任林旸 王瑞乾,2 張學飛 周虹希 錢日成

(1 常州大學機械與軌道交通學院 常州 213164)

(2 西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 成都 610031)

0 引言

近年來隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展，高速列車噪聲振動問題[1?2]已然成為了影響乘客乘坐舒適性的主要因素之一，并對高速列車在運輸行業(yè)內的競爭力產生了負面影響[3]。高速列車普遍使用多層復合結構作為車體[4?5]?，F(xiàn)有車體結構的隔聲和聲輻射特性研究多集中在波紋鋁型材[6?7]，而對內裝結構聲學特性的研究卻較少。然而，內裝結構是車體的重要組成部分，直接面向車內一側，其聲學性能的優(yōu)劣對車內聲場仍有不小的影響[8]。常見的內裝板有木質膠合板、蜂窩板、玻璃鋼等。除蜂窩板外，其他內裝板均為密實結構，密度較高，通常使用粘貼隔聲墊[9?10]、噴涂阻尼漿[11]等方式對整體聲學性能做進一步優(yōu)化[12]。而為了契合當今社會環(huán)保、輕量化與節(jié)能的主題，軌道車輛迫切需要開發(fā)與應用新型減振降噪材料。

橡膠泡棉是一種以丁基橡膠、聚氯乙烯等為主要材料，經(jīng)高溫溶解后加入增稠劑與發(fā)泡劑，經(jīng)過發(fā)泡而得到的一種新型高分子復合材料，其相較于傳統(tǒng)夾層材料質量更輕、體積也較小、成本更低廉。針對橡膠泡棉的組合結構聲學實驗中表明其吸隔聲性能優(yōu)異，在噪聲控制方面具有廣闊的應用前景，然而國內外對該材料在聲學性能方面的應用研究較少。本文以橡膠泡棉為芯材、鋁質薄板作為蒙皮的三明治夾芯板為研究對象，開展其聲學特性的分析、優(yōu)化和應用研究。

本文基于混合有限元-統(tǒng)計能量分析(Finite element-statistical energy analysis,FE-SEA)計算方法，分別建立橡膠泡棉夾芯板的隔聲預測模型和聲輻射預測模型，將其與實驗結果對比，驗證模型的可靠性，并利用預測模型探究橡膠泡棉孔隙率與芯皮厚度比對整體聲學性能的影響規(guī)律。進一步地，提出對橡膠泡棉夾芯板的聲學優(yōu)化方案，最后與傳統(tǒng)芯層材料在實車組合結構中的應用效果進行實驗對比和分析。研究結果可為橡膠泡棉夾芯板在列車上的工程應用提供數(shù)據(jù)參考。

1 橡膠泡棉夾芯板聲學建模與實驗驗證

所用的橡膠泡棉夾芯板樣件的尺寸為985 mm×970 mm×14 mm，其中芯材為Armacell公司生產的Armasound RD 240橡膠泡棉，密度為240 kg/m3，厚度為10 mm；上下蒙皮均為5052-H32 鋁板，密度為2700 kg/m3，厚度為2 mm。芯材及板件截面如圖1 所示，夾芯板與工裝間用油泥密封，蒙皮前后為實際聲場環(huán)境。

圖1 橡膠泡棉夾芯板截面圖Fig.1 Cross section of rubber foam sandwich panel

1.1 聲學預測模型

基于混合FE-SEA 方法，在聲振分析軟件中分別建立橡膠泡棉夾芯板隔聲預測模型與聲輻射預測模型。橡膠泡棉夾芯板的芯材和蒙皮尺寸、密度與實際樣件尺寸相同，另外，橡膠泡棉芯材的彈性模量為3.2 GPa，泊松比為0.24，蒙皮彈性模量為7.1 GPa。

其中，隔聲預測模型的FEM 平板單元總數(shù)為10010 個，可滿足上限頻率3150 Hz 的精度計算要求，板的邊界采用自由邊界條件，將實測阻尼損耗因子賦予夾芯板子系統(tǒng)，并根據(jù)混響室和半消聲室實際容積建立兩個聲腔，賦予其實測房間吸聲系數(shù)。聲輻射預測模型的FEM 平板單元總數(shù)同樣為10010個，可滿足上限頻率為3150 Hz的精度計算要求，板的邊界仍采用自由邊界條件。選取與聲輻射實驗中相同激勵點位置在485 mm×350 mm 處加載單位力，半無限流場子系統(tǒng)距夾芯板有限元模型表面為500 mm，用于接收夾芯板受激勵后產生的輻射噪聲，媒質為空氣，密度為1.21 kg/m3，空氣聲速為342 m/s。

1.2 聲學實驗與模型驗證

橡膠泡棉夾芯板的隔聲特性實驗采用聲強法[13]在混響室-半消聲室中進行?；祉懯?聲源室)和半消聲室(接收室)的容積分別為5414 mm×4100 mm×3300 mm 和12000 mm×6000 mm×3500 mm。聲源室與半消聲室測試現(xiàn)場如圖2(a)與圖2(c)所示。

圖2 橡膠泡棉夾芯板聲學特性測試現(xiàn)場Fig.2 Field test of acoustic characteristics of rubber foam sandwich panel

在混響室使用B&K 4292 型12 面無指向聲源輸出白噪聲作為激勵，測試頻率范圍100～3150 Hz。在混響室內無規(guī)則布置6 個B&K 4190 型傳聲器測得室內平均聲壓級LP1。在半消聲室一側將夾芯板表面劃分為9 個均勻網(wǎng)格，使用B&K 3599 型聲強探頭對橡膠泡棉夾芯板進行法向聲強測試，按S 型路線進行逐格掃描，計算平均法向聲強級LIn。最后，依據(jù)式(1)，計算得到被測樣件的隔聲量，單位為分貝(dB)：

式(1)中：Sm為測量面的總面積，S為實驗中的被測試件的面積。

橡膠泡棉夾芯板的隔聲測試結果與實驗結果對比如圖3(a)所示?？梢妼崪y隔聲量頻率曲線在低頻段較小，為22～28 dB，在400～630 Hz 段快速上升，在630 Hz 以上頻段，隔聲量基本達到45 dB 以上。隔聲曲線的預測值與實驗值在整體上較為接近，二者最大差值出現(xiàn)在630 Hz 處，為2.9 dB，且計權隔聲量Rw[14]僅相差0.2 dB，說明該隔聲量預測模型是有效的，可以使用該模型進行進一步的隔聲特性研究。

圖3 隔聲與聲輻射特性的預測與實測結果的對比Fig.3 Comparison between the predicted and measured results of sound insulation and acoustic radiation characteristics

仍然基于聲強法在混響室-半消聲室中進行振動聲輻射實驗，將橡膠泡棉夾芯板安裝于混響室-半消聲室的洞口，于混響室一側使用激振器對橡膠泡棉夾芯板隨機點加載白噪聲力激勵。在半消聲室一側夾芯板表面劃分為均勻的9 個網(wǎng)格，使用B&K 3599 型聲強探頭對橡膠泡棉夾芯板進行法向聲強測試，按S型路線進行逐格掃描，聲源室與半消聲室測試現(xiàn)場如圖2(b)與圖2(c)所示。對于板件而言，振動輻射到半空間的聲功率可由式(2)獲得：

式(2)中：σ為板的聲輻射效率；S為板的表面積；ρ為空氣密度；c為空氣中的聲速；υ為板件表面振速。

橡膠泡棉夾芯板在1/3 倍頻程單位力下的振動聲輻射實驗結果與預測結果如圖3(b)所示。從總值上看，二者相差1.6 dB；從曲線上看，實測輻射聲功率在60～70 dB 之間，并在315 Hz 達到峰值68.7 dB。由于夾芯板四周和洞口工裝之間的安裝條件較為復雜，并非理想的自由邊界，其難以在模型中實現(xiàn)精確的模擬，而邊界條件對于振動的影響較大，因此預測值與實驗值在個別頻段內有3 dB 左右的差距。然而預測與實測曲線的變化趨勢總體上仍較為接近，因此可判斷該預測模型是有效的，可用于聲輻射特性的進一步研究。

2 聲學特性參數(shù)分析及優(yōu)化

利用所建立的模型，對不同參數(shù)下橡膠泡棉夾芯板的聲振特性進行預測。在實際工程中，在材質不變的前提下，通常評估結構成型時的芯材孔隙率與芯皮厚度比對于夾芯板聲振特性的影響。

2.1 芯材孔隙率的影響

在橡膠泡棉厚度為10 mm、彈性模量為3 GPa、泊松比為0.2 的情況，僅改變橡膠泡棉孔隙率，對橡膠泡棉夾芯板的聲學特性進行預測。預設橡膠泡棉孔隙率分別為83%、67%、50%、33%、17%；對應橡膠泡棉的密度為120 kg/m3、240 kg/m3、360 kg/m3、480 kg/m3、600 kg/m3。隔聲量預測結果與聲輻射預測結果見圖4。

由圖4(a)可以看出：隨著芯材孔隙率的減小，其密度在逐漸增加，總體隔聲水平提升較為明顯。另一方面，隨著芯材孔隙率的減小，各頻率隔聲量的增速在逐漸變小，實際上表明了密度的增加對于隔聲量提升的貢獻在逐漸降低。由圖4(b)可以看出：隨著芯材孔隙率的減小，輻射聲功率相應的呈下降趨勢，以中低頻的降幅更加明顯，而高頻的降幅稍?。涣硪环矫?，隨著孔隙率的降低，其對于輻射聲功率的影響也會逐漸減小，降幅逐漸減小。輻射聲功率主要受材料阻尼的影響，當孔隙率減小，即密度提高時，阻尼也隨之提高，輻射聲功率隨之降低。

2.2 芯皮厚度比的影響

選取橡膠泡棉密度為240 kg/m3，鋁蒙皮厚度為2 mm 不變，探究橡膠泡棉芯材與鋁蒙皮的厚度比對夾芯板聲振特性的影響。預設芯皮厚度比分別為4:1、5:1、6:1、7:1、8:1，對應的橡膠泡棉厚度為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm。隔聲量與聲輻射預測結果見圖5。

由圖5(a)可以看出：隨著芯皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板隔聲量呈略微上升趨勢，僅在250 Hz以下和1600 Hz以上的提高量稍明顯。總體而言，厚度比的改變對橡膠泡棉夾芯板隔聲量的影響較小，通過增加芯材厚度來提高整體隔聲水平的方法的效費比偏低。由圖5(b)可以看出：隨著芯皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板的輻射聲功率相應降低，其在160 Hz 以下的低頻降幅不明顯，而在200 Hz 及315 Hz以上的高頻降幅較為明顯。這主要緣于芯皮厚度比的增加會導致材料的阻尼提高，從而使得輻射聲功率隨之降低。另一方面，當芯皮厚度比持續(xù)增加時，也可見聲輻射功率的降幅在減小。

2.3 基于敷設阻尼層的聲學優(yōu)化

優(yōu)化橡膠泡棉夾芯板的隔聲性能與聲輻射性能，一般通過增加系統(tǒng)阻尼來進行。在工程實踐中，通常優(yōu)先考慮在橡膠泡棉夾芯板中敷設黏彈性阻尼材料的方法。綜合2.1 節(jié)與2.2 節(jié)中芯材孔隙率與芯皮厚度比對聲學性能影響的探究結果，并結合工程實用背景，選用效費比最高的厚度為12 mm、孔隙率為67%(對應密度為240 kg/m3)的橡膠泡棉以及兩塊2 mm 厚的鋁蒙皮組裝成夾芯板。在橡膠泡棉夾芯板中的不同位置嘗試敷設1 mm 厚阻尼層(圖6 中黑色部分)，所調查的阻尼層敷設位置分別位于蒙皮外側(工況1)、芯材中心(工況2)、蒙皮與芯材之間(工況3)，如圖6 所示。計算時，選用聲學軟件VA one中自帶的密度為1100 kg/m3的硬橡膠(Hard rubber)作為阻尼層材料。圖7給出了優(yōu)化后的聲學特性對比結果。

圖7 敷設阻尼層對橡膠泡棉夾芯板的優(yōu)化效果Fig.7 Optimization effect of laying damping layer on rubber foam sandwich board

由圖7(a)可以看出：與未敷設阻尼的夾芯板相比，3 種工況下的夾芯板隔聲量與計權隔聲量都有一定的提高。其中工況1 在鋁蒙皮外側敷設1 mm阻尼層后，夾芯板的計權隔聲量較其他兩種工況更高，達到了41.2 dB。在100～315 Hz 頻段隔聲量主要由阻尼與質量控制，因此在該頻段下3 種工況相較于未敷設阻尼的夾芯板隔聲量差距較小，而在中高頻段隔聲量的提升則更為明顯。隔聲性能的影響因素主要包括兩方面。首先，阻尼的增加主要提高了低頻隔聲性能，且總質量隨之增加，也有助于隔聲性能的進一步提高。另一方面，對于阻尼敷設位置的影響，實際上也會改變芯層多孔材料的流阻，進而改變了材料吸聲性能，也會對隔聲性能造成影響。

由圖7(b)可以看出：與未敷設阻尼層相比，3種工況下橡膠泡棉夾芯板的聲功率級與總聲功率級的降幅都較為明顯。工況1 在下蒙皮外側敷設1 mm 阻尼層后，總聲功率級相較于其他兩種工況更小，為77.4 dB，且對比未敷設阻尼的情況下，降幅達到了0.7 dB。

綜上，當1 mm 橡膠阻尼層敷設在遠離聲源側的鋁蒙皮外側(工況1)時，對隔聲量的提高及輻射聲功率的降低最為有效。

3 組合結構應用效果的實驗分析

為了評價橡膠泡棉夾芯板的實際應用效果，現(xiàn)將前述最優(yōu)復合結構(2.3 節(jié)中工況1)應用于某型高速列車側墻組合結構的聲學設計中，并將其與另外3 種側墻組合結構方案(兩種傳統(tǒng)內裝板材的方案以及一種不包含任何內裝板材的背景方案)進行對比分析。表1 給出了4 個對比方案的材料組成，圖8 進一步給出了4 個組合方案的截面照?？梢?個方案的區(qū)別僅在于內裝板芯層材料的不同，并由此帶來了整體方案面密度的不同。仍采用雙混響室法，開展4 個組合方案的隔聲特性實驗，側墻鋁型材一側面向聲源室。聲源室的聲波傳播至鋁型材表面時，也會引發(fā)結構表面的振動，振動進一步傳播至內裝板一側，向接收室輻射噪聲，因此對結構整體的隔聲實驗結果，可在一定程度上評價隔聲和聲輻射兩種聲學特性的總體效果。

表1 3 種側墻組合結構的材料組成及參數(shù)Table 1 Side wall combination schemes of different core materials

圖8 4 種側墻組合結構截面圖Fig.8 Section drawings of four side wall composite structures

隔聲實驗結果如圖9所示。從頻率曲線上看，方案1、方案2 和方案3 的隔聲量都明顯高于不含任何內裝板件的背景方案0，主要體現(xiàn)在1000 Hz以下中低頻段。對于3種包含了內裝板件的側墻組合方案，在100～315 Hz 低頻段，方案1 的隔聲量最高，方案3 的隔聲量次之，方案2 的隔聲量最低，這是由于在低頻質量控制區(qū)，主要受質量定律的影響；方案1的面密度明顯高于其他兩個方案，而方案3與方案2的面密度相同；但方案3 隔聲量略高于方案2，推測原因在于橡膠泡棉相較于鋁蜂窩芯層，其吸聲性能更佳，阻尼更大。在500～1250 Hz，出現(xiàn)了顯著變化，方案1 和方案2 有低谷產生，而方案3 未出現(xiàn)明顯低谷，進一步凸顯了橡膠泡棉夾芯板優(yōu)良的阻尼效果。

圖9 不同芯材的側墻隔聲特性實驗結果Fig.9 Test results of sound insulation characteristics of side walls with different core materials

為了更加直觀地體現(xiàn)各內裝板件在輕量化設計角度的減振降噪效果，以“效費比”這一參量做進一步評價。這里的效費比，指的是相較于背景方案0，優(yōu)化方案每增加單位面密度，從而引起的計權隔聲量的增加量，單位dB/(kg/m3)。由此可以計算出方案1 的效費比為0.396 dB/(kg/m3)，方案2 的效費比為0.547 dB/(kg/m3)，而方案3 的效費比為0.641 dB/(kg/m3)，這說明增加相同質量情況下，橡膠泡棉能提升更多的隔聲量，相較于傳統(tǒng)內裝板材在結構隔聲輕量化設計中更具優(yōu)勢。

4 結論

本文基于混合FE-SEA 法建立了橡膠泡棉夾芯板的隔聲與聲輻射預測模型，并分別與實驗結果進行對比分析，驗證模型的有效性；進一步探究了芯材孔隙率與芯皮厚度比對于橡膠泡棉夾芯板聲學特性的影響規(guī)律，并通過敷設阻尼層進行了聲學優(yōu)化；最后在側墻組合結構的聲學設計中通過實驗評價了其使用效果。結果證明：(1) 隨著芯材孔隙率的減小，密度的增加，橡膠泡棉夾芯板總體隔聲水平提高明顯，輻射聲功率也相應降低，并且隔聲量增加幅度與輻射聲功率下降幅度也逐漸變小。(2) 隨著芯材和蒙皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板隔聲量呈略微上升趨勢，輻射聲功率也隨之降低，通過增加芯材厚度來提高夾芯板減振降噪效果性價比較低。(3) 1 mm 阻尼層敷設在遠離聲源端的蒙皮外側效果最佳，優(yōu)化后夾芯板計權隔聲量上升0.7 dB，總輻射聲功率級下降0.7 dB。(4) 相較于傳統(tǒng)木質膠合板和鋁蜂窩板，橡膠泡棉夾芯板相較于傳統(tǒng)內裝板材在結構隔聲設計中具有輕量化優(yōu)勢。