纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料隔聲性能的研究

羅樂 譚艷 施鋒 廖慶華 王剛 吳凡

摘 要 本文對軌道交通車輛安裝復(fù)合材料頭罩的駕駛室進(jìn)行隔聲研究，先從雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料對稱結(jié)構(gòu)和非對稱結(jié)構(gòu)的隔聲性能進(jìn)行研究，再對三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的隔聲性能進(jìn)行探究，接著進(jìn)一步探究阻尼材料、隔聲材料對纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料隔聲性能的影響，最后根據(jù)駕駛室的實(shí)際情況，探究空氣層和內(nèi)飾件產(chǎn)品對駕駛室隔聲性能的影響。結(jié)果表明，對于雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，在聲源側(cè)分配厚的纖維層，比平均分配兩側(cè)纖維層可獲得更高的隔聲性能；對于三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，將厚度最大的纖維層置于近聲源端，將厚度次之的纖維層置于遠(yuǎn)聲端，將厚度最小的纖維層置于中間的結(jié)構(gòu)，其隔聲量明顯優(yōu)于雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)；在復(fù)合材料背面增加阻尼材料或隔聲材料都可提高其隔聲性能；考慮內(nèi)飾件及空氣層時，駕駛室的隔聲量可提高。

關(guān)鍵詞 隔聲；纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料；駕駛室

Study on Sound Insulation Performance of Fiber

Reinforced Resin Sandwich Composite

LUO Le1， TAN Yan2，SHI Feng1， LIAO Qinghua1， WANG Gang1， WU Fan1

（1.Zhuzhou Electric Locomotive Widege Technology Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001;

2.Zhuzhou Lince Group Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001）

ABSTRACT In this paper， the sound insulation of cab of rail transit vehicle installed with composite headcover is studied. First， the sound insulation performance of symmetrical structure and asymmetric structure of double-layer fiber reinforced resin sandwich composite is studied， and then the sound insulation performance of three-layer fiber reinforced resin sandwich composite structure is explored. Then， the influence of damping material and sound insulation material on the sound insulation performance of fiber reinforced resin sandwich composite material is further explored. Finally， according to the actual situation of the cab， the influence of air layer and interior decoration products on the sound insulation performance of the cab is explored. The results show that for the double-layer fiber reinforced resin sandwich composite structure， the sound insulation performance is higher when the thick fiber layer is distributed on the sound source side than when the fiber layer is evenly distributed on both sides. For the three-layer fiber reinforced resin sandwich composite structure， the thickest fiber layer is placed at the near sound source， the thickest fiber layer is placed at the far sound end， and the thickest fiber layer is placed in the middle. The sound insulation capacity of the structure is obviously better than that of the double-layer fiber reinforced resin sandwich composite structure. Adding damping material or sound insulation material on the back of the composite can improve the sound insulation performance. Considering the interior and air layer， the sound insulation of the cab can be improved.

KEYWORDS sound insulation; fiber reinforced resin matrix sandwich composite; cab

1 引言

隨著城市軌道交通行業(yè)的高速發(fā)展，車輛的運(yùn)行速度也在逐步提高，為了提高車輛的運(yùn)行速度，就必須對車輛進(jìn)行輕量化，在軌道車輕量化的發(fā)展趨勢下，頭罩作為駕駛艙的重要部件之一，逐漸從金屬材質(zhì)向著纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料發(fā)展。

纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料具有質(zhì)輕、高強(qiáng)、高模、耐腐蝕、耐疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、整體成型等一系列優(yōu)異性能，使其在航空航天、軍事工程和體育運(yùn)動器材等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。目前，纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料在軌道交通領(lǐng)域得到應(yīng)用，它對減輕車廂重量，降低噪聲、振動，提高安全性、舒適性，減少維修等均有重要作用。尤其在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，有很大的優(yōu)勢。

隨著車輛速度的提高，車內(nèi)噪聲問題［2］已經(jīng)成為影響運(yùn)營可靠性、安全性和舒適性［3-5］等的重要因素之一。纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料頭罩作為駕駛室與外界環(huán)境隔斷的主要部件，提高其隔聲性能更是成為解決車內(nèi)噪聲問題的重中之重。

本文先對雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料對稱結(jié)構(gòu)和非對稱結(jié)構(gòu)的隔聲性能進(jìn)行研究，再對三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的隔聲性能進(jìn)行探究，接著進(jìn)一步探究阻尼材料、隔聲材料對纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料隔聲性能的影響，最后根據(jù)駕駛室的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)四種工況，探究空氣層和內(nèi)飾件產(chǎn)品對駕駛室隔聲性能的影響。本文中的研究結(jié)論可為工程中纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料隔聲性能的提高提供方法借鑒和理論指導(dǎo)。

2 雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)隔聲性能研究

目前，雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料頭罩厚度結(jié)構(gòu)通常采用對稱結(jié)構(gòu)，即兩側(cè)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層（以下簡稱“纖維層”）以芯材為中心進(jìn)行厚度對稱，如圖1所示。

依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10140-2：2021，對對稱結(jié)構(gòu)的雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料樣件進(jìn)行隔聲性能測試，樣件面積為1500mm×1000mm，測試中心頻率為100Hz～3150Hz，測試方法如下：

將樣件固定于測試洞口內(nèi)，周邊做密封。揚(yáng)聲器、傳聲器及其之間相互位置的技術(shù)要求滿足ISO 10140-2：2021。聲源室與接收室之間的空氣聲應(yīng)滿足下述條件，在任一頻帶內(nèi)，從聲源室傳遞到接收室的空氣聲聲壓級比撞擊聲聲壓級至少低10dB。按照ISO 10140-2：2021測試要求進(jìn)行試驗(yàn)，雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)樣件的測試結(jié)果如圖2所示。

將以上測試結(jié)果帶入公式進(jìn)行計(jì)算，可求得計(jì)權(quán)隔聲量Rw，對稱結(jié)構(gòu)纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料樣塊Rw=31dB。計(jì)權(quán)隔聲量Rw在工程上一般都用來作為被測試件隔聲量的單值評價標(biāo)準(zhǔn)。

借鑒雙層隔聲復(fù)合板材研究結(jié)論，當(dāng)兩種隔聲材料種類確定時，將隔聲量較大的材料置于近聲端，隔聲量較小的材料置于遠(yuǎn)聲端時，更有利于提高整體結(jié)構(gòu)的隔聲水平［6］。針對現(xiàn)有的對稱結(jié)構(gòu)雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料，初步設(shè)計(jì)了一種非對稱結(jié)構(gòu)，如圖3所示，此非對稱結(jié)構(gòu)將厚度較大的纖維層A置于近聲源端，厚度較小的纖維層B置于遠(yuǎn)聲源端。

按照ISO 10140-2：2021的測試方法，將非對稱結(jié)構(gòu)的測試結(jié)果與對稱結(jié)構(gòu)的隔聲性能進(jìn)行對比，如圖4所示，125Hz～630Hz頻段內(nèi)，非對稱結(jié)構(gòu)高于對稱結(jié)構(gòu)，630Hz～2000Hz頻段兩種結(jié)構(gòu)的隔聲量基本持平，2000Hz以上頻段對稱結(jié)構(gòu)高于非對稱結(jié)構(gòu)。從計(jì)權(quán)隔聲量Rw來看，非對稱結(jié)構(gòu)比對稱結(jié)構(gòu)高1dB。可見，在兩側(cè)纖維層總體厚度一致的情況下，靠近聲源側(cè)設(shè)置分配更厚的纖維層，比平均分配兩側(cè)纖維層可獲得更高的隔聲性能。

3 三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)隔聲性能研究

借鑒三層隔聲復(fù)合板材研究結(jié)論，當(dāng)三種隔聲材料種類確定時，將隔聲量最大的材料置于近聲源端，將隔聲量次大的材料置于遠(yuǎn)聲端，將隔聲量最小的材料置于中間時，該復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲水平最高［6］。設(shè)計(jì)一種三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，將厚度最大的纖維層A置于近聲源端，將厚度次之的纖維層B置于遠(yuǎn)聲端，將厚度最小的纖維層C置于中間，同時將芯材均分于纖維層C的兩側(cè)，如圖5所示。

按照ISO 10140-2：2021的測試方法對三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)隔聲性能的進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，從100Hz到3150Hz頻段，三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的隔聲量明顯優(yōu)于雙層對稱和雙層非對稱結(jié)構(gòu)。從計(jì)權(quán)隔聲量Rw來看，三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)比雙層對稱結(jié)構(gòu)高5dB，比雙層非對稱結(jié)構(gòu)高4dB。

4 阻尼材料、隔聲材料對纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料隔聲性能的影響

為了探究阻尼材料、隔聲材料對纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料隔聲性能的影響，在對稱結(jié)構(gòu)雙層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，在接收室一側(cè)的材料面上增加阻尼材料、隔聲材料并設(shè)計(jì)三種方案進(jìn)行研究，如圖7所示。

按照ISO 10140-2：2021的測試方法分別對三種方案進(jìn)行隔聲試驗(yàn)，并將測試結(jié)果與對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，如圖8所示。當(dāng)只增加阻尼材料時，160Hz以上頻段的隔聲量有明顯提高；當(dāng)只增加隔聲材料時，在125Hz～800Hz頻段內(nèi)，隔聲量有提高，在800Hz～1600Hz頻段內(nèi)，隔聲量與對稱結(jié)構(gòu)樣板的隔聲量基本持平，1600Hz以上頻段隔聲量有明顯提高；當(dāng)同時增加阻尼材料和隔聲材料時，100Hz以上頻段的隔聲量有明顯提高。從計(jì)權(quán)隔聲量Rw來看，同時增加阻尼材料和隔聲材料時，計(jì)權(quán)隔聲量Rw提高最多；只增加阻尼材料時，計(jì)權(quán)隔聲量Rw提高次之；只增加隔聲材料時，計(jì)權(quán)隔聲量Rw提高最少。

5 空氣層、內(nèi)飾件對駕駛室隔聲性能的影響

根據(jù)駕駛室的實(shí)際情況，在頭罩內(nèi)部還覆蓋了4mm厚的纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料內(nèi)飾件，且內(nèi)飾件與頭罩之間存在空氣層，空氣層在0～100mm的范圍內(nèi)變動。為了更貼近實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了四種工況進(jìn)行隔聲性能研究，如表1所示。

依據(jù)表1的工況，按照ISO 10140-2：2021的測試方法分別對四種工況進(jìn)行隔聲測試，探索空氣層和內(nèi)飾件產(chǎn)品對整體駕駛室隔聲性能的影響，測試結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，當(dāng)考慮內(nèi)飾件及空氣層對駕駛室隔聲性能的影響時，如將內(nèi)飾件直接貼于頭罩內(nèi)部，之間無空氣層時，125Hz～800Hz頻段的隔聲量有略微提高，800Hz以上頻段的隔聲量有明顯提高。隨著內(nèi)飾件與頭罩間的空氣層逐漸變大，125Hz以上頻段的隔聲量明顯提高；空氣層從50mm向100mm增加過程中，1600Hz以上頻段的隔聲量的提高量基本持平。從計(jì)權(quán)隔聲量Rw來看，當(dāng)內(nèi)飾件與頭罩間無空氣層時，可提高駕駛室隔聲量1dB；隨著內(nèi)飾件與頭罩間空氣層的增加，每增加25mm的空氣層，駕駛室隔聲量提高2dB。

6 結(jié)語

（1）在兩側(cè)纖維層總體厚度一致的情況下，靠近聲源側(cè)設(shè)置分配更厚的纖維層，比平均分配兩側(cè)纖維層可獲得更高的隔聲性能。

（2）對于三層纖維增強(qiáng)樹脂基夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，將厚度最大的纖維層置于近聲源端，將厚度次之的纖維層置于遠(yuǎn)聲端，將厚度最小的纖維層置于中間的結(jié)構(gòu)隔聲量明顯優(yōu)于雙層對稱和雙層非對稱結(jié)構(gòu)。

（3）在接收室一側(cè)的雙層纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)

合材料上增加阻尼材料或隔聲材料都可提高雙層纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的隔聲性能。同時增加阻尼材料和隔聲材料時，隔聲量提高最多；只增加阻尼材料時，隔聲量提高次之；只增加隔聲材料時，隔聲量提高最少。

（4）當(dāng)考慮內(nèi)飾件及空氣層對駕駛室隔聲量的影響時。內(nèi)飾件與頭罩間無空氣層時，可提高駕駛室隔聲量1dB；隨著內(nèi)飾件與頭罩間空氣層的增加，每增加25mm的空氣層，駕駛室隔聲量提高2dB。

該研究結(jié)果對于工程中纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料隔聲性能的進(jìn)一步提高有重要借鑒意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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