新型列車側(cè)墻內(nèi)裝板聲學(xué)分析、優(yōu)化及應(yīng)用?

任林旸 王瑞乾,2 張學(xué)飛 周虹希 錢日成

(1 常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院 常州 213164)

(2 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

0 引言

近年來隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，高速列車噪聲振動(dòng)問題[1?2]已然成為了影響乘客乘坐舒適性的主要因素之一，并對高速列車在運(yùn)輸行業(yè)內(nèi)的競爭力產(chǎn)生了負(fù)面影響[3]。高速列車普遍使用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)作為車體[4?5]?，F(xiàn)有車體結(jié)構(gòu)的隔聲和聲輻射特性研究多集中在波紋鋁型材[6?7]，而對內(nèi)裝結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的研究卻較少。然而，內(nèi)裝結(jié)構(gòu)是車體的重要組成部分，直接面向車內(nèi)一側(cè)，其聲學(xué)性能的優(yōu)劣對車內(nèi)聲場仍有不小的影響[8]。常見的內(nèi)裝板有木質(zhì)膠合板、蜂窩板、玻璃鋼等。除蜂窩板外，其他內(nèi)裝板均為密實(shí)結(jié)構(gòu)，密度較高，通常使用粘貼隔聲墊[9?10]、噴涂阻尼漿[11]等方式對整體聲學(xué)性能做進(jìn)一步優(yōu)化[12]。而為了契合當(dāng)今社會環(huán)保、輕量化與節(jié)能的主題，軌道車輛迫切需要開發(fā)與應(yīng)用新型減振降噪材料。

橡膠泡棉是一種以丁基橡膠、聚氯乙烯等為主要材料，經(jīng)高溫溶解后加入增稠劑與發(fā)泡劑，經(jīng)過發(fā)泡而得到的一種新型高分子復(fù)合材料，其相較于傳統(tǒng)夾層材料質(zhì)量更輕、體積也較小、成本更低廉。針對橡膠泡棉的組合結(jié)構(gòu)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中表明其吸隔聲性能優(yōu)異，在噪聲控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景，然而國內(nèi)外對該材料在聲學(xué)性能方面的應(yīng)用研究較少。本文以橡膠泡棉為芯材、鋁質(zhì)薄板作為蒙皮的三明治夾芯板為研究對象，開展其聲學(xué)特性的分析、優(yōu)化和應(yīng)用研究。

本文基于混合有限元-統(tǒng)計(jì)能量分析(Finite element-statistical energy analysis,FE-SEA)計(jì)算方法，分別建立橡膠泡棉夾芯板的隔聲預(yù)測模型和聲輻射預(yù)測模型，將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證模型的可靠性，并利用預(yù)測模型探究橡膠泡棉孔隙率與芯皮厚度比對整體聲學(xué)性能的影響規(guī)律。進(jìn)一步地，提出對橡膠泡棉夾芯板的聲學(xué)優(yōu)化方案，最后與傳統(tǒng)芯層材料在實(shí)車組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比和分析。研究結(jié)果可為橡膠泡棉夾芯板在列車上的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 橡膠泡棉夾芯板聲學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

所用的橡膠泡棉夾芯板樣件的尺寸為985 mm×970 mm×14 mm，其中芯材為Armacell公司生產(chǎn)的Armasound RD 240橡膠泡棉，密度為240 kg/m3，厚度為10 mm；上下蒙皮均為5052-H32 鋁板，密度為2700 kg/m3，厚度為2 mm。芯材及板件截面如圖1 所示，夾芯板與工裝間用油泥密封，蒙皮前后為實(shí)際聲場環(huán)境。

圖1 橡膠泡棉夾芯板截面圖Fig.1 Cross section of rubber foam sandwich panel

1.1 聲學(xué)預(yù)測模型

基于混合FE-SEA 方法，在聲振分析軟件中分別建立橡膠泡棉夾芯板隔聲預(yù)測模型與聲輻射預(yù)測模型。橡膠泡棉夾芯板的芯材和蒙皮尺寸、密度與實(shí)際樣件尺寸相同，另外，橡膠泡棉芯材的彈性模量為3.2 GPa，泊松比為0.24，蒙皮彈性模量為7.1 GPa。

其中，隔聲預(yù)測模型的FEM 平板單元總數(shù)為10010 個(gè)，可滿足上限頻率3150 Hz 的精度計(jì)算要求，板的邊界采用自由邊界條件，將實(shí)測阻尼損耗因子賦予夾芯板子系統(tǒng)，并根據(jù)混響室和半消聲室實(shí)際容積建立兩個(gè)聲腔，賦予其實(shí)測房間吸聲系數(shù)。聲輻射預(yù)測模型的FEM 平板單元總數(shù)同樣為10010個(gè)，可滿足上限頻率為3150 Hz的精度計(jì)算要求，板的邊界仍采用自由邊界條件。選取與聲輻射實(shí)驗(yàn)中相同激勵(lì)點(diǎn)位置在485 mm×350 mm 處加載單位力，半無限流場子系統(tǒng)距夾芯板有限元模型表面為500 mm，用于接收夾芯板受激勵(lì)后產(chǎn)生的輻射噪聲，媒質(zhì)為空氣，密度為1.21 kg/m3，空氣聲速為342 m/s。

1.2 聲學(xué)實(shí)驗(yàn)與模型驗(yàn)證

橡膠泡棉夾芯板的隔聲特性實(shí)驗(yàn)采用聲強(qiáng)法[13]在混響室-半消聲室中進(jìn)行?；祉懯?聲源室)和半消聲室(接收室)的容積分別為5414 mm×4100 mm×3300 mm 和12000 mm×6000 mm×3500 mm。聲源室與半消聲室測試現(xiàn)場如圖2(a)與圖2(c)所示。

圖2 橡膠泡棉夾芯板聲學(xué)特性測試現(xiàn)場Fig.2 Field test of acoustic characteristics of rubber foam sandwich panel

在混響室使用B&K 4292 型12 面無指向聲源輸出白噪聲作為激勵(lì)，測試頻率范圍100～3150 Hz。在混響室內(nèi)無規(guī)則布置6 個(gè)B&K 4190 型傳聲器測得室內(nèi)平均聲壓級LP1。在半消聲室一側(cè)將夾芯板表面劃分為9 個(gè)均勻網(wǎng)格，使用B&K 3599 型聲強(qiáng)探頭對橡膠泡棉夾芯板進(jìn)行法向聲強(qiáng)測試，按S 型路線進(jìn)行逐格掃描，計(jì)算平均法向聲強(qiáng)級LIn。最后，依據(jù)式(1)，計(jì)算得到被測樣件的隔聲量，單位為分貝(dB)：

式(1)中：Sm為測量面的總面積，S為實(shí)驗(yàn)中的被測試件的面積。

橡膠泡棉夾芯板的隔聲測試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖3(a)所示?？梢妼?shí)測隔聲量頻率曲線在低頻段較小，為22～28 dB，在400～630 Hz 段快速上升，在630 Hz 以上頻段，隔聲量基本達(dá)到45 dB 以上。隔聲曲線的預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值在整體上較為接近，二者最大差值出現(xiàn)在630 Hz 處，為2.9 dB，且計(jì)權(quán)隔聲量Rw[14]僅相差0.2 dB，說明該隔聲量預(yù)測模型是有效的，可以使用該模型進(jìn)行進(jìn)一步的隔聲特性研究。

圖3 隔聲與聲輻射特性的預(yù)測與實(shí)測結(jié)果的對比Fig.3 Comparison between the predicted and measured results of sound insulation and acoustic radiation characteristics

仍然基于聲強(qiáng)法在混響室-半消聲室中進(jìn)行振動(dòng)聲輻射實(shí)驗(yàn)，將橡膠泡棉夾芯板安裝于混響室-半消聲室的洞口，于混響室一側(cè)使用激振器對橡膠泡棉夾芯板隨機(jī)點(diǎn)加載白噪聲力激勵(lì)。在半消聲室一側(cè)夾芯板表面劃分為均勻的9 個(gè)網(wǎng)格，使用B&K 3599 型聲強(qiáng)探頭對橡膠泡棉夾芯板進(jìn)行法向聲強(qiáng)測試，按S型路線進(jìn)行逐格掃描，聲源室與半消聲室測試現(xiàn)場如圖2(b)與圖2(c)所示。對于板件而言，振動(dòng)輻射到半空間的聲功率可由式(2)獲得：

式(2)中：σ為板的聲輻射效率；S為板的表面積；ρ為空氣密度；c為空氣中的聲速；υ為板件表面振速。

橡膠泡棉夾芯板在1/3 倍頻程單位力下的振動(dòng)聲輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果如圖3(b)所示。從總值上看，二者相差1.6 dB；從曲線上看，實(shí)測輻射聲功率在60～70 dB 之間，并在315 Hz 達(dá)到峰值68.7 dB。由于夾芯板四周和洞口工裝之間的安裝條件較為復(fù)雜，并非理想的自由邊界，其難以在模型中實(shí)現(xiàn)精確的模擬，而邊界條件對于振動(dòng)的影響較大，因此預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值在個(gè)別頻段內(nèi)有3 dB 左右的差距。然而預(yù)測與實(shí)測曲線的變化趨勢總體上仍較為接近，因此可判斷該預(yù)測模型是有效的，可用于聲輻射特性的進(jìn)一步研究。

2 聲學(xué)特性參數(shù)分析及優(yōu)化

利用所建立的模型，對不同參數(shù)下橡膠泡棉夾芯板的聲振特性進(jìn)行預(yù)測。在實(shí)際工程中，在材質(zhì)不變的前提下，通常評估結(jié)構(gòu)成型時(shí)的芯材孔隙率與芯皮厚度比對于夾芯板聲振特性的影響。

2.1 芯材孔隙率的影響

在橡膠泡棉厚度為10 mm、彈性模量為3 GPa、泊松比為0.2 的情況，僅改變橡膠泡棉孔隙率，對橡膠泡棉夾芯板的聲學(xué)特性進(jìn)行預(yù)測。預(yù)設(shè)橡膠泡棉孔隙率分別為83%、67%、50%、33%、17%；對應(yīng)橡膠泡棉的密度為120 kg/m3、240 kg/m3、360 kg/m3、480 kg/m3、600 kg/m3。隔聲量預(yù)測結(jié)果與聲輻射預(yù)測結(jié)果見圖4。

由圖4(a)可以看出：隨著芯材孔隙率的減小，其密度在逐漸增加，總體隔聲水平提升較為明顯。另一方面，隨著芯材孔隙率的減小，各頻率隔聲量的增速在逐漸變小，實(shí)際上表明了密度的增加對于隔聲量提升的貢獻(xiàn)在逐漸降低。由圖4(b)可以看出：隨著芯材孔隙率的減小，輻射聲功率相應(yīng)的呈下降趨勢，以中低頻的降幅更加明顯，而高頻的降幅稍??；另一方面，隨著孔隙率的降低，其對于輻射聲功率的影響也會逐漸減小，降幅逐漸減小。輻射聲功率主要受材料阻尼的影響，當(dāng)孔隙率減小，即密度提高時(shí)，阻尼也隨之提高，輻射聲功率隨之降低。

2.2 芯皮厚度比的影響

選取橡膠泡棉密度為240 kg/m3，鋁蒙皮厚度為2 mm 不變，探究橡膠泡棉芯材與鋁蒙皮的厚度比對夾芯板聲振特性的影響。預(yù)設(shè)芯皮厚度比分別為4:1、5:1、6:1、7:1、8:1，對應(yīng)的橡膠泡棉厚度為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm。隔聲量與聲輻射預(yù)測結(jié)果見圖5。

由圖5(a)可以看出：隨著芯皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板隔聲量呈略微上升趨勢，僅在250 Hz以下和1600 Hz以上的提高量稍明顯?？傮w而言，厚度比的改變對橡膠泡棉夾芯板隔聲量的影響較小，通過增加芯材厚度來提高整體隔聲水平的方法的效費(fèi)比偏低。由圖5(b)可以看出：隨著芯皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板的輻射聲功率相應(yīng)降低，其在160 Hz 以下的低頻降幅不明顯，而在200 Hz 及315 Hz以上的高頻降幅較為明顯。這主要緣于芯皮厚度比的增加會導(dǎo)致材料的阻尼提高，從而使得輻射聲功率隨之降低。另一方面，當(dāng)芯皮厚度比持續(xù)增加時(shí)，也可見聲輻射功率的降幅在減小。

2.3 基于敷設(shè)阻尼層的聲學(xué)優(yōu)化

優(yōu)化橡膠泡棉夾芯板的隔聲性能與聲輻射性能，一般通過增加系統(tǒng)阻尼來進(jìn)行。在工程實(shí)踐中，通常優(yōu)先考慮在橡膠泡棉夾芯板中敷設(shè)黏彈性阻尼材料的方法。綜合2.1 節(jié)與2.2 節(jié)中芯材孔隙率與芯皮厚度比對聲學(xué)性能影響的探究結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)用背景，選用效費(fèi)比最高的厚度為12 mm、孔隙率為67%(對應(yīng)密度為240 kg/m3)的橡膠泡棉以及兩塊2 mm 厚的鋁蒙皮組裝成夾芯板。在橡膠泡棉夾芯板中的不同位置嘗試敷設(shè)1 mm 厚阻尼層(圖6 中黑色部分)，所調(diào)查的阻尼層敷設(shè)位置分別位于蒙皮外側(cè)(工況1)、芯材中心(工況2)、蒙皮與芯材之間(工況3)，如圖6 所示。計(jì)算時(shí)，選用聲學(xué)軟件VA one中自帶的密度為1100 kg/m3的硬橡膠(Hard rubber)作為阻尼層材料。圖7給出了優(yōu)化后的聲學(xué)特性對比結(jié)果。

圖7 敷設(shè)阻尼層對橡膠泡棉夾芯板的優(yōu)化效果Fig.7 Optimization effect of laying damping layer on rubber foam sandwich board

由圖7(a)可以看出：與未敷設(shè)阻尼的夾芯板相比，3 種工況下的夾芯板隔聲量與計(jì)權(quán)隔聲量都有一定的提高。其中工況1 在鋁蒙皮外側(cè)敷設(shè)1 mm阻尼層后，夾芯板的計(jì)權(quán)隔聲量較其他兩種工況更高，達(dá)到了41.2 dB。在100～315 Hz 頻段隔聲量主要由阻尼與質(zhì)量控制，因此在該頻段下3 種工況相較于未敷設(shè)阻尼的夾芯板隔聲量差距較小，而在中高頻段隔聲量的提升則更為明顯。隔聲性能的影響因素主要包括兩方面。首先，阻尼的增加主要提高了低頻隔聲性能，且總質(zhì)量隨之增加，也有助于隔聲性能的進(jìn)一步提高。另一方面，對于阻尼敷設(shè)位置的影響，實(shí)際上也會改變芯層多孔材料的流阻，進(jìn)而改變了材料吸聲性能，也會對隔聲性能造成影響。

由圖7(b)可以看出：與未敷設(shè)阻尼層相比，3種工況下橡膠泡棉夾芯板的聲功率級與總聲功率級的降幅都較為明顯。工況1 在下蒙皮外側(cè)敷設(shè)1 mm 阻尼層后，總聲功率級相較于其他兩種工況更小，為77.4 dB，且對比未敷設(shè)阻尼的情況下，降幅達(dá)到了0.7 dB。

綜上，當(dāng)1 mm 橡膠阻尼層敷設(shè)在遠(yuǎn)離聲源側(cè)的鋁蒙皮外側(cè)(工況1)時(shí)，對隔聲量的提高及輻射聲功率的降低最為有效。

3 組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果的實(shí)驗(yàn)分析

為了評價(jià)橡膠泡棉夾芯板的實(shí)際應(yīng)用效果，現(xiàn)將前述最優(yōu)復(fù)合結(jié)構(gòu)(2.3 節(jié)中工況1)應(yīng)用于某型高速列車側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)中，并將其與另外3 種側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)方案(兩種傳統(tǒng)內(nèi)裝板材的方案以及一種不包含任何內(nèi)裝板材的背景方案)進(jìn)行對比分析。表1 給出了4 個(gè)對比方案的材料組成，圖8 進(jìn)一步給出了4 個(gè)組合方案的截面照?？梢?個(gè)方案的區(qū)別僅在于內(nèi)裝板芯層材料的不同，并由此帶來了整體方案面密度的不同。仍采用雙混響室法，開展4 個(gè)組合方案的隔聲特性實(shí)驗(yàn)，側(cè)墻鋁型材一側(cè)面向聲源室。聲源室的聲波傳播至鋁型材表面時(shí)，也會引發(fā)結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)，振動(dòng)進(jìn)一步傳播至內(nèi)裝板一側(cè)，向接收室輻射噪聲，因此對結(jié)構(gòu)整體的隔聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可在一定程度上評價(jià)隔聲和聲輻射兩種聲學(xué)特性的總體效果。

表1 3 種側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)的材料組成及參數(shù)Table 1 Side wall combination schemes of different core materials

圖8 4 種側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)截面圖Fig.8 Section drawings of four side wall composite structures

隔聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。從頻率曲線上看，方案1、方案2 和方案3 的隔聲量都明顯高于不含任何內(nèi)裝板件的背景方案0，主要體現(xiàn)在1000 Hz以下中低頻段。對于3種包含了內(nèi)裝板件的側(cè)墻組合方案，在100～315 Hz 低頻段，方案1 的隔聲量最高，方案3 的隔聲量次之，方案2 的隔聲量最低，這是由于在低頻質(zhì)量控制區(qū)，主要受質(zhì)量定律的影響；方案1的面密度明顯高于其他兩個(gè)方案，而方案3與方案2的面密度相同；但方案3 隔聲量略高于方案2，推測原因在于橡膠泡棉相較于鋁蜂窩芯層，其吸聲性能更佳，阻尼更大。在500～1250 Hz，出現(xiàn)了顯著變化，方案1 和方案2 有低谷產(chǎn)生，而方案3 未出現(xiàn)明顯低谷，進(jìn)一步凸顯了橡膠泡棉夾芯板優(yōu)良的阻尼效果。

圖9 不同芯材的側(cè)墻隔聲特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of sound insulation characteristics of side walls with different core materials

為了更加直觀地體現(xiàn)各內(nèi)裝板件在輕量化設(shè)計(jì)角度的減振降噪效果，以“效費(fèi)比”這一參量做進(jìn)一步評價(jià)。這里的效費(fèi)比，指的是相較于背景方案0，優(yōu)化方案每增加單位面密度，從而引起的計(jì)權(quán)隔聲量的增加量，單位dB/(kg/m3)。由此可以計(jì)算出方案1 的效費(fèi)比為0.396 dB/(kg/m3)，方案2 的效費(fèi)比為0.547 dB/(kg/m3)，而方案3 的效費(fèi)比為0.641 dB/(kg/m3)，這說明增加相同質(zhì)量情況下，橡膠泡棉能提升更多的隔聲量，相較于傳統(tǒng)內(nèi)裝板材在結(jié)構(gòu)隔聲輕量化設(shè)計(jì)中更具優(yōu)勢。

4 結(jié)論

本文基于混合FE-SEA 法建立了橡膠泡棉夾芯板的隔聲與聲輻射預(yù)測模型，并分別與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證模型的有效性；進(jìn)一步探究了芯材孔隙率與芯皮厚度比對于橡膠泡棉夾芯板聲學(xué)特性的影響規(guī)律，并通過敷設(shè)阻尼層進(jìn)行了聲學(xué)優(yōu)化；最后在側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)中通過實(shí)驗(yàn)評價(jià)了其使用效果。結(jié)果證明：(1) 隨著芯材孔隙率的減小，密度的增加，橡膠泡棉夾芯板總體隔聲水平提高明顯，輻射聲功率也相應(yīng)降低，并且隔聲量增加幅度與輻射聲功率下降幅度也逐漸變小。(2) 隨著芯材和蒙皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板隔聲量呈略微上升趨勢，輻射聲功率也隨之降低，通過增加芯材厚度來提高夾芯板減振降噪效果性價(jià)比較低。(3) 1 mm 阻尼層敷設(shè)在遠(yuǎn)離聲源端的蒙皮外側(cè)效果最佳，優(yōu)化后夾芯板計(jì)權(quán)隔聲量上升0.7 dB，總輻射聲功率級下降0.7 dB。(4) 相較于傳統(tǒng)木質(zhì)膠合板和鋁蜂窩板，橡膠泡棉夾芯板相較于傳統(tǒng)內(nèi)裝板材在結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計(jì)中具有輕量化優(yōu)勢。