高速列車夾芯地板結(jié)構(gòu)隔聲特性研究

孫加平，張麗榮，孫海榮，王志海，王永成

(唐山軌道客車有限責(zé)任有限公司，河北 唐山 063035)

隨著京滬高鐵客運(yùn)專線、京津城際、武廣客運(yùn)專線、鄭西客運(yùn)專線的開通運(yùn)營，中國已開始進(jìn)入高鐵時(shí)代。高速鐵路給人們帶來快捷、安全、舒適的同時(shí)，也帶來了環(huán)境污染噪聲和振動(dòng)。

張偉[1]、張捷[2]等，對(duì)高速列車在不同運(yùn)行速度下車內(nèi)噪聲分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，用聲品質(zhì)響度評(píng)價(jià)高速列車車內(nèi)噪聲環(huán)境，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲環(huán)境需要進(jìn)一步改進(jìn)以滿足人類聽覺舒。YuYu[3]，對(duì)高速列車車內(nèi)噪聲進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)分析，結(jié)果表明，地板空氣傳聲是車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)者之一。因此，優(yōu)化地板結(jié)構(gòu)，提高地板隔聲性能，極有必要。說明，降低車內(nèi)噪聲，改善車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境，地板隔聲量提高是關(guān)鍵問題。張玉梅等[4]，基于混合有限元—統(tǒng)計(jì)能量法及周期子結(jié)構(gòu)原理，建立了高速列車波紋外地板聲學(xué)特性仿真模型,根據(jù)波紋外地板結(jié)構(gòu)的傳遞損失評(píng)價(jià)隔聲性能，探尋隔聲性能優(yōu)越的外地板類型和結(jié)構(gòu)型式。已有研究表明，復(fù)合型吸聲材料的應(yīng)用對(duì)高速列車車內(nèi)減震降噪具有十分重要的意義[5，6]。本文通過仿真手段，結(jié)合現(xiàn)有高速列車典型內(nèi)地板結(jié)構(gòu)，調(diào)研內(nèi)地板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，研究三明治夾芯板材料、厚度參數(shù)對(duì)內(nèi)地板聲學(xué)性能的影響規(guī)律，為高速列車復(fù)合型內(nèi)地板降噪設(shè)計(jì)和選材提供依據(jù)。

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。本文利用傳遞矩陣法研究三明治夾芯板材料參數(shù)、厚度對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲性能的影響。材料和結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的分析方法有多種，其傳遞矩陣法因其推導(dǎo)直觀、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。

楊德林等[7]，引入了傳遞矩陣的概念計(jì)算分層介質(zhì)中的聲透射。龐培森等[8]，推導(dǎo)了用傳遞矩陣法計(jì)算微穿孔板結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的計(jì)算公式,并與用聲電類比法計(jì)算的結(jié)果、試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果顯示，傳遞矩陣法是可以作為微穿孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多層結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)單而有效的參考方法。

1 內(nèi)地板結(jié)構(gòu)隔聲計(jì)算模型

文獻(xiàn)[9]對(duì)采用傳遞矩陣法計(jì)算層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量的有效性進(jìn)行了詳細(xì)參數(shù)，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)合板的隔聲特性。

針對(duì)圖1所示高速列車內(nèi)地板結(jié)構(gòu)，采用傳遞矩陣法，參考文獻(xiàn)[9]，在ESI Nova 2010軟件系統(tǒng)，建立了高速列車內(nèi)地板隔聲計(jì)算模型，如圖2所示。其中，內(nèi)地板結(jié)構(gòu)從上往下，由3 mm地板布、15 mm三明治夾芯板、5 mm隔音墊三部分組成，其中各結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)如表1所示。

圖1 內(nèi)地板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 內(nèi)地板隔聲計(jì)算模型

在100 Hz～3 150 Hz頻率范圍，基于內(nèi)地板隔聲計(jì)算模型，將計(jì)算分析三明治夾芯板不同材料參數(shù)和厚度對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲量的影響。

2 三明治夾芯板參數(shù)調(diào)研

2.1 參數(shù)調(diào)研

三明治夾芯板不同結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響，分別調(diào)研，不同表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、不同蜂窩夾層密度及隨厚度變化下，內(nèi)地板隔聲量變化規(guī)律，如表2所示。其中，地板布、隔音墊參數(shù)固定，具體參數(shù)如表1所示。

表1 內(nèi)地板各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)

表2 三明治夾芯板隔聲量計(jì)算工況

2.2 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3所示。

圖3給出了表層材質(zhì)不同（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量。從圖中可以看出。

（1）改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量在30.6 dB和48.4 dB間變化；

（2）三明治夾芯板表層材質(zhì)對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響，表層夾板厚度一定，鋼材作為表層材料，內(nèi)地板隔聲量最好，其次是鋁材，最后是木材；

（3）三明治夾芯板夾板厚度與蜂窩板厚度分布對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響，三明治夾芯板總厚度不變，改變夾板厚度（1 mm～7.5 mm變化），鋼材與鋁材作為表層時(shí)對(duì)比，內(nèi)地板隔聲量提高5.7 mm～7.6 dB；鋁材比木材內(nèi)地板隔聲量提高2.5 mm～7.3 dB；鋼材最優(yōu)表層厚度為3 mm～6 mm，最大計(jì)權(quán)隔聲量為48.3 dB；鋁材最優(yōu)表層厚度為4 mm～5 mm，最大計(jì)權(quán)隔聲量為41.6 dB；木材最優(yōu)表層厚度為5 mm～7 mm，最大計(jì)權(quán)隔聲量為36.4 dB；

（4）蜂窩板夾層材料密度對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響，蜂窩板密度降低50%，內(nèi)地板隔聲量有增加趨勢(shì)，但影響較??；但對(duì)木材，在夾板厚度為7 mm時(shí)，隔聲量提高1.5 dB。

圖3內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量

圖4 給出了表層材質(zhì)不同（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下，內(nèi)地板平均隔聲量。從圖中可以看出，改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內(nèi)地板平均隔聲量在27.3 dB和45.8 dB間變化。隔聲量隨各參數(shù)變化與上面計(jì)權(quán)隔聲量同。

表3 不同材料、厚度夾板下內(nèi)地板隔聲量（dB）

圖4 內(nèi)地板平均隔聲量

2.3 頻率隔聲量

2.3.1 不同材料對(duì)內(nèi)地板頻率隔聲量的影響

為進(jìn)一步研究三明治夾芯板材料參數(shù)對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響，圖5給出了1 mm厚表層夾板，在不同材料、蜂窩夾層（鋁）下，內(nèi)地板頻率隔聲量。

由圖5可以看出：

（1）表層夾板厚度1 mm時(shí)，鋼材作為表層材料，內(nèi)地板隔聲量在各個(gè)頻段都最好，其次是鋁材，最后是木材。其中鋼材作為表層，各頻段隔聲量比木材作為表層時(shí)提高約8 dB；鋁材作為表層時(shí)，各頻段隔聲量比木材作為表層時(shí)提高約3 dB；

（2）改變蜂窩夾層板密度，對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲特性幾乎無影響。

2.3.2 不同材料對(duì)內(nèi)地板頻率隔聲量的影響

為進(jìn)一步研究三明治夾芯板表層、蜂窩夾層板厚度分布對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響，圖6給出了相同材料參數(shù)下，表層厚度0～7.5 mm變化時(shí)，內(nèi)地板的頻率隔聲量。從中可以看出：

（1）表層材料不變，增加表層夾板厚度，內(nèi)地板各頻段隔聲量普遍提高。但當(dāng)厚度達(dá)到一定時(shí)，內(nèi)地板隔聲量在高頻出現(xiàn)低谷；

（2）木材夾層板，厚度每增加1 mm，各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB～1.5 dB。鋁材夾層板，厚度每增加1 mm，各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB～3 dB。鋼材夾層板，厚度每增加1 mm，各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB～5 dB。

圖5 內(nèi)地板頻率隔聲量（同一厚度：夾板1mm厚）

圖6 內(nèi)地板頻率隔聲量（同一材料，不同厚度）

由三明治夾芯板表層材質(zhì)對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響表明，表層夾板厚度一定，鋼材作為表層材料，內(nèi)地板隔聲量最好，其次是鋁材，最后是木材。

3 結(jié)語

三明治夾芯板不同結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響，分別調(diào)研表層材質(zhì)不同（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下，內(nèi)地板隔聲量變化規(guī)律。

改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度后，內(nèi)地板隔聲量仿真結(jié)果表明：

（1）改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量在30.6 dB和48.4 dB間變化；

（2）三明治夾芯板表層材質(zhì)對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響，表層夾板厚度一定，鋼材作為表層材料，內(nèi)地板隔聲量最好，其次是鋁材，最后是木材。三明治夾芯板總厚度不變，變化夾板厚度（1 mm～7.5 mm變化），鋼材與鋁材作為表層時(shí)對(duì)比，內(nèi)地板隔聲量提高5.7 dB～7.6 dB；鋁材與木材作為表層時(shí)對(duì)比，內(nèi)地板隔聲量提高2.5 dB～7.3 dB；

（3）三明治夾芯板夾板厚度與蜂窩板厚度分布對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響，木材夾層板，厚度每增加1 mm，各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB～1.5 dB，木材最優(yōu)表層厚度為5 mm～7 mm，最大計(jì)權(quán)隔聲量為36.4 dB；鋁材夾層板，厚度每增加1 mm，各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB～3 dB，鋁材最優(yōu)表層厚度為4 mm～5 mm，最大計(jì)權(quán)隔聲量為41.6 dB；鋼材夾層板，厚度每增加1 mm，各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB～5 dB，鋼材最優(yōu)表層厚度為3 mm～6 mm，最大計(jì)權(quán)隔聲量為48.3 dB；

（4）蜂窩板夾層材料密度變化對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響不大。蜂窩板密度降低50%，內(nèi)地板隔聲量有增加趨勢(shì)，但影響較小。

[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.

[2]ZHANG Jie,Xiao Xin-biao,JIN Xue-song.Interior sound quality of a high-speed train running at more than 300 km/h[A].STECH’12,Seoul,Korea,2012.

[3]YU Yu,XIAO Xin-biao,JIN Xue-song,WANG Di,WANG Heng-yu.Prediction of interior noise in a cabin of high speed train using FE-SEA hybrid methods[C].Inter-Noise,2011,Osaka,Japan,2011.

[4]沈火明，張玉梅，肖新標(biāo)，等.高速列車波紋外地板低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，1671-1637(2011)：65-71.

[5]丁 曉，王昌田，韓寶坤，鮑懷謙，符俊杰.泡沫鋁復(fù)合板低頻吸聲性能實(shí)驗(yàn)分析與研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2010，30(5)：196-198.

[6]萬 翾，吳錦武.傳遞矩陣法分析復(fù)合材料層合板的傳聲損失[J].噪聲與振動(dòng)控制，2013，33(1)：45-50.

[7]楊德林，章向明，王安穩(wěn).分層介質(zhì)系統(tǒng)聲透射問題的傳遞矩陣方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1009-3486(2000)03-0028-03.

[8]龐培森，汪鴻振.用傳遞矩陣法分析微穿孔板的聲學(xué)特性[J].聲學(xué)技術(shù)，1000-3630(2006)-01-0048-04.

[9]J.F.Allard.Propagation of sound in porous media[J].Elsevier Applied Science,London,1993:174-175.