阻尼材料對地鐵車輛地板隔聲性能的影響

劉 彬

(天津鐵道職業技術學院，300240，天津//助教)

研究發現，地鐵列車車內噪聲主要來自輪軌噪聲、車輛結構噪聲及車內設備噪聲等[1]。針對車輛的降噪問題，國內外學者做了大量的研究工作。文獻[2-4]對車內噪聲進行預測，并分析噪聲的輻射特性。文獻[5]對不同鋁合金車體結構進行隔聲量測試研究，得到最佳聲學性能的車體結構組合。目前，我國對于車內降噪措施的研究主要集中在隔聲與吸聲等方面。文獻[6-9]探討了不同阻尼漿厚度以及阻尼分布形式對鋁型材地板減振降噪的影響。文獻[10-11]從吸聲角度分析多孔吸聲材料對地鐵吸聲降噪的影響。成灌線是我國首條采用軌面吸聲板降噪的鐵路，從聲源上有效控制了噪聲的傳播。

本文在以上研究的基礎上，采用FE-SEA(有限元-統計能量分析)混合法[12-13]對兩種不同的城軌車輛地板結構進行隔聲量研究，探究其隔聲特性分布規律，為進一步提高城軌車輛隔聲水平提供依據。

1 FE-SEA混合法基本原理

在FE-SEA混合法中，系統結構剛度矩陣由FE子系統剛度矩陣和SEA子系統直達場剛度矩陣耦合而成，SEA子系統施加外界載荷于此耦合矩陣，并向SEA子系統混響場傳遞能量。當FE子系統與SEA子系統耦合時，其整體響應為：

(1)

式中:

Sqq——FE子系統中接點位移響應;

Sff,ext——FE子系統上的外部載荷，在隔聲問題中為外部聲壓;

Sff,m,rev——第m個SEA子系統的混響場在耦合接點處的統計平均作用力;

Ddir——直達場中FE子系統與SEA子系統的整體剛度矩陣。

根據直混場互惠定理可得：

(2)

式中：

Em——第m個SEA子系統所具有的平均統計能量;

ω——圓頻率;

nm——第m個SEA子系統的模態密度。

式(2)中虛部代表第m個SEA子系統對整體剛度矩陣的阻抗。

由于各子系統功率平衡，則FE-SEA耦合系統的功率平衡方程為：

Pin,j+Pin,dir,j=Pout,j+Pdiss,j

(3)

式中:

Pin,j——外界輸入功率;

Pin,dir,j——FE子系統通過直達場對子系統j的輸入功率;

Pout，j,Pdiss，j——分別為輸出功率及子系統j自身損耗功率。

式(3)整體功率平衡方程的矩陣表達形式為：

(4)

式中:

ηN——第N個SEA子系統的內損耗因子;

ηjk——SEA子系統j、k之間的耦合因子。

方程(4)中包含了描述FE-SEA模型的四大性能參數：模態密度、內損耗因子、耦合損耗因子以及外界輸入功率。當以上參數得到確定后，即可求解得到系統的整體平均響應能量。

根據以上原理，在ESI公司開發的VA one軟件中建立鋁型材聲學預測模型，將預測結果與試驗值進行對比，驗證其準確性。根據混響室-半消聲室測試標準添加聲載荷(DAF)模塊和半無限大聲場(SIF)，鋁型材長寬高分別為1 500 mm、1 200 mm、40 mm，上板厚3 mm，筋板厚2.5 mm，下板厚4 mm，無內飾粘接材料，內部加強筋為三角形單元布置的裸地板。將其按照每個波長包含至少6個單元進行離散，在125～4 000 Hz頻率范圍內，預測結果與試驗結果對比如圖1所示。

圖1 試驗值與預測值結果對比

從圖1可以看出，試驗值與預測值之間的誤差較小。因此,該方法可用于后續仿真預測。

2 FE-SEA混合模型建立

2.1 地鐵車輛地板結構

目前,地鐵車輛上常用的地板多為鋁型材加內飾材料結構，既滿足輕量化設計,又能達到承載要求。圖2為兩種不同的地板結構斷面，為便于區分，設為a、b兩類地板。

a) a類地板

兩種地板均以三角筋鋁型材作為基本骨架。a類地板地板布粘接在蜂窩鋁板上，蜂窩鋁板與鋁型材之間隔著由橡膠制成的減振墊。這種地板具有良好的減振和平整度，在南寧地鐵2號線、鄭州地鐵1號線均有使用。b類地板去掉蜂窩鋁板結構，地板布直接鋪設在鋁型材表面，鋁型材中空部分填充隔聲隔熱材料，并在鋁型材底部噴涂阻尼漿。這種地板具有良好的隔聲降噪、隔熱性能。武漢地鐵1號線采用此種地板結構。

2.2 地板FE-SEA模型

根據以上地板結構，在VA one中建立兩種地板的FE-SEA混合模型。地板劃分為14 879個殼單元組成的FE子系統，邊界條件為簡支;在地板表面施加DAF激勵載荷，半無限大聲場采用SIF模塊模擬消聲室與混響室SEA子系統，流場介質默認為空氣。整體FE-SEA隔聲預測模型如圖3所示。

圖3 地板FE-SEA聲學模型

3 仿真計算分析

3.1 不同地板隔聲特性

兩種地板使用的中空鋁型材相同，上板厚3 mm，中間板厚2.5 mm，下板厚4 mm，中間空腔厚度為40 mm。空腔填充隔熱材料采用碳纖維，流阻為9 000 N·s/m4。其他材料的具體參數見表1。

表1 材料參數

在nastran中建立兩種地板的有限元模型，導入VA one,生成兩種地板的FE-SEA模型。以長1 500 mm、寬1 200 mm的地板模型為實例，計算其在100～3 150 Hz頻率范圍內的隔聲量，計算結果如圖4所示。從圖4可以看出，在100～250 Hz頻率范圍內，a地板的隔聲量明顯高于b地板。在該區域內，剛度對隔聲量的影響起主要作用，由于b地板取消了蜂窩板結構，而采用阻尼材料代替，導致b地板整體剛度降低，從而使地板整體隔聲量降低，且隨著整體剛度的增加，第一階共振頻率增大。與a地板相比，b地板減少5 kg蜂窩鋁板，增加了2.4 kg阻尼材料，有效地抑制了鋁型材在315～800 Hz頻率范圍的振動，提升了地板在該頻率段內的隔聲量。隨著頻率的升高，阻尼的隔聲效應減弱，地板的局部振動效應占主導地位，a地板因減振墊之間存在空腔間隙，聲波在小聲腔內不斷反射消耗能量，從而增加了高頻部分的隔聲量。

圖4 a、b地板隔聲量對比

3.2 阻尼厚度對隔聲特性影響

從仿真結果可以看出，阻尼材料能有效地提高低頻段內的隔聲量，而地鐵車輛車內噪聲主要以低頻成分為主，為探究阻尼材料厚度對地板隔聲量的影響，設置2 mm、4 mm、6 mm、8 mm等4個阻尼厚度梯度，敷設于b地板上，計算不同阻尼厚度的隔聲特性曲線。計算結果如圖5所示。從圖5可以看出,隨著阻尼厚度增加，隔聲特性曲線向上移動，隔聲量呈現增大趨勢;在250～800 Hz頻率范圍內，阻尼充分發揮其剪切耗能優勢，隔聲效果明顯，但隨著阻尼厚度的增加，隔聲量提升效果逐漸減弱，其中當阻尼厚度從2 mm增加到4 mm時，隔聲量的提升效果最佳，最大隔聲量增量達3.8 dB。由于阻尼材料的某些參數與實際情況存在一定的差距，導致計算結果和實際略有出入，但總的趨勢一致，故計算結果在一定程度上反映了阻尼厚度對地鐵車輛地板隔聲量的作用規律。

圖5 不同阻尼厚度隔聲特性曲線

4 結語

本文采用FE-SEA混合法對兩類常見地鐵車輛地板進行隔聲性能的仿真計算，得到以下結論：

(1) a類地鐵車輛地板的隔聲優勢區間為100～250 Hz和800～3 150 Hz，b類地板則在315～800 Hz頻率范圍內有較優的隔聲效果。根據不同車輛內部的噪聲分布選擇相應的地板,能有效降低車內噪聲。

(2) 阻尼材料能有效降低車內噪聲，隨著阻尼材料厚度的增加，隔聲量增加，但阻尼材料的隔聲效率有所下降，當阻尼材料厚度增大到某一值時，阻尼材料的隔聲效果開始減弱。結合安裝空間及輕量化設計要求，選擇合適的阻尼厚度，可以同時滿足輕量化與低噪聲要求。