鋁蜂窩夾層材料在客車噪聲控制的應(yīng)用研究

姜立標(biāo)，習(xí)成，李金水，區(qū)廷杰，鄺賀林

(1.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510640；2.利銘蜂窩復(fù)合材料廠有限公司，廣東佛山 528234)

0 引言

客車噪聲源可分為以下幾類：發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)噪聲，輪胎噪聲，車身噪聲。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲是客車的主要噪聲源[1]。

對客車產(chǎn)品而言，噪聲降噪的基本措施就是從這3個(gè)方面入手：降低聲源噪聲，控制客車噪聲傳播途徑，保護(hù)噪聲接受者[2]。

1 鋁蜂窩夾層材料吸聲性能研究

1.1 鋁蜂窩夾層材料簡介

鋁蜂窩夾層材料是一種采用鋁箔和高強(qiáng)度黏合劑制造的具有蜂窩孔結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。蜂窩孔的形狀最常見的是具有正六邊形孔格的鋁蜂窩。在蜂窩兩端面使用鋁合金薄板、不銹鋼薄板、天然石材薄板等不同材質(zhì)與之復(fù)合成各種用途的板材，其構(gòu)造如圖1所示。

鋁蜂窩夾層板性能特點(diǎn)：密度小(常用的鋁蜂窩重力密度為600 N/m[3])，隔音、隔熱性能好，較強(qiáng)的減震性能，防火，優(yōu)越的平整度和剛性，質(zhì)輕、節(jié)能(其性價(jià)比明顯高于鋁塑板、鋁單板，有效地節(jié)省材料[3])，防潮。

1.2 材料吸聲降噪基礎(chǔ)

聲波進(jìn)入吸聲材料孔隙后，引起孔隙中的空氣和材料的細(xì)小纖維的振動(dòng)。由于摩擦和黏滯阻力，聲能變?yōu)闊崮芏晃蘸秃纳⒌簦@就是材料的吸聲原理。

入射的聲能被反射的越少，材料的吸聲能力越好。材料的這種吸聲性能常用吸聲系數(shù)來表示，定義為：聲波入射到材料表面時(shí)材料的吸收聲能和透射聲能與入射到材料表面的聲能之比

(1)

式中：E0為入射聲的總聲能；E1為反射聲聲能；E2為材料吸收的聲能；E3為透過材料的聲能[4]。

1.3 鋁蜂窩夾層材料吸聲實(shí)驗(yàn)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)方案

影響鋁蜂窩夾層材料吸聲性能的主要因素有穿孔鋁板的穿孔率、穿孔鋁板厚度、鋁蜂窩芯芯格邊長、鋁蜂窩芯厚度等[5-6]。為方便分析，實(shí)驗(yàn)采取四因素三水平正交試驗(yàn)方法測定鋁蜂窩夾層材料的吸聲系數(shù)，其因數(shù)與水平見表1。實(shí)驗(yàn)指標(biāo)為材料的平均吸聲系數(shù)，所設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平表

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表

1.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對實(shí)驗(yàn)測得的各因素各水平的鋁蜂窩夾層材料吸聲系數(shù)數(shù)據(jù)采用極差分析法。該方法可以用來確定實(shí)驗(yàn)因素的優(yōu)水平和優(yōu)水平組合；根據(jù)極差大小判斷因素的主次影響順序。因此，對實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)處理如表3。

表3 鋁蜂窩夾層材料四因素三水平正交吸聲系數(shù)測定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表格中，Kjm為第j列因素m水平所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo)和，Ljm為Kjm的均值，由Ljm的大小可以判斷第j列因素的優(yōu)水平和優(yōu)組合，如KA2表示為穿孔率為10%的材料平均吸聲系數(shù)總和為1.193，、LA2表示穿孔率為10%的材料平均吸聲系數(shù)為0.398。R為因素的極差，R的計(jì)算公式為：

Rj=max(Lj)-min(Lj)

(2)

Rj為第j列因素的極差，反映了第j列因素水平波動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。Rj越大，說明該因素對指標(biāo)影響越大，根據(jù)Rj的大小可以判斷因素影響的主次順序。

(1)因素影響的主次順序分析

從表3可見穿孔鋁板的穿孔率影響最大，其次是鋁蜂窩芯厚度和鋁蜂窩芯芯格邊長，而穿孔鋁板的厚度影響最小。

(2)優(yōu)組合分析

根據(jù)LA1、LA2、LA3的大小可以判斷A2為A因素的優(yōu)水平。同理，可以判斷B3為B因素的優(yōu)水平；C1為C因素的優(yōu)水平；D3為D因素的優(yōu)水平。4個(gè)因素的優(yōu)水平組合A2B3C1D3(見表2)為該實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)水平組合，即材料平均吸聲系數(shù)最大的一組是穿孔鋁板的穿孔率為10%、穿孔鋁板的厚度為3 mm、鋁蜂窩芯芯格邊長為5 mm、鋁蜂窩芯厚度為30 mm。

(3)穿孔鋁板的穿孔率對吸聲性能的影響

從圖2可知:隨著穿孔率的增大，鋁蜂窩材料的平均吸聲系數(shù)先逐漸增大，然后有所降低，在5%～20%之間存在一個(gè)極大值，使得鋁蜂窩材料具有最好的吸聲效果，此時(shí)的平均吸聲系數(shù)將大于或等于0.398。

(4)穿孔鋁板厚度對吸聲性能的影響

從圖3可以看出:穿孔鋁板厚度為1、2、3 mm時(shí)，鋁蜂窩材料的平均吸聲系數(shù)為0.375、0.381、0.383。通過增加厚度來增加鋁蜂窩材料的平均吸聲系數(shù)意義不大。

(5)鋁蜂窩芯芯格邊長對吸聲性能的影響：

鋁蜂窩芯芯格邊長的大小決定了內(nèi)部被分隔開來的腔的大小，芯格邊長越小，內(nèi)部的腔越密，增大了聲波在腔內(nèi)部的反射，利于聲波的吸收。從圖4可以看出：隨著芯格邊長的增大，平均吸聲系數(shù)略有降低。

(6)蜂窩芯厚度對吸聲性能的影響：

一般來說腔厚越大，吸聲頻率越低，吸聲頻帶越寬，吸聲效果越好，這也可以從圖5看出。

2 鋁蜂窩夾層材料隔聲降噪性能研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)車輛為某企業(yè)正在使用的金杯SY6480客車。為了避免其他噪聲可能對發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩測試結(jié)果產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)采用定置噪聲測試的方法。所謂客車定置是指客車不行駛，發(fā)動(dòng)機(jī)處于空載運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。比實(shí)驗(yàn)將分別測量發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在800、2 000、3 500、4 600 r/min 4種工況下，各測點(diǎn)的噪聲狀況。

2.2 結(jié)果分析

按實(shí)驗(yàn)方案測得的發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩隔聲量結(jié)果見表4。

從表4可以看出：這兩種隔聲罩在發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況時(shí)(轉(zhuǎn)速800 r/min)時(shí)，隔聲量較低，分別是8.2、10.6 dB，隔聲效果不是很明顯。這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的噪聲主要是發(fā)動(dòng)機(jī)表面的輻射噪聲和機(jī)械噪聲，這部分噪聲的頻率都比較低，其聲壓本身就很低；另一方面，發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩的隔聲構(gòu)件的隔聲量和吸聲材料的吸聲系數(shù)在低頻段都比較低，導(dǎo)致其在低頻段的隔聲效果不是很明顯[7]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在2 000、3 500和4 500 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要噪聲是發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒噪聲，這部分噪聲主要分布在高頻段。由于隔聲構(gòu)件的隔聲量和吸聲材料的吸聲系數(shù)在高頻段都比較大，所以能取得較好的降噪效果[8]。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩隔聲量測試結(jié)果

綜上，新研制的鋁蜂窩夾層隔聲罩能夠獲得比原發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩更好的降噪效果，在發(fā)動(dòng)機(jī)4種轉(zhuǎn)速工況下，新罩的隔聲量比原罩相應(yīng)提高了29.3%、30%、22.7%、28.4%，平均隔聲量提高了27.5%。

3 結(jié)論

(1)鋁蜂窩夾層材料能取得較好的吸聲性能，吸聲系數(shù)可以達(dá)到0.44以上。影響鋁蜂窩夾層材料吸聲性能因素的主次順序依次是穿孔鋁板的穿孔率、鋁蜂窩芯的厚度、鋁蜂窩芯的芯格邊長和穿孔鋁板的厚度。鋁蜂窩復(fù)合材料吸聲性能較好時(shí)的頻段在500 Hz以上的中高頻區(qū)，這比一般的多孔性吸聲材料的吸聲頻段要寬。

(2)在發(fā)動(dòng)機(jī)隔聲罩隔聲性能的測試中，新罩在發(fā)動(dòng)機(jī)4種工況下的隔聲量和平均隔聲量都比原罩好，隔聲效果更佳。可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲向車廂內(nèi)的傳播量，改善客車車內(nèi)的舒適性。

【1】 陳雯.輪胎噪聲及控制[J].汽車與配件,1997(5):18-19.

【2】 何渝生.汽車噪聲控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1995:45.

【3】 胡玉琴.鋁蜂窩夾層板等效模型研究及數(shù)值分析[D].南京:南京航空航天大學(xué),2008.

【4】 陳克安,曾香煙,李海英.聲學(xué)測量[M].北京:科學(xué)出版社,2005:75-86.

【5】 李耀中,李東升.噪聲控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008:23-31.

【6】 趙良省.噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:37-43.

【7】 龐劍,諶剛,何華.汽車噪聲與振動(dòng)-理論與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2006:152-176.

【8】 孫建波,趙西安.發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲成因與控制[J].工程機(jī)械與維修,2005(8):148-149.