高速列車波紋外地板隔聲與阻尼特性分析

張媛媛，王建祥，陳亮亮，張凌凱

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

高速列車高速運(yùn)行時(shí)對軌道的沖擊和振動(dòng)較大，輕量化的車體結(jié)構(gòu)本身較容易發(fā)生振動(dòng)且隔音性能也會(huì)降低，直接影響列車運(yùn)行安全和旅客乘坐的舒適性。因此，鋁型材外地板的聲學(xué)、阻尼等性能在車輛低噪聲設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。文獻(xiàn)［1］對高速列車進(jìn)行聲學(xué)模態(tài)計(jì)算并進(jìn)行軌道譜響應(yīng)分析。文獻(xiàn)［2］討論了輕質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能及隔聲性能的研究發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)［3］提出了一種新方法來估計(jì)和測量鐵路車輛的傳輸損耗。文獻(xiàn)［4］建立了列車車體的有限元模型，并在ANSYS中對其進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。文獻(xiàn)［5－6］分析了波紋板加夾板結(jié)構(gòu)的隔聲性能及阻尼對輪軌向外輻射噪聲特性的影響。文獻(xiàn)［7］研究了3種阻尼材料(改性瀝青、水性涂料和丁基橡膠阻尼材料)對列車車內(nèi)噪聲的影響。文獻(xiàn)［8－9］研究了不同板類結(jié)構(gòu)的振動(dòng)及聲輻射問題，并提出了主動(dòng)控制的優(yōu)化方案。文獻(xiàn)［10］研究了不同材料參數(shù)和厚度的隔音墊對內(nèi)地板隔聲量的影響。由此可見，在發(fā)展列車輕量化的同時(shí)，需要確保列車的運(yùn)行安全及車內(nèi)環(huán)境的低噪聲。本文基于統(tǒng)計(jì)能量分析原理并結(jié)合聲振分析軟件VA One，對高速列車鋁型材外地板進(jìn)行了隔聲量與阻尼特性研究。

1 統(tǒng)計(jì)能量分析方法

1.1 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(jié)構(gòu)的阻尼損耗因子為

式中:Pdiss是波的總功率耗散;ω為圓頻率;T，U是層合板的動(dòng)能和勢能。

總功率的耗散能Pdiss通過層合板各層總應(yīng)變能之和來定義，即

式中:m為組成層合板的單層板數(shù)量;ω為圓頻率。

1.2 隔聲量

在所研究結(jié)構(gòu)的上下兩側(cè)定義兩個(gè)聲空腔。給上聲空腔一個(gè)激勵(lì)，而下聲空腔僅接受由上聲空腔通過結(jié)構(gòu)傳來的聲激勵(lì)，則結(jié)構(gòu)隔聲量的計(jì)算公式為

式中: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(jié)構(gòu)與聲空腔耦合面積;c1為聲速;ω為帶寬的中心頻率;η2為下聲空腔的損耗因子。

2 實(shí)例計(jì)算分析

某高速列車鋁型材外地板的彈性模量E=0.71×1011Pa，泊松比 ν=0.33，密度 ρ=2 700 kg/m3，結(jié)構(gòu)模型參數(shù)如表1所示。計(jì)算模型如圖1所示。

表1 結(jié)構(gòu)模型參數(shù) m

圖1 計(jì)算分析模型

2.1 子系統(tǒng)隔聲量與整個(gè)板材隔聲量的關(guān)系

在所研究結(jié)構(gòu)的上、下兩側(cè)定義兩個(gè)聲腔。給上聲腔一個(gè)激勵(lì)，下聲腔僅接受由上聲腔通過結(jié)構(gòu)傳來的聲激勵(lì)。聲學(xué)仿真預(yù)測模型如圖2所示。

圖2 聲學(xué)仿真預(yù)測模型

為了分析結(jié)構(gòu)中間某SEA子系統(tǒng)隔聲量與整個(gè)板材結(jié)構(gòu)隔聲量的關(guān)系，由式(3)可得

對一個(gè)確定的計(jì)算模型，聲空腔大小、傳播介質(zhì)及聲速等均已確定。聲空腔的模態(tài)密度n、能量E和阻尼損失因子η僅與頻率有關(guān)，在確定的頻率上它們均為定值。

現(xiàn)設(shè)結(jié)構(gòu)中某SEA子系統(tǒng)與聲空腔的耦合面積為Am，相應(yīng)的隔聲量為TLm，整個(gè)結(jié)構(gòu)與聲空腔的耦合面積為An，相應(yīng)的隔聲量為TLn，則有:

用式(6)減去式(5)，可得整個(gè)板材結(jié)構(gòu)與它其中的一個(gè)子板之間隔聲量的關(guān)系，如式(7)所示。

對于一個(gè)確定的計(jì)算模型，結(jié)構(gòu)與聲空腔的耦合面積為定值，由圖1可得式(8)和式(9)。

將式(8)和式(9)代入式(7)可得整個(gè)板材結(jié)構(gòu)的隔聲量與它其中某個(gè)子板的隔聲量之間存在的一個(gè)常數(shù)差，如式(10)所示。

現(xiàn)用圖2中的計(jì)算模型驗(yàn)證以上推導(dǎo)結(jié)論的正確性。為計(jì)算方便，上、下聲空腔的阻尼損耗因子均定義為1%的常數(shù)譜。圖3為VA One軟件算出結(jié)構(gòu)的隔聲量曲線。觀察可知整個(gè)板材的隔聲量與子板的隔聲量之間存在常數(shù)差，且該常數(shù)差為定值(見表2)。

圖3 隔聲量計(jì)算曲線

2.2 阻尼層對結(jié)構(gòu)阻尼損耗因子及隔聲量的影響

在高速列車鋁型材外地板施加約束阻尼層時(shí)，以其上頂板、下底板或筋板為基板，將黏彈性層直接添加在基板上，而約束層在最頂層。本節(jié)主要計(jì)算分析約束阻尼層在型材中的施加位置對鋁型材外地板減振降噪的影響。計(jì)算模型如圖2所示。

表2 隔聲量dB

表3 黏彈性材料參數(shù)

已知黏彈性材料的密度為980 kg/m3，泊松比為0.48，室溫下的黏彈性材料參數(shù)如表3所示。整個(gè)約束阻尼層的厚度為0.63 mm，其中黏彈性層的厚度為0.13 mm，約束層是厚度為0.5 mm的鋁型材。

1)上頂板敷設(shè)約束阻尼層

結(jié)構(gòu)在施加約束阻尼層前后的阻尼損耗因子及其隔聲量的大小如圖4所示。分析可知:阻尼層使結(jié)構(gòu)阻尼損失因子增大，隔聲量也明顯增加。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能包括以下幾個(gè)方面:首先，型材的上頂板本身為薄壁結(jié)構(gòu)，剛度較小，容易發(fā)生彎曲變形，阻尼層厚度占18.9%，此時(shí)的約束阻尼層充分發(fā)揮了其剪切耗能的優(yōu)勢;其次，上頂板中各子板的模態(tài)并不僅和處理的表面有關(guān)，而是和下底板及筋板之間存在相互作用;再次，在頻率范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)主要以局部模態(tài)為主，共振模態(tài)分布密集，此時(shí)噪聲的傳播主要取決于共振模態(tài)，所以結(jié)構(gòu)阻尼對噪聲傳播影響較大。

圖4 型材上頂板施加約束阻尼層

2)下底板敷設(shè)約束阻尼層

結(jié)構(gòu)在施加約束阻尼層前后的阻尼損耗因子及其隔聲量的大小如圖5所示。經(jīng)分析可得:對中空鋁型材帶筋薄板的下底板施加約束阻尼層后，結(jié)構(gòu)阻尼損失系數(shù)明顯提高，隔聲量也相應(yīng)提高。在隔聲量的計(jì)算時(shí)，噪聲首先由激勵(lì)聲空腔到達(dá)結(jié)構(gòu)，再由結(jié)構(gòu)振動(dòng)向外輻射能量，從而到達(dá)接收聲空腔。因此，雖然聲源激勵(lì)是在上空腔，但在對結(jié)構(gòu)上頂板或下底板敷設(shè)約束阻尼層時(shí)，對隔聲量的貢獻(xiàn)基本相同。

圖5 型材下底板施加約束阻尼層

3)筋板敷設(shè)約束阻尼層

結(jié)構(gòu)在敷設(shè)約束阻尼層前后的阻尼損耗因子及其隔聲量的大小如圖6所示。分析可得，對型材的筋板敷設(shè)約束阻尼層后，結(jié)構(gòu)阻尼損失系數(shù)明顯提高，隔聲量也有所增加。與上頂板和下底板敷設(shè)阻尼相比，結(jié)構(gòu)損失因子較大，這可能是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上頂板和下底板厚度為2.7 mm，而筋板厚為2.5 mm，由于阻尼層的減振原理是依靠其黏彈性層的剪切耗能，基板越薄越容易發(fā)生彎曲變形，所以筋板敷設(shè)阻尼層后阻尼損耗因子較大。該情形對隔聲量的貢獻(xiàn)與前面兩種工況基本一致，但是其質(zhì)量最大，不利于輕量化設(shè)計(jì)，如表4所示。

圖6 型材筋板敷設(shè)約束阻尼層

表4 敷設(shè)約束阻尼層后結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 kg

3 結(jié)束語

本文利用統(tǒng)計(jì)能量分析原理并結(jié)合聲振分析軟件VA One，推導(dǎo)計(jì)算了整個(gè)板材與其子板隔聲量之間的關(guān)系;結(jié)合聲振分析軟件VA One，分析了約束阻尼層在型材中的施加位置對鋁型材外地板減振降噪的影響。計(jì)算結(jié)果表明:整個(gè)板材結(jié)構(gòu)的隔聲量與它其中某個(gè)子板的隔聲量之間存在一個(gè)常數(shù)差;將相同的阻尼層敷設(shè)在上頂板、下低板對阻尼損失系數(shù)和隔聲量的貢獻(xiàn)基本相同;而敷設(shè)在筋板上阻尼損耗因子較大，對隔聲量的貢獻(xiàn)與前兩種工況基本一致，但因其質(zhì)量較大，不利于輕量化設(shè)計(jì)。

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