車輛型材結(jié)構(gòu)的隔聲性能優(yōu)化研究

張詠琳，汪凱森，趙艷菊，李盈利

（1.中南大學 交通運輸工程學院，軌道交通安全教育部重點實驗室，長沙410075；2.軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國際合作聯(lián)合實驗室，長沙410075；3.軌道交通列車安全保障技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，長沙410075；4.福州地鐵集團有限公司運營分公司 車輛中心檢修車間，福州350012；5.中車青島四方機車車輛股份有限公司,山東 青島266111）

近些年，中國高速列車技術(shù)取得了重大進展，京滬高鐵運行速度達到了300 km/h。但是隨著列車運行速度提升，不但源自輪軌區(qū)域與受電弓區(qū)域的噪聲會大大增加，而且因為空氣摩擦車體所產(chǎn)生的的噪音也越來越顯著[1-2]。列車的車內(nèi)噪聲會對乘客的舒適性造成很大影響。一個低噪聲的環(huán)境不僅能讓乘客在旅途中得到更好的休息。事實上，一個人如果長時間暴露在高水平的噪聲環(huán)境中可能會因此引發(fā)出某些健康問題：如壓力激增、睡眠障礙、心理健康甚至引發(fā)某些人體的心腦血管疾病。

提高車體的隔聲量[3]可以有效地降低車內(nèi)噪聲，而動車組車體的主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)是大型鋁型材。作為動車組車體的主要受力結(jié)構(gòu)，鋁型材包裹了整個車廂，因此鋁型材的隔聲性能直接影響著車內(nèi)噪聲的大小。提高鋁型材的隔聲量可以大大降低車內(nèi)噪聲，改善車內(nèi)聲場環(huán)境。Hongis對近50年來得到隔聲模型進行了匯總分析[4]，總共17種模型當中只有5種模型考慮了中間層帶有加筋的情況，而且往往還對加筋進行了等效處理。雖然目前依然沒有模型能夠真正準確地描述在各個方位內(nèi)板材的隔聲量，但是研究者依然在努力地尋找更為合理有效的理論模型。在比較有代表性的研究者中，F(xiàn)ahy[5]等將加筋部分也看作是無限大剛度體，這樣就把加筋板轉(zhuǎn)化為了復合單板進行計算，可以想象其結(jié)果與實際情況存在較大的誤差。王建等研究者[6-7]的做法是將板材中間加筋部分用彈簧或者扭簧進行等效，這樣建立的模型與實際情況已經(jīng)有了比較好的匹配度。Legault[8]等則是考慮將加筋等效為歐拉梁，得到了相當精確的結(jié)果，但是現(xiàn)實中面對的加筋板具有一定的約束結(jié)構(gòu)，這就使得他們的理論模型的應用面有限。沈承等[9]則是在上述研究的基礎上進一步探討了邊界條件對于加筋板的隔聲量的影響。張媛媛等人[10-12]分析了高速列車鋁型材外地板的減振降噪特性。羅樂等[13]基于結(jié)構(gòu)與聲振耦合方法研究了高速列車鋁型材的隔聲性能。

論文對型材關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設計，分析其對型材結(jié)構(gòu)隔聲量的影響，并分析了蜂窩-型材結(jié)構(gòu)的隔聲性能，為高速動車組車體結(jié)構(gòu)隔聲性能提升設計提供參考依據(jù)。

1 型材結(jié)構(gòu)模型

采用聲學有限元軟件Virtual.Lab Acoustics 建立車體型材的聲學模型，型材的尺寸參數(shù)如表1所示。結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。

為了提高型材結(jié)構(gòu)的隔聲性能，在車體型材靠近聲源室一側(cè)的面板結(jié)構(gòu)增加蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，加筋板結(jié)構(gòu)(b)從上往下分別為面板（2 mm）—蜂窩層（15 mm）—面板（3 mm）—加筋（20 mm）—面板（5 mm）。蜂窩結(jié)構(gòu)由邊長為33.48 mm的六邊形組成，六邊形中心點到其任意一條邊的距離為29 mm，兩個六邊形邊之間的距離為2 mm，即蜂窩結(jié)構(gòu)的壁厚為2 mm，結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示。

為分析車體型材結(jié)構(gòu)隔聲量，在型材結(jié)構(gòu)兩側(cè)建立聲學模塊，將聲學模塊的屬性定義為理想空氣，一側(cè)的模塊作為混響聲源一側(cè)聲場，以該聲學模塊的外表面為中心，建立起一個由12個平面波組成的混響聲源，有限元模型網(wǎng)格和聲學模塊如圖1(c)所示。混響聲源的半徑為9 552.4 mm，聲場內(nèi)聲壓為1 N/m2。

對車體型材模型的4 個側(cè)面設置簡支約束，對空氣—車體型材模型—空氣進行聲振耦合計算，在100 Hz～2 500 Hz 的范圍內(nèi)以1/3 倍頻程選擇了15個頻率作為數(shù)據(jù)記錄點。通過聲振耦合計算得到兩個聲學模塊內(nèi)的聲壓等數(shù)據(jù)，再經(jīng)過后處理，得到車體型材模型的隔聲量。

為驗證本文中仿真技術(shù)的有效性與正確性，首先進行算例驗證。按照文獻[14]中實驗材料的相關(guān)參數(shù)，建立了與之相同的型材板模型進行仿真計算，將得到的仿真結(jié)果與文獻[14]中的試驗結(jié)果進行對比，得到的結(jié)果如圖2所示。

表1 型材模型的尺寸參數(shù)

圖2 仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比

其中鋁型材結(jié)構(gòu)參數(shù)為：長度1 000 mm、寬度1 000 mm、總厚度30 mm、上板厚3 mm、筋板厚2.5 mm、下板厚2 mm、筋板夾角為42°。從圖中可以看出，兩條結(jié)果曲線大致吻合，存在少量偏差的原因在于仿真計算中邊界條件無法與試驗條件精確吻合。隔聲量在125 Hz 附近出現(xiàn)波谷，由模態(tài)計算得出，該型材的1階固有頻率為114.571 Hz，圖中曲線的波谷點均對應于型材板的固有頻率，在共振區(qū)隔聲性能出現(xiàn)較為明顯的波動。從驗證算例可以看出，本文的計算方法可以用于預測結(jié)構(gòu)的隔聲量。

對于車體型材而言，關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)有加筋角度、加筋粗細、面板間距離，面板厚度4 個。為了探究它們對于車體型材隔聲性能的影響，從而通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)來提升型材結(jié)構(gòu)的隔聲性能，在原加筋型板模型的基礎上更改這些結(jié)構(gòu)參數(shù)建立模型，參數(shù)如表2所示，分析其隔聲特性。

表2 車體型材不同結(jié)構(gòu)尺寸

2 車體型材結(jié)構(gòu)的隔聲量優(yōu)化分析

按照表2中的結(jié)構(gòu)尺寸對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，分別探究不同參數(shù)對于車體型材隔聲性能的影響，計算它們的隔聲量并進行比較。

從圖3(a)中可以看出，加筋角度為45 度的型材模型在100 Hz～500 Hz與800 Hz～1 800 Hz兩個頻率范圍內(nèi)隔聲量相對最高。36.87度、45度與90度3種加筋結(jié)構(gòu)的1 階固有頻率分別為552.9 Hz、576.6 Hz 與531.1 Hz，圖中3 條隔聲量曲線的第一個波谷均在500 Hz附近。波谷并非完全對應與固有頻率，是因為文中僅考慮在1/3 倍頻程中心頻率處的隔聲量。就平均隔聲量而言，45度斜加筋的型材在計算的全頻率范圍100 Hz～2 500 Hz內(nèi)的平均隔聲量要高于另外兩種角度加筋的型材。

從圖3（b）中可以看出，型材的隔聲量隨著加筋型材增粗而增大，但粗細不同型材的隔聲量的變化趨勢基本一致，均在500 Hz 和630 Hz 處出現(xiàn)波動。3 mm、6 mm與10 mm 3種加筋粗細型材板的1階固有頻率分別為531.1 Hz、548.9 Hz 與537 Hz，因此隔聲量曲線的第一個波谷均位于500 Hz附近。比較3條隔聲量曲線，隨著頻率繼續(xù)增大，6 mm 和10 mm加筋粗細的型材隔聲量趨于平緩，而3 mm加筋粗細型材的隔聲量在800 Hz 和1 250 Hz 處仍然存在波谷。根據(jù)隔聲原理可知，加筋粗細影響隔聲量變化的原因是因為加筋的粗細影響著型材的面密度與總質(zhì)量。加筋的變粗使得型材的面密度得到了一定的增大，總質(zhì)量增加，所以隔聲量上升。這個結(jié)論與質(zhì)量定律相符合。

從圖3（c）中可以看出，隨著面板之間距離的增加在第一個波谷前模型的隔聲量也有了一定程度的增加。但總體上，間距為40 mm 的車體型材具有較高的平均隔聲量，在頻率升高的過程中，隔聲量的變化趨勢更為平緩，具有更好的隔聲性能。30 mm、40 mm 與50 mm 3 種面板間距型材板的1 階固有頻率分別為531.1 Hz、567.3 Hz與627 Hz。

從圖3（d）中可以看出，增大面板厚度后型材的隔聲量出現(xiàn)了相當明顯的提升，尤其是在100 Hz～800 Hz與1 600 Hz～25 00 Hz內(nèi)，且平均隔聲量也有著較大的提升，增大面板厚度可增加車體型材隔聲量。5 mm、10 mm與15 mm 3種面板厚度型材板的1階固有頻率分別為531.1 Hz、538.7 Hz與600 Hz。

綜上所述，基于車體型材尺寸對其隔聲量影響的規(guī)律，對原型材的隔聲性能進行改良，改良后的型材模型與原型材模型結(jié)構(gòu)尺寸對比如表3所示。

表3 原型材與改良后型材的工況

型材結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的隔聲性能對比如圖4所示。圖4（a）對比了兩種板的隔聲量，從圖中可以看出，在100 Hz～500 Hz頻率區(qū)間內(nèi)，優(yōu)化后的型材板具有較高的隔聲量，平均隔聲量也有著較大程度的提升。

圖3 不同結(jié)構(gòu)尺寸隔聲量的對比

圖4 型材結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后隔聲性能對比

從圖4（b）可以看出，改良后型材的聲功率在100 Hz～500 Hz 內(nèi)明顯低于原型材，但其在共振區(qū)間內(nèi)波動更為劇烈。改良后的板材在1 600 Hz～2 500 Hz的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了明顯的下跌趨勢。對車體型材的改良成功地提高了其隔聲量，但其相對于原型材板質(zhì)量增加，而對于列車而言，型材重量過高會極大影響整體結(jié)構(gòu)設計。

3 蜂窩-型材結(jié)構(gòu)的隔聲量分析

單純通過改變車體型材結(jié)構(gòu)尺寸對其進行隔聲量優(yōu)化有不小的局限性，例如加筋角度的改變可能會影響到車體型材的強度、面板厚度或加筋粗細的增大會極大影響車體型材的總重量。考慮在型材結(jié)構(gòu)基礎上增加蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿了互相獨立的六邊形空腔，因而聲波于結(jié)構(gòu)中傳播時會受到極大的阻礙并產(chǎn)生損耗。同時，每個六邊形的每一個面都會對聲音產(chǎn)生反射，所以在低頻段具有較好的隔聲效果。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)有著良好的力學與隔聲性能，因而對蜂窩-型材結(jié)構(gòu)隔聲性能展開研究。

計算蜂窩-型材的隔聲量，并與原型材數(shù)據(jù)相比較，得到圖5所示隔聲量對比結(jié)果。從圖5中可以看出，在面板中加入蜂窩夾層后，型材模型的隔聲量在100 Hz～500 Hz 與1 250 Hz～2 500 Hz 2 個頻率范圍內(nèi)都有所增大，而且隔聲量在100 Hz～500 Hz 的頻率范圍內(nèi)增大最多，超過了8 dB。這樣的結(jié)果與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在低頻率范圍內(nèi)有較好的的隔聲量的特性相吻合。

雖然隔聲量有著顯著增加，但與之相應的，相較于無蜂窩的加筋型材結(jié)構(gòu)，蜂窩結(jié)構(gòu)在質(zhì)量上也有了一定程度的增加，蜂窩-型材結(jié)構(gòu)重量為33.753 5 kg，而原加筋型材結(jié)構(gòu)重量為25.123 3 kg，增重32.75%，即蜂窩結(jié)構(gòu)在提供較優(yōu)隔聲性能時損失了重量。

圖5 有無蜂窩2種型材的隔聲量對比

但為達到蜂窩型材結(jié)構(gòu)的平均隔聲量47.3 dB的水平，加筋型材結(jié)構(gòu)的重量則會增加到40.294 5 kg，蜂窩結(jié)構(gòu)減重16.45%，蜂窩結(jié)構(gòu)在保證了隔聲性能的同時減輕了車體型材的重量，達到了輕量化的要求。

圖6(a)分析蜂窩夾層厚度對隔聲量的影響，分別在15 mm，20 mm，25 mm 的蜂窩夾層厚度下對型材隔聲量進行計算。從數(shù)據(jù)中可以看出，蜂窩層越厚，隔聲量越大。具有不同厚度蜂窩夾層的型材都在630 Hz與1 000 Hz出現(xiàn)了波谷，且在630 Hz處波動較大。在1 600 Hz 時，25 mm 厚的蜂窩型材出現(xiàn)波谷，而15 mm厚的型材出現(xiàn)波峰，具有較大的隔聲量，但在100 Hz～2500 Hz 的范圍內(nèi)，25 mm 厚的蜂窩夾層型材依舊具有最高的平均隔聲量。

在保持其他參數(shù)不變的情況下，圖6(b)分析蜂窩六邊形邊長分別為33.48 mm，45.03 mm 和56.58 mm時，其對于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)隔聲量的影響。

從數(shù)據(jù)中可以看出，六邊形邊長為45.03 mm的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)隔聲量最大，33.48 mm的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)在500 Hz～1 000 Hz 的范圍內(nèi)平均隔聲量最小，而從總平均隔聲量上看邊長為56.58 mm 的隔聲量最小。證明了六邊形的大小會對整個型材結(jié)構(gòu)的隔聲量產(chǎn)生影響。

圖6 不同蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)對隔聲量影響

4 結(jié)語

本文通過聲學有限元分析了型材結(jié)構(gòu)的隔聲性能，并對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設計，主要結(jié)論如下：

（1）加筋與面板間角度的改變會對車體型材結(jié)構(gòu)的隔聲量產(chǎn)生影響，對于本論文建立的模型而言，36.87度、45度、90度3個角度的加筋中，45度夾角的隔聲量最高。

（2）加筋越粗，車體型材的隔聲量越大。

（3）面板間距離越大，車體型材的隔聲量越大。

（4）面板越厚，車體型材的隔聲量越大。

（5）將面板從均質(zhì)實心板改為蜂窩結(jié)構(gòu)可以增加車體型材在100 Hz～1 000 Hz 內(nèi)的隔聲量，但是更高頻率內(nèi)的隔聲量卻有可能下降。

（6）增加蜂窩夾層的厚度可以在全頻率內(nèi)提高車體型材結(jié)構(gòu)的隔聲量。

（7）構(gòu)成蜂窩結(jié)構(gòu)的六邊形邊長不同其隔聲量也有差異，在優(yōu)化計算中，邊長為45.03 mm 的六邊形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)隔聲性能優(yōu)于邊長為33.48 mm 與56.58 mm的六邊形蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。