劉 彬

(天津鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，300240，天津//助教)

研究發(fā)現(xiàn)，地鐵列車車內(nèi)噪聲主要來自輪軌噪聲、車輛結(jié)構(gòu)噪聲及車內(nèi)設(shè)備噪聲等[1]。針對(duì)車輛的降噪問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作。文獻(xiàn)[2-4]對(duì)車內(nèi)噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，并分析噪聲的輻射特性。文獻(xiàn)[5]對(duì)不同鋁合金車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲量測(cè)試研究，得到最佳聲學(xué)性能的車體結(jié)構(gòu)組合。目前，我國(guó)對(duì)于車內(nèi)降噪措施的研究主要集中在隔聲與吸聲等方面。文獻(xiàn)[6-9]探討了不同阻尼漿厚度以及阻尼分布形式對(duì)鋁型材地板減振降噪的影響。文獻(xiàn)[10-11]從吸聲角度分析多孔吸聲材料對(duì)地鐵吸聲降噪的影響。成灌線是我國(guó)首條采用軌面吸聲板降噪的鐵路，從聲源上有效控制了噪聲的傳播。

本文在以上研究的基礎(chǔ)上，采用FE-SEA(有限元-統(tǒng)計(jì)能量分析)混合法[12-13]對(duì)兩種不同的城軌車輛地板結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲量研究，探究其隔聲特性分布規(guī)律，為進(jìn)一步提高城軌車輛隔聲水平提供依據(jù)。

1 FE-SEA混合法基本原理

在FE-SEA混合法中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度矩陣由FE子系統(tǒng)剛度矩陣和SEA子系統(tǒng)直達(dá)場(chǎng)剛度矩陣耦合而成，SEA子系統(tǒng)施加外界載荷于此耦合矩陣，并向SEA子系統(tǒng)混響場(chǎng)傳遞能量。當(dāng)FE子系統(tǒng)與SEA子系統(tǒng)耦合時(shí)，其整體響應(yīng)為：

(1)

式中:

Sqq——FE子系統(tǒng)中接點(diǎn)位移響應(yīng);

Sff,ext——FE子系統(tǒng)上的外部載荷，在隔聲問題中為外部聲壓;

Sff,m,rev——第m個(gè)SEA子系統(tǒng)的混響場(chǎng)在耦合接點(diǎn)處的統(tǒng)計(jì)平均作用力;

Ddir——直達(dá)場(chǎng)中FE子系統(tǒng)與SEA子系統(tǒng)的整體剛度矩陣。

根據(jù)直混場(chǎng)互惠定理可得：

(2)

式中：

Em——第m個(gè)SEA子系統(tǒng)所具有的平均統(tǒng)計(jì)能量;

ω——圓頻率;

nm——第m個(gè)SEA子系統(tǒng)的模態(tài)密度。

式(2)中虛部代表第m個(gè)SEA子系統(tǒng)對(duì)整體剛度矩陣的阻抗。

由于各子系統(tǒng)功率平衡，則FE-SEA耦合系統(tǒng)的功率平衡方程為：

Pin,j+Pin,dir,j=Pout,j+Pdiss,j

(3)

式中:

Pin,j——外界輸入功率;

Pin,dir,j——FE子系統(tǒng)通過直達(dá)場(chǎng)對(duì)子系統(tǒng)j的輸入功率;

Pout，j,Pdiss，j——分別為輸出功率及子系統(tǒng)j自身?yè)p耗功率。

式(3)整體功率平衡方程的矩陣表達(dá)形式為：

(4)

式中:

ηN——第N個(gè)SEA子系統(tǒng)的內(nèi)損耗因子;

ηjk——SEA子系統(tǒng)j、k之間的耦合因子。

方程(4)中包含了描述FE-SEA模型的四大性能參數(shù)：模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子以及外界輸入功率。當(dāng)以上參數(shù)得到確定后，即可求解得到系統(tǒng)的整體平均響應(yīng)能量。

根據(jù)以上原理，在ESI公司開發(fā)的VA one軟件中建立鋁型材聲學(xué)預(yù)測(cè)模型，將預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。根據(jù)混響室-半消聲室測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)添加聲載荷(DAF)模塊和半無限大聲場(chǎng)(SIF)，鋁型材長(zhǎng)寬高分別為1 500 mm、1 200 mm、40 mm，上板厚3 mm，筋板厚2.5 mm，下板厚4 mm，無內(nèi)飾粘接材料，內(nèi)部加強(qiáng)筋為三角形單元布置的裸地板。將其按照每個(gè)波長(zhǎng)包含至少6個(gè)單元進(jìn)行離散，在125～4 000 Hz頻率范圍內(nèi)，預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值結(jié)果對(duì)比

從圖1可以看出，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之間的誤差較小。因此,該方法可用于后續(xù)仿真預(yù)測(cè)。

2 FE-SEA混合模型建立

2.1 地鐵車輛地板結(jié)構(gòu)

目前,地鐵車輛上常用的地板多為鋁型材加內(nèi)飾材料結(jié)構(gòu)，既滿足輕量化設(shè)計(jì),又能達(dá)到承載要求。圖2為兩種不同的地板結(jié)構(gòu)斷面，為便于區(qū)分，設(shè)為a、b兩類地板。

a) a類地板

兩種地板均以三角筋鋁型材作為基本骨架。a類地板地板布粘接在蜂窩鋁板上，蜂窩鋁板與鋁型材之間隔著由橡膠制成的減振墊。這種地板具有良好的減振和平整度，在南寧地鐵2號(hào)線、鄭州地鐵1號(hào)線均有使用。b類地板去掉蜂窩鋁板結(jié)構(gòu)，地板布直接鋪設(shè)在鋁型材表面，鋁型材中空部分填充隔聲隔熱材料，并在鋁型材底部噴涂阻尼漿。這種地板具有良好的隔聲降噪、隔熱性能。武漢地鐵1號(hào)線采用此種地板結(jié)構(gòu)。

2.2 地板FE-SEA模型

根據(jù)以上地板結(jié)構(gòu)，在VA one中建立兩種地板的FE-SEA混合模型。地板劃分為14 879個(gè)殼單元組成的FE子系統(tǒng)，邊界條件為簡(jiǎn)支;在地板表面施加DAF激勵(lì)載荷，半無限大聲場(chǎng)采用SIF模塊模擬消聲室與混響室SEA子系統(tǒng)，流場(chǎng)介質(zhì)默認(rèn)為空氣。整體FE-SEA隔聲預(yù)測(cè)模型如圖3所示。

圖3 地板FE-SEA聲學(xué)模型

3 仿真計(jì)算分析

3.1 不同地板隔聲特性

兩種地板使用的中空鋁型材相同，上板厚3 mm，中間板厚2.5 mm，下板厚4 mm，中間空腔厚度為40 mm?？涨惶畛涓魺岵牧喜捎锰祭w維，流阻為9 000 N·s/m4。其他材料的具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

在nastran中建立兩種地板的有限元模型，導(dǎo)入VA one,生成兩種地板的FE-SEA模型。以長(zhǎng)1 500 mm、寬1 200 mm的地板模型為實(shí)例，計(jì)算其在100～3 150 Hz頻率范圍內(nèi)的隔聲量，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在100～250 Hz頻率范圍內(nèi)，a地板的隔聲量明顯高于b地板。在該區(qū)域內(nèi)，剛度對(duì)隔聲量的影響起主要作用，由于b地板取消了蜂窩板結(jié)構(gòu)，而采用阻尼材料代替，導(dǎo)致b地板整體剛度降低，從而使地板整體隔聲量降低，且隨著整體剛度的增加，第一階共振頻率增大。與a地板相比，b地板減少5 kg蜂窩鋁板，增加了2.4 kg阻尼材料，有效地抑制了鋁型材在315～800 Hz頻率范圍的振動(dòng)，提升了地板在該頻率段內(nèi)的隔聲量。隨著頻率的升高，阻尼的隔聲效應(yīng)減弱，地板的局部振動(dòng)效應(yīng)占主導(dǎo)地位，a地板因減振墊之間存在空腔間隙，聲波在小聲腔內(nèi)不斷反射消耗能量，從而增加了高頻部分的隔聲量。

圖4 a、b地板隔聲量對(duì)比

3.2 阻尼厚度對(duì)隔聲特性影響

從仿真結(jié)果可以看出，阻尼材料能有效地提高低頻段內(nèi)的隔聲量，而地鐵車輛車內(nèi)噪聲主要以低頻成分為主，為探究阻尼材料厚度對(duì)地板隔聲量的影響，設(shè)置2 mm、4 mm、6 mm、8 mm等4個(gè)阻尼厚度梯度，敷設(shè)于b地板上，計(jì)算不同阻尼厚度的隔聲特性曲線。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5可以看出,隨著阻尼厚度增加，隔聲特性曲線向上移動(dòng)，隔聲量呈現(xiàn)增大趨勢(shì);在250～800 Hz頻率范圍內(nèi)，阻尼充分發(fā)揮其剪切耗能優(yōu)勢(shì)，隔聲效果明顯，但隨著阻尼厚度的增加，隔聲量提升效果逐漸減弱，其中當(dāng)阻尼厚度從2 mm增加到4 mm時(shí)，隔聲量的提升效果最佳，最大隔聲量增量達(dá)3.8 dB。由于阻尼材料的某些參數(shù)與實(shí)際情況存在一定的差距，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果和實(shí)際略有出入，但總的趨勢(shì)一致，故計(jì)算結(jié)果在一定程度上反映了阻尼厚度對(duì)地鐵車輛地板隔聲量的作用規(guī)律。

圖5 不同阻尼厚度隔聲特性曲線

4 結(jié)語

本文采用FE-SEA混合法對(duì)兩類常見地鐵車輛地板進(jìn)行隔聲性能的仿真計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1) a類地鐵車輛地板的隔聲優(yōu)勢(shì)區(qū)間為100～250 Hz和800～3 150 Hz，b類地板則在315～800 Hz頻率范圍內(nèi)有較優(yōu)的隔聲效果。根據(jù)不同車輛內(nèi)部的噪聲分布選擇相應(yīng)的地板,能有效降低車內(nèi)噪聲。

(2) 阻尼材料能有效降低車內(nèi)噪聲，隨著阻尼材料厚度的增加，隔聲量增加，但阻尼材料的隔聲效率有所下降，當(dāng)阻尼材料厚度增大到某一值時(shí)，阻尼材料的隔聲效果開始減弱。結(jié)合安裝空間及輕量化設(shè)計(jì)要求，選擇合適的阻尼厚度，可以同時(shí)滿足輕量化與低噪聲要求。