蔡明君，張懷強，夏東偉，周詩寧

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130000)*

隨著城市軌道交通發(fā)展規(guī)模的不斷擴大，在滿足軌道交通運輸便捷、安全的前提下，越來越多的目光聚焦在如何提高軌道交通車輛的舒適性問題上，而車內(nèi)噪聲水平是衡量軌道交通車輛舒適性的重要指標(biāo)之一，如何改善車輛的乘坐舒適性，降低車內(nèi)噪聲是擺在設(shè)計師面前的一個重要課題［1］.在噪聲傳播過程中對其進(jìn)行控制是目前最為行之有效的解決方式，車下噪聲是城市軌道車輛客室內(nèi)噪音的主要來源，所以客室地板也成為阻隔噪音的重要屏障之一.針對車內(nèi)噪聲控制，現(xiàn)有的地板安結(jié)構(gòu)分別從以下方面進(jìn)行優(yōu)化:如提高地板零部件的加工及裝配精度，避免在車輛運營過程中相鄰兩塊地板之間發(fā)生碰撞;在地板與車體之間的連接固定點處使用隔震墊，避免車輛運行過程中地板與車體底架產(chǎn)生碰撞;使用模塊化地板結(jié)構(gòu)，使地板與車體底架上表面的接合位置為浮動地板結(jié)構(gòu)，地板固定則依靠兩側(cè)的車體兩側(cè)的支撐型材［2］.現(xiàn)有地板安裝結(jié)構(gòu)避免了地板與地板之間、地板與車體之間剛性連接，在滿足地板支撐強度要求的同時，可有限避免車輛運行過程中地板與車體產(chǎn)生振動和噪音.在軌道車輛客室地板既有的降噪安裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從地板材料著手，使用新型復(fù)合材料提高地板本身的吸音降噪性能，可以進(jìn)一步提高整車的降噪性能.

1 城市軌道車輛車內(nèi)噪聲產(chǎn)生原因

要實現(xiàn)城市軌道車輛車內(nèi)噪聲的控制，必須要了解車輛運營過程中，車輛產(chǎn)生噪聲的源頭.在城市軌道車輛運營過程中，噪音的聲源主要來自車輛輪軌相對運動、車輛牽引及制動系統(tǒng)的運行噪音和車下吊裝的電氣設(shè)備工作噪聲以及其他噪聲(如車頂空調(diào)運行、受電弓網(wǎng)接觸以及車輛運行過程中的氣動噪聲)等［3］.現(xiàn)有研究表明，當(dāng)軌道車輛的運行速度低于250 km/h時，其車輛內(nèi)部噪音主要來自車輛運行所產(chǎn)生的輪軌噪聲;當(dāng)軌道車輛的運行速度高于250 km/h時，其車輛內(nèi)部噪音主要為空氣動力噪聲.我國城市軌道交通車輛的一般運營速度為60～80 km/h之間，所以車下噪聲是城市軌道交通噪聲的主要來源［4］.來自車下的噪聲和振動作用于車體底架及地板，激發(fā)車體底架和地板這種壁板結(jié)構(gòu)的振動，并向車輛內(nèi)部客室區(qū)域輻射噪聲，會給車內(nèi)乘客帶來極不舒適的乘坐體驗［5］.因此，通過優(yōu)化城市軌道車輛地板的安裝結(jié)構(gòu)以及提高地板本身的吸音降噪性能來改進(jìn)車輛隔音降噪性能已成為城市軌道車輛設(shè)計的發(fā)展趨勢.

2 城市軌道車輛地板安裝結(jié)構(gòu)

當(dāng)前車輛內(nèi)裝地板通常由鋁蜂窩夾芯板為主體，四周由鋁型材邊框構(gòu)成，相鄰兩塊地板之間通過鋁型材搭接在一起，搭接的接觸面粘有1 mm厚橡膠減震墊，搭接接頭利用螺釘連接固定.整個內(nèi)裝地板兩側(cè)的鋁型材邊框通過螺釘與車體鋁型材上的安裝座連接，中部利用橡膠墊塊提供彈性支撐，構(gòu)成浮動地板安裝結(jié)構(gòu)，搭接接頭處通過鋁型材或橡膠墊提供支撐.結(jié)構(gòu)如圖1所示.

此地板安裝結(jié)構(gòu)避免了地板與地板之間、地板與車體之間剛性連接，在滿足地板支撐強度要求的同時，有效避免了車輛運行過程中地板與車體產(chǎn)生振動和噪音.

圖1 城市軌道車輛地板降噪結(jié)構(gòu)

3 地板結(jié)構(gòu)耐火試驗結(jié)果與分析

在地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化的同時，為進(jìn)一步減少城市軌道車輛的車內(nèi)噪聲，則需要從地板材料著手，提高地板本身的吸音降噪性能.近年來，蜂窩鋁芯材的相關(guān)制品在國內(nèi)的生產(chǎn)制造已經(jīng)相當(dāng)普遍，現(xiàn)有車市軌道車輛地板普遍采用鋁蜂窩板材質(zhì)，其相對于鋁板及鋼板材質(zhì)的地板有著重量輕、強度好、隔音性能優(yōu)異的突出優(yōu)勢，相對于木質(zhì)地板有著更好的防火性能.但隨著城市軌道車輛的發(fā)展，人們對乘坐舒適性要求的逐步提高，鋁蜂窩地板已滿足不了城市軌道車輛對于高隔音量地板的要求，尤其70%低地板以及100%低地板有軌電車，由于車輛的低地板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致輪軌噪聲源離車內(nèi)客室區(qū)域距離更近，使其對地板的減震降噪性能要求也越高［6］.蜂窩鋁芯材的地板對于不同頻率噪音的隔聲值約為19～26dB，同時，由于其特殊的垂向中空結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其垂直于地板面方向的隔音效果遠(yuǎn)低于其水平方向［7］.近年來，新型高性能復(fù)合地板材料逐漸走進(jìn)人們的視野，為了進(jìn)一步改進(jìn)車輛降噪性能，以下探討了幾種常見的新型高性能復(fù)合材料，并對降噪性能進(jìn)行了分析對比.

3.1 復(fù)合隔音鋁蜂窩地板

隔聲材料根據(jù)其隔音機理的不同，可以分為多孔隔音材料和共振隔音材料兩種.其中，多孔隔音材料又包括泡沫材料、纖維材料和復(fù)合吸聲材料［8］.針對現(xiàn)有鋁蜂窩板材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及隔音材料的加工工藝，通過將基于合成橡膠具有復(fù)合孔狀結(jié)構(gòu)的柔性開孔聲學(xué)材料與鋁蜂窩板復(fù)合(即將隔音材壓入帶孔蜂窩芯內(nèi))，制作成高隔音量的復(fù)合鋁蜂窩地板(以現(xiàn)有的18 mm厚地板為例，如圖2所示).

圖2 復(fù)合隔音鋁蜂窩地板結(jié)構(gòu)

多孔吸聲材料是一種高分子復(fù)合材料，主要結(jié)構(gòu)特點是其內(nèi)部均勻分布著多個相互連通的微小孔隙，材料的隔聲原理聲波多層反射原理(如圖3所示)，當(dāng)外界噪聲接觸到隔音材的表面后，部分聲波直接被反射回到空氣介質(zhì)中.未被反射的一部分聲波則穿透隔聲材表面進(jìn)入到其內(nèi)部繼續(xù)傳播，聲波在隔音材內(nèi)部的微小孔隙中傳播導(dǎo)致固體孔壁或孔筋產(chǎn)生摩擦運動，加之空氣的粘滯性和熱傳導(dǎo)效應(yīng)，一部分聲能最終會被轉(zhuǎn)化為其他能量消散.未被轉(zhuǎn)化消散的這部分聲波經(jīng)過微小孔隙的剛性壁面不斷反射，再次輻射倒隔音材表面時，一部分透射回到空氣介質(zhì)中，另一部繼續(xù)回到隔音材內(nèi)部，噪聲通過這種反復(fù)地傳播、反射，最終不斷地被轉(zhuǎn)化消散，從而使多孔吸聲材料能夠?qū)崿F(xiàn)一個跟好的隔音效果［9］.

圖3 多孔吸聲材料的吸音原理示意

3.2 PET泡沫復(fù)合鋁地板

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫材料也是一種多孔復(fù)合材料，其隔聲原理與多孔泡沫隔音材料的相同，不同于基于合成橡膠具有復(fù)合孔狀結(jié)構(gòu)的柔性開孔聲學(xué)材料之處在于PET泡沫具有良好的尺寸穩(wěn)定性及強度，所以PET泡沫可以無需鋁蜂窩支撐，獨立作為地板芯材.PET泡沫復(fù)合鋁地板結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 PET泡沫復(fù)合鋁地板結(jié)構(gòu)

3.3 地板結(jié)構(gòu)3耐火試驗結(jié)果分析

酚醛復(fù)合材料是由改性酚醛樹脂為主體黏結(jié)劑、阻燃增強纖維及其輔助材料組成，經(jīng)特殊工藝得到的一種輕質(zhì)復(fù)合材料.通過將酚醛發(fā)泡，并與纖維增強有機組合，滿足了地板隔聲和強度的雙重需要.酚醛復(fù)合地板以酚醛復(fù)合材料作為地板的表層和底層，根據(jù)不同需求，可由巴沙木或輕芯鋼作為地板芯材.地板四周采用酚醛合成密封邊，可使整塊地板具有較好的強度剛度性能，復(fù)合酚醛地板結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 復(fù)合酚醛地板結(jié)構(gòu)

4 復(fù)合材料地板隔聲性能

4.1 隔聲試驗原理及流程

如圖6所示，兩間緊鄰的混響室，一間作為聲源室，另一間作接收室，兩室之間有一個公共墻面，墻面上有一個安裝通孔，用于安裝被測量的地板試件，為保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，用高密度密封膠進(jìn)一步填充樣件與安裝孔之間縫隙.

圖6 地板隔聲量測試原理

在聲源室使用無指向聲源作為噪聲發(fā)生器發(fā)出噪聲，形成均勻的擴散聲場，通過測量接收室一側(cè)試件表面的平均聲壓級和混響室的平均聲壓級，可計算出試件的隔聲量.

測量所得兩混響室的聲壓級LA和LB，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19889.3《聲學(xué)建筑和建筑構(gòu)件隔聲量測量第三部分:建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實驗室測量》的計算方法，得出特定頻率下的隔聲量R.

隔聲量計算式如式(1):

式中，R為特定頻率下的隔聲量(dB);LA為聲源室內(nèi)的平均聲壓級(dB);LB為接收室內(nèi)的平均聲壓級(dB);S為試件面積(m2)，一般等于試件孔面積;A為接收室的吸聲量(m2).

其中，接收室的吸聲量A按式(2)計算:

式中，V為接收室的空間體積(m3);T為接收室的混響時間(s).

噪聲發(fā)生器采用B＆K公司生產(chǎn)的4189-A-021型發(fā)生器，收聲設(shè)備采用B＆K公司生產(chǎn)的3160-A-042型多聲道分析儀，并用＆K公司生產(chǎn)的4231型聲級校準(zhǔn)器測量兩混音室聲壓級，同時，在環(huán)境條件為:15℃ -55、25%-75%RH，對幅面為1 m2的地板樣塊(18 mm厚)進(jìn)行測試.

4.2 復(fù)合隔音鋁蜂窩地板測試結(jié)果分析

復(fù)合隔音鋁蜂窩地板由于在鋁蜂窩芯材中加入基于合成橡膠具有復(fù)合孔狀結(jié)構(gòu)的柔性開孔聲學(xué)材料，不僅保留了鋁蜂窩地板優(yōu)良的機械性能，還使得復(fù)合隔聲鋁蜂窩地板的隔聲性能極大的提高.復(fù)合隔音鋁蜂窩地板1/3倍程頻率隔聲測試曲線如圖7所示，隔聲量如表1所示.

圖7 復(fù)合隔音鋁蜂窩地板隔聲測試結(jié)果

表1 復(fù)合隔音鋁蜂窩地板隔音量

4.3 PET泡沫復(fù)合鋁地板測試結(jié)果分析

PET泡沫復(fù)合鋁地板的機械性能與鋁蜂窩地板機械性能與傳統(tǒng)鋁蜂窩地板基本相同，地板強度略有提升，由于地板內(nèi)部均布這許多剛性微小孔隙，使得整個地板的隔熱降噪性能得到大幅提升.相同的條件及測試方法下，對幅面為1 m2的PET泡沫復(fù)合鋁地板(18 mm厚)進(jìn)行測試，PET泡沫復(fù)合鋁地板1/3倍程頻率隔聲測試曲線如圖8所示，其計權(quán)隔聲量可達(dá)到約30 dB左右，如表2所示.

圖8 PET泡沫復(fù)合鋁地板隔聲測試結(jié)果

表2 PET泡沫復(fù)合鋁地板隔音量報告

4.4 酚醛復(fù)合地板測試結(jié)果分析

酚醛復(fù)合地板的力學(xué)、機械性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋁蜂窩地板，相同的條件及測試方法下，酚醛復(fù)合地板1/3倍程頻率隔聲測試曲線如圖9所示，其計權(quán)隔音量可達(dá)到約33 dB左右，并且對于低頻噪聲的隔絕效果更為優(yōu)秀，如表3所示.

圖9 酚醛復(fù)合地板隔聲測試結(jié)果

表3 PET泡沫復(fù)合鋁地板隔音量報告

5 結(jié)論

在現(xiàn)有軌道車輛地板降噪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過采用新型高性能復(fù)合隔音材料作為軌道車輛內(nèi)裝地板的基材，可以有效的降低車內(nèi)噪聲，提高車輛舒適度.如圖10所示，通過三種材質(zhì)的地板試驗數(shù)據(jù)對比不難看出，復(fù)合隔音鋁蜂窩地板具有優(yōu)異的隔音性能，對高頻噪聲的隔聲效果更好，機械性能與傳統(tǒng)鋁蜂窩芯地板相同，地板機械性能參數(shù)見表4.但其密度較大，內(nèi)嵌預(yù)埋件及安裝型材的18mm厚(城市軌道車輛最常用的地板厚度)成品地板面密度約為15 kg/m2，不利于整車重量控制，對車輛的動力要求較高，適用于市域中高速軌道車輛.

PET泡沫復(fù)合鋁地板對于低頻噪聲的隔聲性能相對于另兩種材質(zhì)的地板較差，其對高頻噪聲的隔聲性能另兩種地板相當(dāng).其優(yōu)點在于密度較低，18 mm厚成品地板面密度約為10 kg/m2，相同條件下，PET泡沫芯材的剝離強度、彎曲強度與蜂窩鋁芯材板基本相同，但其剪切強度略低于鋁蜂窩板［10］，防火性能也無法滿足要求較高的EN45545防火標(biāo)準(zhǔn).適用于客運承載量不高的地面軌道交通車輛.

圖10 地板隔聲特性曲線

表4 不同材質(zhì)地板的機械性能參數(shù)

復(fù)合酚醛地板對于高頻及低頻噪聲的隔聲性能均比較優(yōu)異，并且密度較低，18 mm厚成品地板面密度僅為9 kg/m2左右，且各項機械性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鋁蜂窩地板，并且防火性能較好.但其成本較高，其價格約為復(fù)合隔音鋁蜂窩和PET泡沫復(fù)合鋁地板的2倍左右，約為傳統(tǒng)鋁蜂窩地板的5倍左右，其價格成為其大面積推廣的制約因素之一;另一方面，由于其特殊的材質(zhì)及工藝，導(dǎo)致復(fù)合酚醛地板內(nèi)無法增加預(yù)埋件，因此其對整車裝配工藝要求較高.適用于對于隔聲要求較高，同時對整車重量控制要求較為嚴(yán)格的軌道車輛.

隨著人們對城市軌道車輛乘坐舒適性要求的越來越高，提高車輛的隔聲降噪性能已經(jīng)越來越受到軌道車輛設(shè)計師的重視，探索先進(jìn)的材料應(yīng)用技術(shù)，優(yōu)化既有車輛結(jié)構(gòu)必將成為未來的發(fā)展趨勢.經(jīng)過前述的地板安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及新型復(fù)合隔聲材料在軌道車輛地板上的應(yīng)用，為城市軌道車輛的減振降噪優(yōu)化提供了參考.