高速列車新型車窗隔聲性能研究

石廣田，徐鄭驍，張小安，張曉蕓，楊力

（1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2.中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

當(dāng)列車以200 km/h以上的速度運(yùn)行時，噪聲污染問題將同列車安全性、牽引動力等因素一起限制高速列車的進(jìn)一步提速[1]。當(dāng)前研究多集中于高速列車板材隔聲問題的研究[2-5]。列車車窗區(qū)域作為噪聲敏感區(qū)域[6]，目前對于其研究主要針對普通車窗，如張玉梅等[7]建立高速列車雙板空腔結(jié)構(gòu)車窗隔聲量計算模型研究了車窗厚度、空腔厚度和空腔阻尼對車窗隔聲量的影響，劉繼生等[8]從隔聲機(jī)理角度比較了現(xiàn)用鐵路客車車窗玻璃中單層鋼化玻璃、鋼化中空玻璃和夾層中空玻璃3種結(jié)構(gòu)形式對隔聲效果的影響。此外徐振驍[9]開展了高速列車常用車窗玻璃的隔聲性能研究。對于真空車窗玻璃與智能車窗玻璃（電致變色車窗玻璃）卻鮮有研究，所以對于新型列車車窗的隔聲性能研究是很有必要的。本文通過建立更符合高速列車運(yùn)行環(huán)境的聲學(xué)計算模型，計算真空車窗玻璃的隔聲性能曲線，分析其聲橋長度、外板厚度以及真空度對其隔聲性能的影響，并對其各自影響規(guī)律進(jìn)行對比總結(jié)；以北京航空航天大學(xué)電致變色中心某型電致變色玻璃為例，計算電致變色車窗玻璃的隔聲性能曲線，分析其總隔聲量隨軟膜厚度變化的規(guī)律。將兩類新型車窗玻璃的隔聲性能曲線與現(xiàn)有高速列車車窗玻璃隔聲性能曲線進(jìn)行對比，說明其聲學(xué)性能在不同頻段或不同情況下的優(yōu)劣勢，對高速列車車窗玻璃選型與改進(jìn)有一定的實用價值。

1 聲學(xué)計算模型

在列車實際運(yùn)行中，內(nèi)部的聲場是有限的空間，而外部的聲場是接近無限的空間，參照實際情況，建立外部的空間較大的混響室，內(nèi)部按照高速列車內(nèi)部空間參數(shù)建立消聲室。建立如下圖1所示的高速列車車窗玻璃聲學(xué)計算模型：

圖1 高速列車車窗玻璃聲學(xué)計算模型

對真空玻璃進(jìn)行聲學(xué)建模時，其中間真空層的聲橋為較小的桿狀結(jié)構(gòu)，桿件結(jié)構(gòu)的振動模態(tài)密度分別用彎曲波數(shù)KB、圓頻率ω以及赫茲頻率f來表示如式(1)所示。

式中：N為模態(tài)數(shù)，l為中間聲橋的物理長度，CB為波速參數(shù)。即真空車窗玻璃中間的聲橋結(jié)構(gòu)的模態(tài)密度與其邊界條件無關(guān)。當(dāng)圓頻率ω發(fā)生變化時彎曲波速CB也會隨之變化，這種現(xiàn)象稱之為頻散現(xiàn)象。彎曲波雖然會出現(xiàn)頻散現(xiàn)象使原波形發(fā)生一定的改變，但是無論機(jī)器的疲勞故障或是人的耳朵對如此較小的波形細(xì)節(jié)的差異變化感知十分微弱。但是頻散現(xiàn)象能夠?qū)φ裥蛿?shù)和模態(tài)密度產(chǎn)生影響[10]。

真空車窗玻璃外部為板件結(jié)構(gòu)，其振動模態(tài)密度分別用彎曲波數(shù)KB、圓頻率ω以及赫茲頻率f來表示如式(2)所示。

式中：Ap為平板的表面積，R是平板截面的回轉(zhuǎn)半徑，Cl即為波速參數(shù)。由上式(2)可知，當(dāng)平板的表面積越大，或平板的厚度越小，則板間的模態(tài)密度越大。

進(jìn)行統(tǒng)計能量法（SEA）計算時，統(tǒng)計能量分析的子系統(tǒng)必須要求其子系統(tǒng)內(nèi)能夠儲存振動能量[10]。而只有當(dāng)一定數(shù)量的相似共振模態(tài)所組成的一組或一群能夠?qū)崿F(xiàn)共振運(yùn)動的子系統(tǒng)才可以儲存振動能量。這樣的一群或一組相似模態(tài)在統(tǒng)計能量分析中就可以視為一個統(tǒng)計能量子系統(tǒng)。一個SEA子系統(tǒng)在目標(biāo)帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)，與其子系統(tǒng)的特性參數(shù)，即模態(tài)密度有著直接關(guān)系。目前的統(tǒng)計能量計算具有低模態(tài)密度的子系統(tǒng)的耦合動力學(xué)問題時，計算精度并不高。而在式(1)和式(2)中，聲橋桿件的模態(tài)密度較低，真空車窗玻璃外板件的模態(tài)密度較高，所以為了提升計算精度，在對聲橋影響下真空車窗玻璃隔聲性能計算采用有限元-統(tǒng)計能量法（FE-SEA）混合計算方法。FE-SEA混合模型前處理如圖2所示。

圖2 FE-SEA混合模型前處理

由于聲橋在振動時與外板相連，故對真空玻璃聲橋的聲振模態(tài)進(jìn)行計算時不能僅僅計算柱形聲橋的自由模態(tài)，而需要對聲橋在真空外板的約束下的聲振模態(tài)信息進(jìn)行求解。求解前，將真空外板用較大網(wǎng)格進(jìn)行劃分，而對聲橋結(jié)構(gòu)則采用更為精密的網(wǎng)格，并檢查整體網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)行計算。求解模態(tài)結(jié)果如圖3所示（以前4階為例）。

圖3 真空車窗玻璃模態(tài)圖

將模態(tài)計算結(jié)果導(dǎo)入VA One中，生成有限元（FE）子系統(tǒng)模型，將有限元子系統(tǒng)模型與外部SEA板件相連接，將FE聲橋子系統(tǒng)SEA外板子系統(tǒng)與內(nèi)外側(cè)聲腔相連接，實現(xiàn)聲能傳遞，F(xiàn)E-SEA混合模型如圖4所示。

圖4 真空車窗玻璃FE-SEA混合模型

2 隔聲性能計算

依據(jù)上節(jié)聲學(xué)計算模型，分別計算真空車窗玻璃的聲橋長度屬性、板件厚度屬性以及真空度屬性對其隔聲性能的影響；并對電致變色車窗玻璃的隔聲性能進(jìn)行計算分析。

2.1 不同聲橋長度計算

真空腔內(nèi)的中空聲橋結(jié)構(gòu)不僅支撐著中空車窗玻璃的外側(cè)板件，還具有聲能傳遞的功能。故當(dāng)真空車窗玻璃的真空腔內(nèi)聲橋長度發(fā)生變化時，其隔聲量也勢必發(fā)生改變。本小節(jié)中采用控制變量的方法對真空玻璃真空腔內(nèi)聲橋長度與隔聲量的變化關(guān)系進(jìn)行研究。選用真空玻璃的真空介質(zhì)壓強(qiáng)為5 000 Pa保持不變，真空腔兩側(cè)的玻璃外板厚度保持不變，中間聲腔長度選為5 mm～30 mm（變化步長為5 mm）。將各個子系統(tǒng)同內(nèi)外側(cè)聲腔進(jìn)行連接，實現(xiàn)能量傳遞。計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 真空聲橋長度變化隔聲量對比圖

如圖5計算結(jié)果，當(dāng)真空車窗玻璃的聲橋長度發(fā)生變化時，其隔聲量總體有所增加。聲橋長度增加，其隔聲量的增加在個別頻段并不十分明顯。當(dāng)聲橋長度由5 mm變化至25 mm時，真空車窗玻璃在中低頻的隔聲量雖然有所增加，但是增幅并不明顯，當(dāng)真空聲橋長度增加至30 mm時，真空車窗玻璃在低頻段的隔聲量有較大的增幅。在高頻段，隨著聲橋長度的增加，真空車窗玻璃的隔聲量基本在全部的頻段都隨之增加但增幅較小。

隨著聲橋長度的增加，隔聲量也隨著增加。但是實際生產(chǎn)和使用時并不能無限制地增加聲橋長度來增強(qiáng)其隔聲量。當(dāng)聲橋長度每增加1 mm時，其總隔聲量隨之變化的增值大小能夠評判其總隔聲量隨厚度的變化速率，對真空玻璃聲橋長度的選擇具有參考意義，也能更直觀地考察其對總隔聲量增值的貢獻(xiàn)效率。即長度每增加1 mm所帶來的總隔聲量增值越大，其隔聲性能的經(jīng)濟(jì)適用型就越高。真空聲橋長度為5 mm～30 mm區(qū)間內(nèi)，真空車窗玻璃總隔聲量隨厚度變化增速如圖6所示。

如圖6計算結(jié)果，當(dāng)真空車窗聲橋長度變化區(qū)間為5 mm～30 mm時，其總隔聲量一直在增加，但是增速隨著厚度的增加逐漸變小。所以單純通過增加真空玻璃聲橋長度來增強(qiáng)其隔聲性能是不可取的。

圖6 總隔聲量增速與長度關(guān)系圖

2.2 不同板件厚度計算

當(dāng)真空車窗玻璃的兩側(cè)玻璃板件的厚度發(fā)生變化時，其隔聲量也勢必發(fā)生改變。本小節(jié)中采用控制變量的方法對真空玻璃面板厚度與隔聲量的變化關(guān)系進(jìn)行研究。選用真空玻璃的真空介質(zhì)壓強(qiáng)為5 000 Pa保持不變，真空腔的厚度設(shè)置為30 mm且保持不變，一側(cè)玻璃板件厚度為8 mm且保持不變，另一側(cè)厚度選為6 mm～16 mm的相同玻璃板件（變化步長為2 mm）。將各個子系統(tǒng)同內(nèi)外側(cè)聲腔進(jìn)行連接，實現(xiàn)能量傳遞。隔聲性能曲線結(jié)果如圖7所示所示。

圖7 不同厚度真空玻璃隔聲曲線

當(dāng)真空板件厚度由6 mm增加到16 mm過程中，隨著厚度的增加，真空車窗玻璃在低頻的隔聲量有所增加，但在中頻段的增值并不十分明顯；在中高頻段出現(xiàn)隔聲低谷時，其增量十分有限；在高頻區(qū)段可以很明顯看出隨著厚度的增加，真空車窗玻璃的隔聲性能有所增加。如圖8所示，當(dāng)真空車窗玻璃板件厚度變化區(qū)間為6 mm～16 mm時，其總隔聲量一直在增加，但是其增速隨著厚度的增加逐漸變小。與聲橋長度變化而引起的總隔聲量變化幅值相比，板件厚度變化所引起的總隔聲量變化幅值較大，即板件厚度對于真空車窗玻璃隔聲性能的影響要強(qiáng)于聲橋長度。

圖8 總隔聲量增速與厚度關(guān)系圖

2.3 不同真空度計算

對不同真空度的真空車窗玻璃進(jìn)行隔聲性能計算時，將中間所處于真空環(huán)境下的氣體介質(zhì)作為一個SEA子系統(tǒng)進(jìn)行建模。當(dāng)氣體介質(zhì)處于真空環(huán)境下時，其密度屬性，分子與分子或分子與其他粒子之間的作用力以及碰撞屬性發(fā)生變化。即在進(jìn)行統(tǒng)計能量法聲能計算時，根據(jù)子系統(tǒng)間功率流平衡方程，介質(zhì)所對應(yīng)的能量損耗矩陣（包含子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子以及子系統(tǒng)間的耦合損耗因子）發(fā)生改變，故對其真空度發(fā)生改變時，其隔聲量會隨之發(fā)生變化。以空氣介質(zhì)為例，當(dāng)氣體介質(zhì)所處壓強(qiáng)發(fā)生變化時，其本身氣體屬性會發(fā)生變化，本節(jié)中對4組真空度進(jìn)行真空車窗玻璃隔聲量計算，真空度分別為90 000 Pa，40 000 Pa，20 000 Pa和5 000 Pa。真空介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 不同真空度氣體參數(shù)表

當(dāng)真空度發(fā)生改變時，氣體介質(zhì)改變的參數(shù)以氣體介質(zhì)的密度尤為明顯，聲速以及運(yùn)動黏度的變化十分微小，聲速參數(shù)隨著上述真空度變化的變化數(shù)量級處于1.0×10-3等級，運(yùn)動黏度參數(shù)隨著上述真空度變化的變化數(shù)量級處于1.0×10-7等級。依據(jù)上述參數(shù)對真空SEA聲腔進(jìn)行屬性設(shè)置，真空玻璃的板件厚度保持不變，且真空層的厚度保持不變，計算如表1所示4種真空度下的真空車窗玻璃隔聲量（分別設(shè)置4種真空腔的壓力為：90 000 Pa、40 000 Pa、20 000 Pa、5 000 Pa，并進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9所示。

圖9中，當(dāng)真空度增加時，即氣體壓強(qiáng)變小時，真空玻璃的隔聲量隨之增加，且隨著真空度的增加，真空車窗玻璃的隔聲量在全部頻段都會增加，不會出現(xiàn)增加板件厚度或者增加薄膜結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)的隔聲低谷的交叉現(xiàn)象。如圖10所示。當(dāng)真空度由90 000 Pa變化到5 000 Pa時，其在各個區(qū)間的總隔聲量增速是不一樣的，真空度由90 000 Pa變化到40 000 Pa區(qū)間中，其總隔聲量的增速要小于真空度在40 000 Pa至20 000 Pa的增速，當(dāng)真空度由20 000 Pa向5 000 Pa變化時，其氣體介質(zhì)壓強(qiáng)每增加1 000 Pa，隔聲量增速大幅增加。即真空玻璃的真空度由小到大變化時，其隔聲量不僅有增加的趨勢，其隔聲量的增幅也隨著真空度的增加而增加。聲波的傳遞需要傳播介質(zhì)的參與，理想真空狀態(tài)時聲波是無法傳遞的，故真空度在20 000 Pa至5 000 Pa接近理想真空，總隔聲量增值出現(xiàn)急劇變化。

圖9 不同真空度車窗玻璃隔聲曲線

圖10 總隔聲量增速與真空度關(guān)系圖

2.4 電致變色車窗玻璃隔聲性能計算

電致變色軟膜車窗玻璃是將玻璃中加上一層具有電致變色功能的鍍層結(jié)構(gòu)。在聲學(xué)計算中常常通過增加阻尼層來降低振動的幅值，從而實現(xiàn)更好的隔聲效果，所以電致變色膜結(jié)構(gòu)減小玻璃板件振動幅值是切實可行的。本節(jié)對于電致變色鍍層的結(jié)構(gòu)損耗因子進(jìn)行分析，以研究其對隔聲性能的影響。

ηis是子系統(tǒng)i結(jié)構(gòu)材料（內(nèi)摩擦、滯后或黏彈性）特性的函數(shù)，結(jié)構(gòu)的振動能量E(E=Pd/ωη)與阻尼損耗因子成反比，所以增大結(jié)構(gòu)損耗因子能夠降低振動的幅值。如原結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的ηis為0.01的數(shù)量級，若在其原結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的表面覆蓋層狀阻尼材料，甚至能夠使結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的ηis達(dá)到0.1的數(shù)量級[12]。此時能夠使結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的振幅降低。以北京航空航天大學(xué)電致變色中心某型電致變色玻璃為例，電致變色軟膜的阻尼損耗因子區(qū)間如圖11所示。

圖11 常用材料彈性模量與損耗因子

目前的電致變色玻璃，其電致變色鍍膜的厚度都較小，在這里選用電致變色膜結(jié)構(gòu)的厚度為0.1 mm，即聲學(xué)模型的物理厚度參數(shù)為：6 mm+0.1 mm+10 mm。改變其阻尼損耗因子參數(shù)，選用具有代表性的η=0.01、η=0.1、η=1三組阻尼參數(shù)進(jìn)行電致變色車窗玻璃的隔聲量計算，結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同阻尼電致變色車窗玻璃隔聲曲線

根據(jù)計算結(jié)果如圖12所示。可以看出當(dāng)膜結(jié)構(gòu)的阻尼損耗因子η=0.01、η=0.1時，這兩種軟膜對于隔聲量影響遠(yuǎn)弱于阻尼損耗因子η=1的軟膜，尤其是在高頻段的改善更為優(yōu)異。

將電致變色軟膜的厚度改變分別取厚度為0.1 mm～1 mm（變化步長為0.1 mm），對其隔聲量曲線進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖13所示（以η=0.1為例），分析其總隔聲量隨厚度變化的變化速率如圖14所示。

圖13 不同厚度軟膜隔聲曲線

圖14 總隔聲量增速與厚度關(guān)系圖

當(dāng)電致變色膜結(jié)構(gòu)的厚度發(fā)生變化時，如圖13所示。隨著厚度的增加其隔聲量隨之增加，但在低頻段的變化并不十分明顯，隔聲量的增值主要出現(xiàn)在高頻區(qū)段。

如圖14所示當(dāng)電致變色車窗玻璃的鍍層阻尼損耗因子η=0.1、η=1時，增加單位厚度的鍍膜，其隔聲量的提升不同。當(dāng)阻尼損耗因子η=1時，增加0.1 mm厚度的鍍膜，其隔聲量的增值要大于阻尼損耗因子η=0.1的電致變色玻璃，且增值并不是隨著厚度增加而成正比。當(dāng)阻尼損耗因子η=0.1、η=1時，其隔聲量增速隨著軟膜厚度的增加有下降趨勢。

2.5 隔聲性能對比

選取兩組空腔厚度（20 mm、30 mm），對相同厚度屬性的真空車窗玻璃（選用不同真空度屬性）與中空車窗玻璃的隔聲量曲線進(jìn)行對比，如圖15所示。

圖15 真空-中空隔聲曲線對比圖

圖15（a）、圖15（b）為空腔厚度為20 mm、30 mm的中空車窗玻璃與真空車窗玻璃隔聲量曲線對比圖。當(dāng)空腔厚度屬性由20 mm變化至30 mm時，中空以及真空車窗玻璃的整體隔聲趨勢并沒有發(fā)生明顯變化，且中空車窗玻璃的整體隔聲量增值十分有限。真空度較低的真空玻璃（如圖中真空度為90 000 Pa）其隔聲性能在低頻段的隔聲性能甚至弱于相同厚度的中空玻璃，但是在高頻段的隔聲性能明顯優(yōu)于相同厚度的中空玻璃。真空車窗玻璃的真空度增加，其隔聲性能優(yōu)于相同厚度的中空玻璃。

選用北京航空航天大學(xué)電致變色實驗中心的某型電致變色軟膜玻璃為例，根據(jù)實驗中心實物相關(guān)參數(shù)，對帶有電致變色軟膜的車窗玻璃進(jìn)行聲學(xué)建模計算（以軟膜厚度為0.5 mm的電致變色車窗玻璃為例）其隔聲量曲線與相同厚度PVB夾片對比如圖16所示。

由圖16計算結(jié)果，某型電致變色軟膜車窗玻璃的隔聲性能與電致變色鍍膜略有不同，當(dāng)電致變色鍍膜玻璃在中低頻段的隔聲性能與相同厚度PVB膜類似，只是在高頻區(qū)段有所差別；但是電致變色軟膜玻璃與相同厚度的PVB夾層玻璃相比，在低頻和部分中頻段，其隔聲性能要略低于PVB夾層玻璃，但是在高頻段可以看出某型電致變色軟膜玻璃的隔聲性能要比相同厚度的PVB夾層玻璃具有更好的表現(xiàn)。

圖16 電致變色-PVB車窗隔聲曲線對比圖

3 結(jié)語

(1)真空車窗玻璃的隔聲性能隨著聲橋長度、板件厚度的增加而增加，但總隔聲量的增速隨著長度、厚度的增加呈下降趨勢；

(2)真空車窗玻璃的隔聲性能隨著真空度的增加而增加，但總隔聲量的增速隨著真空度的增加呈下降趨勢，對真空車窗玻璃隔聲性能影響最大的因素為真空度；

(3)真空車窗玻璃在真空度較低時，其隔聲性能在低頻段弱于相同厚度中空車窗玻璃，但真空度較高時，其隔聲性能大幅提高；

(4)電致變色軟膜厚度增加，隔聲性能隨之增加，在高頻段尤為明顯，現(xiàn)有電致變色軟膜車窗在高頻段相較于PVB車窗擁有更好的隔聲性能。