高速列車鋁型材外地板減振降噪特性分析研究

張媛媛，沈火明

（1.新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊830052；2.西南交通大學 力學與工程學院，成都610031)

高速列車鋁型材外地板減振降噪特性分析研究

張媛媛1，沈火明2

（1.新疆農業(yè)大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊830052；2.西南交通大學 力學與工程學院，成都610031)

基于統(tǒng)計能量分析方法并結合聲振分析軟件VAOne，建立鋁型材外地板的聲學仿真預測模型，計算分析約束阻尼層厚度對型材的隔聲量、聲輻射系數(shù)的影響，以及結構平均隔聲量和計權隔聲量的變化趨勢。計算結果表明：改變約束阻尼層的厚度，在低頻區(qū)對結構減振降噪性能的影響較??；對高頻區(qū)的影響較大，增加約束阻尼層的厚度對型材減振降噪的性能并不總是起著積極作用，當其厚度到達一定值時，反而會使型材向外輻射噪聲的能力增強。平均隔聲量和計權隔聲量均隨著約束阻尼層厚度的增加而增大，且計權隔聲量大于平均隔聲量。

聲學；高速列車；鋁型材外地板；統(tǒng)計能量分析；約束阻尼層；隔聲量

鋁型材外地板為中空帶筋薄板，在滿足車體輕質化設計需求的同時，使列車在運行中的振動和噪聲問題顯得尤為突出。因此鋁型材外地板的振動及聲學性能在車低噪聲設計中顯得尤為重要。文獻[1]分析了列車波紋板加夾板結構在不同腹板傾角下的隔聲性能。文獻[2]計算了阻尼對輪軌向外輻射噪聲特性的影響。文獻[3]對高速列車進行模態(tài)和軌道譜響應分析，并對內腔進行聲學模態(tài)計算。文獻[4]探索了一個新方法來估計和測量鐵路車輛的傳輸損耗，其中包括數(shù)值分析法結合按比例縮小的混響室的測量。文獻[5]中學者們在混合法的基礎上引入周期子結構提高了計算效率。文獻[6—7]利用混合FE-SEA方法對結構聲傳播進行了預測。文獻[8—9]利用混合FE-SEA方法對車及機艙內聲學響應進行了預測和仿真。文獻[10]提出周期子結構，并對波紋板進行理論計算分析和試驗驗證。文獻[11]對高速列車鋁型板材的固有特性進行了計算分析，結構存在一個截止頻率，當?shù)陀谠摻刂诡l率時，帶筋板材可等效為均質薄板；當高于該截止頻率時，筋板將整個板材分成若干小區(qū)域，局部模態(tài)開始傳播并輻射能量，成為結構模態(tài)的主要組成部分。

高速列車鋁型材外地板尺寸相對較大，若統(tǒng)一建立完整模型，在高頻區(qū)局部模態(tài)的產生對網(wǎng)格精度要求高，而在低頻區(qū)又造成資源浪費，再加上計算不同工況的減振降噪方案，計算量大耗時多。因此，本文根據(jù)結構的振動特性并結合統(tǒng)計能量分析方法，在低頻、高頻兩個頻段分別建立相應的聲學仿真預測模型，使進行精確、高效的數(shù)值模擬成為可能，并通過計算結構的阻尼特性及傳遞損失來評價其減振降噪的性能。

1 統(tǒng)計能量分析方法基本理論

1.1 基本定義

聲場的模態(tài)密度為

式(1)中，As為聲場的表面積，ll為棱邊長度，Ca為聲速，V0為網(wǎng)格體積，ω為圓頻率。

內損耗因子是指由系統(tǒng)阻尼特性所決定部分的能量損耗，表達式為

式(2)中，pd為損耗功率，E為平均儲存能量。被擾動聲場的能量為

式(3)中，V0、C0分別為聲場體積和聲速，I為聲強。

1.2 隔聲量

在所研究結構的上下兩側定義兩個聲腔，給上聲腔一個激勵，而下聲腔僅僅接受由上聲腔通過結構傳來的聲激勵，則結構隔聲量的計算公式如下

式(4)中，E1、E2和n1、n2分別為上、下聲空腔的能量和模態(tài)密度，Ac為結構與聲空腔耦合面積，C1為聲速，ω為帶寬的中心頻率，η2為下聲空腔損耗因子。

2 約束阻尼層減振降噪基本理論

將約束阻尼層定義為層合板的形式，則結構的阻尼損耗因子為

式(5)中，Pdiss是波的總功率耗散，T和U分別是層合板的動能和勢能。

總功率的耗散能Pdiss可以通過層合板各層總的應變能之和來定義，即

式(6)中，m指組成層合板的單層板數(shù)量，ω為圓頻率。

3 實例計算分析

某高速列車鋁型材外地板，彈性模量E=0.71×1011Pa、泊 松 比 ν=0.33、密 度 為ρ=2 700 kg/m3，結構模型參數(shù)如表1所示。

表1 結構模型參數(shù)/m

3.1 聲學仿真預測模型的建立

在聲學計算中，現(xiàn)有兩種方法可保證結構在低頻區(qū)和高頻區(qū)計算結果的完整性，一是在截止頻率上切換計算模型，即在低頻區(qū)使用等效板模型，在高頻區(qū)使用完整的結構模型；二是在截止頻率以下使用低頻區(qū)模型，而在截止頻率以上采用兩種子系統(tǒng)的聯(lián)合計算。由于前者的計算結果更接近實測值[11]。因此，本文選用第一種方法。

本文所建立的聲學仿真預測模型，隔聲頻譜的設置將空氣傳聲和結構傳聲的影響均考慮在內，激勵聲空腔及接收聲空腔必須保證足夠大，將它們的體積分別重置為30 m3和50 m3，如圖1所示。

為驗證模型的正確性，首先對型材進行隔聲量的計算，如表2所示。計算結果與文獻[12]數(shù)據(jù)能夠較好的吻合，說明本文聲學仿真預測模型建立的正確與合理性。

3.2 阻尼層厚度對外地板減振降噪的影響

約束阻尼層由約束層和粘彈性材料層組合而成，敷設在外地板的上頂板。已知粘彈性材料的密度為980 kg/m3，泊松比為0.48，室溫下的剪切模量及阻尼損耗因子頻譜如表3所示。

圖1 聲學仿真預測模型

表2 型材隔聲量的計算/dB

表3 粘彈性材料參數(shù)

(1)粘彈性材料厚度對型材減振降噪的影響

當約束層厚為定值0.5 mm，粘彈性材料的厚度分別為0.05 mm、0.09 mm、0.1 mm、0.12 mm、0.13 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、1 mm時，結構隔聲量和聲輻射系數(shù)如圖2和圖3所示。

在低頻區(qū)，由圖2(a)可知，隔聲量隨著粘彈性層厚度的增加略有增大；由圖2(b)可見，粘彈性層厚度對結構的聲輻射系數(shù)幾乎沒有影響。

圖2 低頻區(qū)計算結果

圖3 高頻區(qū)計算結果

在高頻區(qū)，由圖3(a)可見，隔聲量隨著粘彈性材料的厚度增加而增大，但是隔聲量的增加量隨著其厚度的增加逐漸變小。由圖3(b)可見，粘彈性層厚度在小于0.3 mm時，結構的聲輻射系數(shù)反而大于裸地板，說明結構向外輻射噪聲的能力增強。

(2)約束層厚度對型材減振降噪的影響

當粘彈性材料的厚度為定值0.13 mm，約束層的厚度分別為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.55 mm、0.6 mm、0.8 mm、1 mm時，隔聲量及聲輻射系數(shù)如圖4和圖5所示。

在低頻區(qū)，由圖4可見，約束層厚度使結構的隔聲量隨著約束層厚度的增加而增加，但是對其聲輻射系數(shù)幾乎沒有影響。

在高頻區(qū)，由圖5可見，隔聲量和聲輻射系數(shù)均隨著約束層厚度的增加而增加。說明約束層的厚度對結構的減振和抑制噪聲的傳播起著積極的作用，然而當結構自身作為聲源時，增加約束層厚度會使結構向外輻射噪聲的能力增強。

3.3 約束阻尼層厚度對平均隔聲量和計權隔聲量的影響

上節(jié)中，鋁型材外地板在工況1、工況2下的平均隔聲量和計權隔聲的數(shù)值如表4和表5所示。

分析可知，無論是增加粘彈性層的厚度還是約束層的厚度，可使結構的平均隔聲量和計權隔聲量均增大，且計權隔聲量的值大于平均隔聲量，差值大約為4 dB。

圖4 低頻區(qū)計算結果

圖5 高頻區(qū)計算結果

表4 粘彈性層厚度對型材平均隔聲量和計權隔聲量的影響

表5 約束層厚度對型材平均隔聲量和計權隔聲量的影響

4 結語

基于統(tǒng)計能量分析方法，利用聲振分析軟件VA One建立了鋁型材外地板的聲學仿真預測模型，計算了約束阻尼層厚度對型材減振降噪的影響。結果表明：在低頻區(qū)，改變約束阻尼層的厚度對型材的聲輻射系數(shù)幾乎沒有影響，隔聲量略有增加。在高頻區(qū)，當改變粘彈性層的厚度時，隔聲量隨著其厚度增加而增加，當厚度達到一定值時聲輻射系數(shù)也將大于裸地板；當改變約束層厚度時，隔聲量以及聲輻射系數(shù)均隨著其厚度的增加而增大。平均隔聲量和計權隔聲量均隨著約束阻尼層厚度的增加而增大，且計權隔聲量大于平均隔聲量。

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On Vibration and Sound Transmission Loss of External Floor of High-speed Trains

ZHANG Yuan-yuan1,SHEN Huo-ming2

(1.School of Water&Civil Engineering,XinjiangAgricultural University,Urumqi 830052,China; 2.School of Mechanics&Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

∶Based on statistical energy analysis(SEA)method and VA One software for sound and vibration analysis,the model for acoustic simulation and prediction of aluminum-extrusion external floor of high-speed trains is established.The influence of the thickness of the constraint damping layer on the transmission loss and sound radiation coefficient of the floor is calculated and analyzed.The average sound insulation and weighted sound insulation of the floor structure are evaluated.The results show that changing the thickness of the constraint damping layer only has a little influence on the vibration and noise reduction of the floor in the low frequency range;but it has a large influence on that in the high frequency range.When the thickness reaches a certain value,further increase of the thickness of the damping layer can raise the noise radiation intensity of the aluminum-extrusion floor.Both the average sound insulation and the weighted sound insulation will increase with the increasing of the thickness of the constraint damping layer,but the weighted sound insulation is larger than the average sound insulation.

∶acoustics;high-speed train;aluminum alloy extrusion;SEA;constrained damping layer;sound transmission loss

U270.32< class="emphasis_bold">文獻標志碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.011

1006-1355(2014)06-0046-05

2013-11-27

牽引動力國家重點實驗室開放課題資助（tb1305）；新疆水利水電重點科學基金資助項目(xjzdxk-2010-02-12)

張媛媛(1988-)，女，新疆伊犁人，碩士研究生,研究方向：結構振動與控制。

沈火明(1968-)，男，博士生導師。

E-mail∶hmshen@126.com.