高速列車組合地板結(jié)構(gòu)隔聲性能分析

李明，韓鐵禮，朱薈吉，姚丹，韓健

高速列車組合地板結(jié)構(gòu)隔聲性能分析

李明1，韓鐵禮1，朱薈吉2，姚丹2，韓健*,3

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司 技術(shù)研究中心，河北 唐山 063035；2.西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

為探究組合地板結(jié)構(gòu)中聲能量傳遞規(guī)律，設(shè)計(jì)出隔聲性能更好的高速列車地板結(jié)構(gòu)，本文基于FE-SEA混合法，建立了能夠完整考慮內(nèi)地板、木骨/彈性支撐、多孔吸聲材料和外地板的組合地板隔聲預(yù)測(cè)模型，并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。基于驗(yàn)證的模型，對(duì)比了兩種支撐方式（木骨和彈性支撐）對(duì)組合地板結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響。結(jié)果顯示：支撐方式為木骨時(shí)的計(jì)權(quán)隔聲量比彈性支撐大2 dB左右。且其頻率隔聲量在大部分頻率都高于彈性支撐，各個(gè)頻段內(nèi)木骨比彈性支撐大2～4 dB。組合地板的聲能量傳遞主要為“鋁型材－木骨/彈性支撐－內(nèi)地板”，傳遞率相比于“鋁型材－瀝水板－多孔吸聲材料－內(nèi)地板”超過(guò)了60%。多孔吸聲材料變化對(duì)組合地板隔聲性能影響很小，針對(duì)組合地板的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)更多的考慮木骨和彈性支撐的減振降噪措施。

高速列車；隔聲；組合地板；FE-SEA混合法；聲能量傳遞

隨著高速列車的快速發(fā)展，隨之而來(lái)的振動(dòng)噪聲問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注[1]。車外噪聲主要通過(guò)車體板材結(jié)構(gòu)傳播進(jìn)入到車廂內(nèi)部。地板結(jié)構(gòu)的異常振動(dòng)也會(huì)影響乘客舒適性[2]。為了能夠有效地抑制振動(dòng)噪聲從車外傳入車內(nèi)，設(shè)計(jì)出聲學(xué)性能良好的板件結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。

典型的高速列車地板結(jié)構(gòu)[3]主要包括內(nèi)地板和外地板，內(nèi)地板多為木質(zhì)地板或夾芯鋁地板。外地板一般為鋁合金中空擠壓型材結(jié)構(gòu)（鋁型材）。內(nèi)地板和外地板之間由彈性支撐或木骨連接，中間填充多孔吸聲材料。

孫加平等[4]和于金朋等[5]將內(nèi)地板結(jié)構(gòu)考慮為層狀結(jié)構(gòu)，采用傳遞矩陣法分析了“地板布＋內(nèi)地板＋隔音墊”的隔聲性能，對(duì)比了各層材料類型、密度和厚度等因素對(duì)層狀結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響。

對(duì)于鋁型材外地板結(jié)構(gòu)的隔聲性能研究主要分為：有限元/邊界元法、統(tǒng)計(jì)能量法和混合法。郭會(huì)越[6]通過(guò)有限元法建立了地板、側(cè)墻及頂板的隔聲仿真模型，對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行了優(yōu)化。張媛媛[7]基于統(tǒng)計(jì)能量法對(duì)鋁型材結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隔聲仿真分析，對(duì)比了阻尼處理對(duì)鋁型材隔聲性能的影響。吳健[8]基于FE-SEA的方法計(jì)算了地鐵車輛鋁型材結(jié)構(gòu)的隔聲性能，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證了模型。相比于有限元法和統(tǒng)計(jì)能量法，F(xiàn)E-SEA混合法可以更加精準(zhǔn)有效的預(yù)測(cè)鋁型材結(jié)構(gòu)在全頻段內(nèi)的隔聲性能。

車體結(jié)構(gòu)中的側(cè)墻[9]和頂板[10]結(jié)構(gòu)通?？傻刃椤半p層隔聲墻”結(jié)構(gòu)，即雙層板中間填充一定厚度的空氣層或多孔吸聲材料。但地板之間通常采用木骨或彈性支撐連接，相比于側(cè)墻和頂板，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。目前對(duì)于高速列車地板復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲性能的研究大多集中在試驗(yàn)測(cè)試方面[3]，仍缺少更加詳細(xì)的組合地板結(jié)構(gòu)隔聲性能預(yù)測(cè)模型，以對(duì)比不同層結(jié)構(gòu)之間的聲能量傳遞。

為探究組合地板結(jié)構(gòu)中聲能量傳遞規(guī)律，設(shè)計(jì)出隔聲性能更好的高速列車地板結(jié)構(gòu)，本文基于FE-SEA混合法，建立了能夠完整考慮內(nèi)地板、木骨/彈性支撐、多孔吸聲材料和外地板的組合地板隔聲預(yù)測(cè)模型，并且結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。基于驗(yàn)證的模型，對(duì)比了兩種支撐方式（木骨和彈性支撐）對(duì)地板結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響。本文研究結(jié)果可以為高速列車組合地板結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 高速列車組合地板隔聲預(yù)測(cè)模型

表1為某組合地板的排布方式及各層材料參數(shù)。

表1 組合地板的材料參數(shù)

基于FE-SEA混合法，在ESI VA One中建立高速列車組合地板的隔聲預(yù)測(cè)模型，對(duì)其隔聲性能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，計(jì)算模型如圖1所示。圖（a）中左、右兩個(gè)空腔分別模擬發(fā)聲室和接收室，在發(fā)聲室一側(cè)施加混響聲源，圖（b）中鋁型材（外地板）結(jié)構(gòu)、木骨和減振墊用FE子系統(tǒng)模擬，其他結(jié)構(gòu)用SEA子系統(tǒng)模擬。

圖1 高速列車組合地板隔聲預(yù)測(cè)模型

整個(gè)組合地板的隔聲量為[11]：

式中：為隔聲量，dB；為組合地板向接收室一側(cè)輻射能量時(shí)的輻射面積，m2；為角頻率，rad/s；0為空氣中的聲速，m/s；1為發(fā)聲室的能量，N·m；2為接收室的能量，N·m；1為發(fā)聲室的模態(tài)密度，modes/(rad·s-1)；2為接收室的模態(tài)密度，modes/(rad·s-1)；2為接收室的阻尼損耗因子。

2 高速列車組合地板隔聲模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證組合地板隔聲預(yù)測(cè)模型的有效性，在實(shí)驗(yàn)室中采用聲壓法測(cè)試了表1中組合地板的隔聲量。測(cè)試時(shí)樣件放置在隔聲測(cè)試工裝中，四周用密封膠密封。圖2為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)的組合地板樣件。組合地板的尺寸約為1.07×1.23×0.164 m3。

圖2 高速列車組合地板樣件

采用聲壓法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)，隔聲量為[12]：

式中：1為發(fā)聲室的平均聲壓級(jí)；2為接收室的平均聲壓級(jí)；為被測(cè)樣件的輻射面積，m2；為等效吸聲面積，m2，可通過(guò)測(cè)試接收室的混響時(shí)間得到。

建立與試驗(yàn)測(cè)試樣件同等大小、同樣排布的組合地板隔聲預(yù)測(cè)模型，模型中各層材料的密度通過(guò)稱重得到，彈性模量、泊松比和阻尼損耗因子等參數(shù)主要參考同類型材料確定，可能會(huì)與實(shí)際所用材料有所差異。聚酯纖維棉的吸聲系數(shù)通過(guò)駐波管測(cè)試后加載到模型中。模型中邊界條件定義為自由狀態(tài)。

為確保計(jì)算結(jié)果盡可能體現(xiàn)1/3倍頻程100～3150 Hz頻率范圍內(nèi)的隔聲性能，模型中的計(jì)算頻率定義為1/36倍頻程頻率90～3495 Hz。仿真預(yù)測(cè)和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 組合地板仿真預(yù)測(cè)和試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)比測(cè)試和仿真預(yù)測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)1/3倍頻程500～3150 Hz頻段內(nèi)的仿真預(yù)測(cè)結(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本接近，最大差異小于5 dB；500 Hz以下差異較大，可能與模型所選的材料參數(shù)和邊界條件有關(guān)，仿真預(yù)測(cè)時(shí)選用了自由邊界條件，實(shí)際測(cè)試中四邊用密封膠密封，二者存在一定的差異?？偟膩?lái)說(shuō)，仿真預(yù)測(cè)模型是可行的，可用于后續(xù)分析組合地板的隔聲性能影響因素。

3 支撐方式對(duì)隔聲性能的影響

組合地板結(jié)構(gòu)中，內(nèi)地板和外地板之間通常由木骨連接，在有座椅分布的區(qū)域，還存在彈性支撐連接，圖4為兩種支撐方式的對(duì)比圖。

圖4 兩種支撐方式樣件對(duì)比圖

在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試了這兩種支撐方式對(duì)組合地板隔聲量的影響，組合地板的各層材料參數(shù)與表1一致，兩種組合地板的差異僅為支撐方式的差異，組合地板1的支撐方式為木骨，組合地板2的支撐方式為彈性支撐。測(cè)試得到如圖5所示的結(jié)果。

從測(cè)試結(jié)果可看出，支撐方式為木骨時(shí)的計(jì)權(quán)隔聲量比彈性支撐大2.1 dB。支撐方式為木骨時(shí)的隔聲量在大部分頻率都高于彈性支撐，在1/3倍頻程100～160 Hz頻段范圍內(nèi)，差異約有5 dB，在1/3倍頻程630～1600 Hz頻段范圍內(nèi)，差異約有3 dB。建立同等大小的兩種組合地板隔聲量預(yù)測(cè)模型，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

仿真預(yù)測(cè)結(jié)果很好的預(yù)測(cè)出了兩種方案在1、3倍頻程250～3150 Hz頻帶內(nèi)的隔聲量差異，各個(gè)頻段內(nèi)組合地板1（木骨）比組合地板2（彈性支撐）大2～4 dB，更進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性。

相比于試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，仿真預(yù)測(cè)模型可以分析不同層結(jié)構(gòu)之間的聲能量傳遞。圖7為組合地板的能量傳遞路徑示意圖。聲功率的傳遞主要有兩種路徑：

（1）經(jīng)由鋁型材－瀝水板－多孔吸聲材料傳遞至內(nèi)地板；

（2）經(jīng)由鋁型材直接傳遞至木骨和橡膠墊（或彈性支撐），再傳遞至內(nèi)地板。

圖5 兩種支撐方式對(duì)組合地板隔聲量的影響（測(cè)試）

圖6 兩種支撐方式對(duì)組合地板隔聲量的影響（仿真）

圖7 組合地板能量傳遞路徑示意圖

圖8為這兩種組合地板各路徑聲功率級(jí)差異，并且計(jì)算了各路徑傳遞的聲功率級(jí)百分比。

從圖8可以看出，組合地板1中鋁型材的能量傳遞主要通過(guò)木骨傳遞至內(nèi)地板，聲功率級(jí)傳遞率為71.1%。組合地板2中鋁型材的能量傳遞主要通過(guò)彈性支撐傳遞至內(nèi)地板，聲功率級(jí)傳遞率為60.7%。因此，多孔吸聲材料變化對(duì)組合地板隔聲性能影響很小。針對(duì)組合地板的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)更多的考慮木骨和彈性支撐的減振降噪措施。

圖8 組合地板能量傳遞路徑

4 結(jié)論

本文基于FE-SEA混合法，建立了能夠完整考慮內(nèi)地板、木骨/彈性支撐、多孔吸聲材料和外地板的組合地板隔聲預(yù)測(cè)模型，并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性?；隍?yàn)證的模型，對(duì)比了兩種支撐方式（木骨和彈性支撐）對(duì)地板結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響。得出主要結(jié)論如下：

（1）采用FE-SEA混合法建立組合地板結(jié)構(gòu)隔聲預(yù)測(cè)模型，可以有效預(yù)測(cè)500～3150 Hz頻段內(nèi)的組合地板隔聲性能。仿真預(yù)測(cè)結(jié)果和測(cè)試結(jié)果基本接近，最大差異小于5 dB。

（2）對(duì)比組合地板中的兩種常見(jiàn)支撐方式：木骨和彈性支撐，支撐方式為木骨時(shí)的計(jì)權(quán)隔聲量比彈性支撐大2 dB左右。支撐方式為木骨時(shí)的隔聲量在大部分頻率都高于彈性支撐，各個(gè)頻段內(nèi)組合地板1（木骨）比組合地板2（彈性支撐）大2～4 dB。

（3）隔聲預(yù)測(cè)模型中的聲能量的傳遞主要有兩種路徑：一是經(jīng)由鋁型材－瀝水板－多孔吸聲材料傳遞至內(nèi)地板；二是經(jīng)由鋁型材直接傳遞至木骨和橡膠墊（或彈性支撐），再傳遞至內(nèi)地板。路徑二的傳遞率超過(guò)了60%。因此，多孔吸聲材料變化對(duì)組合地板隔聲性能影響很小。針對(duì)組合地板的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)更多的考慮木骨和彈性支撐的減振降噪措施。

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[11]ESI Group. VA One User Guide. 2010.

[12] 全國(guó)聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì). GB/T 19889.3-2005聲學(xué)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，2005.

Sound Insulation Performance Analysis of High-speed Train Composite Floor Structures

LI Ming1，HAN Tieli1，ZHU Huiji2，YAO Dan2，HAN Jian3

(1.Product Technology Research Center, CRRC Tangshan CO. Ltd., Tangshan 063035, China; 2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study and explore the law of acoustic energy transfer in the high-speed train composite floor structures, and improve their sound insulation performance, a prediction model was established based on the hybrid Finite Element-Statistical Energy Analysis (FE-SEA) method. The model takes into full consideration the interior floor, the wooden or elastic support, the porous sound absorption material and the exterior floor. The model is verified with experimental results. The effects of two supports (wooden or elastic supports) on the sound insulation performance of the floor structure were compared. The results show that the weighted sound reduction index of wooden supports is about 2 dB larger than the elastic support. The frequency dependent sound insulation of wooden supports is about 2~4 dB larger than the elastic support at most frequencies. The acoustic energy transfer of the composite floor is mainly transmitted directly to the wooden or elastic support via the exterior floor and then to the inner floor, with a transfer rate of more than 60%. The influence of the porous sound absorption material is small. For the optimized design of the composite floor, more consideration should be given to the vibration and noise reduction of the wooden or elastic support.

high-speed train；sound transmission loss；composite floor；the hybrid FE-SEA method；acoustic energy transfer

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.010

1006－0316 (2020) 10－0060－06

2020－07－29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃戰(zhàn)略性國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專項(xiàng)（2016YFE0205200）；四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（2020YJ0076）

李明（1983－），男，四川眉山人，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檐壍儡囕v綜合節(jié)能技術(shù)研究。

韓?。?987－），男，遼寧葫蘆島人，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)檐壍澜煌ㄕ駝?dòng)與噪聲控制，Email：super_han@126.com。