高速列車新型車窗隔聲性能研究

石廣田，徐鄭驍，張小安，張曉蕓，楊力

（1.蘭州交通大學 機電工程學院，蘭州 730070；2.中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

當列車以200 km/h以上的速度運行時，噪聲污染問題將同列車安全性、牽引動力等因素一起限制高速列車的進一步提速[1]。當前研究多集中于高速列車板材隔聲問題的研究[2-5]。列車車窗區域作為噪聲敏感區域[6]，目前對于其研究主要針對普通車窗，如張玉梅等[7]建立高速列車雙板空腔結構車窗隔聲量計算模型研究了車窗厚度、空腔厚度和空腔阻尼對車窗隔聲量的影響，劉繼生等[8]從隔聲機理角度比較了現用鐵路客車車窗玻璃中單層鋼化玻璃、鋼化中空玻璃和夾層中空玻璃3種結構形式對隔聲效果的影響。此外徐振驍[9]開展了高速列車常用車窗玻璃的隔聲性能研究。對于真空車窗玻璃與智能車窗玻璃（電致變色車窗玻璃）卻鮮有研究，所以對于新型列車車窗的隔聲性能研究是很有必要的。本文通過建立更符合高速列車運行環境的聲學計算模型，計算真空車窗玻璃的隔聲性能曲線，分析其聲橋長度、外板厚度以及真空度對其隔聲性能的影響，并對其各自影響規律進行對比總結；以北京航空航天大學電致變色中心某型電致變色玻璃為例，計算電致變色車窗玻璃的隔聲性能曲線，分析其總隔聲量隨軟膜厚度變化的規律。將兩類新型車窗玻璃的隔聲性能曲線與現有高速列車車窗玻璃隔聲性能曲線進行對比，說明其聲學性能在不同頻段或不同情況下的優劣勢，對高速列車車窗玻璃選型與改進有一定的實用價值。

1 聲學計算模型

在列車實際運行中，內部的聲場是有限的空間，而外部的聲場是接近無限的空間，參照實際情況，建立外部的空間較大的混響室，內部按照高速列車內部空間參數建立消聲室。建立如下圖1所示的高速列車車窗玻璃聲學計算模型：

圖1 高速列車車窗玻璃聲學計算模型

對真空玻璃進行聲學建模時，其中間真空層的聲橋為較小的桿狀結構，桿件結構的振動模態密度分別用彎曲波數KB、圓頻率ω以及赫茲頻率f來表示如式(1)所示。

式中：N為模態數，l為中間聲橋的物理長度，CB為波速參數。即真空車窗玻璃中間的聲橋結構的模態密度與其邊界條件無關。當圓頻率ω發生變化時彎曲波速CB也會隨之變化，這種現象稱之為頻散現象。彎曲波雖然會出現頻散現象使原波形發生一定的改變，但是無論機器的疲勞故障或是人的耳朵對如此較小的波形細節的差異變化感知十分微弱。但是頻散現象能夠對振型數和模態密度產生影響[10]。

真空車窗玻璃外部為板件結構，其振動模態密度分別用彎曲波數KB、圓頻率ω以及赫茲頻率f來表示如式(2)所示。

式中：Ap為平板的表面積，R是平板截面的回轉半徑，Cl即為波速參數。由上式(2)可知，當平板的表面積越大，或平板的厚度越小，則板間的模態密度越大。

進行統計能量法（SEA）計算時，統計能量分析的子系統必須要求其子系統內能夠儲存振動能量[10]。而只有當一定數量的相似共振模態所組成的一組或一群能夠實現共振運動的子系統才可以儲存振動能量。這樣的一群或一組相似模態在統計能量分析中就可以視為一個統計能量子系統。一個SEA子系統在目標帶寬內的模態數，與其子系統的特性參數，即模態密度有著直接關系。目前的統計能量計算具有低模態密度的子系統的耦合動力學問題時，計算精度并不高。而在式(1)和式(2)中，聲橋桿件的模態密度較低，真空車窗玻璃外板件的模態密度較高，所以為了提升計算精度，在對聲橋影響下真空車窗玻璃隔聲性能計算采用有限元-統計能量法（FE-SEA）混合計算方法。FE-SEA混合模型前處理如圖2所示。

圖2 FE-SEA混合模型前處理

由于聲橋在振動時與外板相連，故對真空玻璃聲橋的聲振模態進行計算時不能僅僅計算柱形聲橋的自由模態，而需要對聲橋在真空外板的約束下的聲振模態信息進行求解。求解前，將真空外板用較大網格進行劃分，而對聲橋結構則采用更為精密的網格，并檢查整體網格質量，進行計算。求解模態結果如圖3所示（以前4階為例）。

圖3 真空車窗玻璃模態圖

將模態計算結果導入VA One中，生成有限元（FE）子系統模型，將有限元子系統模型與外部SEA板件相連接，將FE聲橋子系統SEA外板子系統與內外側聲腔相連接，實現聲能傳遞，FE-SEA混合模型如圖4所示。

圖4 真空車窗玻璃FE-SEA混合模型

2 隔聲性能計算

依據上節聲學計算模型，分別計算真空車窗玻璃的聲橋長度屬性、板件厚度屬性以及真空度屬性對其隔聲性能的影響；并對電致變色車窗玻璃的隔聲性能進行計算分析。

2.1 不同聲橋長度計算

真空腔內的中空聲橋結構不僅支撐著中空車窗玻璃的外側板件，還具有聲能傳遞的功能。故當真空車窗玻璃的真空腔內聲橋長度發生變化時，其隔聲量也勢必發生改變。本小節中采用控制變量的方法對真空玻璃真空腔內聲橋長度與隔聲量的變化關系進行研究。選用真空玻璃的真空介質壓強為5 000 Pa保持不變，真空腔兩側的玻璃外板厚度保持不變，中間聲腔長度選為5 mm～30 mm（變化步長為5 mm）。將各個子系統同內外側聲腔進行連接，實現能量傳遞。計算結果如圖5所示。

圖5 真空聲橋長度變化隔聲量對比圖

如圖5計算結果，當真空車窗玻璃的聲橋長度發生變化時，其隔聲量總體有所增加。聲橋長度增加，其隔聲量的增加在個別頻段并不十分明顯。當聲橋長度由5 mm變化至25 mm時，真空車窗玻璃在中低頻的隔聲量雖然有所增加，但是增幅并不明顯，當真空聲橋長度增加至30 mm時，真空車窗玻璃在低頻段的隔聲量有較大的增幅。在高頻段，隨著聲橋長度的增加，真空車窗玻璃的隔聲量基本在全部的頻段都隨之增加但增幅較小。

隨著聲橋長度的增加，隔聲量也隨著增加。但是實際生產和使用時并不能無限制地增加聲橋長度來增強其隔聲量。當聲橋長度每增加1 mm時，其總隔聲量隨之變化的增值大小能夠評判其總隔聲量隨厚度的變化速率，對真空玻璃聲橋長度的選擇具有參考意義，也能更直觀地考察其對總隔聲量增值的貢獻效率。即長度每增加1 mm所帶來的總隔聲量增值越大，其隔聲性能的經濟適用型就越高。真空聲橋長度為5 mm～30 mm區間內，真空車窗玻璃總隔聲量隨厚度變化增速如圖6所示。

如圖6計算結果，當真空車窗聲橋長度變化區間為5 mm～30 mm時，其總隔聲量一直在增加，但是增速隨著厚度的增加逐漸變小。所以單純通過增加真空玻璃聲橋長度來增強其隔聲性能是不可取的。

圖6 總隔聲量增速與長度關系圖

2.2 不同板件厚度計算

當真空車窗玻璃的兩側玻璃板件的厚度發生變化時，其隔聲量也勢必發生改變。本小節中采用控制變量的方法對真空玻璃面板厚度與隔聲量的變化關系進行研究。選用真空玻璃的真空介質壓強為5 000 Pa保持不變，真空腔的厚度設置為30 mm且保持不變，一側玻璃板件厚度為8 mm且保持不變，另一側厚度選為6 mm～16 mm的相同玻璃板件（變化步長為2 mm）。將各個子系統同內外側聲腔進行連接，實現能量傳遞。隔聲性能曲線結果如圖7所示所示。

圖7 不同厚度真空玻璃隔聲曲線

當真空板件厚度由6 mm增加到16 mm過程中，隨著厚度的增加，真空車窗玻璃在低頻的隔聲量有所增加，但在中頻段的增值并不十分明顯；在中高頻段出現隔聲低谷時，其增量十分有限；在高頻區段可以很明顯看出隨著厚度的增加，真空車窗玻璃的隔聲性能有所增加。如圖8所示，當真空車窗玻璃板件厚度變化區間為6 mm～16 mm時，其總隔聲量一直在增加，但是其增速隨著厚度的增加逐漸變小。與聲橋長度變化而引起的總隔聲量變化幅值相比，板件厚度變化所引起的總隔聲量變化幅值較大，即板件厚度對于真空車窗玻璃隔聲性能的影響要強于聲橋長度。

圖8 總隔聲量增速與厚度關系圖

2.3 不同真空度計算

對不同真空度的真空車窗玻璃進行隔聲性能計算時，將中間所處于真空環境下的氣體介質作為一個SEA子系統進行建模。當氣體介質處于真空環境下時，其密度屬性，分子與分子或分子與其他粒子之間的作用力以及碰撞屬性發生變化。即在進行統計能量法聲能計算時，根據子系統間功率流平衡方程，介質所對應的能量損耗矩陣（包含子系統的內損耗因子以及子系統間的耦合損耗因子）發生改變，故對其真空度發生改變時，其隔聲量會隨之發生變化。以空氣介質為例，當氣體介質所處壓強發生變化時，其本身氣體屬性會發生變化，本節中對4組真空度進行真空車窗玻璃隔聲量計算，真空度分別為90 000 Pa，40 000 Pa，20 000 Pa和5 000 Pa。真空介質的聲學參數設置如表1所示。

表1 不同真空度氣體參數表

當真空度發生改變時，氣體介質改變的參數以氣體介質的密度尤為明顯，聲速以及運動黏度的變化十分微小，聲速參數隨著上述真空度變化的變化數量級處于1.0×10-3等級，運動黏度參數隨著上述真空度變化的變化數量級處于1.0×10-7等級。依據上述參數對真空SEA聲腔進行屬性設置，真空玻璃的板件厚度保持不變，且真空層的厚度保持不變，計算如表1所示4種真空度下的真空車窗玻璃隔聲量（分別設置4種真空腔的壓力為：90 000 Pa、40 000 Pa、20 000 Pa、5 000 Pa，并進行比較，結果如圖9所示。

圖9中，當真空度增加時，即氣體壓強變小時，真空玻璃的隔聲量隨之增加，且隨著真空度的增加，真空車窗玻璃的隔聲量在全部頻段都會增加，不會出現增加板件厚度或者增加薄膜結構時出現的隔聲低谷的交叉現象。如圖10所示。當真空度由90 000 Pa變化到5 000 Pa時，其在各個區間的總隔聲量增速是不一樣的，真空度由90 000 Pa變化到40 000 Pa區間中，其總隔聲量的增速要小于真空度在40 000 Pa至20 000 Pa的增速，當真空度由20 000 Pa向5 000 Pa變化時，其氣體介質壓強每增加1 000 Pa，隔聲量增速大幅增加。即真空玻璃的真空度由小到大變化時，其隔聲量不僅有增加的趨勢，其隔聲量的增幅也隨著真空度的增加而增加。聲波的傳遞需要傳播介質的參與，理想真空狀態時聲波是無法傳遞的，故真空度在20 000 Pa至5 000 Pa接近理想真空，總隔聲量增值出現急劇變化。

圖9 不同真空度車窗玻璃隔聲曲線

圖10 總隔聲量增速與真空度關系圖

2.4 電致變色車窗玻璃隔聲性能計算

電致變色軟膜車窗玻璃是將玻璃中加上一層具有電致變色功能的鍍層結構。在聲學計算中常常通過增加阻尼層來降低振動的幅值，從而實現更好的隔聲效果，所以電致變色膜結構減小玻璃板件振動幅值是切實可行的。本節對于電致變色鍍層的結構損耗因子進行分析，以研究其對隔聲性能的影響。

ηis是子系統i結構材料（內摩擦、滯后或黏彈性）特性的函數，結構的振動能量E(E=Pd/ωη)與阻尼損耗因子成反比，所以增大結構損耗因子能夠降低振動的幅值。如原結構子系統的ηis為0.01的數量級，若在其原結構子系統的表面覆蓋層狀阻尼材料，甚至能夠使結構子系統的ηis達到0.1的數量級[12]。此時能夠使結構子系統的振幅降低。以北京航空航天大學電致變色中心某型電致變色玻璃為例，電致變色軟膜的阻尼損耗因子區間如圖11所示。

圖11 常用材料彈性模量與損耗因子

目前的電致變色玻璃，其電致變色鍍膜的厚度都較小，在這里選用電致變色膜結構的厚度為0.1 mm，即聲學模型的物理厚度參數為：6 mm+0.1 mm+10 mm。改變其阻尼損耗因子參數，選用具有代表性的η=0.01、η=0.1、η=1三組阻尼參數進行電致變色車窗玻璃的隔聲量計算，結果如圖12所示。

圖12 不同阻尼電致變色車窗玻璃隔聲曲線

根據計算結果如圖12所示。可以看出當膜結構的阻尼損耗因子η=0.01、η=0.1時，這兩種軟膜對于隔聲量影響遠弱于阻尼損耗因子η=1的軟膜，尤其是在高頻段的改善更為優異。

將電致變色軟膜的厚度改變分別取厚度為0.1 mm～1 mm（變化步長為0.1 mm），對其隔聲量曲線進行計算，計算結果如圖13所示（以η=0.1為例），分析其總隔聲量隨厚度變化的變化速率如圖14所示。

圖13 不同厚度軟膜隔聲曲線

圖14 總隔聲量增速與厚度關系圖

當電致變色膜結構的厚度發生變化時，如圖13所示。隨著厚度的增加其隔聲量隨之增加，但在低頻段的變化并不十分明顯，隔聲量的增值主要出現在高頻區段。

如圖14所示當電致變色車窗玻璃的鍍層阻尼損耗因子η=0.1、η=1時，增加單位厚度的鍍膜，其隔聲量的提升不同。當阻尼損耗因子η=1時，增加0.1 mm厚度的鍍膜，其隔聲量的增值要大于阻尼損耗因子η=0.1的電致變色玻璃，且增值并不是隨著厚度增加而成正比。當阻尼損耗因子η=0.1、η=1時，其隔聲量增速隨著軟膜厚度的增加有下降趨勢。

2.5 隔聲性能對比

選取兩組空腔厚度（20 mm、30 mm），對相同厚度屬性的真空車窗玻璃（選用不同真空度屬性）與中空車窗玻璃的隔聲量曲線進行對比，如圖15所示。

圖15 真空-中空隔聲曲線對比圖

圖15（a）、圖15（b）為空腔厚度為20 mm、30 mm的中空車窗玻璃與真空車窗玻璃隔聲量曲線對比圖。當空腔厚度屬性由20 mm變化至30 mm時，中空以及真空車窗玻璃的整體隔聲趨勢并沒有發生明顯變化，且中空車窗玻璃的整體隔聲量增值十分有限。真空度較低的真空玻璃（如圖中真空度為90 000 Pa）其隔聲性能在低頻段的隔聲性能甚至弱于相同厚度的中空玻璃，但是在高頻段的隔聲性能明顯優于相同厚度的中空玻璃。真空車窗玻璃的真空度增加，其隔聲性能優于相同厚度的中空玻璃。

選用北京航空航天大學電致變色實驗中心的某型電致變色軟膜玻璃為例，根據實驗中心實物相關參數，對帶有電致變色軟膜的車窗玻璃進行聲學建模計算（以軟膜厚度為0.5 mm的電致變色車窗玻璃為例）其隔聲量曲線與相同厚度PVB夾片對比如圖16所示。

由圖16計算結果，某型電致變色軟膜車窗玻璃的隔聲性能與電致變色鍍膜略有不同，當電致變色鍍膜玻璃在中低頻段的隔聲性能與相同厚度PVB膜類似，只是在高頻區段有所差別；但是電致變色軟膜玻璃與相同厚度的PVB夾層玻璃相比，在低頻和部分中頻段，其隔聲性能要略低于PVB夾層玻璃，但是在高頻段可以看出某型電致變色軟膜玻璃的隔聲性能要比相同厚度的PVB夾層玻璃具有更好的表現。

圖16 電致變色-PVB車窗隔聲曲線對比圖

3 結語

(1)真空車窗玻璃的隔聲性能隨著聲橋長度、板件厚度的增加而增加，但總隔聲量的增速隨著長度、厚度的增加呈下降趨勢；

(2)真空車窗玻璃的隔聲性能隨著真空度的增加而增加，但總隔聲量的增速隨著真空度的增加呈下降趨勢，對真空車窗玻璃隔聲性能影響最大的因素為真空度；

(3)真空車窗玻璃在真空度較低時，其隔聲性能在低頻段弱于相同厚度中空車窗玻璃，但真空度較高時，其隔聲性能大幅提高；

(4)電致變色軟膜厚度增加，隔聲性能隨之增加，在高頻段尤為明顯，現有電致變色軟膜車窗在高頻段相較于PVB車窗擁有更好的隔聲性能。