隔聲材料排布順序對復合板材隔聲特性的影響

徐　磊，張學飛，王瑞乾，趙陽宇，李　曄

（1.常州大學 城市軌道交通學院，江蘇 常州 213164；2.常州西南交通大學 軌道交通研究院，江蘇 常州 213164）

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隔聲材料排布順序對復合板材隔聲特性的影響

徐磊1，張學飛1，王瑞乾1，趙陽宇2，李曄1

（1.常州大學 城市軌道交通學院，江蘇 常州 213164；2.常州西南交通大學 軌道交通研究院，江蘇 常州 213164）

對高速列車平頂組合結構進行隔聲測試，調(diào)換其中2塊隔聲墊的前后位置后，平頂組合結構隔聲特性發(fā)生顯著改變。針對這一問題，基于統(tǒng)計能量法探究雙層隔聲復合板材中材料排布順序對于整體結構隔聲特性的影響規(guī)律，分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因；接著，進一步利用基于統(tǒng)計能量法的隔聲預測模型對三層隔聲復合板材中材料排布順序對整體隔聲特性的影響進行延伸探究。結果表明：對于雙層復合結構，當兩種隔聲材料的種類一定時，將隔聲量較大的材料置于近聲源端，將隔聲量較小的置于遠聲源端，對整體結構隔聲量的提升最顯著，主要提升低頻隔聲量；對于三層復合結構，情況較為復雜，其中，將隔聲量最大的材料置于近聲源端，將隔聲量次大的材料置于遠聲源端，將隔聲量最小的材料置于中間時，對整體結構隔聲量的提升最顯著，且同時提升低頻和中頻隔聲量。研究內(nèi)容對于工程中復合材料隔聲性能的進一步改善有借鑒意義。

聲學；高速列車；隔聲；統(tǒng)計能量法；復合板材；排布順序

高速列車的車內(nèi)噪聲問題［1］已經(jīng)逐漸成為其運營可靠性、安全性、舒適性等的重要影響因素之一。現(xiàn)有的有關高速列車車內(nèi)噪聲問題的研究成果多集中于車內(nèi)噪聲的測試與仿真［3-5］以及舒適性評價［6-8］等。而對于如何有效控制車內(nèi)噪聲，以及如何開展相應的低噪聲設計則涉及較少。一般而言，高速列車車內(nèi)噪聲根據(jù)其傳遞路徑的不同，可以分為空氣傳聲和結構傳聲兩種主要形式［9］。其中，提高復合板材的隔聲量是針對空氣傳聲路徑進行車內(nèi)噪聲控制的有效方法。

改善復合板材隔聲性能的具體措施有很多［10，11］，而隔音墊的使用是其中比較簡單和普遍的做法。于金鵬等研究了隔音墊厚度、彈性模量和密度等材料參數(shù)對高速列車內(nèi)地板隔聲特性的影響規(guī)律［12］；王瑞乾對隔音墊粘合方式對高速列車內(nèi)地板隔聲特性的影響做了仿真計算與實驗探究［13］。本文則以高速列車平頂結構作為研究對象，探究隔聲材料排布順序對復合板材隔聲特性的影響。實際工程應用中，將多層具有隔聲、吸聲、阻尼減振等用途的材料復合起來，往往可以得到隔聲量更高的結構。

為了找到隔聲水平更高的高速列車平頂結構形式，文中將2個調(diào)換了隔音墊前后位置的平頂結構作為設計方案，對其分別進行隔聲特性的測試。對于測試結果的差異，文中通過統(tǒng)計能量法建模，探究了該差異產(chǎn)生的原因；并在該模型基礎上，進一步研究子板排布順序對三層隔聲復合板材隔聲特性的影響規(guī)律。所建模型及得到的結論可為工程中復合材料隔聲性能的提高提供方法借鑒和理論指導。

1　高速列車平頂組合結構隔聲測試

針對高速列車平頂結構隔聲性能要求并綜合考慮重量、空間的限值，初步設計了二種平頂結構組合方案，方案內(nèi)容如表1所示，區(qū)別在于方案2是將方案1中鋁型材上方的5 mm隔音墊和2 mm隔聲墊互換位置。需要說明的是，不銹鋼板為平頂結構的外側，即面對聲源的一側，隔音包布為平頂結構的內(nèi)側，即背離聲源的一側。圖1給出了二種平頂方案的樣件截面。樣件面積為970 mm×985 mm。

依據(jù)國家標準GB/T19889.3-2005［14］，利用混響室-混響室方法，對以上2種平頂結構樣件進行隔聲特性測試，測試中心頻率為100 Hz～3 150 Hz，測試方法如下：

將試件置于測試洞口內(nèi)，用螺栓將試件固定牢靠后，周邊做密封。揚聲器、傳聲器及其之間相互位置的技術要求滿足GB/T19889.3-2005。分別于聲源室和接收室測得1/3倍頻程內(nèi)各頻帶的平均聲壓級分別為La和Lb。所得到的聲壓級代入式（1），可求得試件各頻帶的隔聲量。

表1　高速列車平頂結構組合方案

式中R為隔聲量，單位為dB；La為聲源室內(nèi)平均聲壓級，單位為dB；Lb為接收室內(nèi)平均聲壓級，單位為dB；S為試件表面積，單位為m2；T為接收室內(nèi)混響時間，單位為s；V為接收室的容積，單位為m3。

計權隔聲量Rw在工程上一般都用來作為被測試件隔聲量的單值評價標準。根據(jù)國家標準GB/T 50121-2005《建筑隔聲評價標準》［15］，將已測隔聲構件在三分之一倍頻程下的隔聲曲線與規(guī)定的參考曲線族進行比較，從而得到試件的計權隔聲曲線，該曲線在500 Hz頻率下的隔聲量即作為計權隔聲量Rw。

圖2給出了二種平頂結構組合方案的隔聲量測試結果。由圖2可知，400 Hz～1 250 Hz頻段內(nèi)，方案1和方案2的隔聲量基本持平，1 250 Hz以上高頻段內(nèi)，方案1略高于方案2；尤其在315 Hz以下低頻段內(nèi)，方案1的隔聲量顯著高于方案2，提高量為1 dB～3 dB；從計權隔聲量Rw來看，方案1比方案2高了0.9 dB。可見，當將5 mm隔音墊置于更靠近聲源的位置，而將2 mm隔音墊置于較遠離聲源的位置時，平頂結構組合方案隔聲量更高，尤其提高了低頻隔聲量。

為了進行更深入的探究，分別對以上平頂組合方案所用的5 mm隔聲墊和2 mm隔聲墊進行隔聲測試。測試方法跟以上平頂結構組合方案的測試方法相同。隔聲測試現(xiàn)場如圖3所示。

隔聲墊是一層具有隔聲能力的材料。5 mm隔聲墊和2 mm隔聲墊相比，由于二者厚度、面密度、阻尼等參數(shù)的不同，而形成了不同的隔聲能力。圖4給出了2種隔聲墊的隔聲量測試結果，表2給出了這兩塊隔聲墊的基本參數(shù)以及計權隔聲量測試結果。由該表可見，5 mm隔聲音墊的計權隔聲量比2 mm隔聲墊提高了近8 dB。

圖1　平頂結構組合方案截面

圖2　平頂結構組合方案隔聲特性測試結果

圖3　隔聲測試現(xiàn)場

圖4　隔音墊隔聲特性測試結果

表2　隔聲墊基本參數(shù)及隔聲性能

由以上分析可見，隔音墊的種類沒有改變，僅僅改變了2種隔聲墊的排布順序，即造成了平頂結構組合方案隔聲量的顯著變化。針對這一問題，下面基于統(tǒng)計能量法，建立雙層復合板材隔聲預測模型，探究該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，并對隔音墊排布順序對整體結構隔聲特性的影響規(guī)律展開深入研究。

2　雙層隔聲復合板材隔聲特性探究

基于統(tǒng)計能量法，在VA-one中建立雙層復合板材的隔聲預測模型，如圖5所示。兩層隔音板厚度均為1 mm，且間夾2 mm空氣層，以模擬兩層隔音板之間的結構材料引起的聲衰減；復合板兩側各建立一聲腔，并在其中一聲腔內(nèi)施加混響聲場，以分別模擬聲源室及接收室。

圖5　基于統(tǒng)計能量法的隔聲預測模型

為探究隔聲材料排布順序對復合板材隔聲特性的影響，計算中設置兩種計算工況，工況內(nèi)容如表3所示。即采用1 mm鐵板與1 mm鋁板，分別模擬隔聲量大小不同的兩塊隔聲材料，在計算中調(diào)換兩者的位置，探究其排布順序對于整體結構隔聲特性的影響，計算結果如圖6所示。

表3　基于統(tǒng)計能量法的隔聲計算工況設置

圖6　基于統(tǒng)計能量法的雙層復合板材隔聲計算結果

由圖6可見，兩種工況的隔聲曲線在500 Hz以上頻段相差很小，而在400 Hz以下低頻段，工況2隔聲量高于工況1，提高了1 dB～3 dB。即是說，將隔聲量較大的鐵板置于近聲源端，而隔聲量較小的鋁板置于遠聲源端，更有利于提高該雙層復合結構隔聲水平，主要是低頻隔聲量提高了。

統(tǒng)計能量方法的計算結果均與高速列車平頂組合結構的結果規(guī)律相一致，解釋了調(diào)換隔音墊順序后，平頂結構隔聲特性發(fā)生顯著變化的原因：將隔聲量更大的隔聲材料置于近聲源端，將隔聲量較小的隔聲材料置于遠聲源端，更有利于整體結構隔聲水平的提升，它主要提升了低頻隔聲量。

3　三層隔聲復合板材隔聲特性探究

在雙層復合板材統(tǒng)計能量法隔聲預測模型的基礎上，增加一層隔聲材料，形成三層復合板材，進一步探究隔聲材料排布順序對三層復合板材隔聲特性的影響規(guī)律，其隔聲預測模型如圖7所示。

圖7　三層復合板材隔聲預測模型

取1 mm鋁板、2 mm鋁板、3 mm鋁板各一塊作為復合結構中的三層隔聲材料，每兩層材料間夾2 mm空氣層，并按照不同的排布順序組合后進行隔聲計算，計算工況如表4所示。圖8給出了所有工況的計算結果。

由圖8，可做以下分類比較：

（1）比較工況1和工況2，工況2相當于在工況1的基礎上將近聲源端材料與遠聲源端材料互換位置而得到。在250 Hz以上頻段，二者基本重合，在200 Hz以下頻段，工況2比工況1隔聲量大1 dB～3 dB。同時，工況3和工況4的比較結果、工況5和工況6的比較結果均與工況1和工況2的比較結果相近。這說明，當中間材料不變時，將另外兩種材料之中隔聲量較大的置于近聲源端，隔聲量較小的置于遠聲源端，能夠更有效地提升結構隔聲水平，它主要提升低頻隔聲量。

圖8　三層復合板材隔聲計算結果

（2）比較工況1和工況3，工況3相當于在工況1的基礎上將遠聲源端材料與中間材料互換位置而得到。在200 Hz以下的低頻段和1 600 Hz以上的高頻段，二者基本重合，在250 Hz～1 250 Hz中頻段，工況1比工況2隔聲量大1 dB～3 dB。同時，工況2和工況6的比較結果、工況4和工況5的比較結果均與工況1和工況3的比較結果相近。這說明，當近聲源端材料不變時，將另外兩種材料之中隔聲量較大的置于遠聲源端，隔聲量較小的置于中間，能夠更有效地提升結構隔聲水平，它主要提升中頻隔聲量。

（3）比較工況1和工況5，工況5相當于在工況1的基礎上將近聲源端材料與中間材料互換位置而得到。在1 250 Hz以上的高頻段，二者基本重合，在1 000 Hz以下中低頻段，工況5比工況1隔聲量大2 dB～6 dB。同時，工況2和工況4的比較結果、工況5和工況6的比較結果均與工況1和工況5的比較結果相近。這說明，當遠聲源端材料不變時，將另外兩種材料之中隔聲量較大的置于近聲源端，隔聲量較小的置于中間，能夠更有效地提升結構隔聲水平，它主要提升中低頻隔聲量。

以上三組比較結果說明，對于三層隔聲復合板材，當三種隔聲材料種類確定時，將隔聲量最大的材料置于近聲源端，將隔聲量次大的材料置于遠聲源端，將隔聲量最小的材料置于中間時，該復合結構的低頻隔聲量、中頻隔聲量以及整體隔聲量均為最大。

表4　三層復合板材隔聲計算工況設置

4　結語

對二個調(diào)換隔聲墊前后位置的平頂組合結構進行隔聲特性測試。對于測試結果的顯著差異，文中基于統(tǒng)計能量法，建立雙層板隔聲預測模型，探究該差異產(chǎn)生的原因；并在此基礎上，進一步研究隔聲材料排布順序對三層隔聲復合板材隔聲特性的影響規(guī)律。得到結論如下：

（1）將5 mm隔聲墊置于近聲源端，2 mm隔聲墊置于遠聲源端時，高速列車平頂組合結構的低頻隔聲量以及整體隔聲量均更高。

（2）對于雙層隔聲復合板材，當兩種隔聲材料種類確定時，將隔聲量較大的材料置于近聲源端，隔聲量較小的材料置于遠聲源端時，更有利于提高整體結構的隔聲水平，它主要提高低頻隔聲量。

（3）對于三層隔聲復合板材，當三種隔聲材料種類確定時，將隔聲量最大的材料置于近聲源端，將隔聲量次大的材料置于遠聲源端，將隔聲量最小的材料置于中間時，該復合結構隔聲水平最高，主要體現(xiàn)在中低頻段。該研究結果對于工程中復合材料隔聲性能的進一步提高有重要借鑒意義。

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Influence of the Insulation MaterialArrangement on Sound Insulation Properties of Composite Sheets

XULei1，ZHANG Xue-fei1，WANG Rui-qian1，ZHAO Yang-yu2，LIYe1

（1.School of Urban Rail Transit，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu China；2.Changzhou Institute of Railtransport，Southwest Jiaotong University，Changzhou 213164，Jiangsu China）

The insulation performance of the flat roof composite structure of a high-speed train is tested.It is found that when the positions of the two insulation pads in the structure are exchanged，the sound insulation performance of the composite structure will change significantly.To solve this problem，influences of the arrangement order of the insulation materials in a double-layer composite sheet and a triple-layer composite sheet on their sound insulation performances are studied respectively based on statistical energy method.Results show that for the double-layer composite sheet，the material layer with high insulation capacity should be arranged on the side close to the sound source and the layer with low insulation capacity should be arranged far from the sound source so as to raise the sound insulation of the overall structure significantly，especially in the low frequency range.For the triple-layer composite structure，the material layer with highest insulation capacity should be arranged on the side close to the sound source，the layer with secondary high insulation capacity should be arranged on the side far from the sound source，and the layer with lowest insulation capacity should be placed in the middle of the composite sheet so as to raise the sound insulation of the overall structure significantly，as well as to raise the sound insulation capacity in the medium and low frequency range.This work is of reference significance for further improvement of the sound insulation properties of composite sheets.

acoustics；high-speed train；sound insulation；SEA；composite sheet；arrangement order

U270.1+6

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.012

1006-1355（2016）04-0058-05

2015-03-20

徐磊（1991-），男，江蘇省無錫市人，碩士，主要研究方向為軌道交通噪聲與振動分析。

張學飛，男，碩士生導師。E-mail:zxfzxf1989@sina.com