適用于高速列車(chē)座椅的材料吸聲性能研究

張海進(jìn)　趙艷菊　帥仁忠

摘要：高速列車(chē)座椅是客室內(nèi)重要的吸聲體，而座椅材料的吸聲性能對(duì)其整體的吸聲性能有著重要的影響。通過(guò)研究適用于高速列車(chē)座椅的蒙布、吸聲材以及穿孔板結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)三聚氰胺的吸聲性能好于其他材料，穿孔吸聲板可以彌補(bǔ)三聚氰胺在低頻段吸聲系數(shù)偏小的不足。根據(jù)測(cè)試結(jié)果以及現(xiàn)車(chē)座椅結(jié)構(gòu)，對(duì)座椅進(jìn)行吸聲性能改進(jìn)，并通過(guò)混響室法對(duì)其進(jìn)行吸聲效果測(cè)試，結(jié)果表明吸聲系數(shù)在全頻段內(nèi)都有較大的提高。

關(guān)鍵詞：高速列車(chē)；座椅；吸聲材；穿孔吸聲板；效果測(cè)試

中圖分類(lèi)號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.06.096

0引言

當(dāng)前我國(guó)鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛裝備正在邁向世界先進(jìn)行列，車(chē)內(nèi)噪聲水平也成為列車(chē)的乘坐舒適性的重要指標(biāo)之一。高速列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲與車(chē)內(nèi)的吸聲設(shè)備的吸聲量有關(guān)，而座椅作為車(chē)內(nèi)重要設(shè)備，其吸聲量對(duì)高速列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲的大小有著直接的關(guān)系。座椅的吸聲越大，乘客聽(tīng)到的噪聲就小。當(dāng)前主要使用隔聲板材和減振降噪阻尼材料來(lái)對(duì)客室噪聲進(jìn)行控制，但是對(duì)客室內(nèi)座椅的吸聲性能研究卻較少。大吸聲系數(shù)的座椅在音樂(lè)廳、大劇院等對(duì)聲品質(zhì)要求較高的地方得到了廣泛的應(yīng)用。吸聲材料是具有較強(qiáng)吸聲性能的材料，借助自身的多孔性、薄膜作用和共振作用，對(duì)入射聲能吸收。苑改紅等對(duì)不同種類(lèi)的吸聲材料進(jìn)行了研究分析，對(duì)多孔吸聲材的種類(lèi)及其吸聲機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)介紹；鐘祥璋對(duì)影劇院的座椅對(duì)不同材質(zhì)的座椅進(jìn)行了吸聲特性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)的座椅吸聲系數(shù)相差近1倍之多；陸均林等用混響室法對(duì)觀眾廳座椅的吸聲量進(jìn)行了測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)增加座椅的數(shù)量，總的吸聲量會(huì)明顯增加。

本文中，針對(duì)高速列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲特點(diǎn)和座椅的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，開(kāi)展適用于高速列車(chē)座椅的蒙布、材料及穿孔板結(jié)構(gòu)的吸聲性能研究，對(duì)其進(jìn)行吸聲性能測(cè)試，根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)現(xiàn)車(chē)座椅進(jìn)行吸聲性能改進(jìn)，以達(dá)到提高座椅整體吸聲性能、進(jìn)一步控制車(chē)內(nèi)噪聲的目的。

1吸聲材研究

測(cè)量吸聲材料吸聲系數(shù)的方法主要有兩種：雙傳聲器駐波管法和混響室法。由于穿孔板、吸聲材為吸聲座椅零件結(jié)構(gòu)，因此選用駐波管系統(tǒng)對(duì)穿孔鋁板、吸聲材料樣件進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試；采用駐波管法，吸聲系數(shù)采用傳遞函數(shù)法來(lái)獲得，通過(guò)測(cè)量?jī)晒潭ㄎ恢锰幝晧翰⒂?jì)算兩通道的傳遞函數(shù)得到試件的吸聲系數(shù)，測(cè)試原理如圖1所示。傳聲器1和傳聲器2處的總聲壓大小可分別表示為：

蒙布作為座椅與空氣直接接觸的部分，其吸聲性能直接影響到座椅的吸聲系數(shù)，其透聲性會(huì)影響到坐墊和靠背中多孔吸聲材吸聲性能的發(fā)揮。通過(guò)測(cè)試蒙布的吸聲性能來(lái)選取座椅合適的蒙布，是提高座椅吸聲系數(shù)的第一步，本文中選取多種適用于高速列車(chē)座椅的蒙布，進(jìn)行吸聲性能測(cè)試。蒙布及吸聲測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2為只測(cè)試各種蒙布的吸聲效果，可以看出蒙布A的吸聲效果最好，其次是B，其余的效果相差不大，但是各個(gè)蒙布與阻燃粘和吸聲材料組合之后的效果，還需要進(jìn)一步研究。經(jīng)過(guò)對(duì)蒙布和阻燃?xì)?、吸聲材的組合測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)B+C蒙布的組合具有較好的吸聲效果，測(cè)試結(jié)果如下圖所示。硅膠發(fā)泡材密度大，因此硅膠選用30mm厚。從圖中可以看出B+C蒙布與阻燃?xì)?、三聚氰胺的組合吸聲效果最佳。

1.2多孔吸聲材吸聲研究

多孔吸聲材內(nèi)部具有大量細(xì)微孔隙，當(dāng)聲波入射到材料表面時(shí)，一部分在材料表面反射掉，另一部分則透射到材料內(nèi)部，引起孔隙中的空氣振動(dòng)，由于摩擦和空氣的粘滯阻力，將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纳⒌?。同時(shí)小孔中的空氣與孔壁、纖維之間的熱傳導(dǎo)引起的熱損失也使聲能衰減。因此選擇合適吸聲材料便可以將車(chē)內(nèi)關(guān)注頻段內(nèi)的噪聲吸收掉。

這里選用適用于座椅填充材料的三種進(jìn)行吸聲性能測(cè)試，具體測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，在0—600Hz內(nèi)聚氨酯發(fā)泡材的吸聲效果最好，在600—1100Hz內(nèi)三聚氰胺發(fā)泡材2的效果最好，在1100Hz以上三聚氰胺發(fā)泡材1的吸聲效果最好。

將不同厚度的三聚氰胺發(fā)泡材1進(jìn)行吸聲性能測(cè)試，如圖5所示，易知材料越厚其吸聲性能越好，80mm的三聚氰胺發(fā)泡材在700Hz以上的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出了優(yōu)異的吸聲性能，其吸聲系數(shù)接近于1。增加材料的厚度，低頻吸收很快增加，對(duì)高頻吸收的影響則很小，繼續(xù)增加材料的厚度，材料吸聲系數(shù)的增加值逐步減小，當(dāng)材料厚度達(dá)到一定值時(shí)，繼續(xù)增加材料厚度其吸聲系數(shù)將不會(huì)發(fā)生變化。

1.3穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)測(cè)試分析

穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的吸聲原理是當(dāng)聲音通過(guò)孔頸，聲波的頻率接近共振器的固有振動(dòng)頻率時(shí)，孔頸的空氣柱產(chǎn)生了強(qiáng)烈振動(dòng)，在振動(dòng)過(guò)程中，由于克服摩擦阻力而消耗聲能。因此其吸聲性能的特點(diǎn)是對(duì)頻率有較強(qiáng)的選擇性，只在一個(gè)特有的頻率附近有較強(qiáng)的吸聲作用，而在其他頻率范圍吸聲作用很小，這個(gè)頻率叫作共振器的共振頻率fo。穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)式是多個(gè)亥姆霍菲共振器的并聯(lián)組合，它的吸聲特性取決于板的穿孔率、板厚、孔徑、板厚空腔以及空腔的填充材料等因素。穿孔板共振頻率可以由下公式求得：

圖6為鋁制穿孔吸聲板，左圖為駐波管測(cè)試用樣件，右圖為坐墊支撐板用穿孔吸聲板。

在座椅中，穿孔板與吸聲材料配合使用起到吸聲的效果，由于80mm三聚氰胺發(fā)泡材1在700Hz以上頻段具有較高的吸聲系數(shù)，因此選用80mm三聚氰胺發(fā)泡材1和不同參數(shù)的穿孔吸聲板進(jìn)行組合測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

從圖5可以看出，單獨(dú)的80mm三聚氰胺吸聲材雖在700Hz以上高頻具有較高的吸聲系數(shù)但是其在低頻段內(nèi)吸聲系數(shù)較低，而從圖7可知，當(dāng)三聚氰胺吸聲材與穿孔板組合時(shí)，穿孔板對(duì)80mm三聚氰胺吸聲材低頻吸聲系數(shù)低的不足進(jìn)行了補(bǔ)充，使得三聚氰胺吸聲材在低頻、高頻段吸聲系數(shù)均得到了明顯的提高。從圖中可以看出在全頻段內(nèi)吸聲系數(shù)都較大的是板厚1.4mm孔徑5mm穿孔率12.6%加80mm三聚氰胺吸聲材的組合。

2座椅吸聲性能改進(jìn)與實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

2.1座椅吸聲性能改進(jìn)

為了提高座椅的吸聲性能，需對(duì)吸聲材加穿孔板的組合吸聲結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的混響室聲效果試驗(yàn)驗(yàn)證。座椅主要包括座墊、靠背、骨架支撐等結(jié)構(gòu)，座墊以及靠背的內(nèi)部有彈性材料做填充。針對(duì)座椅的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將靠背拉鉚支撐板、坐墊板設(shè)計(jì)為板厚1.4mm孔徑5mm穿孔率12.6%的穿孔板加80mm三聚氰胺吸聲材的組合。

2.2實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果分析

選用混響室法對(duì)改進(jìn)設(shè)計(jì)的吸聲座椅進(jìn)行吸聲系數(shù)測(cè)試，首先要測(cè)試空室的混響時(shí)間，其次要測(cè)試放有普通座椅和改進(jìn)座椅的混響室混響時(shí)間。座椅按照現(xiàn)車(chē)布置進(jìn)行排列，共計(jì)15把座椅如圖9所示。根據(jù)放置座椅前后混響室的混響時(shí)間來(lái)計(jì)算座椅的系數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

從測(cè)試結(jié)果可以看出，改造之后座椅吸聲系數(shù)在100Hz到5000Hz頻段內(nèi)都有提高，尤其是在250Hz到2500Hz頻段內(nèi)，吸聲系數(shù)提高十分明顯，改進(jìn)之后的座椅吸聲效果明顯。

3結(jié)論

本文對(duì)適用于高速列車(chē)座椅的蒙布、吸聲材、穿孔吸聲板進(jìn)行了吸聲性能研究。并對(duì)現(xiàn)車(chē)座椅進(jìn)行了吸聲性能改進(jìn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論有：

（1）雖然A蒙布單獨(dú)測(cè)試具有較好的吸聲效果，但是經(jīng)過(guò)對(duì)蒙布和阻燃?xì)帧⑽暡牡慕M合測(cè)試之后發(fā)現(xiàn)B+C蒙布與阻燃?xì)?、三聚氰胺的組合吸聲效果最佳。

（2）在三聚氰胺、聚氨酯、硅膠等多種吸聲材中，三聚氰胺的吸聲系數(shù)最大，同時(shí)選用合適參數(shù)的穿孔板與吸聲材進(jìn)行組合之后，使得三聚氰胺在低頻段內(nèi)的吸聲系數(shù)得到了較大的提高。

（3）對(duì)座椅靠背支撐板、坐墊板進(jìn)行吸聲改進(jìn)設(shè)計(jì)，使座椅的吸聲系數(shù)有了較大的提高。對(duì)改進(jìn)之后的15把座椅在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了吸聲效果試驗(yàn)，改進(jìn)之后座椅吸聲系數(shù)在100Hz到5000Hz都有提高，尤其是在250Hz到2500Hz頻段內(nèi)，吸聲系數(shù)提高十分明顯。