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KR20140002734A - 자동차 소음 감쇠 트림 부품 - Google Patents

자동차 소음 감쇠 트림 부품 Download PDF

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KR20140002734A
KR20140002734A KR1020137021437A KR20137021437A KR20140002734A KR 20140002734 A KR20140002734 A KR 20140002734A KR 1020137021437 A KR1020137021437 A KR 1020137021437A KR 20137021437 A KR20137021437 A KR 20137021437A KR 20140002734 A KR20140002734 A KR 20140002734A
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KR
South Korea
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layer
sound
porous fiber
mass
fiber layer
Prior art date
Application number
KR1020137021437A
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KR101624254B1 (ko
Inventor
클라우디오 베르톨리니
클라우디오 카스타그네티
마르코 세피
Original Assignee
오토니움 매니지먼트 아게
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Publication date
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Application filed by 오토니움 매니지먼트 아게 filed Critical 오토니움 매니지먼트 아게
Publication of KR20140002734A publication Critical patent/KR20140002734A/ko
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Abstract

본 발명의 음향 감쇠 트림 부품은, 적어도 매스 레이어(A)와 상기 매스 레이어(A)에 인접한 디커플링 레이어(3)를 포함하는 음향 매스 스프링 특성을 가진 적어도 하나의 차음 구역을 포함하고 있고, 상기 매스 레이어(A)는 다공성 섬유 레이어(1)와 장벽 레이어(2)로 이루어져 있고, 상기 장벽 레이어(2)는 다공성 섬유 레이어(1)와 디커플링 레이어(3) 사이에 배치되어 있고, 모든 레이어 함께 적층되어 있으며, 적어도 차음 구역에서 상기 다공성 섬유 레이어(1)는 그 방사 진동수가 적어도 3000(Hz)이 되도록 조절된 동적 영률(Pa)을 가지고 있다.

Description

자동차 소음 감쇠 트림 부품{AUTOMOTIVE NOISE ATTENUATING TRIM PART}
본 발명은 차량에서의 소음 감쇠를 위한 자동차 트림 부품에 관한 것이다.
차량에 있어서 소음 발생원은 다양하며, 그 중에서도, 파워 트레인, 동력전달장치, (도로 표면에 의해 발생된)타이어 접촉 패치, 브레이크, 그리고 바람을 포함한다. 차량의 객실 내측의 이러한 모든 소음 발생원에 의해 발생된 소음은, 통상적인 디젤 차량 및 휘발유 차량에 대해서, 6.3kHz(이 진동수보다 높은 진동수에서, 차량에서의 소음 발생원에 의해 방출된 음향 파워는 대체로 무시할 수 있음)까지 이를 수 있는 상당히 넓은 진동수 범위를 포함한다. 차량 소음은 일반적으로 낮은 진동수 소음, 중간 진동수 소음 그리고 높은 진동수 소음으로 나누어진다. 대체로, 낮은 진동수 소음은 50Hz 내지 500Hz 사이의 진동수 범위를 포함하는 것으로 생각될 수 있고 구조물 소음(structure-borne noise)이 가장 크며: 진동은 다양한 구조적 경로를 통하여 객실를 둘러싸고 있는 패널로 전달되고 이러는 패널은 소음을 객실속으로 방출한다. 한편, 대체로 높은 진동수 소음은 2kHz보다 높은 진동수 범위를 포함하는 것으로 생각될 수 있다. 높은 진동수 소음은 대체로 공기전달 소음(airborne noise)이 가장 크며: 이 경우에 객실을 둘러싸고 있는 패널로의 진동의 전달은 공기전달 경로(airborne path)를 통하여 이루어진다. 두 가지 효과가 결합되어 두 가지 중의 어느 것도 우세하지 않은 중간 구역(grey area)이 존재하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 승객 안락감을 위해, 낮은 진동수 범위 및 높은 진동수 범위뿐만 아니라 중간 진동수 범위에서도 소음이 감쇠되는 것이 중요하다.
음향을 반사하고 소산시켜서 전체적인 내부 음향 레벨을 감소시키기 위해 승용차 및 트럭과 같은 차량에서 소음 감쇠를 위해 차음재(insulator), 감쇠재(damper) 그리고 흡음재(absorber)를 사용하는 것은 잘 알려져 있다.
차음(insulation)은 전통적으로 종래의 매스 스프링 장벽 시스템(mass-spring barrier system)에 의해 얻어지는데, 여기에서 매스 요소는 통상적으로 무거운 레이어로 지정된 고밀도 불침투성 재료에 의해 형성되어 있고 스프링 요소는 압축되지 않은 펠트(felt) 또는 폼(foam)과 같은 저밀도 재료에 의해 형성되어 있다.
통상적으로 "매스 스프링" 이라는 용어는 "매스"와 "스프링"의 두 요소의 결합을 통해서 차음효과를 제공하는 장벽 시스템을 한정하기 위해서 사용되고 있다. 어떤 부품 또는 장치의 물리적인 거동이 매스 요소와 스프링 요소의 결합에 의해 표현될 수 있다면 그 부품 또는 장치는 "매스 스프링"으로서 작용한다고 말할 수 있다. 이상적인 매스 스프링 시스템은 주로 함께 결합되어 있는 요소들의 기계적인 특성으로 인해 차음재로서 작용한다.
매스 스프링 시스템은 통상적으로 차에서 스틸 레이어의 상부에 놓이는데, 이때 스프링 요소가 스틸 레이어와 접촉한 상태로 있다. 전체로서 고려하면, 전체 시스템(매스 스프링과 스틸 레이어)은 이중 파티션의 특성을 가지고 있다. 삽입 손실(insertion loss)은 스틸 레이어 자체에 의해 제공되는 차음효과와는 별도로, 매스 스프링 시스템이 스틸 레이어의 상부에 놓였을 때 매스 스프링 시스템의 작용이 얼마나 효과적인지를 나타내는 양이다. 따라서 삽입 손실은 매스 스프링 시스템의 차음 성능을 나타낸다.
매스 스프링 시스템의 특성을 나타내는 이론적인 삽입 손실 곡선(IL: 데시벨(dB)로 측정됨)은 특히 아래의 특징을 가지고 있다. 진동수 범위의 대부분에 대해서, 이론적인 삽입 손실 곡선은 대략 선형적으로 진동수와 함께 증가하고, 증가율은 대략 12dB/octave 이며; 이러한 선형 경향성은 유입되는 음파에 대해 양호한 차음효과를 보장하는데 매우 효과적인 것으로 생각되고, 이러한 이유로, 매스 스프링 시스템은 자동차 산업에 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 경향은, "매스 스프링 시스템의 공명 진동수" 라고 하는 특정 진동수 값보다 높은 진동수에서만 달성되고, 매스 스프링 시스템의 공명 진동수에서는 매스 스프링 시스템이 차음재로서 효과적이지 않다. 매스 스프링 시스템의 공명 진동수는 주로 매스 요소의 무게(무게가 무거울수록, 공명 진동수가 낮아짐)와 스프링 요소의 스티프니스(stiffness)(스티프니스가 클수록 공명 진동수가 높아짐)에 좌우된다. 매스 스프링 시스템의 공명 진동수에서는, 스프링 요소가 밑에 있는 구조의 진동을 매우 효과적인 방법으로 매스 요소에 전달한다. 이 진동수에서는, 매스 요소의 진동이 밑에 있는 구조의 진동보다도 훨씬 크므로, 매스 요소에 의해 방출된 소음은 매스 스프링 시스템없이 밑에 있는 구조에 의해서 방출될 수 있는 소음보다 훨씬 크다. 결론적으로, 매스 스프링 시스템의 공명 진동수 근처에서는, IL(삽입 손실) 곡선이 음의 최소값을 가진다.
음향 장벽의 차음 성능은 음향 투과 손실(sound transmission loss)(TL)에 의해서 평가된다. 전달되는 소음의 강도를 감소시키는 음향 장벽의 능력은 음향 장벽을 형성하는 재료의 성질에 좌우된다. 음향 장벽의 음향 투과 손실(TL)을 컨트롤하는 가장 중요한 물리적인 특성은 음향 장벽을 구성하는 구성 레이어의 단위 면적당 질량이다. 최대의 차음 성능을 위해, 매스 스프링 시스템의 무거운 레이어는 종종 소음 파동의 반사를 최대화하기 위해 매끈한 고밀도 표면을 가지고, 진동을 최소화하기 위해 무공성(non-porous) 구조 및 특정 재료 스티프니스를 가진다.
대표적인 종래의 매스 레이어는 EPDM, EVA, PU, PP 등과 같은 고충진 고밀도 재료(highly filled dense material)로 만들어진다. 이러한 재료는 통상적으로 1000(kg/m3)을 넘는 고밀도를 가지고 있고, 소음 파동의 반사를 최대화하기 위해 매끈한 표면을 가지며, 진동을 최소화하기 위해 무공성 구조 및 특정 스티프니스를 가진다. 이러한 관점에서, 구조상으로 얇은 및/또는 다공성인 다양한 직물이 소음 차단에 이상적이지 않은 것으로 알려져 있다.
흡음성은 통상적으로 다공성 레이어의 사용에 의해 얻어진다. 흡차음 시스템(acoustical system)의 흡음 성능은 흡음 계수(absorption codfficient)(무차원량)에 의해 평가된다. 흡음재는 통상적으로 개방 다공성 재료(open porous material), 예를 들면, 펠트(felt) 또는 폼(foam)으로 만들어져 있다.
흡음 시스템과 차음 시스템은 단독으로 흡음 시스템과 차음 시스템이 최적으로 작용하는 작은 대역폭의 진동수만 가진다. 흡음재는 일반적으로 높은 진동수에서 양호하게 작용하는 반면에, 차음재는 일반적으로 낮은 진동수에서 양호하게 작용한다. 또한, 흡음 시스템과 차음 시스템의 양 시스템은 현대 차량에 사용하기에는 차선책에 불과하다. 차음재의 유효성은 차음재의 무게에 크게 의존하는데, 무게가 무거울수록 차음재가 효과적으로 된다. 한편 흡음재의 유효성은 재료의 두께에 크게 의존하는데, 재료의 두께가 두꺼울수록 흡음재가 효과적으로 된다. 그러나, 두께와 무게는 점점 제한되고 있다. 예를 들면, 무게는 차량의 연료 경제성에 영향을 미치고, 재료의 두께는 차량의 넓은 공간확보에 영향을 미친다.
매스 스프링 형식의 통상적인 차음재에 대해서는, 흡음성이 매우 작거나 영(zero)에 근접하는데, 그 이유는 주로 매스 레이어의 표면이 대체로 다공성이 아니기 때문이다. 매스 스프링 시스템은 단지 공명 진동수 부근의 좁은 대역에서 뚜렷한 흡음 피크값을 나타낸다. 그러나 이것은 낮은 진동수에 속하고, 중간 진동수와 높은 진동수인 흡음성에 대한 관심 영역에 속하지 않는다.
과거에는, 동일한 수준의 음향 안락감(acoustic comfort)을 유지하면서 차량의 질량(무게)을 감소시키는 방식으로 차량에서의 차음성을 최적화하려는 것에 대해서 많은 시도가 행해졌다. 종래의 매스 스프링 시스템으로 처리된 차량에서는, 상기와 같은 무게 최적화에 대한 가능성이 주로 무거운 레이어에 의해 표시되고, 이러한 이유로 상기와 같은 경우에 있어서 지금까지 행해진 최적화 시도는 무거운 레이어의 질량을 감소시키는 것에 집중되었다. 그러나, 이러한 시도는, 무거운 레이어의 무게가 특정의 물리적인 한계를 넘어서 감소되면, 차음 시스템이 더 이상 매스 스프링 시스템으로서 기능하지 못하고 불가피하게 음향 안락감의 손실이 발생한다는 사실을 보여주었다. 이러한 경우에는, 이러한 음향 안락감의 손실을 보상하기 위해서 최근 수년간 부가적인 흡음 재료를 사용하는 것이 시도되었다.
과거에는 이러한 문제를 다루는 한 가지 방법이 충분히 다공성인 시스템을 이용하는 것으로 이루어졌다. 그러나 다공성 흡음재는 매우 낮은 음향 차단성을 가지고 있다. 다공성 시스템에 대해서는 삽입 손실(IL) 곡선이 대략 선형 방식으로 진동수와 함께 증가하지만, 무거운 레이어와 같은 불침투성의 장벽 재료를 이용할 때 관찰될 수 있는 12dB/Octave가 아니라 단지 약 6dB/Octave의 증가율로 증가한다.
상기한 문제를 다루는 다른 하나의 통상적인 실행방식은 매스 스프링 시스템의 최상부에 흡음 재료를 배치시키는 것으로 이루어져 있다. 이러한 구성에 의하면, 상기 부가적인 재료의 존재로 인해 음향 감쇠 시스템에 주로 흡음 특성을 부가할 것이라는 점이 예상된다. 동시에, 상기 구성은 전체 시스템의 무게를 증가시키기 때문에, 동일한 부가적인 재료가 밑에 있는 매스 스프링 시스템의 차음성에도 긍정적으로 영향을 미칠수 있다는 점도 예상된다.
이러한 유형의 제품을 종종 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템이라 한다. 대부분의 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템은 제1 흡음 레이어인 폼 또는 펠트, 예를 들면 상기한 바와 같이 무거운 레이어 재료의 형태로 된 장벽, 그리고 매스 스프링 시스템용 스프링 레이어로서도 작용을 하는 흡음 레이어로 만들어져 있다. 또한 이러한 흡음 레이어는 통상적으로 펠트 또는 폼으로 이루어져 있다. 상기 시스템이 부착되는 구조물과 직접 접촉하고 있는 흡음 레이어와 함께 장벽 레이어는 매스 스프링 시스템으로서 작용을 해야 하는 반면에, 최상부 흡음 레이어는 부가적인 흡음재로서 작용을 해야 한다.
경험에 기초하면, 부가적인 무거운 물질이 매스 스프링 시스템의 최상부에 놓이면, 이러한 부가적인 무거운 물질은 상기 매스 스프링 시스템의 차음 성능에 긍정적으로 영향을 미쳐야하는 것이 예상된다; 예를 들어, 2(kg/m2)의 무거운 레이어를 가진 매스 스프링 시스템의 최상부에 250(g/m2)의 물질을 부가하면 대략 1 dB의 전체적인 IL(삽입 손실) 증가를 가져와야 하고, 상기 매스 스프링 시스템의 최상부에 500(g/m2)의 물질을 부가하면 2 dB의 IL(삽입 손실) 증가를 가져와야 한다. 1 dB보다 큰 IL(삽입 손실) 증가는 통상적으로 차량의 실내에서의 전반적인 소음 감쇠와 관련된 것으로 간주된다. 1(kg/m2)의 무거운 레이어에 대해서는, 150(g/m2)의 물질의 부가에 의해 상기와 같은 1 dB 효과를 가져와야 한다.
놀랍게도, 장벽으로서 무거운 레이어를 가진 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템을 얻기 위하여 매스 스프링 시스템의 최상부에 흡음 레이어를 부가하면, 관찰되는 상기 매스 스프링 시스템의 삽입 손실(IL)의 증가가 부가된 무게로부터 예상할 수 있는 것보다 훨씬 작다는 사실을 알게 되었다. 많은 경우에 있어서, 흡음 레이어의 부가에 의해 매스 스프링 시스템의 삽입 손실(IL)의 감소를 초래하기도 한다.
ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템의 많은 사용예에 있어서, 400 내지 600 g/m2의 단위 면적당 무게를 가진 매우 연질의 펠트(통상적으로 "플리스(fleece)"라고 함)는 최상부의 흡음 레이어로 사용된다. 이러한 흡음재는 기계적으로 매우 연질(압축 영률(compression Young's modulus)이 매우 작은데, 통상적으로 표준 공기(standard air))의 압축 영률보다 훨씬 더 작다)이므로, 섬유와 밑에 있는 무거운 레이어 사이의 연결이 매스 이펙트(mass effect)를 제공할 정도로 충분히 강하지 않기 때문에 상기 시스템의 차음 기능에 적극적으로 참여하지 못한다. 결과적으로, 흡음재의 부가가 상기 시스템의 삽입 손실(IL)의 증가를 야기하지 못하고 상기 시스템의 차음 기능이 디커플링 레이어의 상부에 놓이는 무거운 레이어의 질량에 의해서만 결정된다. 매우 연질의 펠트 재료(또는 "플리스")는 보통의 열성형가능한 섬유 재료보다 훨씬 더 비싸고 통상적으로 매스 스프링 시스템의 최상부에 패치의 형태로 부착된다. 이러한 부착은 수작업으로 실행되어야 하므로 비용이 많이 드는 작업이다.
대체 실시형태로서, 흡음재로서 작용하기 위해, 예를 들면, 500 내지 2000(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가진 보다 종래의 열성형가능한 펠트를 무거운 레이어의 상부에 성형하거나 접착하는 것에 의해 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템이 얻어질 수 있다. 예상치 못하게, 상기 경우에 있어서 최상부 흡음 레이어의 부착이 밑에 있는 매스 스프링 시스템의 차음 성능에 부정적인 효과를 미쳐서, 삽입 손실(IL) 곡선의 하락(deterioration)을 초래하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 삽입 손실(IL) 곡선의 하락은 무거운 레이어와 최상부 흡음 레이어에 의해 형성된 상기 시스템의 소음 방사에 의해 야기된다. 실제로, 무거운 레이어에 의해 최상부 흡음 레이어로 매우 효율적인 방식으로 진동이 전달되어, 최상부 흡음 레이어로 하여 소음을 방사하게 하는 방사 진동수(radiation frequency)라고 하는, 특수한 진동수가 존재한다. 이 방사 진동수에서는, 최상부 흡음 레이어의 상부면이 밑에 있는 무거운 레이어보다 훨씬 더 진동한다. 이러한 효과로 인해, 방사 진동수 부근의 진동수 범위에서 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템의 삽입 손실이 크게 손상된다. 이 진동수 범위에서는, ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템의 삽입 손실(IL)이 매스 스프링 시스템의 삽입 손실(IL)보다 작다. 이런 식으로, 음향 작용(상부에 부가된 흡음재를 통한 흡음성)의 부가는 상기 시스템의 원래의 작용, 다시 말해서, 차음성을 현저하게 저하시킨다; 무거운 레이어와 최상부 다공성 레이어에 의해 형성된 상기 시스템의 음향 방사는 상기 시스템의 차음성을 저하시킨다.
본 발명의 목적은, 현 시점의 기술적 수준에서 문제점 없이, 차량에서의 소음 감소에 중요한 진동수의 범위에 걸쳐서 작용하는 음향 감쇠 트림 부품을 얻는 것이다. 특히 소음 감쇠에 사용되는 무게를 최적화하는 것이다.
본 발명의 목적은, 적어도 매스 레이어와 상기 매스 레이어에 인접한 디커플링 레이어를 포함하는 음향 매스 스프링 특성을 가진 적어도 하나의 차음 구역을 포함하고, 상기 매스 레이어는 다공성 섬유 레이어와 장벽 레이어로 이루어지고, 상기 장벽 레이어는 상기 다공성 섬유 레이어와 상기 디커플링 레이어 사이에 배치되어 있고, 모든 레이어는 함께 적층되어 있으며, 상기 다공성 섬유 레이어는 적어도 상기 차음 구역에서 적어도
Figure pct00001
의 동적 영률(Pa)을 가지도록 조절되고, 상기 식에서, AWb는 장벽 레이어의 단위 면적당 무게(g/m2)이고, AWp는 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게(g/m2)이고, tp는 다공성 섬유 레이어의 두께(mm)이고, 그리고 ν(Hz)는 방사 진동수이고; 상기 방사 진동수 ν는 적어도 3000(Hz)이고, 상기 장벽 레이어는 적어도 400(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가지는, 청구항 1에 따른 음향 감쇠 트림 부품에 의해 달성된다.
차량의 실내에 대해서는, 800(Hz)와 3000(Hz) 사이의 진동수 범위가 음향 차단 트림 부품이 최대로 효과적으로 되는 진동수 범위이다. 이상적인 매스 스프링 시스템은 12dB/Octave 증가율을 가진 삽입 손실(IL) 곡선을 나타낸다. 매스 레이어에 사용된 실제 무게만이 전체적인 차음성을 얻는데 결정적인 역할을 한다. ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템으로 이와 동일한 증가율을 얻기 위해서는, 방사 진동수 ν가 관심 대상의 진동수 범위의 진동수 상한값을 넘어야 하고, 이 상한값은 사용처에 따라 달라지지만, 본 경우에는 적어도 3000(Hz)를 넘거나, 바람직하게는 4000(Hz)을 넘거나, 더욱 바람직하게는 5000(Hz)를 넘어야 한다.
놀랍게도, 다공성 섬유 레이어로 이루어지는 재료의 동적 영률과 방사 진동수 사이에는 일정한 관계가 있다는 사실이 밝혀졌다. 이 관계는 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게와 두께에, 그리고 장벽 레이어의 단위 면적당 무게에 매개변수적으로 의존한다. 밑에 있는 매스 스프링 시스템의 전체적인 차음 성능을 저하시키지 않도록 방사 진동수가 충분히 높게 되도록, 바람직하게는 적어도 3000(Hz)를 넘게 되도록 다공성 섬유 레이어용 재료를 사용하기 위해서는, 동적 영률 E가 적어도 대략
Figure pct00002
이어야 한다. 이것은 재료, 재료의 단위 면적당 무게, 재료의 두께 그리고 필요한 압축의 정도의 적절한 선택에 의해 달성될 수 있다. 모든 재료가 필요한 영률을 달성하지는 못할 것이다.
다공성 섬유 레이어로 이루어지는 재료의 동적 영률을, 청구범위에서 청구한 바와 같이, 관심 대상의 진동수 범위의 외측에 있도록 하기 위해 방사 진동수에 필요한 최소 영률을 넘도록 조정하는 것에 의해서, 상기 시스템의 삽입 손실(IL) 곡선에서 12dB/Octave의 증가율이 얻어질 수 있다. 이런 식으로, 본 발명에 따른 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템의 삽입 손실(IL) 곡선은 밑에 있는 매스 스프링 시스템의 삽입 손실(IL) 곡선과 정성적으로(qualitatively) 유사한 행태를 가진다. 동시에, 다공성 섬유 레이어의 부가적인 무게로 인한 차이가 있으므로, 본 발명에 따른 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템의 삽입 손실(IL) 곡선은 밑에 있는 매스 스프링 시스템의 삽입 손실(IL) 곡선보다 더 높다는 사실도 관찰되었다. 이런 식으로, 다공성 섬유 레이어는 시스템의 차음 작용에 기여하고 장벽 레이어와 다공성 섬유 레이어로 이루어진 매스 레이어의 총 매스 포텐셜(full mass potential)은 트림 부품의 차음 특성에 사용될 수 있다. 동시에, 조절된 영률을 가진 다공성 섬유 레이어는 흡음 특성을 유지한다.
본 발명에 의하면, 본 발명에 따른 영률을 가진 다공성 섬유 레이어의 형태로 된 최상부 흡음 레이어는 매스 스프링 효과(mass-spring effect)에 적극적으로 참여하는 재료의 양을 증가시킨다.
본 발명에 따른 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템을 이용하는 것에 의해서, 이제는 임의의 특수한 차량 사용처에 대한 트림 부품, 특히 내측 대시(inner dash) 또는 플로어 커버링 시스템(floor covering system)을 조절 또는 조정하는 것이 가능하다. 상기 조정은, 예를 들면, 동일한 전체 무게에서의 보다 양호한 차음성, 또는 동일한 전체적인 차음 성능에서의 무게, 예를 들면, 보다 작은 무게와 같은 성능의 면에서 얻어질 수 있다
본 명세서의 도입부에 기술되어 있는 매스 스프링 시스템의 공명 진동수와 본 발명에 기술되어 있는 최상부 다공성 섬유 레이어와 장벽 레이어에 의해 형성된 매스 레이어의 방사 진동수는 삽입 손실(IL) 곡선에 대해 상이하면서도 독립적인 효과를 초래한다. 상기 공명 진동수와 방사 진동수 양자 모두는 본 발명에 따른 멀티레이어의 삽입 손실(IL) 곡선에 나타나며 차음 성능에 대해 부정적인 효과를 발생시키고, 상기 공명 진동수와 방사 진동수 양자 모두는 삽입 손실(IL) 곡선에서 하락부(dip)를 초래한다. 그러나 삽입 손실(IL) 곡선의 두 개의 별개의 부분에서 두 개의 하락부가 통상적으로 관찰된다. 고려중인 유형의 멀티레이어에 대해서, 공명 진동수로도 알려져 있는, 매스 스프링 공명 진동수는 통상적으로 200 내지 500 Hz의 범위에서 관찰되고, 본 명세서에서 방사 진동수로 표시되어 있는, 매스 레이어의 방사 진동수는 대략 800 Hz를 넘는 범위에 있다. 명확성을 기하기 위해서, 두 가지 상이한 진동수를 구별하기 위해 두 가지 상이한 용어(“공명 진동수” 및 “방사 진동수”)를 사용하기로 한다.
모든 표면 위에 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 유형의 구성을 가지는 트림 부폼을 만들 수 있지만, 서로 다른 음향 작용(예를 들면, 단독의 흡음 작용, 단독의 차음 작용)에 전용된 서로 다른 구역 또는 이들의 결합 구역을 가진 트림 부품을 가질 수도 있다.
본 발명에 따른 바람직한 트림 부품은 자동차에서의 음향 감쇠를 미세 조정하기 위해서 차음 구역과 흡음 구역의 양자 모두가 필요하다는 생각에 기초하고 있다. 차음 구역과 흡음 구역의 양 구역에 대해 트림 부품의 전체 구역에 걸쳐서 동일한 다공성 섬유 레이어를 사용하는 것에 의해서, 하나의 트림 부품에서, 바람직하게는 별개의 구역에서 양자의 작용을 통합할 수 있다. 당해 기술분야의 전문가는 어떤 구역이 어떤 유형의 음향 작용을 필요로 하는지를 경험에 의해서 알고, 상기 전문가는 이러한 지식을 이용하고 동시에 하나의 부품 내의 보다 작은 갯수의 재료를 이용하여 부품을 공급할 수 있으며 또한 상기 전문가는 필요에 따라 상기 부품을 설계할 수 있다. 본 발명에 따른 트림 부품은 적어도 하나의 흡음 구역과 하나의 차음 구역을 가지고 있지만, 각각의 음향 작용(차음성 또는 흡음성)에 대한 구역의 실제 갯수 및/또는 상기 구역의 크기는 부품과 상기 부품이 사용되는 위치에 따라서, 그리고 마지막으로 그러나 역시 중요한 사항으로 실제의 요건에 따라서 달라질 수 있다.
흡음 구역은 주로 흡음재로서 작용하는 트림 부품의 구역으로서 정의된다.
차음 구역은 적어도 우수한 차음재로서 작용하는 트림 부품의 구역으로서 정의된다.
다공성 섬유 레이어
특히 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템의 최상부 흡음재의 경우에 있어서, 음향 흡수 부품의 구조용으로 펠트나 부직포와 같은, 다공성 섬유 재료를 사용하는 것이 알려져 있다. 섬유 레이어가 두꺼울수록 음향 흡수성이 좋아진다. 그러나, 전체적인 차음 성능에 대한 최상부 흡음 레이어의 부정적인 효과는 당해 기술 분야에서 알려져 있지 않으며, 특히 차음성에 대한 이러한 부정적인 효과를 회피하기 위해서 다공성 섬유 레이어의 특성을 조절하는 방법 및 음향 차단 목적을 위해서 다공성 섬유 레이어의 매스를 충분히 활용하는 방법은 알려져 있지 않다.
놀랍게도, 다공성 섬유 레이어의 동적 영률이 장벽 레이어와 함께 다공성 섬유 레이어에 의해 형성된 매스 레이어의 방사 진동수와 아래의 식:
Figure pct00003
...(식 1)
으로 관련되어 있다는 사실이 밝혀졌다.
상기 식에서, E는 다공성 섬유 레이어로 이루어진 재료의 동적 영률(Pa)이고, ν는 방사 진동수(Hz)이고, AWb는 불침투성 장벽 레이어의 단위 면적당 무게(kg/m2)이고, AWp는 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게(kg/m2)이고, 그리고 tp는 다공성 섬유 레이어의 두께(m)이다. 상기 관계식에 따르면, 다공성 섬유 재료의 동적 영률의 적절한 값은, 방사 진동수가 관심 대상의 진동수 범위 밖에 있고 그 결과 관심 대상의 진동수 범위에서 삽입 손실이 영향을 받지 않는 상태로 트림 부품의 설계를 할 수 있게 한다. 특히, 다공성 섬유 레이어의 동적 영률이 아래와 같이 정의된 최소값:
Figure pct00004
(상기 식에서, ν0=3000Hz)
보다 크면, 매스 스프링 시스템의 방사 진동수는 차량, 특히 차량 실내의 트림 부품의 사용예에 대해 관심 대상의 진동수 범위보다 높게 나타난다.
차량에서의 차음을 위해 관심이 있는 진동수 범위는, 특히 매스 스프링 시스템으로부터 특정 무게가 요구될 때에는, 대부분의 경우에 3000(Hz) 이하지만, 실제 사용처와 소음 레벨 요건에 따라서 4000(Hz)까지 또는 심지어 5000(Hz)까지로 될 수도 있다. 예를 들어, 차음에 대한 요구가 3000(Hz) 이하의 진동수 범위에 있으면, ν0는 3000(Hz)로 되어야 하고, 그 결과, 동적 영률은 적어도
Figure pct00005
로 되어야 하는데, 상기 식에서, AWb는 불침투성 매스 레이어의 단위 면적당 무게(g/m2)이고, AWp는 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게(g/m2)이고, 그리고 tp는 다공성 섬유 레이어의 두께(mm)이다. 이것은 섬유 재료가 더 이상 쉽게 압축될 수 없을 정도의 큰 동적 영률이다.
본 발명에 따른 트림 부품은 디커플링 레이어, 그리고
ㆍ 적어도
Figure pct00006
의 동적 영률을 가진 다공성 섬유 레이어; 및
ㆍ적어도 400(g/m2)의 단위 면적당 무게 AWb (g/m2)를 가진 불침투성 장벽 레이어;
로 구성된 매스 레이어를 포함하고 있다.
하나의 부품을 형성하기 위해서 모든 레이어가 함께 적층되어 있으면, 이 트림 부품은, 대략 12dB/Octave의 증가율을 가지며 장벽 레이어와 다공성 섬유 레이어의 병합 단위 면적당 무게의 매스에 따르는 음향 매스 스프링 시스템의 삽입 손실(IL)과 동등한 삽입 손실(IL)을 가질 것이다.
또한, 다공성 섬유 레이어는, ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템을 도입하는 원래의 이유였으며 불침투성 재료만으로 이루어진 매스 레이어를 가진 종래의 매스 스프링 시스템에서는 유효하지 않은 흡음 작용을 부가한다. 다공성 섬유 레이어의 영률의 조정으로 인해, 다공성 섬유 레이어와 장벽 레이어의 방사진동수는 관심 대상의 진동수 범위를 넘게 되고 상기 시스템의 전체적인 차음 성능을 더 이상 교란시키지 않을 것이다.
현 시점의 기술적 수준에서 볼 수 있는 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템과 비교해 보면, 본 발명은, 최상부 레이어, 또는 다공성 섬유 레이어가, 흡음 작용에 더하여, 상기 시스템의 차음 작용에 적극적으로 참여한다는 점에서 다르다. 이것은, 식(1)로 표시되고 상기 예에서 기술되어 있는 것과 같이, 다공성 섬유 레이어의 재료 특성과 재료의 설계형태의 적절한 선택에 기초하여서만 가능하다.
상기 다공성 섬유 레이어는 임의의 유형의 펠트로 될 수 있다. 상기 다공성 섬유 레이어는 천연 섬유 및/또는 합성 섬유로부터 유도된 것을 포함하여, 임의의 열성형가능한 섬유 재료로 만들어질 수 있다. 바람직하게는 펠트가 조잡한 목화(shoddy cotton)와 같은 재생 섬유 재료 또는 폴리에스테르와 같은 다른 재생 섬유로 만들어진다.
통상적으로 섬유 재료는 블랭크(blank), 다시 말해서, 섬유들이 함께 결합되어 있는 반제품으로 생산된다. 블랭크는 상당히 균질하다. 블랭크는 초기 두께를 가진 재료 시트로 구성되어 있으며 섬유는 균일하게 분포되어 있기 때문에 그 단위 면적당 무게에 의해 특징지워진다. 예를 들어, 압축에 의해서 블랭크가 형성되면, 블랭크는 최종 형상을 취한다. 마지막으로, 일정 두께를 가진 레이어가 얻어진다. 단위 면적당 무게, 다시 말해서, 단위 면적 내의 재료의 무게는 성형 프로세스 후에 유지된다. 동일한 블랭크로부터, 압축의 정도에 따라, 몇 가지 최종 두께가 얻어질 수 있다.
섬유 재료의 동적 영률은 몇 가지 파라미터에 좌우된다. 첫째로, 재료 자체의 특성, 다시 말해서, 재료 조성, 섬유의 유형 및 양, 접합제(binder)의 유형 및 양 등에 좌우된다. 부가적으로, 동일한 섬유 조성에 대해서, 섬유 재료의 동적 영률은 레이어의 두께와 관련되는 재료의 밀도에 좌우된다. 따라서, 특정 구성의 펠트에 대해서, 상기 동적 영률은 상이한 두께에서 측정될 수 있으며, 그 결과 다른 값을 가지며, 통상적으로 (동일한 초기 블랭크에 대해서)두께가 감소하면 증가한다.
섬유질 펠트 재료는 바람직하게는 결합 섬유(binding fibre) 또는 예를 들어 열가소성 폴리머 또는 열경화성 폴리머인 수지성 재료(resinous material)인 접합 재료를 포함하고 있다. 적어도 30% 에폭시 수지 또는 적어도 25% 2-성분 접합제 섬유(bi-component binder fibre)가 바람직하다. 본 발명에 따른 다공성 섬유 레이어를 만드는 다른 결합 섬유 또는 재료도 가능하며 배제되지 않는다. 다공성 섬유 레이어 재료는 바느질 공정(needling process), 또는 다공성 섬유 레이어 재료의 동적 압축 강성을 증가시키는 임의의 다른 공정을 통해서 얻어질 수 있다.
바람직하게는 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게가 500 내지 2000(g/m2), 보다 바람직하게는 800 내지 1600(g/m2)이다.
통상적으로 부가적인 제한이 음향 트림 부품이 놓일 수 있는 자동차 내의 가용 공간에도 부과된다. 이러한 제한은 통상적으로 자동차 제조업자에 의해 주어지며 최대 20 내지 25(mm)의 범위에 있다. 트림 부품의 모든 레이어는 상기 공간을 공유하여야 한다. 따라서, 다공성 섬유 레이어의 두께는 바람직하게는 1 내지 10(mm), 보다 바람직하게는 1 내지 6(mm)이다. 이러한 수치 범위는 디커플링 레이어를 위한 충분한 공간을 남겨둔다. 특히, 디커플링 레이어는 차동차의 가용 공간과 부합하여야 하는 부품의 3차원 형상에 따라 두께가 변할 수 있다.
현 시점의 기술적 수준에서는, 고압축 구역이 케이블의 처리량(throughput) 또는 고정부재의 장착을 위해 필요한 트림 부품의 구멍 둘레에 존재한다. 상기 구역은 통상적으로 음향 차단에 전용되지 않는데, 그 이유는 구멍의 음향적인 약점이 구멍 근처에서 차음 특성을 손상시키기 때문이다.
장벽 레이어
다공성 섬유 레이어와 디커플링(decoupling) 레이어 사이의 매스 레이어는 이상적인 음향 장벽으로서 작용하기 위해 불침투성(공기 불침투성)이어야 한다. 장벽 레이어가 공기 불침투성이어야만, 조절된 영률을 가진 다공성 섬유 레이어가 장벽 레이어와 함께 스프링 매스 시스템용 매스 레이어로서 작용한다. 여러가지 예에서 무거운 레이어가 주어지더라도, 대체 실시형태의 불침투성 매스 배리어(mass barrier) 재료가 사용될 수 있다.
무거운 레이어가 불침투성 장벽 레이어로서 사용되면, 무거운 레이어는 바람직하게는 0.2 내지 5(mm)의 두께, 더욱 바람직하게는 0.8 내지 3(mm)의 두께를 가진다. 불침투성 매스 레이어의 단위 면적당 무게는 적어도 0.4(kg/m2)이고, 바람직하게는 0.5 내지 2(kg/m2)이다. 그러나, 불침투성 장벽 레이어의 무게의 선택은 다공성 섬유 레이어와 장벽 레이어에 의해 형성된 매스 레이어의 설계형태와 관련되어 있다.
상기 불침투성 장벽 레이어는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 공중합체, 고밀도 폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 선형 저밀도 폴리에틸렌(linear low density polyethylene), 폴리프로필렌, 열가소성 엘라스토머/고무, 폴리염화비닐(PVC) 또는 상기한 것들의 임의의 조합을 포함하는 열경화성 플라스틱(thermoset plastic)을 포함할 수 있는 고충진 고밀도 재료(highly filled dense material)로 만들어질 수 있다.
상기 장벽 재료의 선택은 섬유 레이어와 디커플링 레이어에 좌우되며 모든 레이어를 함께 결합하여 라미네이트를 형성할 수 있어야 한다. 분무되거나 접착되는 재료도 사용될 수 있다. 그러나, 트림 부품의 결합 및/또는 성형 후에, 매스 배리어는 최종 제품에서 공기에 대해 불침투성이어야 한다.
필요하다면, 당해 기술분야에서 알려져 있는 것과 같이, 필름, 분말 또는 액체 스프레이 형태의 접착제 레이어가 장벽 레이어를 다공성 섬유 레이어 또는 디커플링 레이어와 적층시키기 위해서 사용될 수 있다.
트림 부품에 있는 결합 구역
통상적으로, 차량 실내의 음압(sound pressure) 레벨을 낮추기 위해서, 차량은 음향적인 트림 부품에 의해서 제공된 차음성과 흡음성의 양호한 밸런스를 필요로 한다. 상이한 부품은 상이한 기능을 가질 수 있다(예를 들면, 차음성은 대시 이너(dash inner)에 제공될 수 있고, 흡음성은 카페트에 제공될 수 있다). 그러나, 현재의 추세는, 전반적인 음향 성능을 최적화하기 위해서, 하나의 구역에서 보다 엄밀하게 세분된 음향 기능을 달성하는 것이다. 한 가지 예로서, 대시 이너는 높은 흡음성을 제공하는 부분과 높은 차음성을 제공하는 부분의 두 가지 부분으로 나누어질 수 있다. 일반적으로, 대시 이너의 하부는 차음성에 보다 적합한데, 그 이유는 엔진으로부터 유입되는 소음과 대시 이너의 하부 구역을 통과하는 전방 휠이 밀접하게 관련되어 있기 때문이다. 반면에 대시 이너의 상부는 흡음성에 보다 적합한데, 그 이유는 자동차의 다른 요소, 예를 들면 자동차 계기판에 의해 어느 정도의 차음성이 이미 제공되어 있기 때문이다. 부가적으로, 자동차 계기판의 뒷면은 자동차 계기판 뒤에 숨겨져 있는 상부 대시의 일부분을 통하여 들어오는 음파를 반사한다. 이와같이 반사된 음파는 흡음 재료를 이용하여 효과적으로 제거될 수 있다. 유사한 고려사항이 자동차의 다른 음향 부품에 적용될 수 있다. 예를 들어 바닥재에 대해서는, 운전석 또는 조수석의 발밑 공간 구역과 터널 구역에서는 차음성이 주로 유용하고, 앞 좌석 아래와 뒤쪽 바닥 패널에서는 흡음성이 주로 유용하다.
주로 음향 흡수 특성을 가진 적어도 하나의 구역(흡음 구역)을 가진 복수의 구역으로 분할된 음향 차단 트림 부품에 의해 상이한 국소적인 요건이 다루어질 수 있고, 흡음 구역은 적어도 하나의 다공성 섬유 레이어와, 음향적인 매스 스프링 특성을 가진 적어도 하나의 다른 구역(차음 구역)을 포함하고 있고, 차음 구역은 적어도 매스 레이어와 디커플링 레이어로 이루어져 있다. 본 발명에 따르면, 매스 레이어는 관심 대상의 진동수 외측에 적어도 3000(Hz)를 넘는 방사 진동수를 가지도록 조절된 동적 영률을 가진 다공성 섬유 레이어와, 적어도 400(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가진 장벽 레이어로 이루어져 있다. 흡음 구역에 대해서는, 동일한 다공성 섬유 레이어가 사용될 수 있다. 따라서, 다공성 섬유 레이어는 흡음 구역과 차음 구역 사이에 공유되어 있고, 차음 구역의 제1 부분은 적어도 3000(Hz)를 넘는 방사 진동수를 가지도록 조절된 영률을 가지고 있고, 흡음 구역의 일부분은 최대 흡음성을 위해서 최적화되어 있다. 일반적으로 다공성 섬유 레이어의 두께는 차음 구역에서보다 흡음 구역에서 더 두껍다.
흡음 구역에서 다공성 섬유 레이어의 공기 유동 저항(AFR)은 바람직하게는 300(Nsm-3) 내지 3000(Nsm-3)이고, 보다 바람직하게는 400(Nsm-3) 내지 1500(Nsm-3)이다. 공기 유동 저항(AFR)이 클수록 흡음성이 좋아진다. 그러나 공기 유동 저항(AFR)은 두께가 증가함에 따라 감소하므로, 8(mm) 내지 12(mm)의 두께에 대해서 공기 유동 저항(AFR)은 400(Nsm-3) 내지 1500(Nsm-3)인 것이 바람직하다.
부가적인 흡음 레이어 및/또는 스크림(scrim) 레이어를 흡음 구역에 국소적으로나 기본적으로 전체 트림 부품에 부가적인 레이어로서 부가하면 흡음성을 더욱 향상시킬 수 있다. 부가적인 레이어는 다공성 섬유 레이어 및/또는 부가적인 스크림 레이어용으로 사용했던 것과 유사하거나 동일한 펠트 재료의 형태로 될 수 있다.
흡음 구역과 차음 구역 옆에도 차음 구역과 흡음 구역 사이 구역 또는 부품의 림 둘레 구역을 형성하는 중간 구역이 존재한다. 이들 구역은 흡음 구역 또는 차음 구역으로 식별하기가 쉽지 않은데, 그 이유는 주로 흡음 구역의 방향으로 증가하게 두께가 변화하고 그 결과 우수한 흡음재와 그렇게 나쁘지 않은 차음재 사이에서 행동하는 것에 따라 일정 유형의 중간 구역을 만들어 내는 프로세스 조건 때문이다.
다른 유형의 중간 구역이 자동차의 가용 공간과 부합하여야 하는 부품의 3차원 형상을 따르도록 국소적으로 존재할 수 있다. 현 시점의 기술적 수준에서는, 고압축 구역이 케이블의 처리량(throughput) 또는 고정부재의 장착을 위해 필요한 트림 부품의 구멍 둘레에 존재한다. 상기 구역은 통상적으로 음향 차단에 전용되지 않는데, 그 이유는 구멍의 음향적인 약점이 구멍 근처에서 차음 특성을 손상시키기 때문이다.
디커플링 레이어
디커플링 레이어로서, 종래의 음향 매스 스프링 시스템의 스프링 레이어용으로 사용된 보통의 재료가 동일한 원리에 따라 본 발명에 따른 트림 부품에 사용될 수 있다. 디커플링 레이어는 임의의 유형의 열가소성 폼 및 열경화성 폼, 예를 들면, 폴리우레탄 폼으로 형성될 수 있다. 디커플링 레이어도 천연 섬유 및/또는 합성 섬유로부터 유도된 것을 포함하여, 섬유 재료, 예를 들면 열성형가능한 섬유 재료로 만들어질 수 있다. 디커플링 레이어는 바람직하게는 100(kPa)보다 작은 저압축 강도를 가지고 있다. 바람직하게는 스프링 효과를 높이기 위해서 디커플링 레이어도 다공성 구조 또는 개방된 구멍이 있는 구조이다. 원칙적으로 디커플링 레이어는 가장 최적화된 효과를 가지기 위해서 트림 부품의 전체 표면에 걸쳐서 장벽 레이어에 부착되어야 하지만, 생산 기술 때문에 매우 국소적으로 그렇지 않을 수 있다. 트림 부품은 전체적으로 음향 매스 스프링 시스템으로서 작용을 하여야 하기 때문에, 레이어들이 결합되어 있지 않은 작은 국소 구역이 전체적인 감쇠 효과를 손상시키지는 않는다.
디커플링 레이어의 두께는 최적화될 수 있지만, 디커플링 레이어의 두께는 주로 자동차의 공간 제한사항에 따라 좌우된다. 바람직하게는 디커플링 레이어의 두께가 자동차의 가용 공간에 따라 트림 부품의 구역에 걸쳐서 변할 수 있다. 통상적으로 디커플링 레이어의 두께는 1(mm) 내지 100(mm)이고, 대부분의 구역에서 5(mm) 내지 20(mm)이다.
부가적인 레이어
음향 흡수성을 향상시키기 위한 목적 및/또는 예를 들어 물 등에 대해서 밑에 있는 레이어를 보호하기 위한 목적을 위해서 부가적인 스크림이 다공성 섬유 레이어의 상부에 배치될 수 있다. 흡음 특성을 더욱 향상시키기 위해서 부가적인 흡음 재료가 적어도 부분적으로 다공성 섬유 레이어의 상부에 배치될 수 있다. 부가적인 레이어의 단위 면적당 무게는 바람직하게는 500(g/m2) 내지 2000(g/m2)이다.
흡음 레이어는 임의의 유형의 열가소성 폼 및 열경화성 폼, 예를 들면, 폴리우레탄 폼으로 형성될 수 있다. 그러나 소음 흡수의 목적을 위해서, 상기 폼은, 당해 기술분야에서 알려져 있는 것과 같이, 음향 흡수의 원리에 따라 음파의 진입을 가능하게 하기 위해서 개방된 구멍이 있는 구조 및/또는 다공성 구조이어야 한다. 흡음 레이어도 천연 섬유 및/또는 합성 섬유로부터 유도된 것을 포함하여, 섬유 재료, 예를 들면 열성형가능한 섬유 재료로 만들어질 수 있다. 흡음 레이어는 섬유질 다공성 매스 레이어와 동일한 유형의 재료로 만들질 수 있지만 바람직하게는 차음성에 있어서 간섭을 방지하기 위해서 높게 형성되어야 한다. 흡음 레이어의 공기 유동 저항(AFR)은 바람직하게는 적어도 200(Nsm-3)이고, 더욱 바람직하게는 500(Nsm-3) 내지 2500(Nsm-3)이다. 또한 두 개 이상의 흡음 레이어를 가진 흡음 시스템이 다공성 섬유 레이어의 상부에 배치될 수 있다.
또한 부가적인 스크림이, 음향 흡수성을 더욱 향상시키기 위한 목적 및/또는 예를 들면 물 등에 대해 밑에 있는 레이어를 보호하기 위한 목적을 위해서 흡음 재료나 다공성 섬유 레이어의 상부에 놓여질 수 있다. 스크림은 0.1(mm) 내지 약 1(mm), 바람직하게는 0.25(mm) 내지 0.5(mm)의 두께를 가진 얇은 부직포이다. 스크림은 바람직하게는 500(Nsm-3) 내지 3000(Nsm-3)의 공기 유동 저항(AFR), 보다 바람직하게는 1000(Nsm-3) 내지 1500(Nsm-3 )의 공기 유동 저항(AFR)을 가지고 있다. 증가된 흡음성을 얻기 위해서, 스크림과 밑에 있는 흡음 레이어는 공기 유동 저항(AFR)이 다른 것이 바람직하다. 바람직하게는 스크림의 공기 유동 저항(AFR)과 다공성 섬유 레이어의 공기 유동 저항(AFR)이 서로 다르다.
스크림 레이어의 단위 면적당 무게는 50(g/m2) 내지 250(g/m2), 바람직하게는 80(g/m2) 내지 150(g/m2)로 될 수 있다.
상기 스크림은 연속 섬유 또는 스테이플 파이버(staple fibre) 또는 섬유 혼합물로 만들어질 수 있다. 상기 섬유는 멜트블로운(meltblown) 기술 또는 스펀본드(spunbond) 기술에 의해 만들어질 수 있다. 상기 섬유는 천연 섬유와 혼합될 수도 있다. 스크림은, 예를 들면, 폴리에스테르 섬유 또는 폴리올레핀 섬유로 만들어지거나, 예를 들면, 폴리에스테르와 셀룰로오스의 조합, 또는 폴리아미드와 폴리에틸렌의 조합, 또는 폴리프로필렌과 폴리에틸렌의 조합에 의해 만들어진다.
본 발명의 상기 특징 및 다른 특징은 첨부된 도면과 관련하여 비제한적인 예로서 제시된 아래의 바람직한 실시형태의 설명에 의해 명확하게 된다.
생산 방법
본 발명에 따른 트림 부품은 당해 기술분야에서 널리 알려진 냉간 몰딩 방법 및/또는 열간 몰딩 방법으로 생산될 수 있다. 예를 들면, 다공성 섬유 레이어는 본 발명에 따라 조절된 동적 영률 특성을 가진 재료를 얻는 동시에 트림 부품을 원하는 차원의 형상으로 형성하기 위해 장벽 레이어와 함께 또는 장벽 레이어없이 형성될 수 있고, 일정 단계에서 장벽 레이어의 후면에 폼 또는 섬유 레이어가 추가되거나 디커플링 레이어가 사출 성형될 수 있다.
기계적 강도 및 압축 강도의 정의 그리고 측정
기계적인 강도는 재료가 외부 응력 자극(external stress excitation)에 대해 제공하는 반응과 관련되어 있다. 압축 강도는 압축 자극과 관련되어 있고 굽힘 강도는 굽힘 자극과 관련되어 있다. 굽힘 강도는 가해진 굽힘 모멘트를 초래된 변형과 관련시킨다. 한편, 압축 강도 또는 수직 강도(normal stiffness)는 가해진 수직력을 초래된 변형과 관련시킨다. 등방성 물질로 만들어진 균질한 플레이트에 대해서는, 압축 강도가 재료의 탄성률(E)과 플레이트의 표면적(A)의 곱이다.
등방성 물질로 만들어진 플레이트에 대해서, 압축 강도 및 굽힘 강도는 재료의 영률과 직접 관련되므로 압축 강도 및 굽힘 강도와 재료의 영률 중의 하나로부터 다른 하나를 산출하는 것이 가능하다. 그러나, 대부분의 펠트에 대한 경우와 같이, 재료가 등방성이 아니면, 굽힘 강도는 주로 면 내(in-plane) 재료의 영률과 관련되는 반면에, 압축 강도는 주로 면 외(out-of-plane) 재료의 영률과 관련되기 때문에 상기한 관계는 더 이상 적용되지 않는다. 따라서, 압축 강도(또는 굽힘 강도)와 재료의 영률 중의 하나로부터 다른 하나를 산출하는 것이 더 이상 가능하지 않다. 부가적으로, 압축 강도 및 굽힘 강도는 정적 상태나 동적 상태로 측정될 수 있고 압축 강도와 굽힘 강도는 원칙적으로 정적 상태와 동적 상태에서 다르다.
한 레이어의 재료의 소음 방출은 그 레이어의 평면과 수직인 레이어의 진동으로부터 초래되고 주로 재료의 동적 압축 강도와 관련되어 있다. 다공성 재료의 동적 영률은 상업적으로 구입할 수 있는 리터 오토모티브 아게(Rieter Automotive AG)사의 엘비스-에스 장치(Elwis-S device)로 측정하였고, 이 엘비스-에스 장치에서 샘플은 압축 응력에 의해 자극을 받는다. 엘비스-에스 장치를 이용하는 측정은, 예를 들면, 2008년 12월, 브래드포드에서 개최된, 다공성탄성 재료의 음향에 관한 심포지엄(SAPEM)에서, 베르톨리니(BERTOLINI) 등에 의해 발표된 "다공성탄성 재료의 영률, 프와송의 비(Poisson's ratio) 및 감쇠 손실 요인에 따라 진동수를 식별하는 방법에 기초한 전달 함수" 라는 논문에 기술되어 있다.
이러한 형태의 측정은 다공성 재료에 대해서 아직 일반적으로 사용되고 있지 않기 때문에, 공식적인 NEN 또는 ISO 표준이 존재하지 않는다. 그러나, 란골리스(LANGLOIS) 등에 의해 발표된, 2001년, 제이 어쿠스티컬 에소씨. 에이엠(J. Acoustical Soc. Am.) 10권, 6호, 3032페이지 내지 3040페이지에 게재된, "등방성의 다공성탄성 재료의 준정적 기계적 특성에 대한 다항식 관계" 라는 논문에 상세하게 기술되어 있는 바와 같이, 유사한 물리적 원리에 기초한 다른 유사한 측정 시스템이 알려져 있으며 사용되고 있다.
정적 방법으로 측정된 영률과 동적 방법으로 측정된 영률의 직접적인 관련은 간단하지 않으며 대부분의 경우 무의미한데, 그 이유는 동적 영률은 소정의 진동수 범위에 걸친 진동수 영역(예를 들면: 300 Hz 내지 600 Hz)에서 측정되고, 영률의 정적인 값은 동적 측정값으로부터 직접 얻을 수 없는 0(Hz)의 한계 경우에 대응하기 때문이다.
본 발명에 있어서, 압축 강도는 중요하지만 최신 기술에서 통상적으로 사용되고 있는 기계적인 강도는 그렇지 않다.
다른 측정
공기 유동 저항은 IS0 9053에 따라 측정되었다.
단위 면적당 무게 및 두께는 당해 기술분야에서 알려진 일반적인 방법을 이용하여 측정되었다.
구조의 투과 손실(TL)은 그 구조의 차음의 수단이다. 투과 손실은 구조로 들어오는 음향 파워와 상기 구조에 의해 수용측으로 전달되는 음향 파워의 데시벨로 표시된 비로서 정의된다. 음향 부품을 구비한 자동차 구조의 경우에 있어서, 투과 손실은 상기 음향 부품의 존재에 의해서 발생할 뿐만 아니라, 상기 음향 부품이 장착된 강 구조에 의해서 발생한다. 자동차 음향 부품이 장착되는 강 구조와는 별개로 자동차 음향 부품 자체의 차음 능력을 평가하는 것이 중요하기 때문에, 삽입 손실이 도입되었다. 구조물에 장착된 음향 부품의 삽입 손실(lL)은 음향 부품을 구비한 구조의 투과 손실과 구조 자체의 투과 손싱의 차이로서 다음 식:
IL 부품 = TL 부품 + 강 구조 - TL 강 구조 (dB)
으로 정의된다.
삽입 손실과 흡음 계수는, 전달 행렬법(transfer matrix method)에 기초하여 음향 부품의 음향 성능의 산출을 위한 수치 시뮬레이션 소프트웨어 SISAB를 이용하여 시뮬레이션되었다. 전달 행렬법은 레이어로 된 매체에서 음향 전파를 시뮬레이션하는 방법이고, 예를 들면, 브로어드 비(BROUARD B.) 등에 의해, 1995년, 저널 오브 사운드 앤드 바이브레이션(Journal of Sound and Vibration), 193 권, 1 호, 129페이지 내지 142 페이지에 게재된 "레이어로 된 매체에서의 음향 전파를 모델링하는 일반적 방법" 라는 논문에 기술되어 있다.
도 1은 음향 차단 구역 및 음향 흡수 구역을 가진 내측 대시 트림 부품의 예를 나타내고 있다.
도 2, 도 3, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 트림 부품의 재료의 개략적인 배치상태를 나타내고 있다.
도 6은 샘플 A 내지 샘플 D의 삽입 손실 곡선을 가진 그래프를 나타내고 있다.
도 7은 샘플 A 내지 샘플 D의 흡음 곡선을 가진 그래프를 나타내고 있다.
도 8은 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게 및 두께와 관련된 동적 영률의 그래프를 나타내고 있다.
도 1은 차음성과 흡음성의 최적의 조합을 얻기 위해, 상이한 음향 작용을 가지는 두 가지의 별개 구역을 가진 내측 대시 부품의 예를 나타내고 있다. 일반적으로, 내측 대시의 하부(I)는 엔진으로부터 나오는 소음 경로와 하부 구역을 통과하는 전방 휠이 더욱 관련되어 있기 때문에 차음성에 보다 적합한 반면에, 내측 대시의 상부(II)는 자동차의 다른 요소, 예를 들면 자동차 계기판에 의해 이미 어느 정도 차음성이 제공되기 때문에 흡음성에 보다 적합하다. 이들 구역 사이에서, 패키징 공간(packaging space)이 최소인 구역에서나 육중하게 3차원 형상화된 구역에서는, 예를 들면, 디커플링 레이어의 손상이나 흡음 레이어로서 작용해야 하는 높게 형성된 레이어의 압축으로 인해, 통상적으로 실제 음향 특성을 확인하는 것이 가능하지 않다.
내측 대시 트림 부품에 대해 전반적으로 보다 양호한 음향 감쇠를 달성하기 위해서, 전체 부품이 아래의 상이한 특징적인 구역을 가지도록 만들어질 수 있다.
1. 차음 구역(I)은, 매스 스프링 시스템용의 단일 매스 레이어로서 함께 작용하는 두 개의 상부 레이어의 전체 매스를 활용하고, 다공성 섬유 레이어가 직접적인 음향 반사를 방지할 뿐만아니라 흡음 특성을 가지는 본 발명에 따른 대체 실시형태의 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템을 형성하기 위해서, 불침투성 장벽 레이어와, 조절된 동적 영률을 가진 다공성 섬유 레이어의 제1 부분과, 디커플링 레이어를 결합하는 것에 의해서 형성될 수 있고,
2. 흡음 구역(II)은 차음성을 위해 조절되지 않은 다공성 섬유 레이어의 일부분에 의해 형성될 수 있다.
따라서, 도시된 내측 대시의 트림 부품의 차음 구역(I)은 본 발명에 따른 대체 실시형태의 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템을 포함하고 있다. 흡음 구역(II)은 당해 기술 분야에서 알려진 통상적인 흡음재로서 작용하는 다공성 섬유 레이어를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 트림 부품의 개략적인 단면도를 나타내고 있다. 본 발명에 따르면, 장벽 레이어(2)와 다공성 섬유 레이어(1)의 결합으로 이루어진 매스 레이어(A)와 디커플링 레이어(3)로 이루어진 스프링 레이어(B)를 결합하여 음향 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템을 형성한다. 음향 차단 특성은 장벽 레이어와 다공성 섬유 레이어의 결합된 매스로부터 예상할 수 있다. 부가적으로, 다공성 섬유 레이어(1)는 흡음 특성을 유지한다. 바람직하게는, 음향 흡수 효과를 더욱 향상시키기 위해서 부가적인 스크림 레이어(5)가 다공성 섬유 레이어(1)의 상부에 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티레이어의 개략적인 단면도를 나타내고 있다. 본 발명에 따른 멀티레이어는 적어도, 이하에서 차음 구역이라 하는, 음향 차단 특성을 가진 구역(I)과, 이하에서 흡음 구역이라 하는, 음향 흡수 특성을 가진 구역(II)을 포함하고 있다. 부품상의 상기 구역들의 위치는 상기 부품이 사용되는 차량의 구역과, 특정 구역에서의 예상 소음 레벨 및 진동수 특성에 의해 결정된다(한 가지 예로서, 상기한 내측 대시 참고).
차음 구역(I)과 흡음 구역(II)은 적어도 동일한 다공성 섬유 레이어(1)를 가지고 있고, 상기 다공성 섬유 레이어 중에서 차음 구역에 있는 부분은 압축되어서, 이 다공성 섬유 레이어를 구성하는 재료의 동적 영률이 적어도 3000(Hz)를 넘는 방사 진동수를 가지게 조절되도록, 강성의 레이어(1)를 형성한다. 이러한 거동(behaviour)에 필요한 다공성 섬유 레이어로 이루어진 재료의 영률의 최소값은 아래의 식:
Figure pct00007
으로 주어진다.
상기 조건이 충족되면, 다공성 섬유 레이어와 장벽 레이어에 의해 형성된 결합 레이어는 강성 매스(rigid mass)로서 작용할 것이며 본 발명에 따른 최적의 차음 성능을 보장할 것이다.
본 발명에 따르면, 차음 특성은, 함께 음향 매스 스프링 시스템을 형성하는, 장벽 레이어(2)와 다공성 섬유 레이어(1)로 이루어진 매스 레이어(A)와, 디커플링 레이어(3)로 이루어진 스프링 레이어(B)에 의해 형성된다. 따라서 차음 구역(I)에서는, 두드러진 음향 차단 특성을 예상할 수 있다.
흡음 구역(II)에서는 다공성 섬유 레이어(1)가 상기 식 1에 따른 영률을 가지지는 않지만, 이 구역에서 음향 흡수 특성을 가질 수 있게 한다. 바람직하게는, 음향 흡수 효과를 더욱 더 향상시키기 위해서 부가적인 스크림 레이어(4)가 흡음 레이어의 상부에 배치될 수 있다.
도 4는 도 3과 동일한 기술사상에 기초한, 본 발명에 따른 대체 실시형태의 멀티레이어를 나타내고 있다(도 3 참고). 차이점이라면, 압축된 부분의 아래에 있는 구역이 장벽 레이어와 디커플링 레이어의 부가를 위해 사용되어, 보다 평탄한 부품을 만들어 낸다는 것이다. 실제 응용에 있어서, 상기 부품은 도 3과 도 4의 절충형이고, 특히 자동차 트림 부품의 형상은 통상적으로 3차원 형태이고 이것은 레이어구조(layering)의 최종 배치상태에도 영향을 미칠 것이다. 또한 차음 구역과 흡음 구역의 사이에는 윤곽이 뚜렷한(clear-cut) 경계면이 존재하는 아니라, 오히려 중간 구역이 존재할 것이다.
도 5는, 흡음 구역을 포함하여, 부품의 전체 표면에 걸쳐서 장벽과 디커플러(decoupler)를 사용할 수 있는 본 발명에 따른 대체 실시형태의 레이어구조를 나타내고 있다. 이러한 구조는, 제작공정의 관점에서 보았을 때, 생산 단계 및/또는 부품 전체에 걸쳐서 전체 레이어를 덮는 대신에 패치를 이용하는 것과 관련된 수작업의 양을 줄이는 장점을 가질 수 있다.
현 시점의 기술적 수준의 상이한 소음 감쇠 멀티레이어 구조의 삽입 손실 및 음향 흡수성을 측정된 재료 파라미터를 이용하여 측정하거나 시뮬레이션하였으며 본 발명에 따른 소음 감쇠 멀티레이어의 삽입 손실 및 음향 흡수성과 비교하였다. 직접적인 비교를 하기 위해서, 모든 샘플에 대해서 56(kg/m3)의 밀도와 14(mm)의 두께를 가진 동일한 폼 디커플러(foam decoupler)를 사용하였다.
비교 샘플 A는 3(kg/m2)의 EPDM으로 된 무거운 레이어 재료로 형성된 매스 레이어와 디커플링 레이어로서 사출 폼(injected foam)을 가진 종래의 매스 스프링 시스템이다. 샘플 A의 총 단위 면적당 무게는 3840(g/m2)이었다.
비교 샘플 B는 3(kg/m2)의 EPDM으로 된 무거운 레이어 재료로 형성된 매스 레이어와 디커플링 레이어로서 사출 폼을 가진 현 시점의 기술적 수준에 따른 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템이다. 최상부에는, 30% 2-성분 결합제 섬유(bicomponent binding fibre)를 가진 부가적인 면직물 펠트(cotton felt) 레이어를 사용하였다. 상기 면직물 펠트 레이어의 단위 면적당 무게는 1000(g/m2)이고 두께는 9.8(mm)이다. 따라서, 최상부 펠트 레이어와 장벽 레이어의 결합체의 총 단위 면적당 무게는 4(kg/m2)이다. 샘플 B의 총 단위 면적당 무게는 4960(g/m2)이었다.
비교 샘플 C도, 이전의 비교 샘플에서 사용된 것과 동일한 매스 스프링 시스템의 최상부에 접착된 11(mm)의 두께를 가진 400(g/m2)의 높게 형성된 플리스(lofty fleece)를 가진, 현 시점의 기술적 수준에 따른 ABA(흡음재-장벽-흡음재) 시스템이다. 최상부 펠트 레이어와 장벽 레이어의 결합체의 총 단위 면적당 무게는 3.4(kg/m2)이다.
도 6은 비교 샘플 A, B, C 및 D의 삽입 손실(IL) 곡선을 나타내고 있다. 도시되어 있는 시뮬레이션된 삽입 손실은 멀티레이어로 구성된 시스템과 이 시스템이 부착되어 있는 강 플레이트의 투과 손실에서 강 플레이트 자체의 투과 손실을 뺀 것이다.
도 6은 현 시점의 기술적 수준의 모든 시스템의 삽입 손실(IL) 곡선을 나타내고 있다. 샘플 A는 예상한 대로 12dB/Octave의 증가율을 가진 종래의 매스 스프링 시스템이며 본 명세서에서 기준 샘플로서 사용되고 있다. 샘플 B는 양쪽 상부 레이어에 대해서 4(kg/m2)의 전체 무게를 가지며 기준 샘플 A보다 많은 삽입 손실을 나타낼 것으로 예상된다. 그러나, 이것은 630(Hz) 이하의 낮은 진동수 범위에 대해서만 해당된다. 630(Hz)보다 높은 진동수에서는 3(kg/m2)의 매스 레이어에 대해서 예상된 삽입 손실보다 낮은 성능으로 전체적인 삽입 손실이 저하된다. 최상부 흡음 레이어에 사용된 부가적인 무게는 전체적인 차음 성능에 전혀 기여하지 않으며, 심지어 밑에 있는 매스 스프링 시스템의 삽입 손실에 부정적으로 영향을 미친다.
샘플 B의 펠트의 동적 영률은 10(mm)의 두께에서 측정되었으며 그 값은 108000(Pa)이다. 상기 식 1에 따르면, 무거운 레이어와 다공성 펠트 레이어는 함께 대략 980(Hz)의 방사 진동수를 가질 것이다. 실제로, 곡선 B에 대해서 도 6에서 하락부 D1이 관찰되었다. 상기 하락부 D1은 세번째 옥타브 밴드(third octave band)에서의 계산을 위한 800(Hz)와 1000(Hz) 사이의 곡선에 있다. 방사 진동수는 본 경우에는 명백히 차량에서의 소음 감쇠를 위해 가장 관심이 있는 진동수 범위 내에 있다.
또한, 비교 샘플 C에서는 무거운 레이어의 상부에 플리스 레이어를 부가하는 것에 의해 삽입 손실(IL) 곡선의 약간의 증가를 초래할 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 샘플 C의 삽입 손실(IL) 곡선은 밑에 있는 매스 스프링 시스템(다시 말해서 샘플 A)의 삽입 손실(IL) 곡선과 실질적으로 동일하다. 또한, 본샘플에 대해서는 무게를 증가시키는 것에 의해 관찰된 음향 차단성에 있어서 어떠한 증가도 초래되지 않는다. 본 경우에는 최상부 플리스 레이어가 차음 성능에 전혀 기여하지 않는다.
샘플 D는 1500(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가진 장벽 레이어의 상부에 있는 1500 (g/m2)의 단위 면적당 무게를 가진 다공성 섬유 레이어와 디커플링 레이어로 이루어진 메스 레이어를 가지도록 본 발명에 따라 만들어져 있으며, 상기 다공성 섬유 레이어의 영률은 장벽 레이어와 다공성 섬유 레이어의 방사 진동수가 적어도 3000(Hz)를 넘도록 조절되어 있다. 삽입 손실은 관심의 대상인 진동수 범위의 적어도 대부분에 걸쳐서 샘플 A의 삽입 손실의 레벨과 동일할 뿐만 아니라 동일한 12 dB/octave 증가율을 나타낸다.
샘플 D의 매스 레이어의 전체 무게가 기준 샘플 A와 비슷하기 때문에 -양자 모두 단위 면적당 무게가 3(kg/m2)임- 최상부 흡음 레이어의 전체 포텐셜(full potential)이 본 발명에 따른 샘플의 전체적인 차음 성능을 위해 사용될 수 있다는 것을 명백하게 보여준다.
샘플 D의 펠트의 동적 영률은 3.5(mm)의 두께에서 측정되었으며 그 값은 550000(Pa)이다. 아래의 식:
Figure pct00008
에 따르면, 샘플 D에 대해서 3000(Hz)를 넘는 방사 진동수를 가지는데 필요한 다공성 섬유 레이어의 최소 영률은 390000(Pa)이다. 측정된 영률이 최소 필요 영률보다 더 크기 때문에, 장벽 레이어와 함께 다공성 섬유 레이어는 관심 대상의 진동수 범위에서 매스 스프링 시스템에서의 매스로서 작용할 것이다. 상기 식 1에 따르면, 무거운 레이어와 다공성 펠트 레이어는 함께 대략 3600(Hz)의 방사 진동수를 가질 것이다. 실제로, 곡선 D에 대해서 도 6에서 하락부 D2가 관찰되었다. 상기 하락부 D2는 세번째 옥타브 밴드에서의 계산을 위한 3150(Hz)와 4000(Hz) 사이의 곡선에 있다. 상기 하락부는 3000(Hz)를 넘는 진동수에서 나타나며 차량에서의 소음 감쇠를 위해 가장 관심이 있는 진동수 범위 외측에 있다.
도 7은 동일한 비교 샘플 A, C 및 D의 흡음 곡선을 나타내고 있다. 조사결과에 따르면 종래의 매스 스프링 레이어 -샘플 A- 는 뚜렷한 음향 흡수성을 조금도 나타내지 않는다는 것을 보여준다. 휘어지는 플리스(floppy fleece)는 11(mm)의 두께에서 양호한 흡수성을 나타낸다. 놀랍게도 3.5(mm) 두께의 다공성 섬유 레이어를 가지고 있는 본 발명에 따른 샘플 D는 평균적인 음향 흡수성을 나타낸다. 전체적인 음향 감쇠를 1(dB)만큼 증가시키기 위해서는 차음 시스템에 대한 무게는 작은 증가량이 필요하고 흡음 시스템이 선택되면 상당히 큰 증가량이 필요하다는 사실이 알려져 있다. 따라서, 사용된 재료의 전체 무게 포텐셜(full weight potential)을 이용함으로써 달성될 수 있는 음향 감쇠의 전체적인 증가량은 흡음 특성에서의 작은 손실을 보상하고도 남는다.
본 발명에 따른 매스 레이어의 설계 방법은 아래의 단계를 포함한다.
1. 펠트 구성 및 단위 면적당 무게를 선택한다.
2. 장벽 레이어 및 장벽 레이어의 단위 면적당 무게를 선택한다.
3. 상기 두 개의 단위 면적당 무게의 합이 매스 스프링 시스템의 전체 매스를 제공한다.
4. 상기 두 가지 재료가, 각각의 재료가 레이어의 형상을 취하고 일정 두께를 취하는 방식으로 형성된다.
5. 형성된 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게(AWp, g/m2) 및 두께 (tp, mm)가 측정된다. 형성된 장벽 레이어의 단위 면적당 무게(AWb, g/m2)가 측정된다.
6. 두께 tp로 형성된 샘플에 대해서, 엘비스-에스(Elwis-S) 장치를 통하여 다공성 섬유 레이어의 영률이 측정된다(측정된 영률: Emeas)
7. 필요한 최소 영률(Emin)은 아래의 식:
Figure pct00009
에 의해 계산되는데, AWp , AWb 및 tp에 대해서는 상기 5 단계의 측정 데이터를 취한다. 본 예에서 방사 진동수를 적어도 3000(Hz)를 넘도록 한다.
8. 조건 Emeas ＞ Emin 이 만족되는 것이 증명되어야 한다.
상기 조건이 만족되면, 본 발명에 따라 재료의 선택이 만족스럽고 섬유 재료는 선택된 장벽 레이어와 함께 결정된 두께로 사용될 수 있고, 상기 섬유 재료와 장벽 레이어는 함께 매스 스프링 시스템에서 매스 레이어로서 작용한다. 그렇지 않으면, 파라미터의 선택, 특히 펠트의 영률의 선택이 변경되어야 하고 상기 1 단계 내지 4 단계 중의 한 단계로부터 다시 시작하여 반복되어야 하며, 이 경우 파라미터(펠트 구성 및/또는 펠트 단위 면적당 무게 및/또는 펠트 두께 및/또는 매스 배리어 단위 면적당 무게)가 변경되어야 한다. 일반적으로, 장벽의 단위 면적당 무게만을 선택하는 것은 적절한 매스 레이어를 만드는데 충분하지 않다. 상기 조건이 만족되지 않으면, 대부분의 경우에 있어서 펠트의 파라미터, 특히 동적 영률이 적절하게 선택되어야 한다.
아래에서는, 상기한 설계 프로세스를 예와 함께 더 설명한다.
도 8은 본 발명에 따른 차음 매스 레이어에 대한 동적 영률 대 두께의 그래프를 나타내고 있다. 이 경우, 주로 재생 면직물과 30% 페놀 수지로 만들어진 펠트 레이어가 사용되었다. 이 재료 주로 멀티레이어 구성에서 얼마 전까지 완화재 또는 흡음 레이어로서 사용되었다. 상기 재료는 본 명세서에서 제한적인 샘플로서 선택된 것이 아니라, 본 발명에 따른 재료를 기술적으로 설계하는 방법을 보여주기 위한 예로서 선택된 것이다.
도 8에서, L1000gsm 라인은, 레이어의 두께의 함수로서, 1000(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가진 다공성 섬유 레이어가 본 발명에 따라 가져야 하는 최소 동적 영률을 나타내고 있다. 이것은, 3000(Hz)의 방사 진동수와 1500(g/m2)의 무거운 레이어의 단위 면적당 무게에 대해서, 아래의 공식:
Figure pct00010
으로 계산하였으며, 도 8에서 직선으로 도시되어 있다. 동일한 도 8에서 L1200gsm 라인, L1400gsm 라인 그리고 L1600gsm 라인은 각각 1200(g/m2)의 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게, 1400(g/m2)의 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게 그리고 1600(g/m2)의 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게에 대한 유사한 데이터를 나타내고 있다. 방사 진동수가 적어도 3000Hz로 바뀌어서 차량에서의 소음 감쇠를 위한 주된 관심의 대상인 진동수 범위 밖에 있도록 보장하기 위해서, 주어진 두께와 상기한 단위 면적당 무게들 중의 하나를 가진 다공성 섬유 레이어의 동적 영률은 그 단위 면적당 무게에 대응하는 직선보다 위에 있어야 한다.
도 8에서, A1000gsm 라인은, 레이어의 두께의 함수로서, 1000(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가지고 있는 30% 페놀 수지를 가진 주로 면직물 펠트 레이어의 측정된 동적 영률을 나타내고 있다. 동일한 도 8에서, A1200gsm 라인 및 A1600gsm 라인은 각각 1200(g/m2)의 단위 면적당 무게 및 1600(g/m2)의 단위 면적당 무게에 대한 유사한 데이터를 나타내고 있다. 특정 지점에 대해서 동적 영률이 측정되었으며 도시된 것과 같은 형태는 이러한 측정값으로부터 외삽법에 의해 추정된 것이다. 상기 재료는 동적 영률에 있어서 빠른 증가를 나타내어 1000(g/m2)의 단위 면적당 무게와 약 7.7(mm)의 두께에서 3000(Hz) 보다 큰 방사 진동수를 나타낸다. 그러나, 공간적인 제약으로 인해, 이 두께는 자동차의 내부, 예를 들면, 내측 대시에는 바람직하지 않을 수 있다.
도 8에서, B1200gsm 라인은, 레이어의 두께의 함수로서, 1200(g/m2)의 단위 면적당 무게와 30% 에폭시 수지를 가진 주로 면직물 펠트 재료 레이어의 동적 영률을 나타내고 있다. B1600gsm 라인은 1600(g/m2)의 단위 면적당 무게의 경우에 대한 유사한 데이터를 나타내고 있다. 특정 지점에 대해서 동적 영률이 측정되었으며 도시된 것과 같은 형태는 이러한 측정값으로부터 외삽법에 의해 추정된 것이다. 이 데이터를 상기한 페놀 수지 펠트에 대한 데이터와 비교하면, 접합 재료가 재료의 압축 강도에 영향을 미치고 결과적으로 특정 단위 면적당 무게 및 두께에서의 동적 영률에 영향을 미친다는 것을 명확하게 알 수 있다.
C1400gsm 라인은, 레이어의 두께의 함수로서, 1400(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가지고 있으며 15% 2-성분 결합제 섬유(bi-component binding fibre)와 결합된 주로 면직물 펠트 재료 레이어의 동적 영률을 나타내고 있다. 특정 지점에 대해서 동적 영률이 측정되었으며 도시된 것과 같은 형태는 이러한 측정값으로부터 외삽법에 의해 추정된 것이다.
한 세트의 샘플에서, 접합제 재료의 영향, 특히 접합제의 유형 및 접합제의 양의 영향이 보다 상세하게 관찰된다.
도 8은 접합제 재료의 영향, 특히 접합제의 유형 및 접합제의 양의 영향을 나타내고 있다. 또한, 도 8은 본 발명에 따라 어떻게 다공성 섬유 레이어가 선택되고 조절되는지를 설명한다.
예를 들어, B1200gsm 곡선 및 L1200gsm 곡선을 고려한다. L1200gsm 라인은 장벽 레이어(AWb)의 1500(g/m2)의 단위 면적당 무게를 고려하여 도시되어 있다. 8(mm)의 두께에서, 다공성 섬유 레이어는 B1200gsm 곡선에 의해 주어진 187000(Pa)의 측정된 동적 영률을 가진다. 본 발명에 따른 영률의 하한은, 3000(Hz)를 넘는 방사 진동수를 가지기 위해서, L1200gsm 라인에 의해서 주어지고 8(mm)의 두께에서 757000(Pa)로 정해진다. 따라서, 8(mm)의 두께에서 30% 에폭시 수지와 1200(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가진 주로 면직물 펠트 재료 레이어는 3000(Hz) 미만의 방사 진동수를 가질 것이고 본 발명에 따라 작용하지 않을 것이다. 실제로, 상기 식 1에 따르면, 8(mm)의 두께에서 상기 재료는 1500(Hz)에서 방사 진동수를 가질 것이다. 5.5(mm)의 두께에서, 다공성 섬유 레이어는 B1200gsm 곡선에 의해 주어진730000(Pa)의 측정된 동적 영률을 가진다. 본 발명에 따른 영률에 대한 하한은, 3000(Hz)를 넘는 방사 진동수를 가지기 위해서, L1200gsm 라인에 의해서 주어지고 5.5(mm)의 두께에서 520000(Pa)으로 정해진다. 따라서, 5.5(mm)의 두께에서, 30% 에폭시 수지와 1200(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가진 주로 면직물 펠트 재료 레이어는 3000(Hz)를 넘는 방사 진동수를 가질 것이고 본 발명에 따라 작용할 것이다. 실제로, 식 1에 따르면, 5.5(mm)의 두께에서 상기 재료는 3600(Hz)에서 방사 진동수를 가질 것이다.
요컨대, 도 8은, 일단 장벽 레이어의 단위 면적당 무게가 정해지면, 본 발명에 따른 영률을 가지기 위해서 다공성 섬유 레이어의 특성(재료 종류, 단위 면적당 무게, 두께)을 선택하고 조정하는 방법도 나타내고 있다.
본 발명에 따라서 다공성 섬유 레이어가 선택되고 다공성 섬유 레이어의 영률이 조절되면, 최상부 레이어의 공기 유동 저항(AFR)과 강하게 관련되어 있지 않은 놀라운 차음 효과가 얻어진다. 한 편, 예를 들면 자동차 관련 사용예에 대해서 관심 대상의 진동수 범위에서 어떠한 하락 효과(dip effect)도 없이 일정한 차음성을 얻는 주된 요인이 본 발명에 따른 상부 레이어의 영률이라는 사실을 알게 되었다.
상부 레이어의 두께가 변경되면, 공기 유동 저항(AFR)과 영률 양자 모두가 변경되고, 일반적으로, 레이어의 두께가 감소하면 공기 유동 저항(AFR)과 영률은 증가한다. 그러나, 상기 파라미터의 각각의 값은 재료의 특성과 관련되어 있다. 다공성 재료의 다른 음향적 파라미터 및 기계적 파라미터뿐만 아니라 공기 유동 저항(AFR)과 영률은 단지 두께의 함수인 것은 아니다.
한 가지 예로서, 동일한 두께를 가진 두 가지의 비슷한 펠트 재료의 공기 유동 저항(AFR)을 비교하였다. 통상적으로 자동차 관련 사용예에 사용되는 1000g/m2 의 단위 면적당 무게를 가진 에어 레이드 펠트(air laid felt)는 대략 2.5mm 에서 3200 Nsm-3의 공기 유동 저항(AFR)을 나타낸다. 두께 6mm 에서 동일한 재료는 1050 Nsm-3의 공기 유동 저항(AFR)을 나타낸다. 이에 대하여, 통상적으로 자동차 관련 사용예에 사용되는 1000g/m2 의 대략 동일한 단위 면적당 무게를 가진 바느질로 직조된 펠트(needled felt)는 대략 6mm 에서 220 Nsm-3의 공기 유동 저항(AFR)을 나타낸다. 동일한 두께에서, 상기 두 가지 재료는 상이한 공기 유동 저항(AFR)을 나타낸다. 상기 두 가지 펠트는 재료 레이어를 형성하기 위해서 섬유가 가공되는 방식이 주로 상이하고, 이것이 공기 유동 저항(AFR)에 영향을 미친다.
동일한 고려사항을 영률에 대해 적용한다: 모든 재료에 대해서, 두께가 감소하면 영률은 증가하지만, 동일한 두께에서 두 가지 다른 재료는 반드시 동일한 값의 영률을 가지지 않으며, 주로 재료의 조성과 재료가 생산되는 방식에 따라 매우 다른 영률로 특징지워질 수 있다.
게다가, 공기 유동 저항(AFR)과 영률은 독립적인 파라미터인데, 공기 유동 저항(AFR)은 재료의 음향 특성과 관련되어 있고 영률은 재료의 기계적인 특성과 관련되어 있다. 한 가지 예로서, 동일한 공기 유동 저항(AFR)(예를 들면, 재료에 있어서 섬유의 유사한 분포와 관련되어 있음)을 가진 두 가지 재료는 상이한 영률(예를 들면, 재료에 있어서 접합제의 상이한 양과 관련되어 있음)을 가질 수 있으며 결과적으로 상이한 성능을 가질 수 있다.
상기한 재료로부터 알 수 있는 바와 같이, 근본적으로 더 이상 달성할 수 없는 두께로 압축되어야 하거나, 매우 높은 압력으로 인해 처리 공정이 더 이상 비용 효율성이 없기 때문에, 어떤 재료는 본 발명에 따른 매스 레이어를 형성하기에 접합하지 않다. 그러나, 접합 재료 대 섬유 재료의 비율, 사용되는 접합 재료, 단위 면적당 무게 및/또는 두께를 조정하는 것에 의해서, 본 발명에 따른 다공성 섬유 매스 레이어로서 사용되기에 적합한 재료를 만들어낼 수 있다.
상기한 식에 따라서, 최상부 다공성 섬유 레이어로 이루어진 재료의 동적 강성과 함께 장벽 레이어의 단위 면적당 무게를 조절하는 것에 의해, 다공성 섬유 레이어와 장벽 레이어의 결합에 의해 형성된 매스 레이어의 방사 진동수가 자동차 관련 사용예에 대해 관심의 대상인 주요 진동수 범위의 외측으로 이동되고, 동시에, 다공성 섬유 레이어가 존재하는 것으로 인한 부가적인 매스 효과(mass effect)가 얻어진다. 전체적인 삽입 손실(IL)의 증가는 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게와 함께 장벽 레이어의 단위 면적당 무게에 따라 결정되며 합리적인 근사법에 의해 추산될 수 있다.
장벽 레이어가 다공성 섬유 레이어와 디커플링 레이어의 사이에 있으며 모든 레이어 함께 적층되어 있는 본 발명에 따른 음향 차단 트림 부품은, 예를 들어, 상기한 것과 같이 내측 대시로서 자동차에 사용될 수 있다. 그러나, 상기 트림 부품은 상부에 장식 레이어 또는 카페트 레이어를 가진 상태에서 바닥 덮개로서 사용될 수도 있으며, 이 경우 상기 카페트 레이어는 다공성인 것, 예를 들면, 촘촘한 카페트 또는 부직포 카페트인 것이 바람직하다. 상기 트림 부품은 외측 휠 라이너 또는 내측 휠 라이너에 사용될 수도 있다. 모든 사용처는 승용차나 트럭과 같은 차량이 될 수 있다.
I: 차음 구역
II: 차음 및 흡음의 결합 구역
A: 매스 레이어, 이 매스 레이어는 적어도
1: 다공성 섬유 레이어와
2: 장벽 레이어
를 포함하고 있음
B: 스프링 레이어, 이 스프링 레이어는 적어도
3: 디커플링 레이어
를 포함하고 있음
추가 레이어:
4: 흡음 레이어
5: 스크림 레이어

Claims (10)

  1. 적어도 매스 레이어(A)와 상기 매스 레이어에 인접한 디커플링 레이어(3)를 포함하는, 음향 매스 스프링 특성을 가진 적어도 하나의 차음 구역(I)을 포함하는 음향 감쇠 트림 부품으로서,
    상기 매스 레이어는 다공성 섬유 레이어(1)와 장벽 레이어(2)로 이루어져 있고, 상기 장벽 레이어는 상기 다공성 섬유 레이어와 상기 디커플링 레이어 사이에 배치되어 있으며 모든 레이어는 함께 적층되어 있고,
    상기 다공성 섬유 레이어는 적어도 차음 구역에서 적어도 대략
    Figure pct00011

    AWb는 상기 장벽 레이어의 단위 면적당 무게(g/m2),
    AWp는 상기 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게(g/m2),
    tp는 상기 다공성 섬유 레이어의 두께(mm), 그리고
    ν(Hz)는 방사 진동수임,
    의 동적 영률(Pa)을 가지도록 조절되고,
    방사 진동수 ν는 적어도 3000(Hz)이고, 상기 장벽 레이어는 적어도 400(g/m2)의 단위 면적당 무게를 가지는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  2. 제1항에 있어서, 음향 흡수 특성을 가진 적어도 하나의 흡음 구역(II)을 더 포함하고 있고, 상기 흡음 구역은 상기 다공성 섬유 레이어(1)의 적어도 일부분을 포함하고, 상기 다공성 섬유 레이어 중에서 상기 흡음 구역에 있는 부분의 두께는 상기 다공성 섬유 레이어 중에서 상기 차음 구역(I)에 있는 부분의 두께보다 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 다공성 섬유 레이어의 단위 면적당 무게 AWp 가 400(g/m2) 내지 2000(g/m2)인 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 섬유 레이어의 두께 tp 가 차음 구역에서 1(mm) 내지 10(mm)인 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 부분적으로 부가적인 흡음 레이어가 상기 다공성 섬유 레이어 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  6. 제5항에 있어서, 적어도 부분적으로 적어도 상기 흡음 레이어가 스크림 레이어(4, 5)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장벽 레이어의 단위 면적당 무게가 바람직하게는 500(g/m2) 내지 2000(g/m2)인 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다공성 섬유 레이어(1)가 적어도 부분적으로 스크림 레이어(4,5)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 장식 레이어 또는 카페트 레이어, 바람직하게는 촘촘한 카페트 또는 부직포 카페트가 상기 다공성 섬유 레이어(1) 및/또는 부가적인 흡음 레이어 상에 놓이는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품.
  10. 차음재 또는 차음재와 흡음재가 결합된 형태인, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 음향 감쇠 트림 부품을 승용차 또는 트럭과 같은 차량의 내측 대시, 바닥 덮개 또는 휠 라이너와 같은 자동차 트림 부품으로 사용하는 것을 특징으로 하는 음향 감쇠 트림 부품의 사용법.
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