高速列車阻尼噴涂式鋁型材減振降噪特性試驗

王瑞乾，肖新標(biāo)，劉 佳，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）

高速列車阻尼噴涂式鋁型材減振降噪特性試驗

王瑞乾，肖新標(biāo)，劉 佳，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）

為探究某種阻尼材料對高速列車鋁型材地板的減振降噪效果，以波紋狀鋁型材為基板，先后對其噴涂厚度為2 mm和4 mm的阻尼層，并在隔聲室中進(jìn)行空氣聲隔聲及結(jié)構(gòu)振動聲輻射的測試及比對分析。結(jié)果顯示，隨阻尼層厚度的增加，鋁型材的空氣聲隔聲效果增加，尤其在500 Hz之后的中高頻段；其中，2 mm阻尼層能在鋁型材裸板的基礎(chǔ)上使計權(quán)隔聲量提高4.5 dB，阻尼層厚度增至4 mm，計權(quán)隔聲量再提高2.4 dB。在100 Hz～250 Hz，2 mm阻尼層對降低鋁型材的振動聲輻射水平起反作用，而4 mm阻尼層能夠起到一定作用；在315 Hz～400 Hz，阻尼層厚度對其振動聲輻射幾乎沒有影響；500 Hz以上，隨阻尼層厚度的增加，鋁型材振動聲輻射水平大大降低，其中，500 Hz、1 250 Hz和3 150 Hz三個頻段的降低量最為顯著。

振動與波；減振降噪；鋁型材；阻尼；隔聲；振動聲輻射

車內(nèi)噪聲已經(jīng)成為高速列車持續(xù)發(fā)展的一個亟待解決的問題。對高速列車車內(nèi)噪聲的仿真[1,2]和測試[3]表明，車廂地板處結(jié)構(gòu)和空氣傳聲是車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)之一，明確了提高地板隔聲性能的必要性。隨著列車的輕量化發(fā)展，鋁合金型材已經(jīng)成為現(xiàn)役高速列車地板結(jié)構(gòu)的主體材料[4]。為提高車體地板隔聲性能，改善車內(nèi)聲場環(huán)境，對鋁型材地板的減振降噪優(yōu)化就變得十分必要。提高鋁型材地板隔聲性能的常用方法包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材質(zhì)優(yōu)化、粘貼隔音墊、噴涂阻尼等。沈火明等[5]，建立了高速列車波紋外地板聲學(xué)特性仿真模型,根據(jù)結(jié)構(gòu)傳遞損失評價其隔聲性能，并探尋隔聲性能優(yōu)越的外地板類型和結(jié)構(gòu)型式。沈艷祥等[6]對動車組中的三種地板型式進(jìn)行了隔聲測試，并根據(jù)聲源頻譜特性對地板隔聲性能提出了針對性要求。

針對噴涂阻尼材料的波紋狀鋁型材制作的高速列車車廂地板，采用試驗方法探究其阻尼材料對鋁型材的減振降噪效果?？紤]到高速列車地板向車內(nèi)的傳聲主要包括兩部分，一部分為車外噪聲透過地板向車內(nèi)的空氣聲傳播；另一部分為地板自身振動引起的結(jié)構(gòu)聲輻射。因此，分別進(jìn)行空氣聲隔聲和結(jié)構(gòu)振動聲輻射的試驗研究。

1 試驗概述

試驗中以波紋狀鋁型材裸板為基板，作為待測試件1，如圖1所示；再對鋁型材內(nèi)側(cè)（面對車內(nèi)的一側(cè)）噴涂2 mm阻尼材料，形成試件2，如圖2所示；接著，在試件2基礎(chǔ)上繼續(xù)噴涂阻尼材料直至4 mm，形成試件3，如圖3所示。按先后順序，將待測試件分別進(jìn)行空氣聲隔聲和結(jié)構(gòu)振動聲輻射測試。

圖1 無阻尼材料鋁型材

圖2 2 mm阻尼材料鋁型材

圖3 4 mm阻尼材料鋁型材

圖4 隔聲測試現(xiàn)場

1.1 空氣隔聲的測量

空氣隔聲測試在隔聲室中進(jìn)行，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)GB/T 19889-2005《建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實驗室測量》[7]，將試件置于測試洞口內(nèi)，用螺栓將試件固定牢靠后，周邊用密封膠密封。試件安裝完畢后如圖4所示。測試工況詳見表1。

表1 測試工況一覽

分別于聲源室和接收室測得1/3倍頻程內(nèi)各頻帶的平均聲壓級分別為L1和L2，測試中心頻率為100 Hz～3 150 Hz；所得到的聲壓級代入式(1)，可求得試件各頻帶的隔聲量

式中R為隔聲量，單位dB；L1為聲源室內(nèi)平均聲壓級，單位dB；L2為接收室內(nèi)平均聲壓級，單位dB；S為試件表面積，單位m2；T為接收室內(nèi)混響時間，單位s；V為接收室的容積，單位m3。

工程上，通常以計權(quán)隔聲量Rw作為被測試件隔聲量的單值評價標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50121-2005《建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)》[8]，將已測隔聲構(gòu)件在1/3倍頻程下的隔聲曲線與規(guī)定的參考曲線族進(jìn)行比較，從而得到試件的計權(quán)隔聲曲線，該曲線在500 Hz頻率下的隔聲量即作為計權(quán)隔聲量Rw。

1.2 振動聲輻射特性的測量

為了探究該種阻尼材料對鋁型材振動聲輻射特性的影響，在表1工況的基礎(chǔ)上，開展鋁型材振動聲輻射特性的試驗。

試驗中仍然將待測試件安裝于隔聲室洞口，用激振器在聲源室一側(cè)對試件進(jìn)行白噪聲激勵，如圖5所示，為使三個工況之間具有良好的可對比性，激勵點的位置均要保持相同。同時，在鋁型材面向接收室的一側(cè)布置振動傳感器，傳感器的位置隨機(jī)選取12個，均勻布于面板上；由于數(shù)采通道數(shù)量的限制，每次選取4個測點進(jìn)行測試，測試3次；同樣，出于可對比性的考慮，傳感器布點位置在三個工況中要保持相同。聲輻射的測試在接收室中進(jìn)行，接收室內(nèi)隨機(jī)布有6個傳聲器，在采集振動信號的同時，測得接收室內(nèi)的平均聲壓級，如圖6所示。

圖5 激振器激勵

圖6 振動與聲輻射特性測試

2 隔聲結(jié)果及分析

三塊試件的隔聲測試結(jié)果如圖7所示，為1/3倍頻程下的頻率隔聲曲線。

圖7 頻率隔聲曲線

在100 Hz～250 Hz頻段內(nèi)，試件2的隔聲量與試件1相差無幾，試件3的隔聲量比試件2增加0.7 dB～1.1 dB，按照質(zhì)量定律，質(zhì)量每增加3 kg，隔聲量提升約0.8 dB，可見試件3與試件2的關(guān)系基本符合質(zhì)量定律，而試件2與試件1的關(guān)系則不符合質(zhì)量定律，據(jù)此推測，鋁型材裸板在噴涂2 mm阻尼材料后，此頻段的結(jié)構(gòu)振動聲輻射不但沒有被抑制，反而被加強(qiáng)，從而導(dǎo)致其隔聲量沒有因質(zhì)量增加而得到應(yīng)有的提升。在3 15 Hz～400 Hz，三條曲線隨質(zhì)量的增加而呈現(xiàn)由低到高平行排列，相鄰曲線間相距約0.9 dB，可見在此頻段內(nèi)，三者的關(guān)系基本符合質(zhì)量定律。在500 Hz～3 150 Hz，三條曲線之間的差距變大，質(zhì)量定律的影響已經(jīng)相對很小，其中，試件2的隔聲量比試件1提升了4.4 dB～6.6 dB，試件3的隔聲量比試件2提升了1.7 dB～3.4 dB，可見，該阻尼對于鋁型材中高頻隔聲量的提升效果十分顯著。

隨著阻尼層厚度的增加，試件的計權(quán)隔聲量大小呈現(xiàn)遞增趨勢。其中，試件2的計權(quán)隔聲量比試件1增加4.5 dB，試件3的計權(quán)隔聲量比試件2增加2.4 dB，可見在試件2的基礎(chǔ)上繼續(xù)噴涂2 mm阻尼材料，與在試件1的基礎(chǔ)上噴涂2 mm阻尼材料相比，其對整體隔聲量的提升作用前者較大。

3 振動聲輻射結(jié)果及分析

對每塊試件12個振動測點在1/3倍頻程下的振動級曲線取平均，得到各自的平均振動級曲線，如圖8所示；接收室內(nèi)的平均聲壓級曲線由6個傳聲器測得聲壓級曲線取平均得到，如圖9所示。

圖8 鋁型材地板平均振動級

如圖8，在250 Hz以下，試件2的平均振動級最大，說明噴涂2 mm阻尼材料后，鋁型材的結(jié)構(gòu)振動不減反增，可能由于2 mm阻尼層加強(qiáng)了鋁型材在此頻段的共振，而試件3的平均振動級最小，說明4 mm阻尼材料能夠?qū)︿X型材的自身結(jié)構(gòu)減振起到一定作用，這一結(jié)果恰好驗證了圖7中低頻段隔聲規(guī)律產(chǎn)生原因的推測；在315 Hz～400 Hz，三者相差無幾，表明該阻尼對這兩個頻段的結(jié)構(gòu)減振沒有影響；在500 Hz～3 150 Hz，隨著阻尼層厚度的增加，三塊試件的平均振動級曲線呈現(xiàn)由高到底的形態(tài)，其中，試件2與試件1相比，尤以500 Hz、1250 Hz和 3 150 Hz的減振效果比較明顯，分別為3.5 dB、8.8 dB和9.4 dB，相比試件2，試件3在各個頻段的振動級呈現(xiàn)平行下降態(tài)勢，降低量約2 dB，可見在試件2的基礎(chǔ)上繼續(xù)噴涂2 mm阻尼材料，與在試件1的基礎(chǔ)上噴涂2 mm阻尼材料相比，其對于結(jié)構(gòu)的減振作用不及后者，與隔聲測試結(jié)果的規(guī)律相一致。

圖9 接收室內(nèi)平均聲壓級

如圖9所示，由于接收室內(nèi)的聲場完全由鋁型材的振動引起，故其聲輻射測試結(jié)果與圖8平均振動級的結(jié)果呈現(xiàn)高度一致性。在100 Hz～250 Hz，試件2的聲輻射水平最高，試件3最低；在315 Hz～400 Hz，三者持平；在500 Hz～3 150Hz，隨阻尼層厚度增加，三塊試件的聲壓級曲線呈現(xiàn)由高到底的形態(tài)，且在500 Hz、1250 Hz和3 150 Hz，聲輻射水平的降低量最為明顯。

4 結(jié)語

為評價一種阻尼材料對高速列車鋁型材地板的減振降噪效果，分別將噴涂2 mm及4 mm該阻尼的鋁型材地板進(jìn)行空氣聲隔聲和結(jié)構(gòu)振動聲輻射的測試分析，得到如下結(jié)論：

（1）整體上，隨著阻尼層厚度的增加，鋁型材的空氣聲隔聲效果增加。尤其在500 Hz之后的中高頻段，其隔聲量的提升十分顯著；

（2）2 mm阻尼層能在鋁型材裸板的基礎(chǔ)上使計權(quán)隔聲量提高4.5 dB，繼續(xù)噴涂阻尼至4 mm，能使計權(quán)隔聲量再提高2.4 dB；后噴涂的2 mm阻尼對計權(quán)隔聲量的提升作用不及前者；

（3）在100 Hz～250 Hz頻段內(nèi)，2 mm阻尼層可能由于加強(qiáng)了鋁型材的共振，導(dǎo)致其振動聲輻射水平不減反增，而4 mm阻尼層能夠?qū)ζ湔駝勇曒椛渌降慕档推鸬揭欢ㄗ饔?，解釋了此頻段內(nèi)空氣聲隔聲規(guī)律不符合質(zhì)量定律的現(xiàn)象。在315 Hz～400 Hz，2 mm和4 mm阻尼層對于鋁型材振動聲輻射水平無明顯影響；

（4）在500 Hz之后，隨著阻尼層厚度的增加，鋁型材的振動聲輻射水平降低，尤以500 Hz、1 250 Hz和3 150 Hz處的降低量最為顯著；后噴涂的2 mm阻尼對結(jié)構(gòu)減振及聲輻射水平的降低效果不及前者。

[1]Yu Yu.Prediction of interior noise in a cabin of high speed train using FE-SEA hybrid methods[C].Inter-Noise 2011, Osaka,Japan,2011.

[2]黃 捷，崔宏飛，殷學(xué)文.城市軌道車輛車內(nèi)噪聲特性研究[J].噪聲與振動控制，2010，30(2)：62-65.

[3]邢淑梅，劉 巖，張小排.高速鐵路動車組噪聲測試與分析[J].噪聲與振動控制，2009，29(2)：79-81.

[4]王云飛.國內(nèi)軌道車輛用鋁型材分析[J].有色金屬加工，2012，41(2)：1-4.

[5]沈火明，高速列車波紋外地板低噪聲優(yōu)化設(shè)計[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報，2011，11(2)：65-71.

[6]沈艷祥.高速動車組地板結(jié)構(gòu)隔聲實驗及仿真研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

[7]全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，GB/T 19889-2005建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實驗室測量[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[8]中華人民共和國建設(shè)部，GB/T 50121-2005建筑隔聲評價標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

Experiments on Vibration and Noise Reduction Effect of Sprayed-damping Section Aluminum Applied to High-speed Trains

WANG Rui-qiang,XIAO Xin-biao,LIU Jia,JIN Xue-song

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

In order to clearly understand the effect of sprayed-damping on vibration and noise reduction of section alum inum floor of high-speed trains,a corrugated alum inum is used as the substrate and sprayed w ith 2 mm and 4 mm thick damping layers on it respectively.Then,the tests of the sound insulation,structural vibration and noise radiation are conducted in a laboratory.The test results show that as the thickness of the damping layer increases,the sound insulation effect increases,especially in the medium and high frequency range above 500 Hz.Sticking 2 mm thick damping layer on the corrugated alum inum floor can increase the weighted sound insulation by 4.5 dB compared w ith the corrugated alum inum floor w ithout damping.When the thickness of the damping layer increases to 4 mm,the weighted sound insulation increases by 2.4 dB in comparison w ith 2 mm thick damping layer.In the range of 100 Hz～250 Hz,the 2 mm thick damping layer has negative effect on the reduction of vibration and noise radiation,but 4 mm thick damping layer has somewhat effect on noise and vibration reduction.In the frequency range from 315 Hz to 400 Hz,the damping layers of 2 mm and 4mm thicknesses have little sound insulation effect.When the frequency exceeds 500 Hz,w ith the increasing of the damping layer thickness,the vibration and noise radiation level of the section aluminum can be remarkably reduced,especially for the frequencies of 500 Hz,1 250 Hz and 3 150 Hz.

vibration and wave;vibration and noise reduction;aluminum profile;damping;sound insulation; vibration and noise radiation

1006-1355(2014)04-052-04

TB53；U270.1+6 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.04.012

2013-10-10

國家863計劃(2011AA11A103-2-2)；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(IRT1178)

王瑞乾（1988-），男，河北保定人，碩士研究生，目前從事噪聲與降噪技術(shù)研究。

E-mail:ruiquanwang@163.com

金學(xué)松，男，教授，博導(dǎo)。

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