高速列車內(nèi)地板隔音墊聲學(xué)特性的研究

于金朋，劉小霞，黃雪飛，張慶剛，陳麗雯

(1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.唐山軌道客車有限責(zé)任有限公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035)

從2008年京津城際高速鐵路聯(lián)試聯(lián)調(diào)開始，幾乎每條新開通的高鐵線路和新開發(fā)的高速列車均開展了系列的振動(dòng)噪聲科學(xué)試驗(yàn)，對(duì)車內(nèi)噪聲的聲源識(shí)別、噪聲水平、分布和頻譜特性均有測(cè)試記錄與分析。西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了不同運(yùn)行速度下速列車的車內(nèi)噪聲，并基于聲品質(zhì)響度指標(biāo)，評(píng)價(jià)了高速列車車內(nèi)噪聲環(huán)境，結(jié)果表明，車內(nèi)噪聲問題較顯著，為提升司乘人員的乘坐舒適性，需進(jìn)一步優(yōu)化高速列車的減振降噪控制措施[1，2]。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)高速列車車內(nèi)噪聲兩端大中間小的縱向分布特性，YuYu等[3]基于統(tǒng)計(jì)能量分析法建立了高速列車車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型，分析了高速列車端部噪聲的傳遞路徑和輸入能量貢獻(xiàn)量，結(jié)果表明，端部地板結(jié)構(gòu)對(duì)其車內(nèi)噪聲影響顯著，提高內(nèi)地板隔聲量能較有效地降低該區(qū)域的車內(nèi)噪聲。為此，針對(duì)高速列車內(nèi)地板結(jié)構(gòu)，研究不同內(nèi)地板材料和幾何參數(shù)對(duì)其隔聲特性的影響，具有重要的工程意義。尤其是在車內(nèi)噪聲特性已知的情況下，可以進(jìn)一步有針對(duì)性地對(duì)車內(nèi)噪聲顯著頻段進(jìn)行地板隔聲量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，有的放矢的降低車內(nèi)噪聲水平[4，5]。

典型高速列車內(nèi)地板結(jié)構(gòu)從上往下，由地板布、三明治夾芯板、隔音墊三部分組成，屬于多層復(fù)合板結(jié)構(gòu)。對(duì)層狀復(fù)合板結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能分析的方法有多種，其中傳遞矩陣法[6]（Transfer Matrix Method）因其理論推導(dǎo)直觀、模型易于建立，且可用于分析均勻介質(zhì)和非均勻介質(zhì)構(gòu)成的任意有限厚度的分層介質(zhì)，在分層介質(zhì)聲學(xué)特性分析中應(yīng)用較為廣泛。艾海峰等[7]用傳遞矩陣法研究了多層均質(zhì)復(fù)合板的聲透射性能。李海濤[8]等用傳遞矩陣法，推導(dǎo)了多層結(jié)構(gòu)的反射、透射吸聲計(jì)算公式，研究了水下典型復(fù)合層吸聲結(jié)構(gòu)在全入射角下的低頻聲學(xué)特性。

本文將基于數(shù)值仿真，采用傳遞矩陣法，針對(duì)高速列車典型內(nèi)地板結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件—隔聲墊，計(jì)算分析隔音墊結(jié)構(gòu)、材料和厚度等關(guān)鍵參數(shù)對(duì)內(nèi)地板聲學(xué)性能的影響，為高速列車內(nèi)地板低噪聲設(shè)計(jì)和選材提供依據(jù)。

1 模型驗(yàn)證

本文采用傳遞矩陣法，基于ESI Nova 2010軟件分析平臺(tái)，建立了由泡沫板和鋁板組成的層狀復(fù)合板結(jié)構(gòu)隔聲特性預(yù)測(cè)分析模型，幾何尺寸和材料參數(shù)參考文獻(xiàn)[6]。對(duì)其在500 Hz～9 000 Hz頻率范圍內(nèi)的頻率隔聲量進(jìn)行了計(jì)算，然后將計(jì)算值與其試驗(yàn)值[6]作比較，如圖1所示。結(jié)果表明，仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，傳遞矩陣法能夠有效計(jì)算復(fù)合板隔聲特性。

2 內(nèi)地板結(jié)構(gòu)隔聲計(jì)算模型

采用與上述驗(yàn)證過的基于傳遞矩陣法的隔聲計(jì)算建模方法，建立高速列車內(nèi)地板結(jié)構(gòu)的隔聲計(jì)算模型。模型中，自上而下，由3 mm地板布、15 mm三明治夾芯板、5 mm隔音墊三部分組成，地板布密度為 100 kg/m3，楊氏模量為 2 000 N/m2，孔隙率為0.92；三明治夾芯板夾板密度為700 kg/m3，楊氏模量為69N/m2，泊松比為0.25，阻尼系數(shù)為0.01；三明治芯板蜂窩板密度48 kg/m3，楊氏模量為3×107N/m2，泊松比為0.2，阻尼系數(shù)為0.01；隔音墊密度1 100 kg/m3，楊氏模量為 2.3×109N/m2，泊松比為 0.49，阻尼系數(shù)為0.08。

本文將對(duì)100 Hz～3 150 Hz頻率范圍內(nèi)，內(nèi)地板結(jié)構(gòu)的頻率隔聲量和計(jì)權(quán)隔聲量進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將重點(diǎn)分析隔音墊不同材料參數(shù)、厚度對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲量的影響。

3 隔音墊參數(shù)調(diào)研

3.1 參數(shù)調(diào)研

調(diào)查隔音墊不同材料參數(shù)、厚度，對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響，分別考慮了，彈性模量、密度、阻尼系數(shù)不同及隨厚度變化下，內(nèi)地板隔聲量變化規(guī)律，如表1所示。地板布、三明治夾芯板參數(shù)固定。

3.2 平均和計(jì)權(quán)隔聲量

內(nèi)地板隔聲量計(jì)算結(jié)果如表2和圖2所示。圖2給出了隔音墊在不同材料參數(shù)（彈性模量、密度、阻尼系數(shù)）、不同厚度下，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量。

圖2 內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量圖

從圖2中可以看出：

（1）改變隔音墊材料參數(shù)和厚度，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量在18.3 dB和33.9 dB間變化；

（2）有無隔音墊，內(nèi)地板隔聲量變化較大，當(dāng)鋪設(shè)1 mm隔音墊與無隔音墊比較，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量提高約5 dB；

（3）隔音墊材料參數(shù)對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲量影響不大，彈性模態(tài)改變一個(gè)數(shù)量級(jí)，阻尼系數(shù)相差0.02，內(nèi)地板隔聲量幾乎無影響，密度降低約10%，隔聲量差異不超過1 dB；隔音墊密度越大，內(nèi)地板隔聲效果相對(duì)較好。（4）隔音墊厚度對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲量影響較大，隔音墊厚度每增加1 mm，內(nèi)地板隔聲量提高1 dB～3 dB。

表1 隔音墊材料特性表

表2 不同材料、厚度隔音墊下內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量 單位：dB

3.3 頻率隔聲量

3.3.1 材料參數(shù)對(duì)內(nèi)地板頻率隔聲量影響

圖3給出了5 mm厚隔音墊，在不同材料參數(shù)下，內(nèi)地板的頻率隔聲量。

從圖3中可以看出，等厚度隔音墊，改變隔音墊彈性模量、阻尼系數(shù)對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲特性幾乎無影響；隔音墊密度降低約10%，內(nèi)地板隔音量在各個(gè)頻段均降低約0.6 dB。

3.3.2 隔音墊厚度對(duì)內(nèi)地板頻率隔聲量的影響

為進(jìn)一步研究隔音墊厚度對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響，圖4給出了相同材料參數(shù)下（隔音墊1），隔音墊厚度0～8 mm變化時(shí)，內(nèi)地板的頻率隔聲量。

圖4 內(nèi)地板頻率隔聲量（同一材料，不同厚度）

從圖4中可以看出，在材料參數(shù)為隔音墊1的條件下，改變隔音墊厚度，整個(gè)內(nèi)地板隔聲特性影響較大。尤其是1 mm～4 mm逐漸增加隔音墊厚度，內(nèi)地板各個(gè)頻率隔聲量提高2 dB～3 dB。

4 結(jié)語

研究隔音墊不同材料參數(shù)、厚度，對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響，分別考慮了，彈性模量、密度、阻尼系數(shù)不同及隨厚度變化下，內(nèi)地板隔聲量變化規(guī)律。

改變隔音墊材料參數(shù)（彈性模量、密度、阻尼系數(shù)）、厚度后，內(nèi)地板隔聲量仿真結(jié)果表明：

圖3 內(nèi)地板頻率隔聲量（同一厚度：夾板1 mm厚）

（1）改變隔音墊材料參數(shù)和厚度，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量在18.3 dB和33.9 dB間變化；

（2）有無隔音墊，內(nèi)地板隔聲量變化較大。當(dāng)鋪設(shè)1 mm隔音墊與無隔音墊比較，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量提高約5 dB；

（3）隔音墊厚度對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲量影響較大，隔音墊厚度每增加1 mm，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量提高1～3 dB，尤其是1～4 mm逐漸增加隔音墊厚度，內(nèi)地板各個(gè)頻率隔聲量提高2 dB～3 dB；

（4）隔音墊材料參數(shù)對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲量影響不大，彈性模態(tài)改變一個(gè)數(shù)量級(jí)，阻尼系數(shù)相差0.02，內(nèi)地板隔聲量幾乎無影響。密度降低約10%，隔聲量差異不超過1 dB。隔音墊密度越大，內(nèi)地板隔聲效果相對(duì)越好。

[1]張 偉，陳光雄，肖新標(biāo)，金學(xué)松.高速列車車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2011，33(2)：13-18.

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