孫加平，張麗榮，孫海榮，王志海，王永成

(唐山軌道客車有限責任有限公司，河北 唐山 063035)

隨著京滬高鐵客運專線、京津城際、武廣客運專線、鄭西客運專線的開通運營，中國已開始進入高鐵時代。高速鐵路給人們帶來快捷、安全、舒適的同時，也帶來了環(huán)境污染噪聲和振動。

張偉[1]、張捷[2]等，對高速列車在不同運行速度下車內(nèi)噪聲分別進行了現(xiàn)場測試，用聲品質(zhì)響度評價高速列車車內(nèi)噪聲環(huán)境，發(fā)現(xiàn)車內(nèi)噪聲環(huán)境需要進一步改進以滿足人類聽覺舒。YuYu[3]，對高速列車車內(nèi)噪聲進行了仿真預測分析，結(jié)果表明，地板空氣傳聲是車內(nèi)噪聲的主要貢獻者之一。因此，優(yōu)化地板結(jié)構(gòu)，提高地板隔聲性能，極有必要。說明，降低車內(nèi)噪聲，改善車內(nèi)聲場環(huán)境，地板隔聲量提高是關(guān)鍵問題。張玉梅等[4]，基于混合有限元—統(tǒng)計能量法及周期子結(jié)構(gòu)原理，建立了高速列車波紋外地板聲學特性仿真模型,根據(jù)波紋外地板結(jié)構(gòu)的傳遞損失評價隔聲性能，探尋隔聲性能優(yōu)越的外地板類型和結(jié)構(gòu)型式。已有研究表明，復合型吸聲材料的應用對高速列車車內(nèi)減震降噪具有十分重要的意義[5，6]。本文通過仿真手段，結(jié)合現(xiàn)有高速列車典型內(nèi)地板結(jié)構(gòu)，調(diào)研內(nèi)地板關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，研究三明治夾芯板材料、厚度參數(shù)對內(nèi)地板聲學性能的影響規(guī)律，為高速列車復合型內(nèi)地板降噪設計和選材提供依據(jù)。

典型高速列車內(nèi)地板結(jié)構(gòu)從上往下，由地板布、三明治夾芯板、隔音墊三部分組成。本文利用傳遞矩陣法研究三明治夾芯板材料參數(shù)、厚度對整個內(nèi)地板隔聲性能的影響。材料和結(jié)構(gòu)聲學性能的分析方法有多種，其傳遞矩陣法因其推導直觀、易于建立，且可用于分析均勻介質(zhì)和非均勻介質(zhì)構(gòu)成的任意有限厚度的分層介質(zhì)，在分層介質(zhì)聲學特性分析中應用較為廣泛。

楊德林等[7]，引入了傳遞矩陣的概念計算分層介質(zhì)中的聲透射。龐培森等[8]，推導了用傳遞矩陣法計算微穿孔板結(jié)構(gòu)聲學性能的計算公式,并與用聲電類比法計算的結(jié)果、試驗測定數(shù)據(jù)進行了對比，結(jié)果顯示，傳遞矩陣法是可以作為微穿孔板結(jié)構(gòu)設計和多層結(jié)構(gòu)的一種簡單而有效的參考方法。

1 內(nèi)地板結(jié)構(gòu)隔聲計算模型

文獻[9]對采用傳遞矩陣法計算層狀復合結(jié)構(gòu)隔聲量的有效性進行了詳細參數(shù)，結(jié)果表明，仿真與試驗結(jié)果吻合較好，傳遞矩陣法能夠有效計算復合板的隔聲特性。

針對圖1所示高速列車內(nèi)地板結(jié)構(gòu)，采用傳遞矩陣法，參考文獻[9]，在ESI Nova 2010軟件系統(tǒng)，建立了高速列車內(nèi)地板隔聲計算模型，如圖2所示。其中，內(nèi)地板結(jié)構(gòu)從上往下，由3 mm地板布、15 mm三明治夾芯板、5 mm隔音墊三部分組成，其中各結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)如表1所示。

圖1 內(nèi)地板結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 內(nèi)地板隔聲計算模型

在100 Hz～3 150 Hz頻率范圍，基于內(nèi)地板隔聲計算模型，將計算分析三明治夾芯板不同材料參數(shù)和厚度對整個內(nèi)地板隔聲量的影響。

2 三明治夾芯板參數(shù)調(diào)研

2.1 參數(shù)調(diào)研

三明治夾芯板不同結(jié)構(gòu)對內(nèi)地板隔聲量影響，分別調(diào)研，不同表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、不同蜂窩夾層密度及隨厚度變化下，內(nèi)地板隔聲量變化規(guī)律，如表2所示。其中，地板布、隔音墊參數(shù)固定，具體參數(shù)如表1所示。

表1 內(nèi)地板各結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)

表2 三明治夾芯板隔聲量計算工況

2.2 平均和計權(quán)隔聲量

內(nèi)地板隔聲量計算結(jié)果如表3所示。

圖3給出了表層材質(zhì)不同（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下，內(nèi)地板計權(quán)隔聲量。從圖中可以看出。

（1）改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內(nèi)地板計權(quán)隔聲量在30.6 dB和48.4 dB間變化；

（2）三明治夾芯板表層材質(zhì)對內(nèi)地板隔聲量的影響，表層夾板厚度一定，鋼材作為表層材料，內(nèi)地板隔聲量最好，其次是鋁材，最后是木材；

（3）三明治夾芯板夾板厚度與蜂窩板厚度分布對內(nèi)地板隔聲量的影響，三明治夾芯板總厚度不變，改變夾板厚度（1 mm～7.5 mm變化），鋼材與鋁材作為表層時對比，內(nèi)地板隔聲量提高5.7 mm～7.6 dB；鋁材比木材內(nèi)地板隔聲量提高2.5 mm～7.3 dB；鋼材最優(yōu)表層厚度為3 mm～6 mm，最大計權(quán)隔聲量為48.3 dB；鋁材最優(yōu)表層厚度為4 mm～5 mm，最大計權(quán)隔聲量為41.6 dB；木材最優(yōu)表層厚度為5 mm～7 mm，最大計權(quán)隔聲量為36.4 dB；

（4）蜂窩板夾層材料密度對內(nèi)地板隔聲量的影響，蜂窩板密度降低50%，內(nèi)地板隔聲量有增加趨勢，但影響較?。坏珜δ静?，在夾板厚度為7 mm時，隔聲量提高1.5 dB。

圖3內(nèi)地板計權(quán)隔聲量

圖4 給出了表層材質(zhì)不同（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下，內(nèi)地板平均隔聲量。從圖中可以看出，改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內(nèi)地板平均隔聲量在27.3 dB和45.8 dB間變化。隔聲量隨各參數(shù)變化與上面計權(quán)隔聲量同。

表3 不同材料、厚度夾板下內(nèi)地板隔聲量（dB）

圖4 內(nèi)地板平均隔聲量

2.3 頻率隔聲量

2.3.1 不同材料對內(nèi)地板頻率隔聲量的影響

為進一步研究三明治夾芯板材料參數(shù)對內(nèi)地板隔聲量的影響，圖5給出了1 mm厚表層夾板，在不同材料、蜂窩夾層（鋁）下，內(nèi)地板頻率隔聲量。

由圖5可以看出：

（1）表層夾板厚度1 mm時，鋼材作為表層材料，內(nèi)地板隔聲量在各個頻段都最好，其次是鋁材，最后是木材。其中鋼材作為表層，各頻段隔聲量比木材作為表層時提高約8 dB；鋁材作為表層時，各頻段隔聲量比木材作為表層時提高約3 dB；

（2）改變蜂窩夾層板密度，對整個內(nèi)地板隔聲特性幾乎無影響。

2.3.2 不同材料對內(nèi)地板頻率隔聲量的影響

為進一步研究三明治夾芯板表層、蜂窩夾層板厚度分布對內(nèi)地板隔聲量的影響，圖6給出了相同材料參數(shù)下，表層厚度0～7.5 mm變化時，內(nèi)地板的頻率隔聲量。從中可以看出：

（1）表層材料不變，增加表層夾板厚度，內(nèi)地板各頻段隔聲量普遍提高。但當厚度達到一定時，內(nèi)地板隔聲量在高頻出現(xiàn)低谷；

（2）木材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～1.5 dB。鋁材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～3 dB。鋼材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～5 dB。

圖5 內(nèi)地板頻率隔聲量（同一厚度：夾板1mm厚）

圖6 內(nèi)地板頻率隔聲量（同一材料，不同厚度）

由三明治夾芯板表層材質(zhì)對內(nèi)地板隔聲量的影響表明，表層夾板厚度一定，鋼材作為表層材料，內(nèi)地板隔聲量最好，其次是鋁材，最后是木材。

3 結(jié)語

三明治夾芯板不同結(jié)構(gòu)對內(nèi)地板隔聲量影響，分別調(diào)研表層材質(zhì)不同（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度不同及隨厚度變化下，內(nèi)地板隔聲量變化規(guī)律。

改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度后，內(nèi)地板隔聲量仿真結(jié)果表明：

（1）改變?nèi)髦螉A芯板表層材質(zhì)（木材、鋁材、鋼材）、蜂窩夾層密度、及兩者厚度分布，內(nèi)地板計權(quán)隔聲量在30.6 dB和48.4 dB間變化；

（2）三明治夾芯板表層材質(zhì)對內(nèi)地板隔聲量影響，表層夾板厚度一定，鋼材作為表層材料，內(nèi)地板隔聲量最好，其次是鋁材，最后是木材。三明治夾芯板總厚度不變，變化夾板厚度（1 mm～7.5 mm變化），鋼材與鋁材作為表層時對比，內(nèi)地板隔聲量提高5.7 dB～7.6 dB；鋁材與木材作為表層時對比，內(nèi)地板隔聲量提高2.5 dB～7.3 dB；

（3）三明治夾芯板夾板厚度與蜂窩板厚度分布對內(nèi)地板隔聲量影響，木材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～1.5 dB，木材最優(yōu)表層厚度為5 mm～7 mm，最大計權(quán)隔聲量為36.4 dB；鋁材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～3 dB，鋁材最優(yōu)表層厚度為4 mm～5 mm，最大計權(quán)隔聲量為41.6 dB；鋼材夾層板，厚度每增加1 mm，各個頻段隔聲量提高1 dB～5 dB，鋼材最優(yōu)表層厚度為3 mm～6 mm，最大計權(quán)隔聲量為48.3 dB；

（4）蜂窩板夾層材料密度變化對內(nèi)地板隔聲量影響不大。蜂窩板密度降低50%，內(nèi)地板隔聲量有增加趨勢，但影響較小。

[1]張 偉，陳光雄，肖新標，金學松.高速列車車內(nèi)噪聲聲品質(zhì)客觀評價分析[J].鐵道學報，2011，33(2)：13-18.

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