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        高速列車夾芯地板結(jié)構(gòu)隔聲特性研究

        2014-12-05 11:55:02孫加平張麗榮孫海榮王志海王永成
        噪聲與振動(dòng)控制 2014年4期
        關(guān)鍵詞:計(jì)權(quán)夾芯板鋁材

        孫加平,張麗榮,孫海榮,王志海,王永成

        (唐山軌道客車有限責(zé)任有限公司,河北 唐山 063035)

        隨著京滬高鐵客運(yùn)專線、京津城際、武廣客運(yùn)專線、鄭西客運(yùn)專線的開通運(yùn)營(yíng),中國已開始進(jìn)入高鐵時(shí)代。高速鐵路給人們帶來快捷、安全、舒適的同時(shí),也帶來了環(huán)境污染噪聲和振動(dòng)。

        張偉[1]、張捷[2]等,對(duì)高速列車在不同運(yùn)行速度下車內(nèi)噪聲分別進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,用聲品質(zhì)響度評(píng)價(jià)高速列車車內(nèi)噪聲環(huán)境,發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲環(huán)境需要進(jìn)一步改進(jìn)以滿足人類聽覺舒。YuYu[3],對(duì)高速列車車內(nèi)噪聲進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)分析,結(jié)果表明,地板空氣傳聲是車內(nèi)噪聲的主要貢獻(xiàn)者之一。因此,優(yōu)化地板結(jié)構(gòu),提高地板隔聲性能,極有必要。說明,降低車內(nèi)噪聲,改善車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境,地板隔聲量提高是關(guān)鍵問題。張玉梅等[4],基于混合有限元—統(tǒng)計(jì)能量法及周期子結(jié)構(gòu)原理,建立了高速列車波紋外地板聲學(xué)特性仿真模型,根據(jù)波紋外地板結(jié)構(gòu)的傳遞損失評(píng)價(jià)隔聲性能,探尋隔聲性能優(yōu)越的外地板類型和結(jié)構(gòu)型式。已有研究表明,復(fù)合型吸聲材料的應(yīng)用對(duì)高速列車車內(nèi)減震降噪具有十分重要的意義[5,6]。本文通過仿真手段,結(jié)合現(xiàn)有高速列車典型內(nèi)地板結(jié)構(gòu),調(diào)研內(nèi)地板關(guān)鍵結(jié)構(gòu),研究三明治夾芯板材料、厚度參數(shù)對(duì)內(nèi)地板聲學(xué)性能的影響規(guī)律,為高速列車復(fù)合型內(nèi)地板降噪設(shè)計(jì)和選材提供依據(jù)。

        典型高速列車內(nèi)地板結(jié)構(gòu)從上往下,由地板布、三明治夾芯板、隔音墊三部分組成。本文利用傳遞矩陣法研究三明治夾芯板材料參數(shù)、厚度對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲性能的影響。材料和結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的分析方法有多種,其傳遞矩陣法因其推導(dǎo)直觀、易于建立,且可用于分析均勻介質(zhì)和非均勻介質(zhì)構(gòu)成的任意有限厚度的分層介質(zhì),在分層介質(zhì)聲學(xué)特性分析中應(yīng)用較為廣泛。

        楊德林等[7],引入了傳遞矩陣的概念計(jì)算分層介質(zhì)中的聲透射。龐培森等[8],推導(dǎo)了用傳遞矩陣法計(jì)算微穿孔板結(jié)構(gòu)聲學(xué)性能的計(jì)算公式,并與用聲電類比法計(jì)算的結(jié)果、試驗(yàn)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果顯示,傳遞矩陣法是可以作為微穿孔板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多層結(jié)構(gòu)的一種簡(jiǎn)單而有效的參考方法。

        1 內(nèi)地板結(jié)構(gòu)隔聲計(jì)算模型

        文獻(xiàn)[9]對(duì)采用傳遞矩陣法計(jì)算層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲量的有效性進(jìn)行了詳細(xì)參數(shù),結(jié)果表明,仿真與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,傳遞矩陣法能夠有效計(jì)算復(fù)合板的隔聲特性。

        針對(duì)圖1所示高速列車內(nèi)地板結(jié)構(gòu),采用傳遞矩陣法,參考文獻(xiàn)[9],在ESI Nova 2010軟件系統(tǒng),建立了高速列車內(nèi)地板隔聲計(jì)算模型,如圖2所示。其中,內(nèi)地板結(jié)構(gòu)從上往下,由3 mm地板布、15 mm三明治夾芯板、5 mm隔音墊三部分組成,其中各結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)如表1所示。

        圖1 內(nèi)地板結(jié)構(gòu)示意圖

        圖2 內(nèi)地板隔聲計(jì)算模型

        在100 Hz~3 150 Hz頻率范圍,基于內(nèi)地板隔聲計(jì)算模型,將計(jì)算分析三明治夾芯板不同材料參數(shù)和厚度對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲量的影響。

        2 三明治夾芯板參數(shù)調(diào)研

        2.1 參數(shù)調(diào)研

        三明治夾芯板不同結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響,分別調(diào)研,不同表層材質(zhì)(木材、鋁材、鋼材)、不同蜂窩夾層密度及隨厚度變化下,內(nèi)地板隔聲量變化規(guī)律,如表2所示。其中,地板布、隔音墊參數(shù)固定,具體參數(shù)如表1所示。

        表1 內(nèi)地板各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)

        表2 三明治夾芯板隔聲量計(jì)算工況

        2.2 平均和計(jì)權(quán)隔聲量

        內(nèi)地板隔聲量計(jì)算結(jié)果如表3所示。

        圖3給出了表層材質(zhì)不同(木材、鋁材、鋼材)、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下,內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量。從圖中可以看出。

        (1)改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)(木材、鋁材、鋼材)、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布,內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量在30.6 dB和48.4 dB間變化;

        (2)三明治夾芯板表層材質(zhì)對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響,表層夾板厚度一定,鋼材作為表層材料,內(nèi)地板隔聲量最好,其次是鋁材,最后是木材;

        (3)三明治夾芯板夾板厚度與蜂窩板厚度分布對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響,三明治夾芯板總厚度不變,改變夾板厚度(1 mm~7.5 mm變化),鋼材與鋁材作為表層時(shí)對(duì)比,內(nèi)地板隔聲量提高5.7 mm~7.6 dB;鋁材比木材內(nèi)地板隔聲量提高2.5 mm~7.3 dB;鋼材最優(yōu)表層厚度為3 mm~6 mm,最大計(jì)權(quán)隔聲量為48.3 dB;鋁材最優(yōu)表層厚度為4 mm~5 mm,最大計(jì)權(quán)隔聲量為41.6 dB;木材最優(yōu)表層厚度為5 mm~7 mm,最大計(jì)權(quán)隔聲量為36.4 dB;

        (4)蜂窩板夾層材料密度對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響,蜂窩板密度降低50%,內(nèi)地板隔聲量有增加趨勢(shì),但影響較?。坏珜?duì)木材,在夾板厚度為7 mm時(shí),隔聲量提高1.5 dB。

        圖3內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量

        圖4 給出了表層材質(zhì)不同(木材、鋁材、鋼材)、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下,內(nèi)地板平均隔聲量。從圖中可以看出,改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)(木材、鋁材、鋼材)、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布,內(nèi)地板平均隔聲量在27.3 dB和45.8 dB間變化。隔聲量隨各參數(shù)變化與上面計(jì)權(quán)隔聲量同。

        表3 不同材料、厚度夾板下內(nèi)地板隔聲量(dB)

        圖4 內(nèi)地板平均隔聲量

        2.3 頻率隔聲量

        2.3.1 不同材料對(duì)內(nèi)地板頻率隔聲量的影響

        為進(jìn)一步研究三明治夾芯板材料參數(shù)對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響,圖5給出了1 mm厚表層夾板,在不同材料、蜂窩夾層(鋁)下,內(nèi)地板頻率隔聲量。

        由圖5可以看出:

        (1)表層夾板厚度1 mm時(shí),鋼材作為表層材料,內(nèi)地板隔聲量在各個(gè)頻段都最好,其次是鋁材,最后是木材。其中鋼材作為表層,各頻段隔聲量比木材作為表層時(shí)提高約8 dB;鋁材作為表層時(shí),各頻段隔聲量比木材作為表層時(shí)提高約3 dB;

        (2)改變蜂窩夾層板密度,對(duì)整個(gè)內(nèi)地板隔聲特性幾乎無影響。

        2.3.2 不同材料對(duì)內(nèi)地板頻率隔聲量的影響

        為進(jìn)一步研究三明治夾芯板表層、蜂窩夾層板厚度分布對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響,圖6給出了相同材料參數(shù)下,表層厚度0~7.5 mm變化時(shí),內(nèi)地板的頻率隔聲量。從中可以看出:

        (1)表層材料不變,增加表層夾板厚度,內(nèi)地板各頻段隔聲量普遍提高。但當(dāng)厚度達(dá)到一定時(shí),內(nèi)地板隔聲量在高頻出現(xiàn)低谷;

        (2)木材夾層板,厚度每增加1 mm,各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB~1.5 dB。鋁材夾層板,厚度每增加1 mm,各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB~3 dB。鋼材夾層板,厚度每增加1 mm,各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB~5 dB。

        圖5 內(nèi)地板頻率隔聲量(同一厚度:夾板1mm厚)

        圖6 內(nèi)地板頻率隔聲量(同一材料,不同厚度)

        由三明治夾芯板表層材質(zhì)對(duì)內(nèi)地板隔聲量的影響表明,表層夾板厚度一定,鋼材作為表層材料,內(nèi)地板隔聲量最好,其次是鋁材,最后是木材。

        3 結(jié)語

        三明治夾芯板不同結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響,分別調(diào)研表層材質(zhì)不同(木材、鋁材、鋼材)、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下,內(nèi)地板隔聲量變化規(guī)律。

        改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)(木材、鋁材、鋼材)、蜂窩夾層密度后,內(nèi)地板隔聲量仿真結(jié)果表明:

        (1)改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)(木材、鋁材、鋼材)、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布,內(nèi)地板計(jì)權(quán)隔聲量在30.6 dB和48.4 dB間變化;

        (2)三明治夾芯板表層材質(zhì)對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響,表層夾板厚度一定,鋼材作為表層材料,內(nèi)地板隔聲量最好,其次是鋁材,最后是木材。三明治夾芯板總厚度不變,變化夾板厚度(1 mm~7.5 mm變化),鋼材與鋁材作為表層時(shí)對(duì)比,內(nèi)地板隔聲量提高5.7 dB~7.6 dB;鋁材與木材作為表層時(shí)對(duì)比,內(nèi)地板隔聲量提高2.5 dB~7.3 dB;

        (3)三明治夾芯板夾板厚度與蜂窩板厚度分布對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響,木材夾層板,厚度每增加1 mm,各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB~1.5 dB,木材最優(yōu)表層厚度為5 mm~7 mm,最大計(jì)權(quán)隔聲量為36.4 dB;鋁材夾層板,厚度每增加1 mm,各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB~3 dB,鋁材最優(yōu)表層厚度為4 mm~5 mm,最大計(jì)權(quán)隔聲量為41.6 dB;鋼材夾層板,厚度每增加1 mm,各個(gè)頻段隔聲量提高1 dB~5 dB,鋼材最優(yōu)表層厚度為3 mm~6 mm,最大計(jì)權(quán)隔聲量為48.3 dB;

        (4)蜂窩板夾層材料密度變化對(duì)內(nèi)地板隔聲量影響不大。蜂窩板密度降低50%,內(nèi)地板隔聲量有增加趨勢(shì),但影響較小。

        [1]張 偉,陳光雄,肖新標(biāo),金學(xué)松.高速列車車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)客觀評(píng)價(jià)分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2011,33(2):13-18.

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        [3]YU Yu,XIAO Xin-biao,JIN Xue-song,WANG Di,WANG Heng-yu.Prediction of interior noise in a cabin of high speed train using FE-SEA hybrid methods[C].Inter-Noise,2011,Osaka,Japan,2011.

        [4]沈火明,張玉梅,肖新標(biāo),等.高速列車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),1671-1637(2011):65-71.

        [5]丁 曉,王昌田,韓寶坤,鮑懷謙,符俊杰.泡沫鋁復(fù)合板低頻吸聲性能實(shí)驗(yàn)分析與研究[J].噪聲與振動(dòng)控制,2010,30(5):196-198.

        [6]萬 翾,吳錦武.傳遞矩陣法分析復(fù)合材料層合板的傳聲損失[J].噪聲與振動(dòng)控制,2013,33(1):45-50.

        [7]楊德林,章向明,王安穩(wěn).分層介質(zhì)系統(tǒng)聲透射問題的傳遞矩陣方法[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),1009-3486(2000)03-0028-03.

        [8]龐培森,汪鴻振.用傳遞矩陣法分析微穿孔板的聲學(xué)特性[J].聲學(xué)技術(shù),1000-3630(2006)-01-0048-04.

        [9]J.F.Allard.Propagation of sound in porous media[J].Elsevier Applied Science,London,1993:174-175.

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