高速列車波紋外地板隔聲與阻尼特性分析

張媛媛，王建祥，陳亮亮，張凌凱

(新疆農業大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052)

高速列車高速運行時對軌道的沖擊和振動較大，輕量化的車體結構本身較容易發生振動且隔音性能也會降低，直接影響列車運行安全和旅客乘坐的舒適性。因此，鋁型材外地板的聲學、阻尼等性能在車輛低噪聲設計中顯得尤為重要。文獻［1］對高速列車進行聲學模態計算并進行軌道譜響應分析。文獻［2］討論了輕質材料和結構的動力學性能及隔聲性能的研究發展趨勢。文獻［3］提出了一種新方法來估計和測量鐵路車輛的傳輸損耗。文獻［4］建立了列車車體的有限元模型，并在ANSYS中對其進行模態分析和諧響應分析。文獻［5－6］分析了波紋板加夾板結構的隔聲性能及阻尼對輪軌向外輻射噪聲特性的影響。文獻［7］研究了3種阻尼材料(改性瀝青、水性涂料和丁基橡膠阻尼材料)對列車車內噪聲的影響。文獻［8－9］研究了不同板類結構的振動及聲輻射問題，并提出了主動控制的優化方案。文獻［10］研究了不同材料參數和厚度的隔音墊對內地板隔聲量的影響。由此可見，在發展列車輕量化的同時，需要確保列車的運行安全及車內環境的低噪聲。本文基于統計能量分析原理并結合聲振分析軟件VA One，對高速列車鋁型材外地板進行了隔聲量與阻尼特性研究。

1 統計能量分析方法

1.1 約束阻尼層減振降噪基本理論

將約束阻尼層定義為層合板的形式，則結構的阻尼損耗因子為

式中:Pdiss是波的總功率耗散;ω為圓頻率;T，U是層合板的動能和勢能。

總功率的耗散能Pdiss通過層合板各層總應變能之和來定義，即

式中:m為組成層合板的單層板數量;ω為圓頻率。

1.2 隔聲量

在所研究結構的上下兩側定義兩個聲空腔。給上聲空腔一個激勵，而下聲空腔僅接受由上聲空腔通過結構傳來的聲激勵，則結構隔聲量的計算公式為

式中:E1，E2和n1，n2分別為上、下聲空腔的能量和模態密度;Ac為結構與聲空腔耦合面積;c1為聲速;ω為帶寬的中心頻率;η2為下聲空腔的損耗因子。

2 實例計算分析

某高速列車鋁型材外地板的彈性模量E=0.71×1011Pa，泊松比 ν=0.33，密度 ρ=2 700 kg/m3，結構模型參數如表1所示。計算模型如圖1所示。

表1 結構模型參數 m

圖1 計算分析模型

2.1 子系統隔聲量與整個板材隔聲量的關系

在所研究結構的上、下兩側定義兩個聲腔。給上聲腔一個激勵，下聲腔僅接受由上聲腔通過結構傳來的聲激勵。聲學仿真預測模型如圖2所示。

圖2 聲學仿真預測模型

為了分析結構中間某SEA子系統隔聲量與整個板材結構隔聲量的關系，由式(3)可得

對一個確定的計算模型，聲空腔大小、傳播介質及聲速等均已確定。聲空腔的模態密度n、能量E和阻尼損失因子η僅與頻率有關，在確定的頻率上它們均為定值。

現設結構中某SEA子系統與聲空腔的耦合面積為Am，相應的隔聲量為TLm，整個結構與聲空腔的耦合面積為An，相應的隔聲量為TLn，則有:

用式(6)減去式(5)，可得整個板材結構與它其中的一個子板之間隔聲量的關系，如式(7)所示。

對于一個確定的計算模型，結構與聲空腔的耦合面積為定值，由圖1可得式(8)和式(9)。

將式(8)和式(9)代入式(7)可得整個板材結構的隔聲量與它其中某個子板的隔聲量之間存在的一個常數差，如式(10)所示。

現用圖2中的計算模型驗證以上推導結論的正確性。為計算方便，上、下聲空腔的阻尼損耗因子均定義為1%的常數譜。圖3為VA One軟件算出結構的隔聲量曲線。觀察可知整個板材的隔聲量與子板的隔聲量之間存在常數差，且該常數差為定值(見表2)。

圖3 隔聲量計算曲線

2.2 阻尼層對結構阻尼損耗因子及隔聲量的影響

在高速列車鋁型材外地板施加約束阻尼層時，以其上頂板、下底板或筋板為基板，將黏彈性層直接添加在基板上，而約束層在最頂層。本節主要計算分析約束阻尼層在型材中的施加位置對鋁型材外地板減振降噪的影響。計算模型如圖2所示。

表2 隔聲量dB

表3 黏彈性材料參數

已知黏彈性材料的密度為980 kg/m3，泊松比為0.48，室溫下的黏彈性材料參數如表3所示。整個約束阻尼層的厚度為0.63 mm，其中黏彈性層的厚度為0.13 mm，約束層是厚度為0.5 mm的鋁型材。

1)上頂板敷設約束阻尼層

結構在施加約束阻尼層前后的阻尼損耗因子及其隔聲量的大小如圖4所示。分析可知:阻尼層使結構阻尼損失因子增大，隔聲量也明顯增加。產生這種結果的原因可能包括以下幾個方面:首先，型材的上頂板本身為薄壁結構，剛度較小，容易發生彎曲變形，阻尼層厚度占18.9%，此時的約束阻尼層充分發揮了其剪切耗能的優勢;其次，上頂板中各子板的模態并不僅和處理的表面有關，而是和下底板及筋板之間存在相互作用;再次，在頻率范圍內，結構主要以局部模態為主，共振模態分布密集，此時噪聲的傳播主要取決于共振模態，所以結構阻尼對噪聲傳播影響較大。

圖4 型材上頂板施加約束阻尼層

2)下底板敷設約束阻尼層

結構在施加約束阻尼層前后的阻尼損耗因子及其隔聲量的大小如圖5所示。經分析可得:對中空鋁型材帶筋薄板的下底板施加約束阻尼層后，結構阻尼損失系數明顯提高，隔聲量也相應提高。在隔聲量的計算時，噪聲首先由激勵聲空腔到達結構，再由結構振動向外輻射能量，從而到達接收聲空腔。因此，雖然聲源激勵是在上空腔，但在對結構上頂板或下底板敷設約束阻尼層時，對隔聲量的貢獻基本相同。

圖5 型材下底板施加約束阻尼層

3)筋板敷設約束阻尼層

結構在敷設約束阻尼層前后的阻尼損耗因子及其隔聲量的大小如圖6所示。分析可得，對型材的筋板敷設約束阻尼層后，結構阻尼損失系數明顯提高，隔聲量也有所增加。與上頂板和下底板敷設阻尼相比，結構損失因子較大，這可能是因為結構上頂板和下底板厚度為2.7 mm，而筋板厚為2.5 mm，由于阻尼層的減振原理是依靠其黏彈性層的剪切耗能，基板越薄越容易發生彎曲變形，所以筋板敷設阻尼層后阻尼損耗因子較大。該情形對隔聲量的貢獻與前面兩種工況基本一致，但是其質量最大，不利于輕量化設計，如表4所示。

圖6 型材筋板敷設約束阻尼層

表4 敷設約束阻尼層后結構的質量 kg

3 結束語

本文利用統計能量分析原理并結合聲振分析軟件VA One，推導計算了整個板材與其子板隔聲量之間的關系;結合聲振分析軟件VA One，分析了約束阻尼層在型材中的施加位置對鋁型材外地板減振降噪的影響。計算結果表明:整個板材結構的隔聲量與它其中某個子板的隔聲量之間存在一個常數差;將相同的阻尼層敷設在上頂板、下低板對阻尼損失系數和隔聲量的貢獻基本相同;而敷設在筋板上阻尼損耗因子較大，對隔聲量的貢獻與前兩種工況基本一致，但因其質量較大，不利于輕量化設計。

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