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(yè)技術(shù)學院，300240，天津//助教)

研究發(fā)現(xiàn)，地鐵列車車內(nèi)噪聲主要來自輪軌噪聲、車輛結(jié)構(gòu)噪聲及車內(nèi)設(shè)備噪聲等[1]。針對車輛的降噪問題，國內(nèi)外學者做了大量的研究工作。文獻[2-4]對車內(nèi)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(jié)構(gòu)進行隔聲量測試研究，得到最佳聲學性能的車體結(jié)構(gòu)組合。目前，我國對于車內(nèi)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(chǔ)上，采用FE-SEA(有限元-統(tǒng)計能量分析)混合法[12-13]對兩種不同的城軌車輛地板結(jié)構(gòu)進行隔聲量研究，探究其隔聲特性分布規(guī)律，為進一步提高城軌車輛隔聲水平提供依據(jù)。

1 FE-SEA混合法基本原理

在FE-SEA混合法中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)剛度矩陣由FE子系統(tǒng)剛度矩陣和SEA子系統(tǒng)直達場剛度矩陣耦合而成，SEA子系統(tǒng)施加外界載荷于此耦合矩陣，并向SEA子系統(tǒng)混響場傳遞能量。當FE子系統(tǒng)與SEA子系統(tǒng)耦合時，其整體響應(yīng)為：

(1)

式中:

Sqq——FE子系統(tǒng)中接點位移響應(yīng);

Sff,ext——FE子系統(tǒng)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(tǒng)的混響場在耦合接點處的統(tǒng)計平均作用力;

Ddir——直達場中FE子系統(tǒng)與SEA子系統(tǒng)的整體剛度矩陣。

根據(jù)直混場互惠定理可得：

(2)

式中：

Em——第m個SEA子系統(tǒng)所具有的平均統(tǒng)計能量;

ω——圓頻率;

nm——第m個SEA子系統(tǒng)的模態(tài)密度。

式(2)中虛部代表第m個SEA子系統(tǒng)對整體剛度矩陣的阻抗。

由于各子系統(tǒng)功率平衡，則FE-SEA耦合系統(tǒng)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(tǒng)通過直達場對子系統(tǒng)j的輸入功率;

Pout，j,Pdiss，j——分別為輸出功率及子系統(tǒng)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(tǒng)的內(nèi)損耗因子;

ηjk——SEA子系統(tǒng)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(shù)：模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子以及外界輸入功率。當以上參數(shù)得到確定后，即可求解得到系統(tǒng)的整體平均響應(yīng)能量。

根據(jù)以上原理，在ESI公司開發(fā)的VA one軟件中建立鋁型材聲學預測模型，將預測結(jié)果與試驗值進行對比，驗證其準確性。根據(jù)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(nèi)飾粘接材料，內(nèi)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(nèi)，預測結(jié)果與試驗結(jié)果對比如圖1所示。

圖1 試驗值與預測值結(jié)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(xù)仿真預測。

2 FE-SEA混合模型建立

2.1 地鐵車輛地板結(jié)構(gòu)

目前,地鐵車輛上常用的地板多為鋁型材加內(nèi)飾材料結(jié)構(gòu)，既滿足輕量化設(shè)計,又能達到承載要求。圖2為兩種不同的地板結(jié)構(gòu)斷面，為便于區(qū)分，設(shè)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(jié)構(gòu)，地板布直接鋪設(shè)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(jié)構(gòu)。

2.2 地板FE-SEA模型

根據(jù)以上地板結(jié)構(gòu)，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(tǒng)，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(tǒng)，流場介質(zhì)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?？涨惶畛涓魺岵牧喜捎锰祭w維，流阻為9 000 N·s/m4。其他材料的具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

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(nèi)的隔聲量，計算結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，在100～250 Hz頻率范圍內(nèi)，a地板的隔聲量明顯高于b地板。在該區(qū)域內(nèi)，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(jié)構(gòu)，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(nèi)的隔聲量。隨著頻率的升高，阻尼的隔聲效應(yīng)減弱，地板的局部振動效應(yīng)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(nèi)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(jié)果可以看出，阻尼材料能有效地提高低頻段內(nèi)的隔聲量，而地鐵車輛車內(nèi)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(shè)置2 mm、4 mm、6 mm、8 mm等4個阻尼厚度梯度，敷設(shè)于b地板上，計算不同阻尼厚度的隔聲特性曲線。計算結(jié)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(xiàn)增大趨勢;在250～800 Hz頻率范圍內(nèi)，阻尼充分發(fā)揮其剪切耗能優(yōu)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(shù)與實際情況存在一定的差距，導致計算結(jié)果和實際略有出入，但總的趨勢一致，故計算結(jié)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(guī)律。

圖5 不同阻尼厚度隔聲特性曲線

4 結(jié)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(jié)論：

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

(2) 阻尼材料能有效降低車內(nèi)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(jié)合安裝空間及輕量化設(shè)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。