高速列車復(fù)合板隔聲性能的試驗研究

李牧皛，沈火明，王瑞乾，韓 健，圣小珍

（1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

高速列車復(fù)合板隔聲性能的試驗研究

李牧皛1，沈火明1，王瑞乾2，韓 健2，圣小珍2

（1.西南交通大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，成都 610031；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，成都 610031）

基于室內(nèi)隔聲測試標準，通過試驗方法，研究了多種高速列車復(fù)合板材的隔聲性能。研究的板材包括:兩塊鋁板板間夾不同厚度空氣的復(fù)合板；板間夾不同密度的泡沫鋁吸聲材料的復(fù)合板；板間夾不同厚度的隔聲墊的復(fù)合板。對以上復(fù)合板的綜合研究明確了鋁板夾層填充材料和厚度對隔聲效果的作用。結(jié)果表明：含空氣層復(fù)合鋁板存在明顯吻合谷，但其高頻隔聲性能好；泡沫鋁吸聲材料可有效抑制吻合谷，小的孔隙率（即增加密度）有利于提高隔聲性能；隔音墊有助于提高復(fù)合板的隔聲量，但是其厚度的選擇要與關(guān)注的頻率區(qū)段相匹配。研究結(jié)果系統(tǒng)地反映了復(fù)合板的影響因素，可為我國高速列車復(fù)合板隔聲性能的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

聲學(xué)；復(fù)合板；空氣層；泡沫鋁；隔聲

隨著高速鐵路客運專線的不斷開通運營，中國已開始進入高鐵時代。高速鐵路給人們帶來快捷、安全、舒適的同時，也帶來了噪聲和振動。

張偉[1]、Zhang Jie[2]等，對高速列車在不同運行速度下車內(nèi)噪聲進行了現(xiàn)場測試，用響度來評價高速列車車內(nèi)噪聲品質(zhì)，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲環(huán)境需要進一步改進。Yu Yu[3]、楊建[4]等對高速列車車內(nèi)噪聲進行了仿真預(yù)測分析，結(jié)果表明，車體板件空氣傳聲是車內(nèi)噪聲的主要途徑，因此優(yōu)化車體結(jié)構(gòu)，提高車體材料隔聲性能，是非常必要的。鋁板作為高鐵車體主要的構(gòu)架應(yīng)用材料之一，它有著密度低、強度高、可塑性好、耐蝕性、易焊接及其他加工成形等特點[5]，而被廣泛應(yīng)用于制造。因此，鋁板的隔聲性能在很大程度上影響車內(nèi)噪聲。增加鋁板厚度可提高隔聲，然而由于實際情況的限制，鋁板的厚度不能無限制的增加，采用復(fù)合鋁板是一種有效的途徑?，F(xiàn)階段國內(nèi)外對于復(fù)合板的隔聲性能進行了相應(yīng)的研究[6-8]。但是，有針對性的對高速列車的復(fù)合鋁板隔聲性能的研究相對較少。本文結(jié)合現(xiàn)有高速列車典型車體結(jié)構(gòu)，將對幾種典型樣式的復(fù)合鋁板的隔聲性能進行試驗研究。對比總結(jié)規(guī)律，為高速列車低噪聲車體結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材提供依據(jù)。

1 復(fù)合板隔聲原理

1.1 隔聲、隔聲量的定義

用材料、構(gòu)件或結(jié)構(gòu)來隔絕空氣中傳播的噪聲，從而獲得較安靜的環(huán)境稱為隔聲，這些材料（構(gòu)件、結(jié)構(gòu)）就稱為隔聲材料[9]。

入射到試件上的聲功率W1與透過試件的透射聲功率W2就可以得到該試件的隔聲量R，單位dB，以下式表示

在本文中，采用聲壓測試方法，則隔聲量R也可以表示為[9]

式中L1——發(fā)聲室內(nèi)平均聲壓級，單位dB；

L2——接收室內(nèi)平均聲壓級，單位dB；

S——試件面積，單位m2；

A——接收室賽賓吸聲量，單位m2。

1.2 質(zhì)量定律

質(zhì)量作用定律公式如公式（3）所示[9]

式中m—各層的單位面積質(zhì)量；f—入射聲波頻率。

從上式可看出，各層的單位面積質(zhì)量越大，傳聲損失就越大，增加鋼板厚度，即增加鋼板單位面積的質(zhì)量是提高隔聲性能的可行途經(jīng)。

1.3 復(fù)合板的隔聲

根據(jù)聲學(xué)基礎(chǔ)[9]可知，聲波通過復(fù)合板時的情況如圖1所示。設(shè)中間層厚度為D，特性阻抗為R2=p2c2的中間層置于特性阻抗為R1=p1c1的媒介中，當(dāng)一列平面聲波（p1i，v1i）垂直入射到中間層界面上時，一部分發(fā)聲反射回到媒介I中，形成了反射波（p1r，v1r），另一部分透入中間層，記為（p2t，v2t）。當(dāng)聲波（p2t，v2t）行進到中間層的另一界面上時，由于特性阻抗的改變，又有一部分反射回中間層，記為（p2r，v2r），其余部分就透射入中間層后面的p1c1媒介中去，記為（pt，vt），由此完成聲波在復(fù)合板中的傳播。

圖1 聲波通過中間層

復(fù)合板的隔聲量見公式（4），當(dāng)板壁相對于波長足夠薄時可以作整體振動時公式適用。

當(dāng)頻率很低時，有cos kD≈1，sin kD≈0，則式（4）可簡化為式（5）

比較式（5）和質(zhì)量作用定律（3）式可以看出，將兩層板合并成一塊板的隔聲量，即在很低的頻率時，雙層板不比用同種材料合在一起的單層板優(yōu)越。

對于中等頻率情況，有coskD≈1，sinkD≈kD，則式（4）可簡化為式（6）

由式6可知，當(dāng)虛數(shù)項為0時，隔聲量最小，此時

這意味著隔聲板中間的夾層作為彈簧與板的質(zhì)量發(fā)生共振，使隔聲量隨著頻率的關(guān)系出現(xiàn)一個谷。在兩層板中間添加多孔性柔軟材料后，聲波在多孔材料中間引起空氣和纖維的振動，在摩擦和粘滯阻力作用下，機械能轉(zhuǎn)化為熱能，降低聲波在吻合谷頻率下的振動，從而提高吻合谷處的隔聲性能[10]。

2 材料隔聲量的隔聲室測試及分析方法

2.1 測試流程

2.1.1 傳聲器、聲源的布置

試驗時在隔聲室中進行，隔聲室由兩個混響聲場組成：發(fā)聲室和受聲室，發(fā)聲室和受聲室室內(nèi)布置傳聲器數(shù)目、位置信息以及聲源的布置見圖2。其中，6個傳聲器無規(guī)則布置于發(fā)聲室內(nèi)，6個傳聲器無規(guī)則布置于受聲室內(nèi)，他們到墻壁的距離、聲源以及傳聲器之間的距離滿足國家相應(yīng)標準[11]；聲源采用無指向聲源，每次均置于室內(nèi)墻角，這樣更有利于聲場的擴散。在發(fā)聲室布置2個聲源位置，用以測試兩個房間的聲壓級差，在受聲室布置3個聲源位置，用以測試混響時間對隔聲量進行修正。

圖2 隔聲室內(nèi)布局圖

2.1.2 試件的安裝

在隔聲室，將測試樣件置于測試洞口內(nèi)如圖3，以緊固件將試件固定牢靠后，周邊用密封膠密封以防止側(cè)向傳聲。

圖3 隔聲測試現(xiàn)場照片

2.1.3 隔聲量測試

試件安裝完成以后，將聲源置于發(fā)聲室內(nèi)，用白噪聲產(chǎn)生100 dB以上的聲場；待聲源開啟一分鐘后，聲場達到均勻穩(wěn)定狀態(tài)，此時開始發(fā)聲室和受聲室的聲壓級測試，數(shù)據(jù)采集時間為60 s，采集完成后關(guān)閉聲源。

分別將聲源置于發(fā)聲室的兩個測試位點S1、S2，見圖2，并用以上測試方法在每個測試位點重復(fù)采集6組數(shù)據(jù)。每個傳聲器測試位點的聲壓級為六次測試結(jié)果取平均。發(fā)聲室與受聲室內(nèi)的聲壓級為各個傳聲器測試點的聲壓級取平均，即發(fā)聲室平均聲壓級

受聲室內(nèi)平均聲壓級

則可得試樣的未修正隔聲量

混響時間的測試方法如下：聲源置于受聲室內(nèi)，用白噪聲產(chǎn)生100 dB以上的接收室聲場；待聲源開啟一分鐘后，聲場達到均勻穩(wěn)定狀態(tài)，此時開始數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集中途將聲源關(guān)閉，可以測得受聲室內(nèi)聲壓級的衰變曲線。

分別將聲源置于接收室的三個測試位點R1、R2、R3見圖2，并用以上測試方法在每個測試位點重復(fù)采集6組曲線。

按照國家相應(yīng)標準[10]，由測得的衰變曲線計算混響時間的起始值，從衰變開始段聲壓級下降5 dB開始，衰變范圍取30 dB，截取此段衰變曲線，并計算混響時間T；再由賽賓公式計算接收室內(nèi)吸聲量。

式中A——接收室內(nèi)吸聲量，單位m2

V——接收室容積，單位m3

T——接收室混響時間，單位s

將(10)和(11)算得結(jié)果代入隔聲量計算公式(2)中，可得樣件的實際隔聲量。

2.2 復(fù)合板隔聲性能對比工況

設(shè)置了三組復(fù)合材料對比，綜合分析復(fù)合板的隔聲性能。

第一組對比旨在探究空氣層對板材隔聲量的影響，以1 mm鋁型材裸板為基板設(shè)計以下幾種測試試件。其中，兩塊1 mm鋁板無空隙粘合形成試件1；兩塊1 mm鋁板之間用1 mm厚度的彈性細長橡膠墊沿四邊支撐，以形成內(nèi)部1 mm間隙的空腔，形成試件2；兩塊1 mm鋁板之間用5 mm厚度的彈性細長橡膠墊沿四邊支撐，以形成內(nèi)部5 mm間隙的空腔，形成試件3。樣品組成如圖4所示。測試所用材料、尺寸及測試溫濕度如表1所示。

第二組對比旨在調(diào)查泡沫鋁吸聲材料孔隙大小對隔聲性能的影響，以雙層1 mm鋁型材裸板作為基板，中間填充不同密度泡沫鋁材料。其中，兩塊1 mm鋁板之間用5 mm小孔隙泡沫鋁（密度大），形成試件4；兩塊1 mm鋁板之間用5 mm大孔隙泡沫鋁（密度?。?，形成試件5。樣品組成如圖5所示。測試所用材料、尺寸及測試溫濕度如表2所示。

圖4 3種復(fù)合板試件

表1 測試試件及工況

圖5 2種復(fù)合板試件

表2 測試試件及工況

第三組對比旨在調(diào)查隔音墊厚度對隔聲性能的影響，試驗中以1 mm鋁型材裸板作為基板，在其上粘貼不同厚度隔音墊。其中，粘貼2 mm厚度隔音墊為試件6，粘貼4 mm隔音墊為試件7，粘貼5 mm隔音墊為試件8。樣品組成如圖6所示。測試所用材料、尺寸及測試溫濕度如表3所示。

表3 測試試件及工況

圖6 三種復(fù)合板試件

3 隔聲結(jié)果及分析

3.1 空氣層填充材料對復(fù)合板隔聲量的影響

無縫粘結(jié)鋁板以及含空氣層復(fù)合板的隔聲測試結(jié)果如圖7所示，以1/3倍頻程下的頻率隔聲曲線型式給出100 Hz～6 300 Hz范圍內(nèi)的隔聲量。

圖7 含空氣層復(fù)合板隔聲頻譜特性

由圖7可見，在100 Hz～315 Hz，三者的隔聲量相差很小，變化趨勢基本相同；在400 Hz～1 600 Hz，附帶空氣隔層的鋁板的隔聲量與無縫粘合鋁板相比，有明顯下降趨勢，形成吻合谷，該谷的臨界頻率表現(xiàn)為試件3比試件2更低，其原理如公式（7）所示，表現(xiàn)為空氣厚度D增大，其頻率降低。630 Hz為5 mm空氣夾層鋁板的臨界頻率，與無縫粘合鋁板隔聲量相比，降低了9.6 dB；但是過了該臨界頻率后隔聲量表現(xiàn)為急劇上升，在1 600 Hz以上頻率區(qū)段，含5 mm空氣層的鋁板表現(xiàn)出明顯的隔聲優(yōu)勢。1 000 Hz為1 mm空氣夾層鋁板的臨界頻率，與無縫粘合鋁板隔聲量相比，降低了11.6 dB。但是過了該臨界頻率后隔聲量表現(xiàn)為急劇上升，在2 500 Hz以上頻率區(qū)段，含1 mm空氣層的鋁板表現(xiàn)出明顯的隔聲優(yōu)勢。

為了綜合評價復(fù)合板隔聲量差異，分別采用平均隔聲量和計權(quán)隔聲量進行評價。

平均隔聲量是各個頻率的隔聲量的算術(shù)平均值。其頻率范圍通常取為100 Hz～4 000 Hz。工程中常用中心頻率為100 Hz、125 Hz、160 Hz……，直至4 000 Hz共17個1/3倍頻程的隔聲量相加，取其算術(shù)平均值。由于不同類型構(gòu)件的隔聲頻率特性差別可能很大，因此，平均隔聲量的使用具有一定的局限性。

計權(quán)隔聲量是通過一標準曲線與構(gòu)件的隔聲頻率特性曲線進行比較確定的。標準曲線一方面是考慮到人耳的聽覺特性，即人耳對低頻聲音的感覺不如高頻聲音那么靈敏。另一方面還考慮到通常隔聲構(gòu)件低頻的隔聲量較低，而高頻的隔聲量較高。標準曲線是隨頻率而變化的一條折線，其中100 Hz～400 Hz的低頻部分折線的斜率每倍頻程增加9 dB，400 Hz～12 50 Hz的中頻部分折線斜率每倍頻程增加3dB，1 250 Hz～3 150 Hz的高頻部分保持水平直線。這一標準曲線雖然各頻率的隔聲量不同，但其主觀感覺到的隔聲效果是相同的，與等響曲線類似，實際上它是一條等隔聲效果曲線。

對于1/3倍頻程隔聲頻率特性曲線應(yīng)滿足：

(1)各頻帶在標準曲線之下不利偏差和不大于32 dB；

(2)隔聲頻率特性曲線的任一頻帶的隔聲量在標準曲線之下偏差的最大值不大于8 dB。

對于1/1倍頻程隔聲頻率特性曲線應(yīng)滿足：

(1)各頻帶在標準曲線之下的dB數(shù)總和不大于10 dB；

(2)隔聲頻率特性曲線的任一頻帶的隔聲量在標準曲線之下不利偏差的最大值不大于5 dB。

然后，從500 Hz處向上作垂線與標準曲線相交，通過交點作水平線與隔聲頻率特性曲線圖的縱坐標相交，則交點的dB數(shù)即為所求的計權(quán)隔聲量RW。

三種板的平均隔聲量和計權(quán)隔聲量如表4所示。

表4 測試試件計權(quán)隔聲量

由表4可見，含空氣層復(fù)合板的平均隔聲量和計權(quán)隔聲量沒有鋁板直接粘結(jié)大，試件1和試件2、3之間的平均隔聲量差距比計權(quán)隔聲量小，因為對于平均隔聲量而言，僅考慮各頻段的算術(shù)平均，對試件2、3的在高頻段的隔聲效果有“放大”作用，如圖7所示；而計權(quán)隔聲量在高頻段隔聲效果成起到了“壓縮”作用。對比試件2和試件3可見，空氣變厚對增加隔聲量有積極作用，如果繼續(xù)適當(dāng)增加空氣層厚度，其計權(quán)隔聲量將超過鋁板直接粘結(jié)的試件。

3.2 泡沫鋁填充材料對復(fù)合板隔聲量的影響

對比了含有大孔隙的泡沫鋁和小孔隙的泡沫鋁夾層對隔聲性能，試件4和試件5的隔聲測試結(jié)果如圖8所示，以1/3倍頻程隔聲曲線式給出100 Hz～4 000 Hz范圍內(nèi)的隔聲量。

圖8 泡沫鋁孔隙大小對復(fù)合板隔聲頻譜特性

由圖8可見，在整個頻率區(qū)段，小孔隙泡沫鋁填充材料的隔聲性能普遍比大孔隙泡沫鋁填充材料好，特別對于1 000 Hz以上高頻區(qū)域。在400 Hz～500 Hz頻率區(qū)段，隔聲量出現(xiàn)微弱谷值，兩種孔隙材料復(fù)合板隔聲量相差不明顯。在低頻區(qū)域，小孔隙泡沫鋁填充材料略好，在200 Hz處，大孔隙泡沫鋁填充材料隔聲量明顯不足。導(dǎo)致小孔隙泡沫鋁填充材料復(fù)合板隔聲量優(yōu)于大孔隙泡沫鋁填充材料復(fù)合板的原因主要為：孔隙小，聲波穿過時被多重反射、吸收，從而更容易衰減；另外一個原因就是泡沫鋁孔隙減小，同等體積下，其質(zhì)量由10.65 kg增大到12.15 kg，根據(jù)公式（3）質(zhì)量定律可知，質(zhì)量的微小增加在一定程度上也起到增加隔聲的作用。

其平均隔聲量和計權(quán)隔聲量如表5所示，分析思路同3.1節(jié)。

表5 測試試件計權(quán)隔聲量

3.3 隔音墊厚度對復(fù)合板隔聲量的影響

對比了不同厚度隔音墊對復(fù)合板隔聲性能的影響，試件6和試件8的隔聲測試結(jié)果如圖9所示，以1/3倍頻程計量的隔聲曲線型式給出100 Hz～6 300 Hz范圍內(nèi)的隔聲量。

由圖9可見，在200 Hz以下低頻區(qū)域表現(xiàn)為隨著隔音墊厚度增加，復(fù)合板隔聲量增加，然后在200 Hz以上頻率區(qū)域，并未表現(xiàn)出復(fù)合板隔聲量隨著隔音墊厚度增加而增加的規(guī)律，而是表現(xiàn)出各自的頻率優(yōu)勢。在250 Hz～400 Hz頻率范圍內(nèi)，表現(xiàn)為含有4 mm厚度隔音墊的復(fù)合板隔聲量大，在630 Hz～1 600 Hz較寬的頻率范圍內(nèi)，表現(xiàn)為含有5 mm隔音墊的復(fù)合板隔聲量最大，而在6 300 Hz以上頻率含2 mm隔音墊的復(fù)合板隔聲量表現(xiàn)出較快的增長趨勢。由圖8分析記過可知，隔音墊厚度的增加，可以帶來隔聲量的增加，但伴隨著一定的頻率特性。因此不可一味地通過增加隔聲材料厚度來提高隔聲量，這樣既增加的復(fù)合板的質(zhì)量，也不經(jīng)濟，同時還未必能達到預(yù)期頻率范圍的隔聲量提升，應(yīng)該有針對性的添加隔聲材料的厚度。

圖9 隔音墊厚度對復(fù)合板隔聲頻譜特性的影響

其平均隔聲量和計權(quán)隔聲量如表6所示。

表6 測試試件計權(quán)隔聲量

3.4 不同填充材料復(fù)合板隔聲性能的對比

對比了等厚度空氣、泡沫鋁和隔音墊填充材料對復(fù)合板隔聲性能的影響，相應(yīng)隔聲測試結(jié)果如圖10所示，以1/3倍頻程計隔聲曲線型式給出100 Hz～6 300 Hz范圍內(nèi)的隔聲量。

圖10 填充材料對復(fù)合板隔聲頻譜特性的影響

由圖10可見，泡沫鋁填充材料對應(yīng)的復(fù)合板隔聲效果最好，泡沫鋁吸聲材料和隔音墊均能避免含空氣層復(fù)合板所形成的吻合谷，在鋁板中間的空氣層中適當(dāng)增加多孔吸聲材料和隔聲材料可以抑制吻合谷，起到顯著的隔聲效果。

4 結(jié)語

（1）含空氣層復(fù)合鋁板存在明顯吻合谷，隨著空氣層厚度增加，其吻合谷向低頻移動，過了吻合谷后隔聲量急劇增大，其高頻隔聲性能好；

（2）泡沫鋁吸聲材料可有效抑制吻合谷，小的孔隙率有利于提高隔聲性能；

（3）隔音墊可有助于提高復(fù)合板的隔聲量，其厚度的選擇取決于關(guān)注的頻率區(qū)段，并非越厚越好；

（4）在鋁板中間的空氣層中適當(dāng)增加多孔吸聲材料和隔聲材料可以抑制吻合谷，起到顯著的隔聲效果。

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Experimental Study on Sound Insulation Performance of Composite Plates of High-speed Trains

LI Mu-xiao1,SHEN Huo-ming1,WANG Rui-qian2, HAN Jian2,SHENG Xiao-zhen2
(1.Mechanics and Engineering School,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

The sound insulation performances of various composite plates for high-speed trains were studied experimentally according to the indoor sound insulation test standard.The types of the composite plates include:different thickness of air-core between two aluminum panels,different density of porous material core(foamed aluminum)between two aluminum panels;different thickness of sound insulation pad between two aluminum panels.Through the comprehensive investigation of the above composite plates,the influence of the core thickness and the filler material on the sound insulation effect of the composite plates was determined.The results show that there is an obvious anastomosis valley for the aluminum plate with an air-core,however,its sound insulation effect is good in high frequency range.Foamed aluminum can effectively inhibit anastomosis valley,and small porosity is helpful to improve sound insulation effect.The sound insulation pad can improve the sound insulation performance of the composite plate.It is worth noting that the thickness selection of sound insulation pad depends on the concerned frequencies.In this work,systematical investigation of the influencing factors on the sound insulation performance of the composite plates for high-speed trains were conducted, which may provide a reference for the optimization of sound insulation performance of composite plates in high-speed trains.

acoustics;composite plate;air layer;foamed aluminum;sound insulation

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-1335.2015.03.014

1006-1355(2015)03-0060-07

2015－01－13

國家自然科學(xué)基金(51475390,U1434201)；國家863計劃(2011AA11A103-2-2)

李牧皛(1988－)，男，河北石家莊人，碩士研究生，目前從事高速列車振動與噪聲研究。E-mail:309805634@qq.com

沈火明，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:hmshen@126.com