噴涂阻尼厚度對車輪振動聲輻射的影響

周 信，肖新標(biāo)，王瑞乾，趙 悅，溫澤峰，金學(xué)松

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

噴涂阻尼厚度對車輪振動聲輻射的影響

周 信，肖新標(biāo)，王瑞乾，趙 悅，溫澤峰，金學(xué)松

（西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都610031）

在列車車輪表面噴涂阻尼材料可以降低車輪振動聲輻射，通過試驗調(diào)查噴涂阻尼厚度對其減振降噪性能的影響。在半消聲室進行對比試驗，測試了斜曲型輻板車輪在無阻尼、噴涂1 mm和2 mm情況下的振動聲輻射，和雙S型輻板車輪在無阻尼、噴涂1 mm和4 mm阻尼下的聲輻射。測試結(jié)果表明：對于斜曲型輻板車輪，2 mm阻尼層對車輪的減振區(qū)域和減振量均優(yōu)于1 mm阻尼層，在徑向和軸向激勵下，1mm阻尼層降噪量分別為2.0 dB(A)和1.0 dB(A)；對于雙S型輻板車輪，在徑向和軸向激勵下，1 mm阻尼層降噪量分別為1.9 dB(A)和1.1 dB(A)。對于這兩種輻板形式車輪，阻尼層增厚，降噪效果均增加。對于斜曲型車輪，在徑向激勵下阻尼具有更好的降噪效果，對于雙S型車輪，在徑向激勵和軸向激勵下阻尼降噪效果近似相同。

振動與波；噴涂式阻尼車輪；阻尼厚度；聲輻射

軌道交通發(fā)展要求重點解決噪聲問題[1]。輪軌噪聲是列車輻射噪聲主要組成部分，對車輪采取減振降噪措施是降低輪軌噪聲的有效辦法之一[2—4]。車輪噪聲控制措施主要包括車輪形狀優(yōu)化、阻尼車輪、彈性車輪、車輪噪聲屏蔽板。其中阻尼車輪安裝簡便、安全性高，得到較多應(yīng)用研究[5—7]。噴涂阻尼車輪是加工最為簡單的一種，雖然阻尼減振與降噪在一些工程領(lǐng)域中已取得了有效的結(jié)果，但對于列車車輪而言，還需要通過具體的工程實踐；探索其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和比較，最后進行驗證和確定。

1 測試概況

在車輪雙側(cè)直接噴涂厚度均勻阻尼層，阻尼材料損耗因子≥0.08。在半消聲室中進行測試，為避免阻尼材料溫變和濕變特性的影響，測試中保持溫度和濕度基本一致，試驗溫度為25°C，濕度為80%。

圖1給出噴涂式阻尼車輪現(xiàn)場測試示意圖。測試中，布置4個加速度計和1個聲學(xué)傳感器。加速度計分別位于車輪踏面、輪輞、輻板外部和輻板中心位置。聲學(xué)傳感器與輪轂孔高度一致，距離車輪1.9 m。為了保證激勵相同，測試采用落球撞擊激勵，落球從相同高度沿著光滑滑道滾落撞擊在車輪名義滾動圓和輪輞位置。每個工況重復(fù)測量3次，最后取平均值。

為了準(zhǔn)確評價阻尼對車輪的減振降噪效果，在振動和聲學(xué)分析中，考慮阻尼對落球激勵后的衰減特性，自落球撞擊車輪開始，選取4s連續(xù)測試時間進行分析。振動級或聲壓級在1/3倍頻程下的值可由式(1)得到。

圖1 噴涂式阻尼車輪測試現(xiàn)場

式中j表示1/3倍頻程；nj表示測量次數(shù)；Δfj表示1/3倍頻程頻帶范圍；F表示傅里葉變換；t表示自落球撞擊車輪后的4 s分析時間；hk(t)表示第k次測量的加速度或者聲壓時間歷程；w(t)表示加在時間歷程上的時間窗。Eref表示參考加速度或聲壓，加速度參考量為1.0 m/s2，聲壓參考量為2×10-5Pa。將振動和聲的1/3倍頻程能量疊加，可得到全頻帶振動級或A計權(quán)聲壓級。

2 振動衰減分析

圖2和圖3給出了斜曲型車輪在噴涂阻尼后全頻段（80 Hz～6 300 Hz）振動級衰減量，分析頻率為80 Hz～6 300 Hz。圖中灰色方塊表示振動傳感器，箭頭表示法向振動加速度的衰減量，箭頭長短與衰減量成正比。

由圖2可見，在徑向激勵下，噴涂1 mm阻尼層，車輪振動衰減1.6 dB～6.4 dB，其中對輻板中心位置振動衰減6.4 dB，對輪輞位置振動衰減1.6 dB，主要衰減了踏面和輻板位置的振動能量。噴涂2 mm阻尼層振動衰減6.4 dB～9.9 dB，其中對踏面位置振動衰減9.9 dB，對輻板中心位置振動衰減6.4 dB。相對于1 mm阻尼層，噴涂2 mm阻尼層除了在輻板中心位置的振動衰減量沒有增加外，在其它位置衰減量有大幅增加。

在軸向激勵下，噴涂1 mm阻尼層振動衰減-1.7 dB～5.1 dB，其中對輻板外部位置振動衰減5.1 dB，對輻板中心位置振動衰減-1.7 dB，有一定負(fù)作用。噴涂2 mm阻尼層振動衰減3.4 dB～5.8 dB，其中對輻板中心位置振動衰減5.8 dB，對輻板外部位置振動衰減3.4 dB。相對于1 mm阻尼層，噴涂2 mm阻尼層除了在輻板外部和踏面位置的振動衰減量有所降低，在其它位置的振動衰減量有所增加。增加阻尼厚度有利于增大有效減振區(qū)域，同時增加了振動衰減量。

圖2 斜曲型車輪噴涂阻尼振動級衰減量分布（徑向激勵）

圖3 斜曲型車輪噴涂阻尼振動級衰減量分布（軸向激勵）

3 噴涂阻尼降噪效果分析

3.1 斜曲型車輪

表1給出了徑向激勵和軸向激勵下，噴涂阻尼對斜曲型車輪在全頻段（80 Hz～63 00 Hz）的降噪效果。從表中可以看出，噴涂1 mm阻尼層后全頻段噪聲降低2.0 dB(A)，噴涂2 mm阻尼層后全頻段噪聲降低5.8 dB(A)。在軸向激勵下，噴涂1 mm阻尼層后全頻段噪聲降低1.0 dB(A)，噴涂2 mm阻尼層后全頻段噪聲降低2.2 dB(A)。噴涂阻尼對徑向激勵更加有效；同時，阻尼厚度增加，降噪效果增大。

為了進一步分析噴涂阻尼層對車輪噪聲各頻段的降噪效果，圖4和圖5分別給出了徑向激勵和軸向激勵下車輪輻射噪聲的頻譜特性。從圖4可以看出，徑向激勵下，斜曲型標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射噪聲顯著頻率為2 500 Hz～6 300 Hz，在這些頻率范圍，噴涂1 mm阻尼層降噪量為0.6 dB～8.1 dB，噴涂2 mm阻尼層降噪4.7 dB(A)～11.6 dB(A)。在峰值頻段3 150 Hz，2 mm阻尼層降噪4.6 dB，比1 mm高4.1 dB(A)，降噪性能大幅提升，這是由車輪振動特性和阻尼材料特性決定的。在3 150 Hz頻帶范圍內(nèi)（2 818 Hz～3 548 Hz），如圖5中的小圖所示。標(biāo)準(zhǔn)車輪存在三個聲壓級峰值，分別為2 920 Hz、3 130 Hz、3 120 Hz，其中聲壓級最大的峰值在3 130 Hz，對應(yīng)車輪(徑向，0)階模態(tài)，噴涂阻尼后，共振頻率和聲壓級均有降低，噴涂1 mm阻尼層共振頻率下降2 Hz，聲壓級下降2.8 dB，噴涂2 mm阻尼層共振頻率下降10 Hz，聲壓級下降10.3 dB，說明車輪的徑向擴張/收縮運動使阻尼形成較大擠壓變形，阻尼厚度增加，損耗因子增加，因此降噪量增大。其它兩個峰值頻率2 920 Hz和3 120 Hz均對應(yīng)車輪軸向模態(tài)，聲壓級峰值比3 130 Hz分別低15.5 dB和26.5 dB，噴涂1 mm阻尼沒有降噪效果，聲壓級在2 920 Hz升高0.8 dB，在3 120 Hz升高7.3 dB，噴涂2 mm阻尼則大幅度降低了這兩個頻率的聲壓級，均在10 dB以上，這可能是由于阻尼厚度增大，同時增大了阻尼損耗因子和阻尼在此模態(tài)的擠壓變形量，提高了阻尼的耗散能。

由圖5可以看出，在軸向激勵下，斜曲型標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射噪聲顯著頻率為500 Hz、800 Hz、2 000 Hz～4 000 Hz和6 300 Hz。在這些頻率范圍，1 mm阻尼層降噪0～8.6 dB，2 mm阻尼層降噪0.6 dB～12.1 dB，在峰值頻率4 000 Hz，1 mm和2 mm阻尼層降噪量均比較低，只有0.5 dB～1.4 dB。由于峰值頻率處的聲壓級對總聲壓級有顯著貢獻；因此，阻尼層對軸向激勵下車輪的降噪效果不顯著。

在徑向激勵和軸向激勵下，阻尼材料對2 000 Hz以上的顯著噪聲頻段有較好降噪效果。但是軸向激勵會激出1 000 Hz以下頻段的較大噪聲，此時阻尼材料并未起明顯降噪效果，導(dǎo)致在斜曲型車輪輻板兩側(cè)噴涂阻尼材料對徑向激勵更加有效。

3.2 雙 S型車輪

表2給出了徑向激勵和軸向激勵下，噴涂阻尼對雙S型車輪在全頻段（80 Hz～6 300 Hz）的降噪效果。從表中可以看出，噴涂1 mm阻尼層后全頻段噪聲降低1.9 dB(A)，噴涂4 mm阻尼層后全頻段噪聲降低4.7 dB(A)。在軸向激勵下，噴涂1 mm阻尼層后全頻段噪聲降低1.1 dB(A)，噴涂4 mm阻尼層后全頻段噪聲降低4.8 dB(A)。噴涂阻尼對徑向激勵和軸向激勵均有效，阻尼厚度增加，降噪效果增大。

表1 阻尼對斜曲型車輪全頻段降噪量

圖4 斜曲型車輪1/3倍頻程頻譜特性(徑向激勵)

圖5 斜曲型車輪1/3倍頻程頻譜特性(軸向激勵)

圖6和圖7分別給出了在徑向激勵和軸向激勵下雙S型車輪輻射噪聲的頻譜特性。從圖6可以看出，在徑向激勵下，雙S型標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射噪聲顯著頻段為1 600 Hz～5 000 Hz，在這些頻率范圍，1 mm阻尼層降噪量為-2 dB～9.5 dB，4 mm阻尼層降噪量為2.8 Hz～9.3 dB(A)，在峰值頻率5 000 Hz，1 mm阻尼層降噪量比4 mm高4.1 dB，因此，增加阻尼厚度并沒有進一步降低峰值頻率噪聲，但是在其它主要頻率，4 mm阻尼層具有更好降噪效果。

軸向激勵下，雙S型標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射噪聲顯著頻率為400 Hz、630 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、3 150 Hz、 4 000 Hz和6 300 Hz。在這些頻率范圍，1 mm阻尼層降噪量為-3.1 dB～9.3 dB，4 mm阻尼層降噪量為2.1 dB～12.4 dB，在峰值頻率2 000 Hz，1 mm阻尼層降噪量比4 mm高0.5 dB，增加阻尼厚度

同樣沒有進一步降低峰值頻率處噪聲，但是在4 000 Hz，1 mm阻尼層造成了新的更大的峰值，限制了降噪效果。

在徑向激勵和軸向激勵下，雖然雙S型標(biāo)準(zhǔn)車輪和斜曲型標(biāo)準(zhǔn)車輪輻射噪聲頻率特性類似，但是在軸向激勵下，在雙S型車輪輻板兩側(cè)噴涂阻尼可顯著降低1 000 Hz以下峰值頻率噪聲，因此對雙S型車輪噴涂阻尼在徑向激勵和軸向激勵下均有效。這種差別可能是由于輻板差異引起。

表2 阻尼對雙S型車輪全頻段降噪量

圖6 雙S型車輪1/3倍頻程頻譜特性(徑向激勵)

圖7 雙S型車輪1/3倍頻程頻譜特性(軸向激勵)

4 結(jié)語

利用半消聲室法進行室內(nèi)對比試驗，測試了斜曲型輻板車輪在無阻尼、噴涂1 mm和2 mm情況下的振動聲輻射，S型輻板車輪在無阻尼、噴涂1 mm和4 mm阻尼下的聲輻射，得到如下結(jié)論：

（1）對于斜曲型輻板車輪，不管是徑向激勵還是軸向激勵，噴涂1 mm阻尼層只對車輪部分區(qū)域有減振效果，噴涂2 mm阻尼層增大了減振區(qū)域和振動衰減量；

（2）對于斜曲型輻板車輪，在徑向激勵下1 mm阻尼層降低全頻段噪聲2.0 dB(A)，2 mm阻尼層降低全頻段噪聲5.8 dB(A)；在軸向激勵下，1 mm阻尼層降低全頻段噪聲1.0 dB(A)，2 mm阻尼層降低全頻段噪聲2.2 dB(A)；相同阻尼在徑向激勵條件下具有更好降噪效果；

（3）對于雙S型輻板車輪，在徑向激勵下，1 mm阻尼層降低全頻段噪聲1.9 dB(A)，4mm阻尼層降低全頻段噪聲4.7 dB(A)；在軸向激勵下，1 mm阻尼層降低全頻段噪聲1.1 dB(A)，4 mm阻尼層降低全頻段噪聲4.8 dB(A)。阻尼在徑向激勵和軸向激勵條件下具有相近降噪效果；

（4）相同輻板形式標(biāo)準(zhǔn)車輪在不同激勵條件下，輻射噪聲的主要頻帶有較大差異，在徑向激勵下主要是1 600 Hz以上高頻噪聲，在軸向激勵下，除了有高頻噪聲，400 Hz～1 000 Hz之間也會出現(xiàn)較大峰值，這是相同阻尼厚度在徑向激勵和軸向激勵下對車輪降噪效果有差異的主要原因。

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Influence of Sprayed Damping Thickness on Vibration and Sound Radiation of Damped Wheels

ZHOU Xin,XIAO Xin-biao,WANG Rui-qian, ZHAO Yue,WEN Ze-feng,JIN Xue-song

(State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Spraying damping materials on the surface of wheels is an effective measure to reduce vibration and sound radiation.In this paper,the influence of spread damping thickness on the vibration and sound radiation of a sprayed damping wheel is investigated experimentally.The comparative experiments are carried out in a sem i-anechoic room.The vibration and sound radiation of obliquely curved wheel w ith 1 mm and 2 mm thick sprayed damping layers and w ithout damping material are measured respectively.Then the sound radiation of a double-S shaped wheel w ith 1mm and 4 mm thick damping layers and w ithout damping material is also measured respectively.The results show that the 2 mm thick damping material has better vibration absorption and noise reduction performance for the obliquely curved wheel than that of the one w ith 1mm thick damping layer.And the noise reductions of 1mm thick damping layer are 2.0 dB(A)and 1.0 dB(A) respectively under radial and axial excitations.For the double-S shaped wheel,the noise reductions of 1mm thick damping layer are 1.9 dB(A)and 1.1 dB(A)respectively under radial and axial excitations.Noise reduction increases as the thickness of the damping layer increases for the two types of wheels.For the obliquely curved wheel,the effects of sprayed damping layer are more effective under radial excitations.While for double-S wheel,the effects of the sprayed damping layer are almost the same under radial and axial excitations.

vibration and wave;spraying damped wheel;damped material thick;sound radiation

1006-1355(2014)04-0048-04+55

TB53；U260.331+.1 < class="emphasis_bold">文獻標(biāo)識碼：A DOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.011

2013-10-10

國家科技支撐計劃(基金編號：2009BAG12A01-B06)；國家863計劃(基金編號：2011AA11A103-2-2、2011AA11A103-4-2)；教育部創(chuàng)新團隊(基金編號：IRT1178)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助（基金編號：SW JTU12ZT01）；牽引動力國家重點實驗室自由探索自主研究課題（基金編號：2011TPL_T05）

周 信（1988-），男，江蘇揚州人，博士研究生，目前從事高速列車振動與噪聲研究。

E-mail:wszhouxin@qq.com

金學(xué)松，男，教授，博士生導(dǎo)師。

E-mail:xsjin@home.sw jtu.edu.cn