孫加平，張麗榮，孫海榮，王志海，王永成

(唐山軌道客車有限責任有限公司，河北 唐山 063035)

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

張偉[1]、張捷[2]等，對高速列車在不同運行速度下車內噪聲分別進行了現場測試，用聲品質響度評價高速列車車內噪聲環(huán)境，發(fā)現車內噪聲環(huán)境需要進一步改進以滿足人類聽覺舒。YuYu[3]，對高速列車車內噪聲進行了仿真預測分析，結果表明，地板空氣傳聲是車內噪聲的主要貢獻者之一。因此，優(yōu)化地板結構，提高地板隔聲性能，極有必要。說明，降低車內噪聲，改善車內聲場環(huán)境，地板隔聲量提高是關鍵問題。張玉梅等[4]，基于混合有限元—統(tǒng)計能量法及周期子結構原理，建立了高速列車波紋外地板聲學特性仿真模型,根據波紋外地板結構的傳遞損失評價隔聲性能，探尋隔聲性能優(yōu)越的外地板類型和結構型式。已有研究表明，復合型吸聲材料的應用對高速列車車內減震降噪具有十分重要的意義[5，6]。本文通過仿真手段，結合現有高速列車典型內地板結構，調研內地板關鍵結構，研究三明治夾芯板材料、厚度參數對內地板聲學性能的影響規(guī)律，為高速列車復合型內地板降噪設計和選材提供依據。

典型高速列車內地板結構從上往下，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、厚度對整個內地板隔聲性能的影響。材料和結構聲學性能的分析方法有多種，其傳遞矩陣法因其推導直觀、易于建立，且可用于分析均勻介質和非均勻介質構成的任意有限厚度的分層介質，在分層介質聲學特性分析中應用較為廣泛。

楊德林等[7]，引入了傳遞矩陣的概念計算分層介質中的聲透射。龐培森等[8]，推導了用傳遞矩陣法計算微穿孔板結構聲學性能的計算公式,并與用聲電類比法計算的結果、試驗測定數據進行了對比，結果顯示，傳遞矩陣法是可以作為微穿孔板結構設計和多層結構的一種簡單而有效的參考方法。

1 內地板結構隔聲計算模型

文獻[9]對采用傳遞矩陣法計算層狀復合結構隔聲量的有效性進行了詳細參數，結果表明，仿真與試驗結果吻合較好，傳遞矩陣法能夠有效計算復合板的隔聲特性。

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

圖1 內地板結構示意圖

圖2 內地板隔聲計算模型

在100 Hz～3 150 Hz頻率范圍，基于內地板隔聲計算模型，將計算分析三明治夾芯板不同材料參數和厚度對整個內地板隔聲量的影響。

2 三明治夾芯板參數調研

2.1 參數調研

三明治夾芯板不同結構對內地板隔聲量影響，分別調研，不同表層材質（木材、鋁材、鋼材）、不同蜂窩夾層密度及隨厚度變化下，內地板隔聲量變化規(guī)律，如表2所示。其中，地板布、隔音墊參數固定，具體參數如表1所示。

表1 內地板各結構的材料參數

表2 三明治夾芯板隔聲量計算工況

2.2 平均和計權隔聲量

內地板隔聲量計算結果如表3所示。

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

（1）改變三明治夾芯板表層材質（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內地板計權隔聲量在30.6 dB和48.4 dB間變化；

（2）三明治夾芯板表層材質對內地板隔聲量的影響，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內地板隔聲量的影響，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對比，內地板隔聲量提高5.7 mm～7.6 dB；鋁材比木材內地板隔聲量提高2.5 mm～7.3 dB；鋼材最優(yōu)表層厚度為3 mm～6 mm，最大計權隔聲量為48.3 dB；鋁材最優(yōu)表層厚度為4 mm～5 mm，最大計權隔聲量為41.6 dB；木材最優(yōu)表層厚度為5 mm～7 mm，最大計權隔聲量為36.4 dB；

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

圖3內地板計權隔聲量

圖4 給出了表層材質不同（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下，內地板平均隔聲量。從圖中可以看出，改變三明治夾芯板表層材質（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內地板平均隔聲量在27.3 dB和45.8 dB間變化。隔聲量隨各參數變化與上面計權隔聲量同。

表3 不同材料、厚度夾板下內地板隔聲量（dB）

圖4 內地板平均隔聲量

2.3 頻率隔聲量

2.3.1 不同材料對內地板頻率隔聲量的影響

為進一步研究三明治夾芯板材料參數對內地板隔聲量的影響，圖5給出了1 mm厚表層夾板，在不同材料、蜂窩夾層（鋁）下，內地板頻率隔聲量。

由圖5可以看出：

（1）表層夾板厚度1 mm時，鋼材作為表層材料，內地板隔聲量在各個頻段都最好，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提高約8 dB；鋁材作為表層時，各頻段隔聲量比木材作為表層時提高約3 dB；

（2）改變蜂窩夾層板密度，對整個內地板隔聲特性幾乎無影響。

2.3.2 不同材料對內地板頻率隔聲量的影響

為進一步研究三明治夾芯板表層、蜂窩夾層板厚度分布對內地板隔聲量的影響，圖6給出了相同材料參數下，表層厚度0～7.5 mm變化時，內地板的頻率隔聲量。從中可以看出：

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

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

圖5 內地板頻率隔聲量（同一厚度：夾板1mm厚）

圖6 內地板頻率隔聲量（同一材料，不同厚度）

由三明治夾芯板表層材質對內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，內地板隔聲量最好，其次是鋁材，最后是木材。

3 結語

三明治夾芯板不同結構對內地板隔聲量影響，分別調研表層材質不同（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下，內地板隔聲量變化規(guī)律。

改變三明治夾芯板表層材質（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度后，內地板隔聲量仿真結果表明：

（1）改變三明治夾芯板表層材質（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內地板計權隔聲量在30.6 dB和48.4 dB間變化；

（2）三明治夾芯板表層材質對內地板隔聲量影響，表層夾板厚度一定，鋼材作為表層材料，內地板隔聲量最好，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對比，內地板隔聲量提高5.7 dB～7.6 dB；鋁材與木材作為表層時對比，內地板隔聲量提高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內地板隔聲量影響，木材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～1.5 dB，木材最優(yōu)表層厚度為5 mm～7 mm，最大計權隔聲量為36.4 dB；鋁材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～3 dB，鋁材最優(yōu)表層厚度為4 mm～5 mm，最大計權隔聲量為41.6 dB；鋼材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～5 dB，鋼材最優(yōu)表層厚度為3 mm～6 mm，最大計權隔聲量為48.3 dB；

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

[1]張 偉，陳光雄，肖新標，金學松.高速列車車內噪聲聲品質客觀評價分析[J].鐵道學報，2011，33(2)：13-18.

[2]ZHANG Jie,Xiao Xin-biao,JIN Xue-song.Interior sound quality of a high-speed train running at more than 300 km/h[A].STECH’12,Seoul,Korea,2012.

[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，等.高速列車波紋外地板低噪聲優(yōu)化設計[J].交通運輸工程學報，1671-1637(2011)：65-71.

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

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

[7]楊德林，章向明，王安穩(wěn).分層介質系統(tǒng)聲透射問題的傳遞矩陣方法[J].海軍工程大學學報，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特性[J].聲學技術，1000-3630(2006)-01-0048-04.

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