隔聲材料排布順序?qū)?fù)合板材隔聲特性的影響

徐　磊，張學(xué)飛，王瑞乾，趙陽(yáng)宇，李　曄

（1.常州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州西南交通大學(xué) 軌道交通研究院，江蘇 常州 213164）

?

隔聲材料排布順序?qū)?fù)合板材隔聲特性的影響

徐磊1，張學(xué)飛1，王瑞乾1，趙陽(yáng)宇2，李曄1

（1.常州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州西南交通大學(xué) 軌道交通研究院，江蘇 常州 213164）

對(duì)高速列車(chē)平頂組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲測(cè)試，調(diào)換其中2塊隔聲墊的前后位置后，平頂組合結(jié)構(gòu)隔聲特性發(fā)生顯著改變。針對(duì)這一問(wèn)題，基于統(tǒng)計(jì)能量法探究雙層隔聲復(fù)合板材中材料排布順序?qū)τ谡w結(jié)構(gòu)隔聲特性的影響規(guī)律，分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因；接著，進(jìn)一步利用基于統(tǒng)計(jì)能量法的隔聲預(yù)測(cè)模型對(duì)三層隔聲復(fù)合板材中材料排布順序?qū)φw隔聲特性的影響進(jìn)行延伸探究。結(jié)果表明：對(duì)于雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩種隔聲材料的種類(lèi)一定時(shí)，將隔聲量較大的材料置于近聲源端，將隔聲量較小的置于遠(yuǎn)聲源端，對(duì)整體結(jié)構(gòu)隔聲量的提升最顯著，主要提升低頻隔聲量；對(duì)于三層復(fù)合結(jié)構(gòu)，情況較為復(fù)雜，其中，將隔聲量最大的材料置于近聲源端，將隔聲量次大的材料置于遠(yuǎn)聲源端，將隔聲量最小的材料置于中間時(shí)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)隔聲量的提升最顯著，且同時(shí)提升低頻和中頻隔聲量。研究?jī)?nèi)容對(duì)于工程中復(fù)合材料隔聲性能的進(jìn)一步改善有借鑒意義。

聲學(xué)；高速列車(chē)；隔聲；統(tǒng)計(jì)能量法；復(fù)合板材；排布順序

高速列車(chē)的車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題［1］已經(jīng)逐漸成為其運(yùn)營(yíng)可靠性、安全性、舒適性等的重要影響因素之一?，F(xiàn)有的有關(guān)高速列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲問(wèn)題的研究成果多集中于車(chē)內(nèi)噪聲的測(cè)試與仿真［3-5］以及舒適性評(píng)價(jià)［6-8］等。而對(duì)于如何有效控制車(chē)內(nèi)噪聲，以及如何開(kāi)展相應(yīng)的低噪聲設(shè)計(jì)則涉及較少。一般而言，高速列車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲根據(jù)其傳遞路徑的不同，可以分為空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲兩種主要形式［9］。其中，提高復(fù)合板材的隔聲量是針對(duì)空氣傳聲路徑進(jìn)行車(chē)內(nèi)噪聲控制的有效方法。

改善復(fù)合板材隔聲性能的具體措施有很多［10，11］，而隔音墊的使用是其中比較簡(jiǎn)單和普遍的做法。于金鵬等研究了隔音墊厚度、彈性模量和密度等材料參數(shù)對(duì)高速列車(chē)內(nèi)地板隔聲特性的影響規(guī)律［12］；王瑞乾對(duì)隔音墊粘合方式對(duì)高速列車(chē)內(nèi)地板隔聲特性的影響做了仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)探究［13］。本文則以高速列車(chē)平頂結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，探究隔聲材料排布順序?qū)?fù)合板材隔聲特性的影響。實(shí)際工程應(yīng)用中，將多層具有隔聲、吸聲、阻尼減振等用途的材料復(fù)合起來(lái)，往往可以得到隔聲量更高的結(jié)構(gòu)。

為了找到隔聲水平更高的高速列車(chē)平頂結(jié)構(gòu)形式，文中將2個(gè)調(diào)換了隔音墊前后位置的平頂結(jié)構(gòu)作為設(shè)計(jì)方案，對(duì)其分別進(jìn)行隔聲特性的測(cè)試。對(duì)于測(cè)試結(jié)果的差異，文中通過(guò)統(tǒng)計(jì)能量法建模，探究了該差異產(chǎn)生的原因；并在該模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究子板排布順序?qū)θ龑痈袈晱?fù)合板材隔聲特性的影響規(guī)律。所建模型及得到的結(jié)論可為工程中復(fù)合材料隔聲性能的提高提供方法借鑒和理論指導(dǎo)。

1　高速列車(chē)平頂組合結(jié)構(gòu)隔聲測(cè)試

針對(duì)高速列車(chē)平頂結(jié)構(gòu)隔聲性能要求并綜合考慮重量、空間的限值，初步設(shè)計(jì)了二種平頂結(jié)構(gòu)組合方案，方案內(nèi)容如表1所示，區(qū)別在于方案2是將方案1中鋁型材上方的5 mm隔音墊和2 mm隔聲墊互換位置。需要說(shuō)明的是，不銹鋼板為平頂結(jié)構(gòu)的外側(cè)，即面對(duì)聲源的一側(cè)，隔音包布為平頂結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)，即背離聲源的一側(cè)。圖1給出了二種平頂方案的樣件截面。樣件面積為970 mm×985 mm。

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19889.3-2005［14］，利用混響室-混響室方法，對(duì)以上2種平頂結(jié)構(gòu)樣件進(jìn)行隔聲特性測(cè)試，測(cè)試中心頻率為100 Hz～3 150 Hz，測(cè)試方法如下：

將試件置于測(cè)試洞口內(nèi)，用螺栓將試件固定牢靠后，周邊做密封。揚(yáng)聲器、傳聲器及其之間相互位置的技術(shù)要求滿足GB/T19889.3-2005。分別于聲源室和接收室測(cè)得1/3倍頻程內(nèi)各頻帶的平均聲壓級(jí)分別為L(zhǎng)a和Lb。所得到的聲壓級(jí)代入式（1），可求得試件各頻帶的隔聲量。

表1　高速列車(chē)平頂結(jié)構(gòu)組合方案

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

計(jì)權(quán)隔聲量Rw在工程上一般都用來(lái)作為被測(cè)試件隔聲量的單值評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50121-2005《建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》［15］，將已測(cè)隔聲構(gòu)件在三分之一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(jì)權(quán)隔聲曲線，該曲線在500 Hz頻率下的隔聲量即作為計(jì)權(quán)隔聲量Rw。

圖2給出了二種平頂結(jié)構(gòu)組合方案的隔聲量測(cè)試結(jié)果。由圖2可知，400 Hz～1 250 Hz頻段內(nèi)，方案1和方案2的隔聲量基本持平，1 250 Hz以上高頻段內(nèi)，方案1略高于方案2；尤其在315 Hz以下低頻段內(nèi)，方案1的隔聲量顯著高于方案2，提高量為1 dB～3 dB；從計(jì)權(quán)隔聲量Rw來(lái)看，方案1比方案2高了0.9 dB。可見(jiàn)，當(dāng)將5 mm隔音墊置于更靠近聲源的位置，而將2 mm隔音墊置于較遠(yuǎn)離聲源的位置時(shí)，平頂結(jié)構(gòu)組合方案隔聲量更高，尤其提高了低頻隔聲量。

為了進(jìn)行更深入的探究，分別對(duì)以上平頂組合方案所用的5 mm隔聲墊和2 mm隔聲墊進(jìn)行隔聲測(cè)試。測(cè)試方法跟以上平頂結(jié)構(gòu)組合方案的測(cè)試方法相同。隔聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

隔聲墊是一層具有隔聲能力的材料。5 mm隔聲墊和2 mm隔聲墊相比，由于二者厚度、面密度、阻尼等參數(shù)的不同，而形成了不同的隔聲能力。圖4給出了2種隔聲墊的隔聲量測(cè)試結(jié)果，表2給出了這兩塊隔聲墊的基本參數(shù)以及計(jì)權(quán)隔聲量測(cè)試結(jié)果。由該表可見(jiàn)，5 mm隔聲音墊的計(jì)權(quán)隔聲量比2 mm隔聲墊提高了近8 dB。

圖1　平頂結(jié)構(gòu)組合方案截面

圖2　平頂結(jié)構(gòu)組合方案隔聲特性測(cè)試結(jié)果

圖3　隔聲測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖4　隔音墊隔聲特性測(cè)試結(jié)果

表2　隔聲墊基本參數(shù)及隔聲性能

由以上分析可見(jiàn)，隔音墊的種類(lèi)沒(méi)有改變，僅僅改變了2種隔聲墊的排布順序，即造成了平頂結(jié)構(gòu)組合方案隔聲量的顯著變化。針對(duì)這一問(wèn)題，下面基于統(tǒng)計(jì)能量法，建立雙層復(fù)合板材隔聲預(yù)測(cè)模型，探究該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并對(duì)隔音墊排布順序?qū)φw結(jié)構(gòu)隔聲特性的影響規(guī)律展開(kāi)深入研究。

2　雙層隔聲復(fù)合板材隔聲特性探究

基于統(tǒng)計(jì)能量法，在VA-one中建立雙層復(fù)合板材的隔聲預(yù)測(cè)模型，如圖5所示。兩層隔音板厚度均為1 mm，且間夾2 mm空氣層，以模擬兩層隔音板之間的結(jié)構(gòu)材料引起的聲衰減；復(fù)合板兩側(cè)各建立一聲腔，并在其中一聲腔內(nèi)施加混響聲場(chǎng)，以分別模擬聲源室及接收室。

圖5　基于統(tǒng)計(jì)能量法的隔聲預(yù)測(cè)模型

為探究隔聲材料排布順序?qū)?fù)合板材隔聲特性的影響，計(jì)算中設(shè)置兩種計(jì)算工況，工況內(nèi)容如表3所示。即采用1 mm鐵板與1 mm鋁板，分別模擬隔聲量大小不同的兩塊隔聲材料，在計(jì)算中調(diào)換兩者的位置，探究其排布順序?qū)τ谡w結(jié)構(gòu)隔聲特性的影響，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

表3　基于統(tǒng)計(jì)能量法的隔聲計(jì)算工況設(shè)置

圖6　基于統(tǒng)計(jì)能量法的雙層復(fù)合板材隔聲計(jì)算結(jié)果

由圖6可見(jiàn)，兩種工況的隔聲曲線在500 Hz以上頻段相差很小，而在400 Hz以下低頻段，工況2隔聲量高于工況1，提高了1 dB～3 dB。即是說(shuō)，將隔聲量較大的鐵板置于近聲源端，而隔聲量較小的鋁板置于遠(yuǎn)聲源端，更有利于提高該雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲水平，主要是低頻隔聲量提高了。

統(tǒng)計(jì)能量方法的計(jì)算結(jié)果均與高速列車(chē)平頂組合結(jié)構(gòu)的結(jié)果規(guī)律相一致，解釋了調(diào)換隔音墊順序后，平頂結(jié)構(gòu)隔聲特性發(fā)生顯著變化的原因：將隔聲量更大的隔聲材料置于近聲源端，將隔聲量較小的隔聲材料置于遠(yuǎn)聲源端，更有利于整體結(jié)構(gòu)隔聲水平的提升，它主要提升了低頻隔聲量。

3　三層隔聲復(fù)合板材隔聲特性探究

在雙層復(fù)合板材統(tǒng)計(jì)能量法隔聲預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上，增加一層隔聲材料，形成三層復(fù)合板材，進(jìn)一步探究隔聲材料排布順序?qū)θ龑訌?fù)合板材隔聲特性的影響規(guī)律，其隔聲預(yù)測(cè)模型如圖7所示。

圖7　三層復(fù)合板材隔聲預(yù)測(cè)模型

取1 mm鋁板、2 mm鋁板、3 mm鋁板各一塊作為復(fù)合結(jié)構(gòu)中的三層隔聲材料，每?jī)蓪硬牧祥g夾2 mm空氣層，并按照不同的排布順序組合后進(jìn)行隔聲計(jì)算，計(jì)算工況如表4所示。圖8給出了所有工況的計(jì)算結(jié)果。

由圖8，可做以下分類(lèi)比較：

（1）比較工況1和工況2，工況2相當(dāng)于在工況1的基礎(chǔ)上將近聲源端材料與遠(yuǎn)聲源端材料互換位置而得到。在250 Hz以上頻段，二者基本重合，在200 Hz以下頻段，工況2比工況1隔聲量大1 dB～3 dB。同時(shí)，工況3和工況4的比較結(jié)果、工況5和工況6的比較結(jié)果均與工況1和工況2的比較結(jié)果相近。這說(shuō)明，當(dāng)中間材料不變時(shí)，將另外兩種材料之中隔聲量較大的置于近聲源端，隔聲量較小的置于遠(yuǎn)聲源端，能夠更有效地提升結(jié)構(gòu)隔聲水平，它主要提升低頻隔聲量。

圖8　三層復(fù)合板材隔聲計(jì)算結(jié)果

（2）比較工況1和工況3，工況3相當(dāng)于在工況1的基礎(chǔ)上將遠(yuǎn)聲源端材料與中間材料互換位置而得到。在200 Hz以下的低頻段和1 600 Hz以上的高頻段，二者基本重合，在250 Hz～1 250 Hz中頻段，工況1比工況2隔聲量大1 dB～3 dB。同時(shí)，工況2和工況6的比較結(jié)果、工況4和工況5的比較結(jié)果均與工況1和工況3的比較結(jié)果相近。這說(shuō)明，當(dāng)近聲源端材料不變時(shí)，將另外兩種材料之中隔聲量較大的置于遠(yuǎn)聲源端，隔聲量較小的置于中間，能夠更有效地提升結(jié)構(gòu)隔聲水平，它主要提升中頻隔聲量。

（3）比較工況1和工況5，工況5相當(dāng)于在工況1的基礎(chǔ)上將近聲源端材料與中間材料互換位置而得到。在1 250 Hz以上的高頻段，二者基本重合，在1 000 Hz以下中低頻段，工況5比工況1隔聲量大2 dB～6 dB。同時(shí)，工況2和工況4的比較結(jié)果、工況5和工況6的比較結(jié)果均與工況1和工況5的比較結(jié)果相近。這說(shuō)明，當(dāng)遠(yuǎn)聲源端材料不變時(shí)，將另外兩種材料之中隔聲量較大的置于近聲源端，隔聲量較小的置于中間，能夠更有效地提升結(jié)構(gòu)隔聲水平，它主要提升中低頻隔聲量。

以上三組比較結(jié)果說(shuō)明，對(duì)于三層隔聲復(fù)合板材，當(dāng)三種隔聲材料種類(lèi)確定時(shí)，將隔聲量最大的材料置于近聲源端，將隔聲量次大的材料置于遠(yuǎn)聲源端，將隔聲量最小的材料置于中間時(shí)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)的低頻隔聲量、中頻隔聲量以及整體隔聲量均為最大。

表4　三層復(fù)合板材隔聲計(jì)算工況設(shè)置

4　結(jié)語(yǔ)

對(duì)二個(gè)調(diào)換隔聲墊前后位置的平頂組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲特性測(cè)試。對(duì)于測(cè)試結(jié)果的顯著差異，文中基于統(tǒng)計(jì)能量法，建立雙層板隔聲預(yù)測(cè)模型，探究該差異產(chǎn)生的原因；并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究隔聲材料排布順序?qū)θ龑痈袈晱?fù)合板材隔聲特性的影響規(guī)律。得到結(jié)論如下：

（1）將5 mm隔聲墊置于近聲源端，2 mm隔聲墊置于遠(yuǎn)聲源端時(shí)，高速列車(chē)平頂組合結(jié)構(gòu)的低頻隔聲量以及整體隔聲量均更高。

（2）對(duì)于雙層隔聲復(fù)合板材，當(dāng)兩種隔聲材料種類(lèi)確定時(shí)，將隔聲量較大的材料置于近聲源端，隔聲量較小的材料置于遠(yuǎn)聲源端時(shí)，更有利于提高整體結(jié)構(gòu)的隔聲水平，它主要提高低頻隔聲量。

（3）對(duì)于三層隔聲復(fù)合板材，當(dāng)三種隔聲材料種類(lèi)確定時(shí)，將隔聲量最大的材料置于近聲源端，將隔聲量次大的材料置于遠(yuǎn)聲源端，將隔聲量最小的材料置于中間時(shí)，該復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲水平最高，主要體現(xiàn)在中低頻段。該研究結(jié)果對(duì)于工程中復(fù)合材料隔聲性能的進(jìn)一步提高有重要借鑒意義。

［1］張捷，肖新標(biāo)，韓健，等.高速列車(chē)車(chē)內(nèi)客室端部噪聲分布特性與聲學(xué)模態(tài)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（12）：97-103.

［2］韓光旭，溫澤峰，張捷，等.車(chē)輪非圓化對(duì)高速列車(chē)振動(dòng)噪聲的影響［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（4）：10-13.

［3］HARDY A E J.Measurement and assessment of noise withinpassengertrains［J］.JournalofSoundand Vibration，2000，231（3）:819-829.

［4］SAPENA J，TABBAL A，JOVé J，et al.Interior noise prediction in high-speed rolling stock driver’s cab:focus on structure-borne paths（mechanical and aero sources）［C］.Proceedings of the 10 th International Workshop on Railway Noise，Nagahama，Japan，18-22 October 2010: 445-452.

［5］YU Y，XIAO X B，JIN X S，et al.Prediction of interior structure borne noise of a cabin of high speed train using FE-SEA hybrid methods［C］.Proceedings of the 10 th International Workshop on Railway Noise，Nagahama，Japan，18-22 October 2010:445-452.

［6］LETOURNEAUX F，GUERRAND S.Assessment of the acoustical comfort in high-speed trains at the SNCF: Integration of subjective parameters［J］.Journal of Sound and Vibration，2000，231（3）:839-846.

［7］ETIENNE P，NACER H，JOHAN J.Noise assessment in a high-speed train［J］.Applied Acoustics，2002，63:1109-1124.

［8］張捷，肖新標(biāo)，王諦，等.350 km/h以上高速列車(chē)觀光區(qū)噪聲特性及其評(píng)價(jià)研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2012，34（10）：23-29.

［9］EADE P W，HARDYA E J.Railway vehicle internal noise［J］.Journal of Sound and Vibration，1977，51（3）:403-415.

［10］沈火明，張玉梅，肖新標(biāo)，等.高速列車(chē)波紋外地板低噪聲優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2011，11（2）：65-71.

［11］王瑞乾，肖新標(biāo)，劉佳，等.阻尼噴涂式高速列車(chē)鋁型材減振降噪特性試驗(yàn)［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（4）：52-55.

［12］于金鵬，劉小霞，黃雪飛，等.隔音墊對(duì)高速列車(chē)內(nèi)地板隔聲特性的影響［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（4）：35-38.

［13］王瑞乾.高速列車(chē)地板結(jié)構(gòu)隔聲及隔聲提高方法探究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2014.

［14］全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 19889-2005建筑和建筑構(gòu)件隔聲測(cè)量第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

［15］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T 50121-2005建筑隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

Influence of the Insulation MaterialArrangement on Sound Insulation Properties of Composite Sheets

XULei1，ZHANG Xue-fei1，WANG Rui-qian1，ZHAO Yang-yu2，LIYe1

（1.School of Urban Rail Transit，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu China；2.Changzhou Institute of Railtransport，Southwest Jiaotong University，Changzhou 213164，Jiangsu China）

The insulation performance of the flat roof composite structure of a high-speed train is tested.It is found that when the positions of the two insulation pads in the structure are exchanged，the sound insulation performance of the composite structure will change significantly.To solve this problem，influences of the arrangement order of the insulation materials in a double-layer composite sheet and a triple-layer composite sheet on their sound insulation performances are studied respectively based on statistical energy method.Results show that for the double-layer composite sheet，the material layer with high insulation capacity should be arranged on the side close to the sound source and the layer with low insulation capacity should be arranged far from the sound source so as to raise the sound insulation of the overall structure significantly，especially in the low frequency range.For the triple-layer composite structure，the material layer with highest insulation capacity should be arranged on the side close to the sound source，the layer with secondary high insulation capacity should be arranged on the side far from the sound source，and the layer with lowest insulation capacity should be placed in the middle of the composite sheet so as to raise the sound insulation of the overall structure significantly，as well as to raise the sound insulation capacity in the medium and low frequency range.This work is of reference significance for further improvement of the sound insulation properties of composite sheets.

acoustics；high-speed train；sound insulation；SEA；composite sheet；arrangement order

U270.1+6

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.012

1006-1355（2016）04-0058-05

2015-03-20

徐磊（1991-），男，江蘇省無(wú)錫市人，碩士，主要研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄔ肼暸c振動(dòng)分析。

張學(xué)飛，男，碩士生導(dǎo)師。E-mail:zxfzxf1989@sina.com