不同時(shí)速司機(jī)室結(jié)構(gòu)隔音性能研究

武舒然，王會(huì)娟，范明星，張陸陽，沃少帥，沈 鵬，鄧 忠

（北京軌道交通技術(shù)裝備集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院，北京 100071）

1 司機(jī)室噪聲研究現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有車輛噪聲大，對(duì)乘客乘坐舒適度造成很大影響，尤其司機(jī)室內(nèi)的噪聲對(duì)司機(jī)的生理及心理都會(huì)產(chǎn)生不良影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)司機(jī)造成干擾，從而影響運(yùn)行安全。在前期的研究過程中，司機(jī)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更多地注重在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、美觀方面，對(duì)于整體隔聲并沒有給予深入探究。

國(guó)外在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究及制定工作上開展較早，最早的司機(jī)室內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)的探討在1978 年開始[1]，主要通過建立一系列模型仿真司機(jī)室振動(dòng)及噪聲，從而提出結(jié)構(gòu)化更改建議。在2000 年就有研究指出司機(jī)室地板及頂蓋是振動(dòng)噪聲的主要來源[2]。但由于司機(jī)室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在設(shè)計(jì)前期無法進(jìn)行噪聲仿真計(jì)算，一般結(jié)合實(shí)物數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)判。根據(jù)近些年的國(guó)內(nèi)研究表明，除車窗、車門外，車頂（主要由受電弓、空調(diào)系統(tǒng)等噪聲影響）、地板（主要由轉(zhuǎn)向架、電氣設(shè)備等噪聲影響）是噪聲較為嚴(yán)重的部位[3]。司機(jī)室后方更接近轉(zhuǎn)向架，噪聲偏大，司機(jī)室尾部比中前部高10 dB[4]。隨著車速越高，來自于車輛本身噪聲、氣動(dòng)噪聲均會(huì)越大，因此按照標(biāo)準(zhǔn)要求，其實(shí)對(duì)于車輛噪聲的控制要求更高，而對(duì)高速車輛，輕量化又是一個(gè)重大課題。對(duì)此有研究表明，低速車輛的車頭造型對(duì)噪聲影響較小，但在高速車輛情況下，流線型車頭不僅能夠減小阻力降低牽引能耗，同時(shí)也是降低車輛表面氣動(dòng)噪聲的重要手段[5]，對(duì)于增加吸聲處理而非隔聲處理，加強(qiáng)密封設(shè)計(jì)，是能夠增加隔聲量同時(shí)避免過多增重的有效途徑[6]。

隨著人們對(duì)于噪聲控制研究的深入，吸聲材料的運(yùn)用、隔聲及消聲設(shè)計(jì)、阻尼減振降噪等方案的設(shè)計(jì)層出不窮。碳纖維保溫棉加鋁箔隔音效果好，車體內(nèi)部貼阻尼貼片能降低振動(dòng)與噪聲[7，8]。“隔聲質(zhì)量定律”最常應(yīng)用于對(duì)重量無要求的運(yùn)行環(huán)境。但在現(xiàn)有車輛的運(yùn)用要求下，車輛的減重又是一大難題，所以在有限的重量下能夠提升隔聲效果是工程設(shè)計(jì)中持續(xù)探究的課題。對(duì)不同時(shí)速的司機(jī)室結(jié)構(gòu)隔音性能進(jìn)行研究，涉及的結(jié)構(gòu)方案，除車頭本身結(jié)構(gòu)差異外，還應(yīng)用到碳纖維保溫棉（下文中稱為預(yù)氧絲隔熱棉）、隔音墊等吸聲隔聲材料，驗(yàn)證了不同組合結(jié)構(gòu)的隔聲差異，為后續(xù)項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)用提供參考。

2 不同車速司機(jī)室方案的隔音測(cè)試

司機(jī)室方案根據(jù)公司不同車速項(xiàng)目的實(shí)際方案選定。通過試驗(yàn)不同的構(gòu)件組合方式，來驗(yàn)證方案間的差別，總結(jié)隔音規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

樣件試驗(yàn)均在青島的中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所北海研究站的標(biāo)準(zhǔn)隔聲室中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)室采用混響室法測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試窗口可調(diào)，可以滿足不同試件的測(cè)試需求。試驗(yàn)依據(jù)GB/T 19889.3-2005《聲學(xué)-建筑和建筑構(gòu)件隔聲測(cè)量-第3 部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量》中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。隔聲評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50121-2005。按照標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試，結(jié)果一般是組合樣件與墻體的組合測(cè)量值，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正才可能得到相對(duì)準(zhǔn)確的試件本身的隔聲量[9]，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)略有偏差，需要根據(jù)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證、修正。

表1 測(cè)試材料及其組成

2.1 司機(jī)室隔音試驗(yàn)樣件的基本結(jié)構(gòu)

按照頭罩、隔音材料、內(nèi)裝板的順序組合，中間設(shè)計(jì)有空氣層，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由于車頭造型的不同，空氣層厚度漸變。

圖1 試驗(yàn)樣件組合結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目結(jié)構(gòu)，每層之間通過結(jié)構(gòu)膠或者支架連接，共設(shè)計(jì)5 種試驗(yàn)組合結(jié)構(gòu)，方案如表2 所示。

表2 測(cè)試樣件組合方案

試驗(yàn)樣件實(shí)物及檢測(cè)示意如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)樣件實(shí)物及檢測(cè)示意

構(gòu)件間的主要區(qū)別為車頭方案的不同，有單層結(jié)構(gòu)的組合，也有夾芯結(jié)構(gòu)頭罩。夾芯結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的同時(shí)，對(duì)隔音效果起到正向作用。其中構(gòu)件一為80 km/h 車輛司機(jī)室結(jié)構(gòu)方案，其中頭罩應(yīng)用預(yù)浸料材料（密度較手糊玻璃鋼略輕），達(dá)到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)方案減重，同時(shí)夾芯結(jié)構(gòu)能夠增加結(jié)構(gòu)剛度，增強(qiáng)隔音性能。構(gòu)件二、構(gòu)件三為常用的100～ 120 km/h 車輛司機(jī)室結(jié)構(gòu)方案，構(gòu)件四為傳統(tǒng)的160 km/h 車輛司機(jī)室結(jié)構(gòu)方案，構(gòu)件五為采用200 km/h 車輛司機(jī)室結(jié)構(gòu)方案。

2.2 隔音測(cè)試結(jié)果

在同一實(shí)驗(yàn)室條件下，5 種構(gòu)件的測(cè)試結(jié)果如圖3 所示。

圖3 樣件測(cè)試頻譜圖

由于表2 中列舉的方案為實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用方案，但由于涉及頭罩材質(zhì)方案的不同，所以擬簡(jiǎn)化處理。其中實(shí)心玻璃鋼材質(zhì)（密度約為2 g/cm3）與玻纖預(yù)浸料材質(zhì)（密度約為1.9 g/cm3）密度相差無幾，故將其等同比較。另有相關(guān)研究指出，結(jié)構(gòu)層芯厚度對(duì)于復(fù)合板隔聲量影響不大[10]，因此本實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣忽略夾芯厚度對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。不同構(gòu)件之間空氣層厚度不同，根據(jù)莫雷爾（Cammerer）和迪哈馬（Dur.Hammer）研究以及瑞典技術(shù)大學(xué)的研究結(jié)論可知，空氣層會(huì)增加隔聲性能，在空氣層大于100 mm 時(shí)隔聲量趨于穩(wěn)定[11]，本研究的5 種構(gòu)件的空氣層厚度分別為100 mm、160 mm、225 mm，故也可忽略空氣層厚度不同造成的隔聲差異。

綜上可得，五個(gè)構(gòu)件間的組合方案可簡(jiǎn)化為見表3。

表3 樣件簡(jiǎn)化及試驗(yàn)結(jié)果

2.3 隔聲結(jié)果分析

（1）由表3 中構(gòu)件二與構(gòu)件五的結(jié)果對(duì)比來看，1 mm 厚玻璃鋼與泡沫夾芯作用相同。根據(jù)以下廠家提供的既有資料進(jìn)行驗(yàn)證。

①4 mm 玻璃鋼（面密度7.5 kg/m2）隔聲28 dB

②6 mm 玻璃鋼（面密度10.5 kg/m2）隔聲33 dB

③20 mm（2+16+2）夾芯玻纖預(yù)浸料復(fù)合材料（面密度11.4 kg/m2）隔聲29 dB

④30 mm（3+24+3）夾芯玻璃鋼復(fù)合材料（面密度17.6 kg/m2）隔聲34 dB

根據(jù)以上①和③②和④的對(duì)比可以簡(jiǎn)單驗(yàn)證，1 mm 厚玻璃鋼與泡沫夾芯作用相同，可以達(dá)到1 dB。

（2）由表3 中構(gòu)件一與構(gòu)件四的結(jié)果對(duì)比來看，40 mm 預(yù)氧絲隔熱棉的隔聲效果可達(dá)到1 dB。在實(shí)際的工程中，預(yù)氧絲隔熱棉是主要發(fā)揮隔熱作用，具有一定的吸聲效果，有一定參考價(jià)值。但本試驗(yàn)效果只針對(duì)該厚度的隔熱棉（40 mm 預(yù)氧絲棉，容重10 kg/m3），在市面上，不同材質(zhì)不同厚度隔熱材達(dá)到的效果可能不同。

由表3 中構(gòu)件一與構(gòu)件五的結(jié)果對(duì)比知，1 mm玻璃鋼的隔聲結(jié)果1 dB。此結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)不符，在上述廠家提供的資料中①②實(shí)心玻璃鋼的隔聲值不止這些。可以理解為在一定質(zhì)量基礎(chǔ)上，玻璃鋼隔聲量并非隨著質(zhì)量增加線性增長(zhǎng)。

（3）從表3 中構(gòu)件二與構(gòu)件三的結(jié)果可知，隔音墊對(duì)于總體隔聲幾乎沒有作用。這是因?yàn)楸緲?gòu)件選型1mm 隔音墊貼于部件內(nèi)部，面密度2 kg/m2，增加重量較小，符合質(zhì)量定律原理，另外不排除試驗(yàn)誤差。因此，若想通過隔音墊來明顯增加組合樣件的隔音效果，需要選用密度更大、參數(shù)更優(yōu)的隔音墊。

（4）通過以上四條的綜合對(duì)比，可得到設(shè)置100 mm空氣層能達(dá)到10 dB 以上的隔聲效果。可以設(shè)想，可以設(shè)置不同厚度空氣層來增加隔聲[12]。同時(shí)，復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單件隔聲量，原因是構(gòu)件組合后的隔聲與單件/單層勻質(zhì)墻體的隔聲原理不同，不符合質(zhì)量定律。試驗(yàn)構(gòu)件是不同的單件組合后測(cè)量，過程中涉及空氣層、連接方式等的疊加，可以額外增加隔聲量。

通過以上研究結(jié)論，可以靈活按照項(xiàng)目要求進(jìn)行各部件隔聲量的分配。以公司某項(xiàng)目地鐵車為例，噪聲分配指標(biāo)如表4。

表4 項(xiàng)目噪聲分配實(shí)例

位于車輛前方的司機(jī)室車頭、前擋風(fēng)玻璃及司機(jī)室車門對(duì)噪聲影響較大，從表4 可以看出，各系統(tǒng)均分配了具體的隔聲指標(biāo)。其中，前擋風(fēng)玻璃處的隔聲一般通過自身雙層結(jié)構(gòu)、窗框與車體之間打膠密封的方式實(shí)現(xiàn)；司機(jī)室車門同樣是門框采用中空結(jié)構(gòu)，周圈設(shè)置門膠條與車體間密封；一般地鐵車頭需通過自身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來達(dá)到隔聲，從結(jié)構(gòu)性能及性價(jià)比來講，仍采用玻璃鋼材質(zhì)居多。按照上述分析結(jié)論，車頭的設(shè)計(jì)方案可選用3 mm 玻璃鋼+泡沫夾芯+3 mm 玻璃鋼+隔音墊的夾芯復(fù)合結(jié)構(gòu)，或者8 mm 玻璃鋼+隔音墊的方案均可達(dá)到指標(biāo)。因重量指標(biāo)有余量，故在項(xiàng)目中采用了后者，即構(gòu)件三方案。

2.4 試驗(yàn)總結(jié)

在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于司機(jī)室接口繁多，結(jié)構(gòu)一般更為復(fù)雜，隔聲效果與理論試驗(yàn)會(huì)稍有偏差。以上5 種構(gòu)件的試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了夾芯結(jié)構(gòu)、空氣層以及預(yù)氧絲隔熱棉的隔聲效果，對(duì)于后續(xù)項(xiàng)目應(yīng)用有指導(dǎo)實(shí)踐意義。但仍有不足的是，本試驗(yàn)司機(jī)室構(gòu)件相對(duì)較少，單一變量的控制不夠，研究還不夠深入。還可繼續(xù)探究在10 cm 之內(nèi)不同夾芯厚度對(duì)于隔聲影響（便于車頭結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)）、不同參數(shù)隔音墊在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的隔聲效果以及新型隔聲及吸聲材料復(fù)合應(yīng)用后的效果[13]。司機(jī)室工況復(fù)雜，不同時(shí)速下的要求有差異，風(fēng)動(dòng)壓力造成的影響需要深入評(píng)估。

3 結(jié)語

通過公司現(xiàn)有不同項(xiàng)目司機(jī)室方案的組合，進(jìn)行初步試驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證了夾芯結(jié)構(gòu)、空氣層、預(yù)氧絲隔熱棉及隔音墊對(duì)于隔聲不同程度的作用，在工程應(yīng)用實(shí)踐中可以靈活借鑒。試驗(yàn)構(gòu)件方案較為典型但構(gòu)件數(shù)較少，需要結(jié)合更多的試驗(yàn)樣件來進(jìn)一步細(xì)化分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，通過探究最優(yōu)的組合結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)噪聲、重量、成本的控制。后續(xù)研究中應(yīng)持續(xù)研究不同參數(shù)隔熱棉、不同參數(shù)隔音墊對(duì)于組合構(gòu)件隔聲效果的影響，進(jìn)一步探索雙層結(jié)構(gòu)在司機(jī)室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的可實(shí)現(xiàn)性。