梯度結構和層合結構在高鐵木絲聲屏障中的應用

摘 要：通過在實際工程應用，我們對原有木絲聲屏障進行了板材結構進行了調整有效地提高了板材的吸音和力學性能。

關鍵詞：梯度 層合 結構 高鐵 木絲 聲屏障

中圖分類號：TU112 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0167-01

隨著社會和經濟的發展，人們對生活環境要求的提高以及國家提出的和諧社會理念。環境噪聲污染治理成為城市軌道交通建設關注的重要內容。列車運行噪聲頻譜特性隨列車速度、機車車輛類型、軌道結構的不同而不同。總體而言，列車運行速度越快，其噪聲等效頻率越高，高速鐵路等效頻率主要集中在1000～2000 Hz。

1 工程概況

我們承建的遂渝二線站前I標段工程新橋站（不含）至三星段（DK0+000～ZDK32+100）聲屏障工程。人口居住較為集中。該工程經過遂寧市蘋果園開發安置小區、流通壩特大橋通過的居民區。該段的聲屏障工程是屬于安民工程。工程對降噪要求很高。如果施工后還出現噪音降不下來，將會極大地影響沿線兩邊的居民的生活起居。

2 梯度功能材料的介紹

“人工結構化材料”是復合材料領域目前的發展方向，材料用途方向也形成“功能梯度材料”（Functionally Gradient Materials簡稱FGM），按照單一結構或者單一功能的材料發展到多功能一體化的復合材料的方向。功能梯度材料就是根據具體的使用要求、選擇來將不同性能的兩種材料通過先進的技術進行材料復合，其中間部分的結構組成會呈連續的梯狀變化，這樣復合出來一種性質功能也會呈梯度沿厚度方向變化的復合型新型材料。能夠克服兩種材料在結合部位性能不匹配因素是這種新型復合材料的顯著特點，并且兩側不同的材料也同時具有各自的功能。航天飛機推進系統中燃燒室壁材料第一次對科學家們提出了特殊要求，根據這些要求涉及制備了陶瓷金屬梯度功能材料，該材料成功將金屬陶瓷涂層復合材料之間的界面消除，實現了緩和熱應力和耐熱隔熱。從梯度功能的概念出發，通過金屬、陶瓷、聚和物等不同材料的巧妙梯度復合，梯度材料在諸如核能、電子、光學、化學、電磁學、生物醫學等許多技術領域乃至日常生活中都有著極大的應用前景。

3 木絲吸音板結構研究

以往我們所采用的木絲板聲屏障多是單一的板材。為提高吸音效果，我們對板材結構進行調整。

由于高速鐵路的車速比較快，最高時速都在速度200 km/h以上。這時吸聲材料的吸聲效果與材料的流阻有相當大的關系，材料的流阻過小，表現在材料的結構上就是材料孔隙率過高、孔尺寸過大，那么聲波很容易通過材料，空氣對聲波的損耗小，吸聲效果較差；相反如果材料的流阻過大，表現在材料的結構上就是孔隙率過低，孔尺寸過小，材料的特性阻抗與空氣的特性阻抗相差很大，那么聲波在材料的表面發生了反射，聲波進入到材料的內部的量很少，這時，即便材料內部的孔結構再好，損耗能力再強，也無濟于事。所以，吸聲材料的流阻有一個最佳值，即其既利于聲波在材料的表面發生很小的反射，盡可能多地傳入到材料內部，又能使材料具有較好的損耗性能。滿足這樣的條件必然要求在材料設計時既要注意材料表面的特性阻抗與空氣的特性阻抗差別較小，又要滿足材料對聲波的粘滯損耗大。顯然，單一的聲學結構是滿足不了這樣的要求，而梯度結構能很好地滿足這樣的要求，即材料的表面選擇密度小、特性阻抗與空氣相差小，內部材料的密度逐漸增大，保證聲波在傳播過程中不在界面處發生反射，使聲波一直從低流阻端向高流阻端傳播，從而保證聲波既具有很好的傳播效應又具有很強的損耗能力，表現在吸聲上就是具有很高的吸聲系數。我們此次試驗是通過調整每層材料的密度來改變材料的流阻值。當然，這樣的層合還不是嚴格意義上的梯度結構，只有增加層數，使各層的厚度盡可能的小才是理想的梯度材料。

我們制作了單層為1 cm，合計厚度為4 cm梯度結構，其綜合了單一結構中密度大的低頻吸聲效果好高頻吸聲效果差，密度小的低頻吸聲效果差，而高頻吸聲效果好的優點，得到了高、低頻吸聲效果都良好的吸聲材料。通過實驗表明梯度結構的平均吸聲系數要比單一密度吸聲材料的好。

我們對此次的木絲吸音板在應用梯度結構的同時，也采用在木絲吸聲材料背面設計一層0.5 cm混凝土基板。混凝土基板在起到隔聲的同時，也起到反射的作用。反射波再次通過梯度結構時，再次對聲波進行能量消減，形成吸隔兩層式結構。其復合作用超過兩者單獨作用的算術相加，可以將聲波大幅度地吸收。

4 板材制作中注意事項

4.1 木絲的礦化藥劑浸漬處理

為了克服木材中的有害成分對水泥的阻凝作用，應采用水玻璃和硫酸鋁溶液對木梗表面進行浸漬處理，浸漬時間約l～2 mm，封閉有礙水泥水化的有害物質析出。

4.2 水泥、木絲與水的混合攪拌

攪拌中水泥、木絲與水的混合均勻性至關重要。加入水泥并攪拌均勻，調整用水量使混合料干濕狀態適宜。水加量不足會影響水泥水化強度，但水分過多時，水泥懸浮漿會流向板的表面，導致水泥表面結構疏松，同時還會影響板材的強度，同時造成木絲間搭接不牢形成分層和空洞。所以，進入混合機的水泥、木絲、水按要求進行定量計量。

5 結語

此次研究，我們成功地把梯度式層合結構和吸隔兩層式結構應用到了木絲聲屏障中，有效的提高了聲屏障的吸聲能力，同時，也提高了聲屏障的力學性能。成功申請了一項專利，并通過了四川省科技鑒定。此課題為《高速鐵路附屬構件設備及材料研究》的子課題。《高速鐵路附屬構件設備及材料研究》獲得了2011年四川省科技進步三等獎。

參考文獻

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[3]楊桂，劉方龍.具有廣闊發展前途的紡織結構復合材料[R].九十年代我國復合材料發展展望研討會.中國宇航學會，1990.