周云龍，徐涆文，許天嘯，肖新標(biāo)

（西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

高速列車速度的不斷提升為車內(nèi)的噪聲舒適性提出了更高的挑戰(zhàn)。而高速列車的噪聲源并不少，一般來說，氣動(dòng)噪聲和輪軌噪聲是高速列車車內(nèi)噪聲最主要的兩種激勵(lì)方式，其傳遞路徑也較為復(fù)雜[1-2]。車窗是高速列車不可或缺的組成部件之一，使用窗框和硬橡膠等元件與車體連接。在高速列車運(yùn)行時(shí)，車外噪聲源（輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲等）通過激振車窗等車體部件向車內(nèi)輻射噪聲[3]。而車窗是車外噪聲傳遞進(jìn)來的一條關(guān)鍵路徑，需要被注意以及關(guān)注。因此，研究車窗的隔聲對(duì)改善車內(nèi)聲舒適度是極為必要的。

目前，國內(nèi)外對(duì)高速列車車窗的聲振特性研究相對(duì)較少[4-11]。首先，張玉梅等[4-5]建立了高速列車車窗雙板空腔模型，在基于波動(dòng)法和模態(tài)疊加法的情況下，討論了雙板不同厚度比時(shí)隔聲量的最佳配比以及空氣空腔阻尼對(duì)高速列車車窗隔聲量的影響。并基于當(dāng)前參數(shù)的調(diào)查，得到了最優(yōu)隔聲量工況。Yang[6]通過聲壓法和聲強(qiáng)對(duì)單層玻璃自適應(yīng)邊界層（Automatically Matched Layer，AML）模型進(jìn)行了驗(yàn)證，并基于此建立雙板空腔結(jié)構(gòu)隔聲模型，賦予中間空腔的屬性從空氣轉(zhuǎn)變成氬氣，并結(jié)合遺傳算法對(duì)雙板幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。石廣田等[7]和徐鄭驍[8,11]對(duì)空腔為真空的車窗進(jìn)行了板件厚度、聲橋長度和真空度屬性等不同參數(shù)的調(diào)查，并提出在高頻段區(qū)域一種電致變色軟膜車窗玻璃的隔聲性能優(yōu)于PVB夾層玻璃。朱薈吉等[9]對(duì)理想邊界條件和一般邊界條件下車窗的隔聲的影響進(jìn)行了研究，并提出相應(yīng)車窗與車體安裝剛度理想值。PAN等[10]將湍流邊界作為激勵(lì)源，分別將雙側(cè)玻璃厚度、空腔厚度和空腔阻尼損失因子作為不同參數(shù)討論了高速列車車外表面脈動(dòng)壓力對(duì)車窗的隔聲性能的影響。XU等[11]采用統(tǒng)計(jì)能量法（Statistical Energy Analysis，SEA）分別對(duì)單層玻璃、夾層玻璃和雙層中空玻璃車窗進(jìn)行了隔聲性能比較，在不考慮漏聲的情況下，將鋁合金窗框和不同密封材料進(jìn)行組合，研究了車窗與窗框之間的密封材料對(duì)車窗整體的隔聲的影響。

然而，從目前對(duì)高速列車車窗的聲振特性研究來看，對(duì)車窗的隔聲性能研究基本是忽略了窗框，只考慮了“板－空腔－板”結(jié)構(gòu)的研究思路。窗框作為連接車窗與車體結(jié)構(gòu)的部件之一，卻少有人將其考慮進(jìn)車窗并進(jìn)行整體的聲振特性研究。因此，研究窗框?qū)Ω咚倭熊囓嚧罢w性能的影響是很有必要的。因此，本文以高速列車車窗作為研究對(duì)象，基于有限元－統(tǒng)計(jì)能量法（FE-SEA）混合法理論，對(duì)高速列車車窗在有窗框與無窗框的兩種情況下分別做隔聲性能分析。同時(shí)引入一種新型Mn-Cu阻尼合金材料屬性賦予窗框結(jié)構(gòu)，將阻尼合金框車窗與傳統(tǒng)鋁合金框車窗的隔聲性能進(jìn)行比較分析，闡述兩種不同材料屬性窗框?qū)φw車窗的隔聲性能的影響，為接下來高速列車車窗的窗框結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供些許參考。

1 計(jì)算理論

對(duì)于聲振耦合問題，目前主要有三種處理方法：有限元法（FEM）、統(tǒng)計(jì)能量法（SEA）和邊界元法（BEM）。FEM和BEM作為確定性子系統(tǒng)的分析方法，在高頻段的計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)并不是很好；SEA是一種非確定性子系統(tǒng)的分析方法，擁有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的SEA在高頻段的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際擬合良好。因此，這三種方法在一定程度上各自在高頻和低頻計(jì)算中有著缺陷。為了求解復(fù)雜聲振系統(tǒng)的整體平均響應(yīng)，Shorter和Langley[12-13]提出了一種基于波動(dòng)法的FE-SEA混合方法。

1.1 FE-SEA混合法

本文采用FE-SEA混合方法對(duì)高速列車車窗結(jié)構(gòu)的隔聲特性進(jìn)行研究，此法是把整個(gè)車窗結(jié)構(gòu)劃分為用FEM描述的確定性子系統(tǒng)以及用SEA法描述的非確定性子系統(tǒng)。

建立結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：Dtot為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的總動(dòng)剛度矩陣；q為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的自由度；f為作用于子系統(tǒng)上的外部載荷列向量；m指在整個(gè)系統(tǒng)中SEA子系統(tǒng)的總數(shù)量；為第m個(gè)SEA子系統(tǒng)在確定性邊界處對(duì)FE子系統(tǒng)所施加的混響場載荷，Pa；為車窗結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)本身存在的動(dòng)剛度矩陣與各個(gè)SEA子系統(tǒng)的直接場總動(dòng)剛度矩陣的總和。

對(duì)式（1）求解后，確定性子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)方程為：

接著對(duì)SEA子系統(tǒng)建立能量平衡方程，輸入功率流計(jì)算如下：

此時(shí)在子系統(tǒng)中的輸入功率流等效于子系統(tǒng)輸出功率流與自身耗散功率流之和，滿足能量平衡方程：

式中：Mm為模態(tài)重疊因子；htot,m為混響場輸出能量第m個(gè)子系統(tǒng)的模態(tài)能量密度。

整個(gè)FE-SEA模型中各個(gè)統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)的響應(yīng)結(jié)果以及有限元子系統(tǒng)的位移響應(yīng)結(jié)果即可通過以上相關(guān)子系統(tǒng)的能量平衡方程整理獲得。

1.2 隔聲量

整個(gè)車窗結(jié)構(gòu)的隔聲量為[14]：

式中：TL為整個(gè)車窗結(jié)構(gòu)的隔聲量，dB；Ac為向高速列車車窗外側(cè)輻射能量時(shí)的輻射面積，m2；ω為角頻率，rad·s-1；c0為空氣中的聲速，m·s-1；ns為整體模態(tài)密度；ηsr,tot為發(fā)聲與接收兩側(cè)之間的有效耦合阻尼損耗因子。

2 車窗隔聲建模及窗框阻尼損耗因子測算

2.1 車窗預(yù)測模型

無窗框的高速列車車窗整體結(jié)構(gòu)較為簡單。在此之前車窗的不少研究都是從板結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展而來。因此，基于FE-SEA混合法以及雙板空腔理論，在ESI VA One中建立了高速列車無窗框結(jié)構(gòu)車窗的隔聲預(yù)測模型。計(jì)算模型如圖1所示。

由圖1可見，高速列車車窗與兩個(gè)半無限流體子系統(tǒng)連接，而半無限流體子系統(tǒng)被視作車窗內(nèi)外兩側(cè)的空氣層，其中車窗外表面一側(cè)與混響聲源相連接，相當(dāng)于在車窗外表面的外側(cè)施加了一個(gè)混響聲源。而無窗框車窗由四部分組成，分別是外側(cè)玻璃、空氣夾層、硬橡膠和內(nèi)側(cè)玻璃。外側(cè)玻璃和內(nèi)側(cè)玻璃的平面尺寸大小一致，為650 mm×700 mm。玻璃厚度有所不同，其中外側(cè)玻璃為雙層結(jié)構(gòu)，最外側(cè)厚度為5 mm，另外一層厚度為4 mm；內(nèi)側(cè)玻璃雖然也是雙層結(jié)構(gòu)，但是兩層厚度均為3.5 mm。硬橡膠殼單元厚度為5 mm，通過共節(jié)點(diǎn)的方式將內(nèi)外兩側(cè)玻璃連接在一起。而空氣夾層厚度為16 mm，利用聲腔進(jìn)行處理，并添加相應(yīng)的阻尼損耗因子。根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知，將車窗內(nèi)空腔阻尼損耗因子η0取值為0.05，兩側(cè)玻璃的阻尼損耗因子η1,2取值為0.005。無窗框車窗結(jié)構(gòu)的其他材料參數(shù)如表1所示。

表1 車窗結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圖1 高速列車車窗隔聲預(yù)測模型

2.2 阻尼損耗因子

2.2.1 識(shí)別原理

Mn-Cu阻尼合金作為一種新型材料，材料屬性的合理配比另其阻尼性能得到了較好的提升；經(jīng)過常溫條件下的塑性變形及熱處理后，合金具有良好的機(jī)械性能；經(jīng)過特殊保溫處理，表面能夠形成結(jié)構(gòu)完整且致密的氧化膜，表現(xiàn)出良好的耐蝕性。在探究車窗隔聲特性之前，有必要去獲得窗框材料的阻尼損耗因子數(shù)據(jù)。

阻尼損耗因子是統(tǒng)計(jì)能量分析子系統(tǒng)中的主要參數(shù)之一。本文采用瞬態(tài)衰減包絡(luò)線法[15]進(jìn)行了相關(guān)測試。此方法基于測量系統(tǒng)或者結(jié)構(gòu)受到脈沖時(shí)的衰減率進(jìn)行測算。

根據(jù)單頻模態(tài)位移響應(yīng)，得：

式中：f為頻率，Hz；η為阻尼損耗因子；t為時(shí)間，s；系統(tǒng)中能量與峰值振幅的平方成正比，t1、t2分別為兩個(gè)峰值幅值的時(shí)間節(jié)點(diǎn)；G1、G2分別為在t1與t2之間的衰減斜率，與系統(tǒng)的峰值響應(yīng)幅值有關(guān)。

系統(tǒng)響應(yīng)曲線的衰減率為：

此時(shí)頻帶平均的阻尼損耗因子可表示為：

2.2.2 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)獲取

接下來是車窗的力錘敲擊試驗(yàn)。為了使隔聲計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，準(zhǔn)備了兩種窗框材料，基于此試驗(yàn)條件，對(duì)兩種材料的阻尼損失因子進(jìn)行了測算。

試驗(yàn)測試如圖2所示，將窗框上布置好的加速度傳感器作為響應(yīng)點(diǎn)，隨后用力錘敲擊窗框加速度傳感器附近的測點(diǎn)作為激勵(lì)點(diǎn)，在每個(gè)測點(diǎn)位置敲擊3次，保證試驗(yàn)的重復(fù)性以減少誤差。試驗(yàn)采用的測試設(shè)備有B&K 8206-002力錘、B&K 4520Z加速度傳感器、B&K 3053-B-120 LAN-XI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)過程中，采樣上限頻率設(shè)置為3200 Hz。

圖2 窗框阻尼損耗因子實(shí)測圖

經(jīng)過對(duì)不同窗框材質(zhì)的車窗分別進(jìn)行敲擊測試，得到了0～3200 Hz范圍內(nèi)的模態(tài)阻尼，并利用最小二乘法獲取插值擬合曲線，如圖3所示。其中鋁合金窗框的阻尼損耗因子變化趨勢是先增大后減小，在1000 Hz處達(dá)到最大值，為0.033；隨著頻率的增加逐漸降低并在2500 Hz以后趨近于0.01。與傳統(tǒng)鋁合金材料相比，阻尼合金窗框材料的阻尼損失因子變化趨勢就比較復(fù)雜，在250～1250 Hz的中頻和2500 Hz之后的高頻有著較大提升，當(dāng)頻段接近630 Hz，此時(shí)阻尼損失因子最大差值可達(dá)到0.02，其他頻段與鋁合金接近。

圖3 窗框阻尼損耗因子

3 窗框?qū)嚧案袈曅阅苡绊懛治?/h2>

3.1 窗框結(jié)構(gòu)影響

第2節(jié)建立了高速列車無窗框車窗隔聲預(yù)測模型，但是窗框結(jié)構(gòu)并不是單一的板件。因此，若要將窗框結(jié)構(gòu)考慮進(jìn)整個(gè)車窗中，那么需要在原基礎(chǔ)上按照實(shí)際尺寸對(duì)車窗結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模。

如圖4所示，為了能更加貼合實(shí)際，車窗玻璃與硬橡膠尺寸基本與第2節(jié)描述一致。窗框結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，做了相應(yīng)的簡化處理。模型中窗框結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)鋁合金，其材料屬性如表2所示。

圖4 帶窗框結(jié)構(gòu)的整體車窗模型

表2 窗框材料參數(shù)

本節(jié)中采取控制變量的方式研究了窗框結(jié)構(gòu)對(duì)車窗隔聲量的影響。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見，無窗框結(jié)構(gòu)車窗整體計(jì)權(quán)隔聲量Rw1＝33.6 dB，而鋁合金窗框結(jié)構(gòu)車窗整體計(jì)權(quán)隔聲量Rw2＝35.7 dB，整體計(jì)權(quán)隔聲量提升了2.1 dB；有窗框結(jié)構(gòu)對(duì)100～160 Hz以及1000～2500 Hz之間車窗隔聲量有著明顯的提升。從無窗框結(jié)構(gòu)車窗三分之一倍頻程中心頻率來看，100 Hz時(shí)有無窗框結(jié)構(gòu)使車窗整體隔聲量出現(xiàn)了較大的插值，這與對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率相關(guān)，此頻段下無窗框結(jié)構(gòu)車窗出現(xiàn)了隔聲低谷。由此可見，窗框結(jié)構(gòu)對(duì)車窗100 Hz左右的低頻和1000～2500 Hz之間的中高頻隔聲性能有著較好的提升，且整體隔聲性能也得到了不錯(cuò)的優(yōu)化。因此，窗框結(jié)構(gòu)能夠?qū)嚧案袈曅阅軒聿豢珊鲆暤挠绊憽?/p>

圖5 窗框結(jié)構(gòu)對(duì)車窗隔聲影響

3.2 窗框材質(zhì)影響

窗框結(jié)構(gòu)使整體隔聲效果得到了提升。既然窗框結(jié)構(gòu)對(duì)車窗隔聲性能具有一定的優(yōu)化效果，本節(jié)將引入另一種不同于傳統(tǒng)鋁合金的窗框材料，探究不同的窗框材料對(duì)車窗隔聲性能的影響。這種材料為Mn-Cu阻尼合金，其材料屬性如表2所示。

在相同的計(jì)算條件下，進(jìn)行仿真預(yù)測100～3150 Hz隔聲性能，得到不同窗框材料對(duì)車窗整體隔聲性能對(duì)比，如圖6所示。

根據(jù)圖6可以看出窗框材質(zhì)對(duì)車窗隔聲影響，從整體來看，鋁合金窗框結(jié)構(gòu)車窗整體計(jì)權(quán)隔聲量Rw2＝35.7 dB，而阻尼合金窗框結(jié)構(gòu)車窗整體計(jì)權(quán)隔聲量Rw3＝37.6 dB，整體計(jì)權(quán)隔聲量提升了1.9 dB。

圖6 窗框材質(zhì)對(duì)車窗隔聲影響

從圖7中可以更直觀的了解到阻尼合金窗框車窗整體隔聲量在各頻段中的差值。100 Hz時(shí)阻尼合金窗框車窗隔聲量低于鋁合金窗框車窗6.2 dB，此時(shí)阻尼合金模態(tài)頻率為98.2 Hz，因此出現(xiàn)了隔聲低谷；同時(shí)在100 Hz處阻尼合金材料的阻尼損耗因子低于鋁合金材料，從而導(dǎo)致出現(xiàn)在100 Hz隔聲量有所降低的情況。除了100 Hz之外，其余頻段的隔聲量要么與鋁合金窗框車窗接近，要么優(yōu)于鋁合金窗框車窗。并在160 Hz、315 Hz、500 Hz和1600 Hz等典型峰值處出現(xiàn)了較大的差值峰值，分別為6.1 dB、4.7 dB、3.4 dB和4.9 dB。由此可見，將窗框材料從原有的鋁合金替換成Mn-Cu阻尼合金能夠有效提高車窗整體的隔聲性能，具有一定的參考意義。

圖7 窗框材質(zhì)致車窗隔聲量差值

4 結(jié)論

基于FE-SEA混合法，本文以高速列車車窗為研究對(duì)象，在混響聲場中研究了窗框?qū)嚧罢w隔聲性能的影響；并引入一種新的窗框材料Mn-Cu阻尼合金，進(jìn)一步改善了車窗整體隔聲性能，結(jié)論如下：

（1）與鋁合金材料相比，阻尼合金材料的阻尼損失因子在250～1250 Hz的中頻和2500 Hz之后的高頻有著較大提升，當(dāng)頻率接近630 Hz，此時(shí)阻尼損失因子最大差值可達(dá)到0.02，其他頻段與鋁合金接近；

（2）窗框?qū)嚧霸?00 Hz左右的低頻和1000～2500 Hz之間的中高頻的隔聲性能的提升明顯。無窗框車窗整體計(jì)權(quán)隔聲量Rw1為33.6 dB，而鋁合金窗框車窗整體計(jì)權(quán)隔聲量Rw2為35.7 dB，整體計(jì)權(quán)隔聲量提升了2.1 dB；

（3）當(dāng)窗框被賦予Mn-Cu阻尼合金材料后，與傳統(tǒng)鋁合金窗框車窗相比，除了100 Hz，全頻段的隔聲性能都有良好的改善。阻尼合金窗框車窗整體計(jì)權(quán)隔聲量Rw3為37.6 dB，整體計(jì)權(quán)隔聲量提升了1.9 dB。