高速列車車體輕量化層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計(jì)

伏　蓉,張　捷,姚　丹,肖新標(biāo),金學(xué)松

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

?

高速列車車體輕量化層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計(jì)

伏蓉1,2,張捷1,姚丹1,肖新標(biāo)1,2,金學(xué)松1

（1.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

摘要：隨著高速列車車體結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)車體在高速列車上得到廣泛應(yīng)用，提高層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能，是高速列車減振降噪的關(guān)鍵技術(shù)。基于傳遞矩陣法，建立“鋁板+多孔材料層+空氣層+碳纖維增強(qiáng)板”的典型高速列車層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)車體隔聲計(jì)算分析模型，并分析多孔材料和空氣層對(duì)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)車體隔聲性能的影響。結(jié)果顯示，混響聲場(chǎng)激勵(lì)下，在鋁板和碳纖維增強(qiáng)版之間僅增加空氣層只能提高車體結(jié)構(gòu)高頻隔聲量，低頻部分會(huì)由于“板-空氣-板”的系統(tǒng)耦合共振，形成顯著吻合谷，導(dǎo)致其隔聲性能在吻合谷頻率處大幅下降。對(duì)此，利用多孔材料吸聲原理，提出在空氣層中增加吸聲材料層，抑制隔聲吻合低谷，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出“鋁板+空氣層+吸聲材料+空氣層+碳纖維增強(qiáng)板”的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，在實(shí)現(xiàn)車體輕量化目標(biāo)同時(shí)，可有效提高其隔聲性能。

關(guān)鍵詞：聲學(xué)；高速列車；輕量化；層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)；隔聲；多孔材料；空氣層

節(jié)能環(huán)保是現(xiàn)代高速列車的主要發(fā)展方向，這分別對(duì)車體輕量化和高速列車減振降噪性能提出了更高的要求。

但隨著列車運(yùn)行速度的提高，噪聲問(wèn)題逐漸凸顯，并已成為制約高速列車持續(xù)快速發(fā)展的關(guān)鍵因素。而車體輕量化可能會(huì)降低其隔聲性能，使車內(nèi)噪聲增加，與高速列車減振降噪背道而馳。

層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度、耐候性好和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在航天航空、船舶海洋、軌道交通和公路汽車等工程領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用[1–4]。對(duì)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)減振降噪性能的研究，尤其是在輕量化目標(biāo)下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料選材，是目前研究的熱點(diǎn)。

對(duì)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能計(jì)算分析的方法有有限元法、解析法、波阻抗法、傳遞矩陣法、聲電類比法等。其中，傳遞矩陣法[5](Transfer Matrix Method)因其物理概念清晰、推導(dǎo)直觀和建模方便等優(yōu)點(diǎn)，被許多學(xué)者所廣泛采用。

艾海峰等[1]針對(duì)多層均質(zhì)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)了其隔聲特性計(jì)算分析的傳遞矩陣，研究了面板厚度、芯板厚度、芯板彈性和剪切損耗因子對(duì)復(fù)合板整體投射系數(shù)的影響；萬(wàn)翾等[2]考慮了層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)中，板材的正交各向異性特性，推導(dǎo)了正交各向異性復(fù)合材料層合板隔聲特性計(jì)算分析的傳遞矩陣，研究了層合板鋪設(shè)角度、板厚和板密度對(duì)層合板隔聲特性的影響；孫加平[3]針對(duì)不同三明治夾芯板材料和結(jié)構(gòu)，研究了表層材質(zhì)、厚度和蜂窩夾層密度不同時(shí)，夾芯板結(jié)構(gòu)隔聲量的變化規(guī)律。

但對(duì)于高速列車車體層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，在車身和車廂內(nèi)壁板之間往往包含有空氣間隙和吸聲特性良好的防寒材，屬于典型的“均質(zhì)材料層1（車身板材）+均質(zhì)材料層2（空氣層）+多孔吸聲材料層3（防寒材）+均質(zhì)材料層4（空氣層）+正交各向異性材料層5（內(nèi)飾結(jié)構(gòu)）”結(jié)構(gòu)，至今對(duì)其隔聲特性的相關(guān)研究較少。

因此，本文將采用傳遞矩陣法，根據(jù)Biot關(guān)于多孔彈性介質(zhì)的聲傳播理論，基于數(shù)值仿真，計(jì)算分析多孔材料和空氣層的加入對(duì)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響，為高速列車車體層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)輕量化和低噪聲設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，更好地改善車內(nèi)聲環(huán)境。

1　傳遞矩陣法

1.1典型單層介質(zhì)的傳遞矩陣

圖1給出了典型單層介質(zhì)中的聲傳播平面圖，有限介質(zhì)平行于xy平面放置，聲波在xz平面?zhèn)鞑ァ點(diǎn)和B點(diǎn)分別為有限介質(zhì)中前后表面上的點(diǎn)，設(shè)A點(diǎn)的z方向坐標(biāo)值為0，B點(diǎn)的z方向坐標(biāo)值為h。每一層中的聲傳播傳遞矩陣可以用式（1）表示，同時(shí)可等效成式（2）[5]

圖1　單層介質(zhì)中的聲傳播

1.1.1流體介質(zhì)

當(dāng)聲波經(jīng)空氣入射，需穿過(guò)的有限介質(zhì)為流體時(shí)，其傳遞矩陣Tf為[5]

其中ρ是流體介質(zhì)的密度，kz是流體波數(shù)在z方向的分量。

1.1.2固體介質(zhì)

當(dāng)聲波經(jīng)空氣入射，需穿過(guò)的有限介質(zhì)為彈性固體時(shí)，其傳遞矩陣Ts的等效矩陣Γs() z為[5]

1.1.3正交各向異性介質(zhì)

當(dāng)聲波經(jīng)空氣入射，需穿過(guò)的有限介質(zhì)為正交各向異性材料時(shí)，其傳遞矩陣To的等效矩陣[ Γo(z)]

為[2]

1.1.4多孔吸聲材料介質(zhì)

當(dāng)聲波經(jīng)空氣入射，需穿過(guò)的有限介質(zhì)為多孔

吸聲材料時(shí)，其傳遞矩陣TP的等效矩陣為[5]

1.2多層層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量

圖2給出了多層層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)中的聲傳播平面圖，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為半空間無(wú)限介質(zhì)邊界表面上的點(diǎn)，M1、M2、……、M2n分別為各層有限介質(zhì)前后表面上的點(diǎn)。

圖2　多層層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)中的聲傳播

當(dāng)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)末端為半無(wú)限空氣時(shí)，該結(jié)構(gòu)與半無(wú)限流體層之間的連續(xù)條件可寫為[5]

其中是接口矩陣，取決于第n層結(jié)構(gòu)的材料屬性。在B點(diǎn)處的流體阻抗為

透射系數(shù)t和反射系數(shù)r存在以下關(guān)系

基于混響聲場(chǎng)激勵(lì)，可以得到層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量為

其中τ()

θ是關(guān)于給定入射角θ的透射系數(shù)，變化范圍從θmin到θmax。

2　模型驗(yàn)證

基于傳遞矩陣法，應(yīng)用ESI Nova分析軟件，參考文獻(xiàn)[6]典型算例，建立“板+粘彈性材料+板”計(jì)算模型，各層材料參數(shù)與幾何尺寸見表1。

表1　層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料參數(shù)與幾何尺寸

圖3給出了在混響聲場(chǎng)激勵(lì)下（入射角變化范圍為0～85°），5 000 Hz～12 000 Hz頻率范圍內(nèi)隔聲量仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖[6]。

圖3　模型驗(yàn)證

圖3結(jié)果表明，仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，傳遞矩陣法可有效計(jì)算層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲特性。

3　層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲特性分析

輕量化設(shè)計(jì)前提下，高速列車典型車體層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)如圖4所示，屬于典型的“車身鋁材（均質(zhì)層1）+空氣層（均質(zhì)層2）+吸聲材料（多孔材料層3）+空氣層（均質(zhì)層4）+內(nèi)飾結(jié)構(gòu)（正交各向異性層5）”多層結(jié)構(gòu)。

為了解高速列車車體輕量化層狀結(jié)構(gòu)隔聲特性，以“車身鋁材+內(nèi)飾壁板（CFRP）”為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析吸聲材料、空氣層及其組合方式對(duì)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲特性的影響。

車身鋁材密度為2 742 kg/m3，楊氏模量為69.0 GPa，泊松比為0.33，結(jié)構(gòu)損耗因子為0.007；CFRP內(nèi)飾壁板是正交各向異性材料，楊氏模量為Ex=Ey= 60.0 GPa、Ez=8.0 GPa，泊松比為Pxy=0.3、Pxz=Pyz= 0.05，熱膨脹系數(shù)為Ax=Ay=5×10-7/kdeg、Az=2.8×10-5/ kdeg，密度為1 550 kg/m3；三聚氰胺吸聲材料的密度為8.8 kg/m3，楊氏模量為80.0 kPa，泊松比為0.4，結(jié)構(gòu)損耗因子為0.17，孔隙率為0.99，曲率為1.02，流阻為10.9 kPa·s/m2，特征熱效長(zhǎng)度為0.13 mm，特征黏性長(zhǎng)度為0.1 mm；空氣聲速為342.2 m/s，密度為1.213 kg/m3。分析頻率為100 Hz～4 000 Hz，計(jì)算步長(zhǎng)為10 Hz。

圖4　高速列車車體層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)

3.1空氣層影響

首先，考慮輕量化設(shè)計(jì)最典型的雙層墻結(jié)構(gòu)（Double Wall），即“車身鋁材+空氣層+內(nèi)飾壁板”。圖5給出了層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲特性隨空氣層厚度變化的結(jié)果。圖中，AL表示車身鋁材，Air表示空氣層，CFRP表示內(nèi)飾壁板，其前面數(shù)字代表材料層厚度。

圖5　空氣層厚度不同時(shí)的隔聲量

由圖5可見：由于雙層墻結(jié)構(gòu)會(huì)存在典型的“板-空氣-板”系統(tǒng)共振，引起共振頻率處出現(xiàn)較大隔聲谷值；且在1 860 Hz附近板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吻合效應(yīng)，聲波無(wú)阻礙地透過(guò)板而輻射至另一側(cè)，達(dá)到隔聲量的最低值，僅17 dB左右，空氣層的存在只起到了提高結(jié)構(gòu)高頻隔聲特性的作用，不能滿足車體層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求；而對(duì)設(shè)置了空氣層后，層合結(jié)構(gòu)隔聲量隨空氣層厚度的增加而增加。

上述系統(tǒng)共振頻率可由式（11）計(jì)算得到[7]其中Ka=ρ0c2/[l(cosθ)2]是等效彈簧剛度，θ是入射聲波與板法線的夾角，l是兩板之間空氣層的厚度，M1、M2分別是板的面密度。

從式（11）可以看出，當(dāng)平面波入射角度越大，共振頻率也越高。則當(dāng)聲波垂直入射時(shí)，可得到1 mm、3 mm、5 mm空氣層所對(duì)應(yīng)的最低共振頻率分別為1 584.7 Hz、914.9 Hz、708.7 Hz。

3.2多孔材料層影響

圖6給出了多孔材料的吸聲原理示意圖，孔隙間的黏滯力作用可將聲波通過(guò)內(nèi)部空氣和結(jié)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)換成熱或其它可以損耗的能量[8]，同時(shí)吸聲材料的阻尼作用還可以抑制層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，特別是在共振頻率處的振幅[9]，從而達(dá)到耗散能量、提高結(jié)構(gòu)隔聲性能的效果。

圖6　多孔材料吸聲原理

因此，根據(jù)多孔材料吸聲原理，在雙層墻結(jié)構(gòu)中增加吸聲材料層，考察層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲特性隨多孔材料層厚度變化的結(jié)果，見圖7。圖中，M表示多孔材料層。

圖7　多孔材料厚度不同時(shí)的隔聲量

從圖7可知，第一個(gè)共振隔聲低谷隨著多孔材料厚度的增加向低頻偏移，這是因?yàn)橹虚g層材料厚度的增加使其等效剛度降低所致；第二個(gè)吻合谷較之前得到了明顯抑制，最低值提高了15 dB～19 dB；吻合谷頻率下低頻部分隔聲量最大值約為50 dB，較之前提高了15 dB左右；總的來(lái)說(shuō)，填充多孔材料層可以有效地提高層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量，且隨著多孔材料厚度的增加，隔聲量也隨之增加。

3.3多孔材料與空氣層組合方式的影響

在上述結(jié)論的基礎(chǔ)上，對(duì)層合結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，考察吸聲材料與空氣層以何種方式組合最有利于層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量的提高，充分實(shí)現(xiàn)高速列車的輕量化設(shè)計(jì)。圖8中，多孔材料與空氣層總厚度保持不變，通過(guò)調(diào)整二者各自的厚薄，研究其對(duì)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲特性的影響。

圖8　多孔材料與空氣層組合厚度不同時(shí)的隔聲量

由圖8可見：由多孔材料和空氣層組合而成的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量，在2 500 Hz以下中低頻段得到了有效的提高，但在高頻部分的效果差強(qiáng)人意，且多孔材料層越厚，結(jié)構(gòu)隔聲量越大；第一個(gè)共振隔聲低谷均在200 Hz左右，谷值不明顯；第二個(gè)吻合谷值和吻合谷頻率下低頻部分隔聲量最大值均在“7 mm鋁板+45 mm吸聲材料+1 mm碳纖維增強(qiáng)板”的基礎(chǔ)上又提高了5 dB～7 dB?？偟膩?lái)說(shuō)，多孔材料和空氣層組合的方式可以使層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲性能得到較大提升，同時(shí)，這種組合方式可以減輕結(jié)構(gòu)的總體重量，達(dá)到預(yù)期輕量化低噪聲的設(shè)計(jì)目的。

圖9給出的是多孔材料和空氣層層數(shù)和位置關(guān)系改變時(shí)，結(jié)構(gòu)隔聲量曲線的變化情況。此時(shí)，每一種材料的厚度均保持不變，多孔材料或空氣層等分后，改變了二者的位置關(guān)系。

圖9　多孔材料與空氣層組合方式不同時(shí)的隔聲量

由圖9可見：無(wú)論是將多孔材料還是空氣層等分，第一個(gè)共振隔聲低谷和第二個(gè)吻合谷均沒(méi)有明顯的改變，但在500 Hz～1 700 Hz頻段內(nèi)結(jié)構(gòu)隔聲量有顯著提高，達(dá)到約61 dB；另外，將多孔材料層等分后置于空氣層兩側(cè)的方式，雖在1 700 Hz以下頻段隔聲量曲線最大，但僅比將空氣層等分后置于多孔材料層兩側(cè)的方式大1 dB左右，而在1 700 Hz以上頻段卻要小3 dB～5 dB。因此，目前可以得出混響聲場(chǎng)激勵(lì)下，“鋁板+空氣層+吸聲材料+空氣層+碳纖維增強(qiáng)板”的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式可在實(shí)現(xiàn)車體輕量化目標(biāo)的同時(shí)，有效提高其隔聲性能。

4結(jié)　語(yǔ)

基于傳遞矩陣法，建立了“鋁板+多孔材料層+空氣層+碳纖維增強(qiáng)板”的典型高速列車層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)車體隔聲計(jì)算分析模型，分析了多孔材料和空氣層對(duì)層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)車體隔聲性能的影響，結(jié)果表明：

（1）在鋁板和碳纖維增強(qiáng)板之間僅增加空氣層只能提高車體結(jié)構(gòu)高頻隔聲量，低頻部分會(huì)由于“板-空氣-板”的系統(tǒng)耦合共振，形成較大隔聲谷值，且在1 860 Hz附近板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生吻合效應(yīng)，導(dǎo)致其隔聲性能在吻合谷頻率處大幅下降，達(dá)到隔聲量的最低值，僅17 dB左右，不能滿足車體層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求；

（2）利用多孔材料吸聲原理，提出在空氣層中增加吸聲材料層，可以有效地提高層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量，同時(shí)第一個(gè)共振隔聲低谷向低頻偏移，谷值變得不明顯，第二個(gè)吻合谷較之前雙層墻結(jié)構(gòu)得到了明顯抑制，隔聲量提高了24 dB～26 dB。總的來(lái)說(shuō)，多孔材料和空氣層組合的方式可以使層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲性能得到較大提升，并減輕結(jié)構(gòu)的總體重量，達(dá)到預(yù)期輕量化低噪聲的設(shè)計(jì)目的；

（3）通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出“鋁板+空氣層+吸聲材料+空氣層+碳纖維增強(qiáng)板”的優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，吻合谷頻率下低頻部分隔聲量最大值可達(dá)到約61 dB，進(jìn)一步提升了結(jié)構(gòu)的低頻隔聲性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了車體輕量化的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]艾海峰，陳志堅(jiān).斜入射下多層均質(zhì)復(fù)合板結(jié)構(gòu)的聲透射[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，30(3)：251-254.

[2]萬(wàn)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.

[3]孫加平，張麗榮，孫海榮，等.高速列車三明治夾芯板內(nèi)地板結(jié)構(gòu)隔聲特性研究[J].噪聲與振動(dòng)控制，2014，34 (4)：39-43.

[4]楊軍偉，蔡俊，邵驄.微穿孔板—蜂窩夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能[J].噪聲與振動(dòng)控制，2013，33(4)：122-125.

[5]Allard J F,Atalla N.Propagation of sound in porous media:modeling sound absorbing materials-2ed[M]. Sussex:John Wiley&Sons Ltd,2009:243-275.

[6]Brouard B,Lafarge D,Allard,J F.A general method of modeling sound propagation in layered media[J].Journal of Sound and Vibration,1995,183(1):129-142.

[7]盧天健，辛鋒先.輕質(zhì)板殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的振動(dòng)和聲學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.40-57.

[8]詹福良，徐俊偉.Virtual.Lab Acoustics聲學(xué)仿真計(jì)算從入門到精通[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2013.109-116；151-163.

[9]王篤勇.板結(jié)構(gòu)隔聲性能數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（2015TPL_T08）

前從事高速列車噪聲與振動(dòng)控制研究。E-mail:swjtu_furong@163.com

E-mail:xiao@home.swjtu.edu.cn

中圖分類號(hào)：O42 2；TB535+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.010

文章編號(hào)：1006-1355(2016)01-0048-05

收稿日期：2015-07-19

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（U1434201，51475390）；牽引動(dòng)

作者簡(jiǎn)介：伏蓉（1992-），女，吉林公主嶺人，碩士研究生，目

通訊作者：肖新標(biāo)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。

Study on Sound Insulation and Lightening Design of Layered Composite Structures for High-speed Trains

FURong1,2,ZHANGJie1,YAODan1, XIAO Xin-biao1,2,JIN Xue-song1

(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Key Laboratory ofAdvanced Technology of Materials,Ministry of Education, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract:The layered composite structure is widely used for the weight reduction in high-speed trains.Improving the sound insulation properties of the composite structure is the key technology for vibration and noise reduction of high-speed trains.In this paper,based on the transfer matrix method,a model of typical composite structure made of aluminum plate, porous material layer,air layer and carbon-fiber reinforced plate for high-speed trains was established.Influence of the property of the air layer and the porous material on the sound insulation performance of the composite structure was analyzed by numerical calculations.The results show that the air layer between the aluminum panel and the carbon fiber reinforced polymer panel can hardly improve the sound insulation property of the composite structure in the lower frequency band under a diffusing field excitation.Instead,the transmission loss curves have acoustic valleys at some specific frequencies because of the cavity resonance.But adding a porous material layer in the air layer can suppress the acoustic valleys according to the principle of sound absorption of porous materials.Through the optimization design,the optimized structure form of“aluminum panel+air layer+porous material layer+air layer+CFRP panel”was obtained.It can improve the sound insulation performance effectively as well as reduce the weight of the structure of vehicles.

Key words:acoustics;high-speed train;lightweight design;composite structure;sound transmission loss;porous material;air layer