻璃的隔声表现要优于较厚的标准挡风玻璃。标准夹层玻璃的表面密度为12.3kg/m2，隔音夹层玻璃的为11.3kg/m2。尽管隔音夹层玻璃重量轻、厚度薄，但它在质量控制的频率范围内的隔声效果可与较重的标准夹层相媲美，且在高频率范围内能减少符合频率下垂现象和隔断更多的噪声。这主要归功于隔音中间膜的高阻尼特性。上表列出了几种隔音挡风玻璃的结构和减重的潜力。

研究员还在高速测试轨道上，对一辆安装了隔音挡风玻璃、重量已显著减轻的SUV车型进行隔音改善的验证。对SUV车上安装的标准挡风玻璃和隔音挡风玻璃的测试结果表明，重量减少了15%的隔音挡风玻璃可使风噪和公路噪声降低3～4dB。当车速为112km/h、频率范围为20～1000Hz时，前排座位顶部空间的噪声平均可降低0.85dB；而当频率范围为1000～6000Hz时，噪声平均可降低1.4dB。

当更轻薄的挡风玻璃已成汽车玻璃发展趋势并大大降低车重时，其标准PVB中间膜在NVH方面的不足成为了安静车内环境的设计障碍。这一点在使用标准PVB中间膜作挡风玻璃的柴油车上得到了证实。通过设计改进，挡风玻璃可满足任何汽车制造商的特殊需求，首孚信Q系列增强型隔音PVB中间膜使车厢环境更安静，也因此成就了既节重又省油的薄型挡风玻璃。