基于新型復合材料的城市軌道交通車輛地板降噪研究

蔡明君，張懷強，夏東偉，周詩寧

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130000)*

隨著城市軌道交通發展規模的不斷擴大，在滿足軌道交通運輸便捷、安全的前提下，越來越多的目光聚焦在如何提高軌道交通車輛的舒適性問題上，而車內噪聲水平是衡量軌道交通車輛舒適性的重要指標之一，如何改善車輛的乘坐舒適性，降低車內噪聲是擺在設計師面前的一個重要課題［1］.在噪聲傳播過程中對其進行控制是目前最為行之有效的解決方式，車下噪聲是城市軌道車輛客室內噪音的主要來源，所以客室地板也成為阻隔噪音的重要屏障之一.針對車內噪聲控制，現有的地板安結構分別從以下方面進行優化:如提高地板零部件的加工及裝配精度，避免在車輛運營過程中相鄰兩塊地板之間發生碰撞;在地板與車體之間的連接固定點處使用隔震墊，避免車輛運行過程中地板與車體底架產生碰撞;使用模塊化地板結構，使地板與車體底架上表面的接合位置為浮動地板結構，地板固定則依靠兩側的車體兩側的支撐型材［2］.現有地板安裝結構避免了地板與地板之間、地板與車體之間剛性連接，在滿足地板支撐強度要求的同時，可有限避免車輛運行過程中地板與車體產生振動和噪音.在軌道車輛客室地板既有的降噪安裝結構的基礎上，從地板材料著手，使用新型復合材料提高地板本身的吸音降噪性能，可以進一步提高整車的降噪性能.

1 城市軌道車輛車內噪聲產生原因

要實現城市軌道車輛車內噪聲的控制，必須要了解車輛運營過程中，車輛產生噪聲的源頭.在城市軌道車輛運營過程中，噪音的聲源主要來自車輛輪軌相對運動、車輛牽引及制動系統的運行噪音和車下吊裝的電氣設備工作噪聲以及其他噪聲(如車頂空調運行、受電弓網接觸以及車輛運行過程中的氣動噪聲)等［3］.現有研究表明，當軌道車輛的運行速度低于250 km/h時，其車輛內部噪音主要來自車輛運行所產生的輪軌噪聲;當軌道車輛的運行速度高于250 km/h時，其車輛內部噪音主要為空氣動力噪聲.我國城市軌道交通車輛的一般運營速度為60～80 km/h之間，所以車下噪聲是城市軌道交通噪聲的主要來源［4］.來自車下的噪聲和振動作用于車體底架及地板，激發車體底架和地板這種壁板結構的振動，并向車輛內部客室區域輻射噪聲，會給車內乘客帶來極不舒適的乘坐體驗［5］.因此，通過優化城市軌道車輛地板的安裝結構以及提高地板本身的吸音降噪性能來改進車輛隔音降噪性能已成為城市軌道車輛設計的發展趨勢.

2 城市軌道車輛地板安裝結構

當前車輛內裝地板通常由鋁蜂窩夾芯板為主體，四周由鋁型材邊框構成，相鄰兩塊地板之間通過鋁型材搭接在一起，搭接的接觸面粘有1 mm厚橡膠減震墊，搭接接頭利用螺釘連接固定.整個內裝地板兩側的鋁型材邊框通過螺釘與車體鋁型材上的安裝座連接，中部利用橡膠墊塊提供彈性支撐，構成浮動地板安裝結構，搭接接頭處通過鋁型材或橡膠墊提供支撐.結構如圖1所示.

此地板安裝結構避免了地板與地板之間、地板與車體之間剛性連接，在滿足地板支撐強度要求的同時，有效避免了車輛運行過程中地板與車體產生振動和噪音.

圖1 城市軌道車輛地板降噪結構

3 地板結構耐火試驗結果與分析

在地板結構優化的同時，為進一步減少城市軌道車輛的車內噪聲，則需要從地板材料著手，提高地板本身的吸音降噪性能.近年來，蜂窩鋁芯材的相關制品在國內的生產制造已經相當普遍，現有車市軌道車輛地板普遍采用鋁蜂窩板材質，其相對于鋁板及鋼板材質的地板有著重量輕、強度好、隔音性能優異的突出優勢，相對于木質地板有著更好的防火性能.但隨著城市軌道車輛的發展，人們對乘坐舒適性要求的逐步提高，鋁蜂窩地板已滿足不了城市軌道車輛對于高隔音量地板的要求，尤其70%低地板以及100%低地板有軌電車，由于車輛的低地板結構導致輪軌噪聲源離車內客室區域距離更近，使其對地板的減震降噪性能要求也越高［6］.蜂窩鋁芯材的地板對于不同頻率噪音的隔聲值約為19～26dB，同時，由于其特殊的垂向中空結構，導致其垂直于地板面方向的隔音效果遠低于其水平方向［7］.近年來，新型高性能復合地板材料逐漸走進人們的視野，為了進一步改進車輛降噪性能，以下探討了幾種常見的新型高性能復合材料，并對降噪性能進行了分析對比.

3.1 復合隔音鋁蜂窩地板

隔聲材料根據其隔音機理的不同，可以分為多孔隔音材料和共振隔音材料兩種.其中，多孔隔音材料又包括泡沫材料、纖維材料和復合吸聲材料［8］.針對現有鋁蜂窩板材的內部結構，及隔音材料的加工工藝，通過將基于合成橡膠具有復合孔狀結構的柔性開孔聲學材料與鋁蜂窩板復合(即將隔音材壓入帶孔蜂窩芯內)，制作成高隔音量的復合鋁蜂窩地板(以現有的18 mm厚地板為例，如圖2所示).

圖2 復合隔音鋁蜂窩地板結構

多孔吸聲材料是一種高分子復合材料，主要結構特點是其內部均勻分布著多個相互連通的微小孔隙，材料的隔聲原理聲波多層反射原理(如圖3所示)，當外界噪聲接觸到隔音材的表面后，部分聲波直接被反射回到空氣介質中.未被反射的一部分聲波則穿透隔聲材表面進入到其內部繼續傳播，聲波在隔音材內部的微小孔隙中傳播導致固體孔壁或孔筋產生摩擦運動，加之空氣的粘滯性和熱傳導效應，一部分聲能最終會被轉化為其他能量消散.未被轉化消散的這部分聲波經過微小孔隙的剛性壁面不斷反射，再次輻射倒隔音材表面時，一部分透射回到空氣介質中，另一部繼續回到隔音材內部，噪聲通過這種反復地傳播、反射，最終不斷地被轉化消散，從而使多孔吸聲材料能夠實現一個跟好的隔音效果［9］.

圖3 多孔吸聲材料的吸音原理示意

3.2 PET泡沫復合鋁地板

聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)泡沫材料也是一種多孔復合材料，其隔聲原理與多孔泡沫隔音材料的相同，不同于基于合成橡膠具有復合孔狀結構的柔性開孔聲學材料之處在于PET泡沫具有良好的尺寸穩定性及強度，所以PET泡沫可以無需鋁蜂窩支撐，獨立作為地板芯材.PET泡沫復合鋁地板結構如圖4所示.

圖4 PET泡沫復合鋁地板結構

3.3 地板結構3耐火試驗結果分析

酚醛復合材料是由改性酚醛樹脂為主體黏結劑、阻燃增強纖維及其輔助材料組成，經特殊工藝得到的一種輕質復合材料.通過將酚醛發泡，并與纖維增強有機組合，滿足了地板隔聲和強度的雙重需要.酚醛復合地板以酚醛復合材料作為地板的表層和底層，根據不同需求，可由巴沙木或輕芯鋼作為地板芯材.地板四周采用酚醛合成密封邊，可使整塊地板具有較好的強度剛度性能，復合酚醛地板結構如圖5所示.

圖5 復合酚醛地板結構

4 復合材料地板隔聲性能

4.1 隔聲試驗原理及流程

如圖6所示，兩間緊鄰的混響室，一間作為聲源室，另一間作接收室，兩室之間有一個公共墻面，墻面上有一個安裝通孔，用于安裝被測量的地板試件，為保證測試數據的準確性，用高密度密封膠進一步填充樣件與安裝孔之間縫隙.

圖6 地板隔聲量測試原理

在聲源室使用無指向聲源作為噪聲發生器發出噪聲，形成均勻的擴散聲場，通過測量接收室一側試件表面的平均聲壓級和混響室的平均聲壓級，可計算出試件的隔聲量.

測量所得兩混響室的聲壓級LA和LB，根據國家標準GB/T19889.3《聲學建筑和建筑構件隔聲量測量第三部分:建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量》的計算方法，得出特定頻率下的隔聲量R.

隔聲量計算式如式(1):

式中，R為特定頻率下的隔聲量(dB);LA為聲源室內的平均聲壓級(dB);LB為接收室內的平均聲壓級(dB);S為試件面積(m2)，一般等于試件孔面積;A為接收室的吸聲量(m2).

其中，接收室的吸聲量A按式(2)計算:

式中，V為接收室的空間體積(m3);T為接收室的混響時間(s).

噪聲發生器采用B＆K公司生產的4189-A-021型發生器，收聲設備采用B＆K公司生產的3160-A-042型多聲道分析儀，并用＆K公司生產的4231型聲級校準器測量兩混音室聲壓級，同時，在環境條件為:15℃ -55、25%-75%RH，對幅面為1 m2的地板樣塊(18 mm厚)進行測試.

4.2 復合隔音鋁蜂窩地板測試結果分析

復合隔音鋁蜂窩地板由于在鋁蜂窩芯材中加入基于合成橡膠具有復合孔狀結構的柔性開孔聲學材料，不僅保留了鋁蜂窩地板優良的機械性能，還使得復合隔聲鋁蜂窩地板的隔聲性能極大的提高.復合隔音鋁蜂窩地板1/3倍程頻率隔聲測試曲線如圖7所示，隔聲量如表1所示.

圖7 復合隔音鋁蜂窩地板隔聲測試結果

表1 復合隔音鋁蜂窩地板隔音量

4.3 PET泡沫復合鋁地板測試結果分析

PET泡沫復合鋁地板的機械性能與鋁蜂窩地板機械性能與傳統鋁蜂窩地板基本相同，地板強度略有提升，由于地板內部均布這許多剛性微小孔隙，使得整個地板的隔熱降噪性能得到大幅提升.相同的條件及測試方法下，對幅面為1 m2的PET泡沫復合鋁地板(18 mm厚)進行測試，PET泡沫復合鋁地板1/3倍程頻率隔聲測試曲線如圖8所示，其計權隔聲量可達到約30 dB左右，如表2所示.

圖8 PET泡沫復合鋁地板隔聲測試結果

表2 PET泡沫復合鋁地板隔音量報告

4.4 酚醛復合地板測試結果分析

酚醛復合地板的力學、機械性能遠遠高于傳統鋁蜂窩地板，相同的條件及測試方法下，酚醛復合地板1/3倍程頻率隔聲測試曲線如圖9所示，其計權隔音量可達到約33 dB左右，并且對于低頻噪聲的隔絕效果更為優秀，如表3所示.

圖9 酚醛復合地板隔聲測試結果

表3 PET泡沫復合鋁地板隔音量報告

5 結論

在現有軌道車輛地板降噪結構的基礎上，通過采用新型高性能復合隔音材料作為軌道車輛內裝地板的基材，可以有效的降低車內噪聲，提高車輛舒適度.如圖10所示，通過三種材質的地板試驗數據對比不難看出，復合隔音鋁蜂窩地板具有優異的隔音性能，對高頻噪聲的隔聲效果更好，機械性能與傳統鋁蜂窩芯地板相同，地板機械性能參數見表4.但其密度較大，內嵌預埋件及安裝型材的18mm厚(城市軌道車輛最常用的地板厚度)成品地板面密度約為15 kg/m2，不利于整車重量控制，對車輛的動力要求較高，適用于市域中高速軌道車輛.

PET泡沫復合鋁地板對于低頻噪聲的隔聲性能相對于另兩種材質的地板較差，其對高頻噪聲的隔聲性能另兩種地板相當.其優點在于密度較低，18 mm厚成品地板面密度約為10 kg/m2，相同條件下，PET泡沫芯材的剝離強度、彎曲強度與蜂窩鋁芯材板基本相同，但其剪切強度略低于鋁蜂窩板［10］，防火性能也無法滿足要求較高的EN45545防火標準.適用于客運承載量不高的地面軌道交通車輛.

圖10 地板隔聲特性曲線

表4 不同材質地板的機械性能參數

復合酚醛地板對于高頻及低頻噪聲的隔聲性能均比較優異，并且密度較低，18 mm厚成品地板面密度僅為9 kg/m2左右，且各項機械性遠高于傳統鋁蜂窩地板，并且防火性能較好.但其成本較高，其價格約為復合隔音鋁蜂窩和PET泡沫復合鋁地板的2倍左右，約為傳統鋁蜂窩地板的5倍左右，其價格成為其大面積推廣的制約因素之一;另一方面，由于其特殊的材質及工藝，導致復合酚醛地板內無法增加預埋件，因此其對整車裝配工藝要求較高.適用于對于隔聲要求較高，同時對整車重量控制要求較為嚴格的軌道車輛.

隨著人們對城市軌道車輛乘坐舒適性要求的越來越高，提高車輛的隔聲降噪性能已經越來越受到軌道車輛設計師的重視，探索先進的材料應用技術，優化既有車輛結構必將成為未來的發展趨勢.經過前述的地板安裝結構優化，以及新型復合隔聲材料在軌道車輛地板上的應用，為城市軌道車輛的減振降噪優化提供了參考.