具有改善的振声衰减特性的玻璃窗及其制造方法以及在车辆座舱中进行声学防护的方法 【技术领域】
本发明涉及具有改善的振声衰减特性的玻璃窗，其包括振声衰减装置，本发明还涉及减少座舱，尤其是移动座舱，诸如车辆特别是机动车辆的座舱中的声音和振动干扰的方法。
背景技术
除了机动车辆或其它类型的车辆诸如卡车、公交车和农用机械之外，本发明还适用于任何类型的具有封闭或基本封闭的座舱的机车装置，诸如飞机、火车、轮船、潜水艇等。
连接于车辆特别是机动车辆的玻璃窗设置有用来吸收通过玻璃窗传播的振动波的振声衰减装置，以改善车辆内部的声音舒适性。
机动车辆内源自机械、热、可见度等的导致不舒心的来源，已经逐步解决了。但是，声音舒适性的改善还始终是当前的一个问题。
源自空气动力学的噪声，即由空气与移动车辆的摩擦所造成的噪声，其自身已经至少部分地在源头处得到了处理：为了节省能量，修改了形状，从而提高了在空气中的穿透性并减少了本身就是噪声源的紊流。在将外部空气动力学噪声源与乘客所在的内部空间隔离开的各车辆壁中，玻璃窗显然是最难以处理的。
目前公知的做法是提供层状玻璃窗，层状玻璃窗的由热塑性材料制成的夹层被合适地选择成具有改善的振声衰减特性。
因此，欧洲专利EP B1-0387148提供了一种层状玻璃窗，其能实现良好的噪声隔离，尤其是对源自空气动力学的噪声即具有在800和1000Hz之间高频的噪声的隔离。
此外，这样的层状玻璃窗用于防止代表声音隔离的传输损失在临界频率突降。临界频率是玻璃窗的组分(密度、构成元件的杨氏模量、厚度)所固有的，并且对应于玻璃窗中的弯曲波与环绕玻璃窗的流体诸如空气中的声波的空间和频率重合。对于大约3mm厚的玻璃窗而言，临界频率通常为大约4000Hz。
临界频率处于尤其是人耳可听到的频率范围(1000和6000Hz之间)内，因此，就是在该临界频率处，噪声会增大。因此，期望获得针对该频率噪声的良好隔离性能。
一种可替代方案(因为有些玻璃窗不是层状的)或者作为对使用具有振声衰减特性的层状玻璃窗的补充方案，可旨在向玻璃窗的周边以及玻璃窗和车身之间结合具有振声衰减特性的型条，该型条既固定于玻璃窗，也固定于车身，并且可以由或者可以不由多种衰减材料的并置构成。
在本说明书的以下部分中，术语“衰减材料”应理解成意指损耗因子大于0.25的粘弹性材料，因此是指能够耗散能量的材料。例如，其可属于聚合物族。
专利申请WO 04/012952公开了一种型条，为了提供这种振声衰减特性，该型条必须具有至少25MPa的等效实际线性刚度K’eq和至少0.25的等效损耗因子δeq。等效线性刚度是每线性米型条的型条等效刚度，该刚度由制成型条的材料的硬度(主要是在拉伸-压缩下工作的杨氏模量)以及型条地几何参数所表征。
在这种类型的型条中，只考虑了沿垂直于玻璃窗的方向在拉伸-压缩下工作的材料所遭受的应力和应变，而忽略了在剪切下工作的材料。实际上，与型条相比，车身如此硬以致于其不会变形并且不能吸收振动能。只有型条能显著变形并通过主要在拉伸-压缩下工作而耗散机械能。
这种类型的衰减型条，还构成粘接玻璃窗的周边密封条，因此是合适的，因为其提供了玻璃窗和车身之间的连接。但是，并不是车辆的所有玻璃窗都在其整个周边处固定于车身中，其中某些，诸如开放性侧玻璃窗，是活动的。因此，这种充当衰减装置的周边粘接密封条构造对于这些侧玻璃窗而言是不合适的。
【发明内容】
因此，本发明的目的是为玻璃窗，更具体为高频玻璃窗，设置振声衰减装置，该振声衰减装置作为现有装置诸如层状玻璃窗和用于粘接玻璃窗的周边密封条的替代或补充。
根据本发明，用于安置在车身中的玻璃窗包括至少一片玻璃和至少一个振声衰减型条，该至少一个振声衰减型条固定于玻璃片的至少一个表面上，并且包括至少一个由损耗因子至少为0.4的衰减材料制成的元件，所述玻璃窗的特征在于，型条不与玻璃片相对侧的任何其它装置相连，尤其独立于车身，并且特征在于，型条还包括至少一个重质元件，该重质元件具有大于0.05kg/m的单位长度质量并且固定于由衰减材料制成的元件上，其中单位长度质量对应于重质元件的质量与所述重质元件沿其与衰减元件接触的最长延伸边的长度之比，由衰减材料制成的元件插在玻璃片和重质元件之间，并且对于低于5000Hz的频率在20℃时的杨氏模量小于200MPa，重质元件仅连接于由衰减材料制成的元件的与跟玻璃片的表面接触的那个表面相对的表面上。
型条连接于玻璃窗的一个表面，即连接于玻璃窗的沿其最长延伸边延伸的表面上；因此排除了与玻璃窗边缘的连接。
应该注意，单位长度质量对应于重质元件的质量与所述重质元件的与衰减元件接触的长度之比。单位长度质量也可以等效地由构成重质元件的材料的密度与该重质元件横截面的面积之积来定义，如果所述横截面在重质元件的整个长度上都相同的话，或者如果重质元件由多种材料构成，可以由每种材料的密度和每种材料的横截面之积的总和来定义。
当重质元件在其长度上具有变化的横截面时，单位长度质量优选地按照重质元件的质量除以其与衰减元件接触的总长度的方法来计算。
因此，无论玻璃窗连接于车辆车身并独立于车身的方式如何，玻璃窗提供振声衰减特性，衰减材料可以完全发挥其振动能耗散物的作用，因为衰减材料布置在两个厚实元件即玻璃窗的玻璃和型条的重质元件之间。
型条必须只连接于玻璃窗并且必须独立于玻璃窗相对侧的任何其它物块。没有装置连接于型条的与其连接于玻璃窗的玻璃片的那部分相对的部分上。特别地，虽然玻璃窗为其支撑可以至少部分地连接于车身尤其是与车身相连的槽座中，但是固定于玻璃窗的型条保持完全独立于车身，也就是说型条甚至不接触车身。
此外，重质元件应该只与由衰减材料制成的元件的一个表面接触，该一个表面即与玻璃窗接触的那个表面相对的表面。
虽然重质元件的面积不等同于玻璃窗的玻璃片的面积，但是由型条和玻璃片形成的整体意想不到地构成了基本上等同于物块-弹簧-物块这一系统的系统。
在物块-弹簧-物块系统中，可调节弹簧的刚度以最大限度地提高弹簧在某一目标频率下作的功(物块-弹簧-物块系统的共振)，使得在该频率下耗散最多的能量。
本发明的系统不能严格符合物块-弹簧-物块系统中关于弹簧刚度的公知关系，但是本发明人已经知道提供一种适应于本发明系统的关系，其中弹簧可类似于衰减元件，以表征衰减元件的刚度。
也可以在考虑衰减材料所具有的杨氏模量的同时，有利地使型条的横截面s相适应，使得衰减元件在特定频率下耗散的振动能最大，其中横截面s的仅一条边与玻璃窗接触并对应于最短延伸边之一，并且其中在特定频率下期望获得特别改善的噪声隔离。
为了有利地耗散最多的能量，由衰减材料制成的元件的横截面s(由沿最短延伸边之一与玻璃窗接触的长度L和垂直于玻璃窗的厚度e所限定)，应该具有这样的尺寸以使得衰减元件的等效线性刚度K’eq，在特定目标频率fp下符合以下标准：
K′eqρvevλpωp2<12]]>
其中，
K′eq=E′Le]]>
其中：
-E’是在频率fp下衰减材料在20℃时的杨氏模量；
-L是衰减元件的与玻璃窗接触的宽度；
-e是衰减元件的垂直于玻璃窗的尺寸；
并且其中：
-ρv是制成玻璃窗的材料的密度；
-ev是玻璃窗的厚度；
-ωp是在特定频率fp下的、由ωp＝2πfp定义的目标角频率；
-λp是对应于特定频率fp的玻璃窗中的波长，λp由下式以公知方式定义：
λp=2πE′vev212(1-vv2)ρvωp24]]>
并且其中，E’v和vv分别是制成玻璃窗的材料的杨氏模量和泊松比。
优选地，特定频率fp对应于玻璃窗的临界频率或者对应于该临界频率附近正负30％范围内的频率。
根据一个特征，重质元件只与由衰减材料制成的元件的一个表面接触并且沿着衰减元件的最长延伸边接触。
根据另一个特征，型条布置在玻璃窗边际部分中，特别是在玻璃窗的边缘附近或边缘处，并且至多在玻璃窗一侧的长度上延伸。
可以想到型条实施例的多个变型：
-型条包括仅一个由衰减材料制成的元件和仅一个重质元件；
-型条包括多个由衰减材料制成的、并置或不并置并且沿其最长延伸边并排延伸的元件，以及仅一个覆盖了每个由衰减材料制成的元件的一个表面的重质元件；
-型条包括多个固定于由衰减材料制成的单个元件上并且邻接或不邻接地沿衰减元件的最长延伸边延伸的重质元件。
应该具有某一单位长度质量的重质元件根据构成该重质元件的材料的来选择。可尤其根据材料的性质和为将玻璃窗安装在其最终位置所提供的可用空间来使其几何参数相适应。重质元件至少由固定于由衰减材料制成的元件的一个表面上的腹板构成，并且可有利地包括与腹板相连的加强件。
重质元件可由一种或多种材料构成，这些材料的组合应该确保重质元件的单位长度质量至少为0.05kg/m。
根据另一个特征，由衰减材料制成的元件由一种或多种衰减材料构成，每种材料具有至少0.4的损耗因子以确保足够的能量耗散。
当然，玻璃窗可包括多个本发明的型条。
根据一个实施例，衰减材料为弹性体，重质元件为金属板。
有利地，本发明的玻璃窗安置在车辆尤其是机动车辆的车身重，型条隐藏不可见。
本发明的另一个主题是一种制造玻璃窗的方法，用以减少包含这种玻璃窗的车辆尤其是机动车辆的座舱中的声音和振动干扰，该方法在于将至少一个振声衰减型条连接于玻璃窗，其特征在于：
-提供一种型条，该型条包括：至少一个由衰减材料制成的元件，该衰减材料的损耗因子至少为0.4并且对于低于5000Hz的频率在20℃时的杨氏模量小于200MPa；以及至少一个重质元件，该重质元件具有至少为0.05kg/m的单位长度质量并且沿其最长延伸边固定于衰减元件的仅一个表面上；
-根据衰减材料的杨氏模量使由衰减材料制成的元件的横截面s相适应，使得衰减元件的等效线性刚度K’eq，在特定频率fp下符合以下标准，其中横截面s由沿其最短延伸边与玻璃窗接触的长度L和垂直于玻璃窗的厚度e所限定：
K′eqρvevλpωp2<12]]>
其中，
K′eq=E′Le]]>
其中：
-E’是在频率fp下衰减材料在20℃时的杨氏模量；
-L是衰减元件的与玻璃窗接触的宽度；
-e是衰减元件的垂直于玻璃窗的尺寸；
并且其中：
-ρv是制成玻璃窗的材料的密度；
-ev是玻璃窗的厚度；
-ωp是在特定频率fp下的、由ωp＝2πfp定义的目标角频率；
-λp是对应于特定频率fp的玻璃窗中的波长，λp由下式以公知方式定义：
λp=2πE′vev212(1-vv2)ρvωp24]]>
并且其中，E’v和vv分别是制成玻璃窗的材料的杨氏模量和泊松比；
-利用由衰减材料制成的元件的与固定了重质元件的表面相对的表面将型条固定于玻璃窗上，没有任何其它装置连接于型条。
最后，本发明还涉及一种在车辆尤其是机动车辆的座舱中进行声学防护的方法，其中车辆包括具有改善的振声衰减的玻璃窗，该玻璃窗包括至少一个振声衰减型条，该方法的特征在于，该方法在于使用一种型条，该型条包括：至少一个由衰减材料制成的元件，该衰减材料的损耗因子至少为0.4并且对于低于5000Hz的频率在20℃时的杨氏模量小于200MPa；以及至少一个重质元件，该重质元件沿其最长延伸边固定于衰减元件的仅一个表面上，型条利用由衰减材料制成的元件固定于玻璃窗的与重质元件相对的一个表面上，没有除玻璃窗之外的其它装置连接于型条，尤其是通过重质元件连接于型条。
对于制造方法或声学防护方法，将有利地使用如上所述的本发明玻璃窗，特别地，根据衰减材料的杨氏模量使衰减材料的横截面相适应，使得衰减元件能实现最大耗散时的频率瞄准一特定频率，尤其是玻璃窗的临界频率。
损耗因子和杨氏模量特性优选地采用粘度分析仪来测量。
【附图说明】
现在将参照附图描述本发明的其它细节和优点，在附图中：
-图1是根据本发明的具有振声衰减型条的玻璃窗的透视图；
-图2是图1的局部示意性剖视图，其中，玻璃窗被包含到车身中；
-图3至7是本发明的连接于玻璃窗的振声衰减型条的多个变型的局部示意性剖视图；
-图8至10是根据本发明的型条连接于玻璃窗的其它变型的剖视图；
-图11示出了高频区间裸玻璃窗与具有根据本发明型条的玻璃窗的两个实例之间的对比声音隔离曲线；以及
-图12示出了从低频延伸到高频的图11中的玻璃窗曲线。
【具体实施方式】
为了便于理解，图1-10不是按比例绘制的。
图1示出了装有由至少一个型条2所形成的本发明振声衰减装置的玻璃窗1。
玻璃窗1用于安置在车辆诸如机动车辆的车身4中，例如安置在车门洞中以形成侧窗玻璃(图2)，常规密封条40提供密封。这里，玻璃窗是整体式的，因此包括一片玻璃10，但它也可以是例如层状的并包括夹在两片玻璃之间的塑料夹层片。
玻璃窗1具有两个相对的表面11和12，一个用于面向车辆内部，而另一个则将转向外部环境。
此外，玻璃窗1还包括位于一侧14处并在图1中由虚线界定的边际部分13。在开放性侧玻璃窗的情形中，该部分被称为底带。该边际部分将是不可见的，因为它应该安置在车身中以固定玻璃窗。
型条2安置在边际部分13中，但是必须保持独立于车身。如图2所示，型条2简单地附接在玻璃窗的玻璃片的表面上，并且不与和玻璃窗相对的任何其它装置接触。
因此，该型条构成了附接于玻璃窗且独立于所有其他可能与玻璃窗相关联的系统的装置。
型条2包括由衰减材料制成的第一元件20和称为重质元件的第二元件3，第二元件3具有至少0.05kg/m的单位长度质量。
由衰减材料制成的元件20一方面利用其一个表面固定于玻璃窗，另一方面利用其相对的表面固定于重质元件3。重质元件3仅仅利用其一个表面并沿其最长延伸边连接于由衰减材料制成的元件，其中该表面是与用来将由衰减材料制成的元件固定于玻璃窗的那个表面相对的表面。除了与由衰减材料制成的元件20的有效连接之外，重质元件3不再有其它的连接。
在20℃时对低于5000Hz的频率而言，由衰减材料制成的元件20具有至少0.4的损耗因子和小于200MPa的杨氏模量。
此外，衰减元件20具有横截面s，横截面s分解成至少一个沿其最短延伸边与玻璃窗接触的尺寸L和一个垂直于玻璃窗的尺寸e，使这些尺寸根据材料的杨氏模量适应成使得所述元件实现最大耗散的频率位于预定频率范围内，与在所述频率范围内期望获得的噪声隔离相关。
长度对最大耗散频率没有影响，但是，型条越长，耗散将越大。将型条设计成，其对应于最长延伸边的长度大于尺寸L，优选地大于该量L的至少两倍。
对于平行六面体的衰减元件，横截面s分解成宽度L和厚度e，其中宽度L对应于和玻璃窗接触的那条边，厚度e对应于垂直于该宽度的那条边(图1)。
为了使这些尺寸相适应，使用了在期望衰减元件耗散最多的能量的频率下该衰减元件应该具有的等效线性刚度K’eq的概念。
如果将期望提供最大衰减的该特定目标频率记作fp，则在单一材料的情形中衰减元件的等效线性刚度K’eq由下式定义：
K′eq=E′Le]]>
其中：
-E’是在频率fp下衰减材料在20℃时的杨氏模量；
-L是衰减元件的与玻璃窗接触的宽度；以及
-e是衰减元件的垂直于玻璃窗的尺寸。
本发明人已经证明，为了使系统在目标频率下有效，衰减元件的等效线性刚度K’eq必须满足以下条件：
K′eqρvevλpωp2<12---(1)]]>
其中：
-ρv是制成玻璃窗的材料的密度；
-ev是玻璃窗的厚度；
-ωp是在特定频率fp下的、由ωp＝2πfp定义的目标角频率；
-λp是对应于特定频率fp的玻璃窗中的波长，λp由下式以公知方式定义：
λp=2πE′vev212(1-vv2)ρvωp24]]>
其中E’v和vv分别是制成玻璃窗的材料的杨氏模量和泊松比。
已经发现，对于车辆，尤其是机动车辆，期望获得改善的隔离的频率范围对应于处在玻璃窗临界频率附近的频率范围。因此，将特定频率选择成等于玻璃窗的临界频率或在其±30％偏差内(fp＝fc或fc±30％)是有利的。实际上，正是在该临界频率附近，来自车辆外部的噪声通过玻璃窗的传输是最显著的，表现为测量到声音隔离的明显降低。因此，本发明更具体地针对该频率范围以改善玻璃窗的振声衰减。因此，特定频率fp可以更具体地对应于玻璃窗的临界频率。
玻璃窗的临界频率fc只取决于其构成材料的性质和玻璃窗的厚度。它的值由以下公式以公知的方式计算：
fc=c022π12ρv(1-vv2)E′vev2]]>
其中，c0是流体中的音速，流体通常为空气。
衰减元件20具有连接于玻璃窗的一个表面12上的表面21和连接于重质元件3的相对表面22。在与衰减元件相对的一侧，重质元件与任何其它装置都不接触。
每个表面都是通过与每种材料兼容的粘合性装置实现的。粘合性装置是公知类型的，例如自粘合装置，或者它们由热致活粘合剂构成。
连接也可以利用合适的技术实施，如果衰减元件和重质元件是由允许这种技术的材料制成的话。例如，通过施加热而将材料焊接在一起。
衰减元件20可由一种衰减材料构成或者由多种衰减材料的并置构成。
每种材料必须具有至少0.4的损耗因子，并且使赋予每种材料的几何参数将适应成满足关系(1)。因此，将通过利用粘度分析仪测量衰减元件的等效线性刚度而检验关系(1)。
重质元件3必须沿其最长延伸边与衰减元件的至少一个表面相接触，该至少一个表面对应于和抵靠在玻璃窗上的表面21相对的表面22，以便夹在两个厚实元件——玻璃窗的玻璃和元件3——之间的衰减元件按照弹簧方式完全在拉伸-压缩下工作，以耗散最多的能量。
为此，重质元件3具有至少0.05kg/m的单位长度质量。
重质元件的厚实性质不仅通过材料的性质获得，而且还通过变化元件的几何参数(固定于衰减材料的腹板的厚度和/或加强添加物)而获得。
当然，重质元件可由多种充当物块并且组装成例如层状、或者结合形成特定几何结构的材料形成。
图1所示的元件3由厚度至少为1mm的单块腹板30，诸如例如2mm厚的钢板所形成。
图3至6示出了硬质元件形状的变型，每个变型都具有固定于衰减元件20的腹板30。
图3示出了L形元件，其具有垂直于腹板30的端翼31。
图4示出了L形元件，其具有垂直于腹板30的端翼31和平行于腹板30并且方向相反的折回部32。折回部32保持面向支承衰减元件20的玻璃窗的同一表面12。
图5示出了U形元件，其具有垂直于腹板30的端翼31和平行于并且面向腹板30的折回部33。翼31足够长以便折回部33设置成面向玻璃窗的与支承衰减元件20的那个表面相对的表面11。
图6示出了T形元件，其具有垂直于腹板30并且与用于连接衰减元件的表面相对的中心部分34。
对于图3、4和5中所示的变型来说，重质元件的腹板30具有沿衰减元件的其中一个短延伸边延伸的部分，这里为翼31的形式。为了提供最佳的振动衰减功能，如在各图中所示，该翼不与衰减元件接触。
如图1所示，型条的重质元件3是沿着衰减元件2的长度延伸的单件式元件。但是，根据重质元件的材料性质和尤其是它可商购到的形状，例如，根据某些尺寸，可以考虑用多个邻接在一起的、沿衰减元件2的长度延伸的重质元件3(图7)。
最后，图8、9、10示出了衰减装置的额外实施例。
图8示出了这样的型条2，其具有两个由衰减材料制成的元件20，它们彼此相邻但隔开着放置，型条2还具有一个覆盖了这两个元件的连接表面22和隔开间隙的L形重质元件3。
如可分别在图9和10中看到的，玻璃窗也可包括多个具有或者不具有相同构造的衰减型条2。
图9示出了多个对应于图1中型条的型条2的组合。
图10示出了分别对应于图1中型条和图3中型条的两个型条2的组合。
以上描述的实施例变型具有一个或多个仅放置在玻璃窗一侧上的型条，当该实施例与拟用于接收玻璃窗的设备的可用空间相兼容时，也可以想到在玻璃窗的相对表面上另外设置一个或多个型条。
为了证明本发明衰减装置的有效性，在包含了玻璃窗临界频率的2500-10000Hz的频率区间上证明了设置有该衰减装置的玻璃窗相比于裸玻璃窗的振动级别衰减。
通过空气激励的裸玻璃窗的振动级别高于设有本发明衰减装置的玻璃窗的振动级别，因为该玻璃窗的振动能通过由衰减材料制成的元件20耗散。因此，座舱中的压力水平更低，从而噪声得到了衰减。
因此，图11示出了在其中一个玻璃窗设有本发明衰减装置的车辆和相应玻璃窗未设有本发明衰减装置的类似车辆内部的声音隔离对比曲线。
因此，减少车辆尤其是机动车辆的座舱中声音和振动干扰的方法旨在提供装有本发明型条的玻璃窗。
用于演示的车辆是来自汽车制造商雷诺的Megane II型轿车。
用于测试的玻璃窗对应于前车门的开放性侧玻璃窗，其厚度为3.85mm。该玻璃窗的临界频率fc因此为大约3100Hz。
选择了在拉伸-压缩下工作的具有本发明衰减装置的两个玻璃窗实例，以将它们与未设有本发明衰减装置的玻璃窗进行对比。
每个作为衰减装置的型条实例具有0.5m的长度，并且包括，2mm厚、具有0.32Kg/m单位长度质量的钢板作为重质元件，以及弹性体诸如由Henkel出售的丁基橡胶Terostat 969(实例1)和由ENAC出售的ViscoDampT(实例2)作为衰减元件。通过施加热将衰减元件固定于钢板和玻璃窗上。下表归纳了与每个型条实例的衰减材料相关的特性。
衰减元件的横截面L×e选择成在对应于玻璃窗临界频率的特定频率fp下能够满足上文给出的关系(1)。
如此获得的比值大约等于0.1，因此符合上述标准，即小于0.5。
按照公知的方式将车辆放置在为测量声音隔离而设计的混响室中。使玻璃窗遭受扩散场，而用吸收振动波的合适外罩(隔板)将车辆的其它玻璃窗罩住以最大限度地减小这些玻璃窗对座舱中声音辐射的贡献以及只让待测玻璃窗具备资格。
隔离测量是在18℃的环境温度下进行的。
图10中所示的曲线证明，在临界频率处及该频率之上，减小了通常在传输损失中存在的明显“坑”，这里临界频率具体为4000Hz左右，使得声音隔离在该频率处仍然相对有效。
虽然根据本发明的第一目的，在玻璃窗的临界频率区间(在从临界频率之下30％处到临界频率之上30％处的范围内)内可以耗散最多的振动能，但是本发明也允许在更宽的频率范围(包括在低频处)内提供良好的振声衰减。因此，在图11中可以看到，与本发明玻璃窗相关的隔离曲线处在对应于裸玻璃窗的曲线上方。