高速列車組合地板結構隔聲性能分析

李明，韓鐵禮，朱薈吉，姚丹，韓健

高速列車組合地板結構隔聲性能分析

李明1，韓鐵禮1，朱薈吉2，姚丹2，韓健*,3

（1.中車唐山機車車輛有限公司 技術研究中心，河北 唐山 063035；2.西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031；3.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

為探究組合地板結構中聲能量傳遞規(guī)律，設計出隔聲性能更好的高速列車地板結構，本文基于FE-SEA混合法，建立了能夠完整考慮內地板、木骨/彈性支撐、多孔吸聲材料和外地板的組合地板隔聲預測模型，并結合試驗測試結果，驗證了模型的準確性?；隍炞C的模型，對比了兩種支撐方式（木骨和彈性支撐）對組合地板結構隔聲性能的影響。結果顯示：支撐方式為木骨時的計權隔聲量比彈性支撐大2 dB左右。且其頻率隔聲量在大部分頻率都高于彈性支撐，各個頻段內木骨比彈性支撐大2～4 dB。組合地板的聲能量傳遞主要為“鋁型材－木骨/彈性支撐－內地板”，傳遞率相比于“鋁型材－瀝水板－多孔吸聲材料－內地板”超過了60%。多孔吸聲材料變化對組合地板隔聲性能影響很小，針對組合地板的優(yōu)化設計應更多的考慮木骨和彈性支撐的減振降噪措施。

高速列車；隔聲；組合地板；FE-SEA混合法；聲能量傳遞

隨著高速列車的快速發(fā)展，隨之而來的振動噪聲問題越來越引起人們的關注[1]。車外噪聲主要通過車體板材結構傳播進入到車廂內部。地板結構的異常振動也會影響乘客舒適性[2]。為了能夠有效地抑制振動噪聲從車外傳入車內，設計出聲學性能良好的板件結構至關重要。

典型的高速列車地板結構[3]主要包括內地板和外地板，內地板多為木質地板或夾芯鋁地板。外地板一般為鋁合金中空擠壓型材結構（鋁型材）。內地板和外地板之間由彈性支撐或木骨連接，中間填充多孔吸聲材料。

孫加平等[4]和于金朋等[5]將內地板結構考慮為層狀結構，采用傳遞矩陣法分析了“地板布＋內地板＋隔音墊”的隔聲性能，對比了各層材料類型、密度和厚度等因素對層狀結構隔聲性能的影響。

對于鋁型材外地板結構的隔聲性能研究主要分為：有限元/邊界元法、統(tǒng)計能量法和混合法。郭會越[6]通過有限元法建立了地板、側墻及頂板的隔聲仿真模型，對不同區(qū)域進行了優(yōu)化。張媛媛[7]基于統(tǒng)計能量法對鋁型材結構進行了隔聲仿真分析，對比了阻尼處理對鋁型材隔聲性能的影響。吳健[8]基于FE-SEA的方法計算了地鐵車輛鋁型材結構的隔聲性能，并與試驗測試結果進行對比驗證了模型。相比于有限元法和統(tǒng)計能量法，F(xiàn)E-SEA混合法可以更加精準有效的預測鋁型材結構在全頻段內的隔聲性能。

車體結構中的側墻[9]和頂板[10]結構通常可等效為“雙層隔聲墻”結構，即雙層板中間填充一定厚度的空氣層或多孔吸聲材料。但地板之間通常采用木骨或彈性支撐連接，相比于側墻和頂板，結構更加復雜。目前對于高速列車地板復合結構隔聲性能的研究大多集中在試驗測試方面[3]，仍缺少更加詳細的組合地板結構隔聲性能預測模型，以對比不同層結構之間的聲能量傳遞。

為探究組合地板結構中聲能量傳遞規(guī)律，設計出隔聲性能更好的高速列車地板結構，本文基于FE-SEA混合法，建立了能夠完整考慮內地板、木骨/彈性支撐、多孔吸聲材料和外地板的組合地板隔聲預測模型，并且結合試驗測試結果，驗證了模型的準確性?；隍炞C的模型，對比了兩種支撐方式（木骨和彈性支撐）對地板結構隔聲性能的影響。本文研究結果可以為高速列車組合地板結構的方案設計提供參考依據(jù)。

1 高速列車組合地板隔聲預測模型

表1為某組合地板的排布方式及各層材料參數(shù)。

表1 組合地板的材料參數(shù)

基于FE-SEA混合法，在ESI VA One中建立高速列車組合地板的隔聲預測模型，對其隔聲性能進行預測分析，計算模型如圖1所示。圖（a）中左、右兩個空腔分別模擬發(fā)聲室和接收室，在發(fā)聲室一側施加混響聲源，圖（b）中鋁型材（外地板）結構、木骨和減振墊用FE子系統(tǒng)模擬，其他結構用SEA子系統(tǒng)模擬。

圖1 高速列車組合地板隔聲預測模型

整個組合地板的隔聲量為[11]：

式中：為隔聲量，dB；為組合地板向接收室一側輻射能量時的輻射面積，m2；為角頻率，rad/s；0為空氣中的聲速，m/s；1為發(fā)聲室的能量，N·m；2為接收室的能量，N·m；1為發(fā)聲室的模態(tài)密度，modes/(rad·s-1)；2為接收室的模態(tài)密度，modes/(rad·s-1)；2為接收室的阻尼損耗因子。

2 高速列車組合地板隔聲模型驗證

為驗證組合地板隔聲預測模型的有效性，在實驗室中采用聲壓法測試了表1中組合地板的隔聲量。測試時樣件放置在隔聲測試工裝中，四周用密封膠密封。圖2為實驗室測試時的組合地板樣件。組合地板的尺寸約為1.07×1.23×0.164 m3。

圖2 高速列車組合地板樣件

采用聲壓法進行實驗室測試時，隔聲量為[12]：

式中：1為發(fā)聲室的平均聲壓級；2為接收室的平均聲壓級；為被測樣件的輻射面積，m2；為等效吸聲面積，m2，可通過測試接收室的混響時間得到。

建立與試驗測試樣件同等大小、同樣排布的組合地板隔聲預測模型，模型中各層材料的密度通過稱重得到，彈性模量、泊松比和阻尼損耗因子等參數(shù)主要參考同類型材料確定，可能會與實際所用材料有所差異。聚酯纖維棉的吸聲系數(shù)通過駐波管測試后加載到模型中。模型中邊界條件定義為自由狀態(tài)。

為確保計算結果盡可能體現(xiàn)1/3倍頻程100～3150 Hz頻率范圍內的隔聲性能，模型中的計算頻率定義為1/36倍頻程頻率90～3495 Hz。仿真預測和試驗測試結果如圖3所示。

圖3 組合地板仿真預測和試驗測試結果對比

對比測試和仿真預測結果，發(fā)現(xiàn)1/3倍頻程500～3150 Hz頻段內的仿真預測結果和測試結果基本接近，最大差異小于5 dB；500 Hz以下差異較大，可能與模型所選的材料參數(shù)和邊界條件有關，仿真預測時選用了自由邊界條件，實際測試中四邊用密封膠密封，二者存在一定的差異?？偟膩碚f，仿真預測模型是可行的，可用于后續(xù)分析組合地板的隔聲性能影響因素。

3 支撐方式對隔聲性能的影響

組合地板結構中，內地板和外地板之間通常由木骨連接，在有座椅分布的區(qū)域，還存在彈性支撐連接，圖4為兩種支撐方式的對比圖。

圖4 兩種支撐方式樣件對比圖

在實驗室中測試了這兩種支撐方式對組合地板隔聲量的影響，組合地板的各層材料參數(shù)與表1一致，兩種組合地板的差異僅為支撐方式的差異，組合地板1的支撐方式為木骨，組合地板2的支撐方式為彈性支撐。測試得到如圖5所示的結果。

從測試結果可看出，支撐方式為木骨時的計權隔聲量比彈性支撐大2.1 dB。支撐方式為木骨時的隔聲量在大部分頻率都高于彈性支撐，在1/3倍頻程100～160 Hz頻段范圍內，差異約有5 dB，在1/3倍頻程630～1600 Hz頻段范圍內，差異約有3 dB。建立同等大小的兩種組合地板隔聲量預測模型，計算結果如圖6所示。

仿真預測結果很好的預測出了兩種方案在1、3倍頻程250～3150 Hz頻帶內的隔聲量差異，各個頻段內組合地板1（木骨）比組合地板2（彈性支撐）大2～4 dB，更進一步驗證了仿真預測模型的準確性。

相比于試驗測試結果，仿真預測模型可以分析不同層結構之間的聲能量傳遞。圖7為組合地板的能量傳遞路徑示意圖。聲功率的傳遞主要有兩種路徑：

（1）經(jīng)由鋁型材－瀝水板－多孔吸聲材料傳遞至內地板；

（2）經(jīng)由鋁型材直接傳遞至木骨和橡膠墊（或彈性支撐），再傳遞至內地板。

圖5 兩種支撐方式對組合地板隔聲量的影響（測試）

圖6 兩種支撐方式對組合地板隔聲量的影響（仿真）

圖7 組合地板能量傳遞路徑示意圖

圖8為這兩種組合地板各路徑聲功率級差異，并且計算了各路徑傳遞的聲功率級百分比。

從圖8可以看出，組合地板1中鋁型材的能量傳遞主要通過木骨傳遞至內地板，聲功率級傳遞率為71.1%。組合地板2中鋁型材的能量傳遞主要通過彈性支撐傳遞至內地板，聲功率級傳遞率為60.7%。因此，多孔吸聲材料變化對組合地板隔聲性能影響很小。針對組合地板的優(yōu)化設計應更多的考慮木骨和彈性支撐的減振降噪措施。

圖8 組合地板能量傳遞路徑

4 結論

本文基于FE-SEA混合法，建立了能夠完整考慮內地板、木骨/彈性支撐、多孔吸聲材料和外地板的組合地板隔聲預測模型，并結合試驗測試結果，驗證了模型的準確性?；隍炞C的模型，對比了兩種支撐方式（木骨和彈性支撐）對地板結構隔聲性能的影響。得出主要結論如下：

（1）采用FE-SEA混合法建立組合地板結構隔聲預測模型，可以有效預測500～3150 Hz頻段內的組合地板隔聲性能。仿真預測結果和測試結果基本接近，最大差異小于5 dB。

（2）對比組合地板中的兩種常見支撐方式：木骨和彈性支撐，支撐方式為木骨時的計權隔聲量比彈性支撐大2 dB左右。支撐方式為木骨時的隔聲量在大部分頻率都高于彈性支撐，各個頻段內組合地板1（木骨）比組合地板2（彈性支撐）大2～4 dB。

（3）隔聲預測模型中的聲能量的傳遞主要有兩種路徑：一是經(jīng)由鋁型材－瀝水板－多孔吸聲材料傳遞至內地板；二是經(jīng)由鋁型材直接傳遞至木骨和橡膠墊（或彈性支撐），再傳遞至內地板。路徑二的傳遞率超過了60%。因此，多孔吸聲材料變化對組合地板隔聲性能影響很小。針對組合地板的優(yōu)化設計應更多的考慮木骨和彈性支撐的減振降噪措施。

[1]Xue-song Jin. Key problems faced in high-speed train operation[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE A，2014，15（12）：936-945

[2]郭金瑩，王勇，石懷龍. 地鐵車輛地板共振機理分析及解決方案[J]. 機械，2013（9）：6-9.

[3]王瑞乾. 高速列車地板結構隔聲及隔聲提高方法探究[D]. 成都：西南交通大學，2014.

[4]孫加平，張麗榮，孫海榮，等. 高速列車夾芯地板結構隔聲特性研究[J]. 噪聲與振動控制，2014，34（4）：39-43.

[5]于金朋，劉小霞，黃雪飛，等. 高速列車內地板隔音墊聲學特性的研究[J]. 噪聲與振動控制，2014，34（4）：35-38.

[6]郭會越. 車體鋁合金型材斷面的聲學優(yōu)化[D]. 北京：北京交通大學，2015.

[7]張媛媛. 高速列車鋁型材外地板結構振動與減振降噪性能分析研究[D]. 成都：西南交通大學，2013.

[8]吳健. 地鐵列車車內噪聲預測與車體鋁型材減振降噪優(yōu)化[D].成都：西南交通大學，2016.

[9]伏蓉，張捷，姚丹，等. 高速列車車體輕量化層狀復合結構隔聲設計[J]. 噪聲與振動控制，2016，36（1）：48-52.

[10]姚丹，杜幾平，張捷，等. 多孔材料聲學參數(shù)辨識及其在城軌列車頂板隔聲中的應用[J]. 中南大學學報（自然科學版），2018，49（1）：253-260.

[11]ESI Group. VA One User Guide. 2010.

[12] 全國聲學標準化技術委員會. GB/T 19889.3-2005聲學建筑和建筑構件隔聲測量第3部分：建筑構件空氣聲隔聲的實驗室測量[S].北京：中國標準出版社，2005.

Sound Insulation Performance Analysis of High-speed Train Composite Floor Structures

LI Ming1，HAN Tieli1，ZHU Huiji2，YAO Dan2，HAN Jian3

(1.Product Technology Research Center, CRRC Tangshan CO. Ltd., Tangshan 063035, China; 2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study and explore the law of acoustic energy transfer in the high-speed train composite floor structures, and improve their sound insulation performance, a prediction model was established based on the hybrid Finite Element-Statistical Energy Analysis (FE-SEA) method. The model takes into full consideration the interior floor, the wooden or elastic support, the porous sound absorption material and the exterior floor. The model is verified with experimental results. The effects of two supports (wooden or elastic supports) on the sound insulation performance of the floor structure were compared. The results show that the weighted sound reduction index of wooden supports is about 2 dB larger than the elastic support. The frequency dependent sound insulation of wooden supports is about 2~4 dB larger than the elastic support at most frequencies. The acoustic energy transfer of the composite floor is mainly transmitted directly to the wooden or elastic support via the exterior floor and then to the inner floor, with a transfer rate of more than 60%. The influence of the porous sound absorption material is small. For the optimized design of the composite floor, more consideration should be given to the vibration and noise reduction of the wooden or elastic support.

high-speed train；sound transmission loss；composite floor；the hybrid FE-SEA method；acoustic energy transfer

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.010

1006－0316 (2020) 10－0060－06

2020－07－29

國家重點研發(fā)計劃戰(zhàn)略性國際科技創(chuàng)新合作重點專項（2016YFE0205200）；四川省科技計劃項目資助（2020YJ0076）

李明（1983－），男，四川眉山人，博士，教授級高級工程師，主要研究方向為軌道車輛綜合節(jié)能技術研究。

韓?。?987－），男，遼寧葫蘆島人，博士，助理研究員，主要研究方向為軌道交通振動與噪聲控制，Email：super_han@126.com。