高速列车内地板隔音垫声学特性的研究

于金朋，刘小霞，黄雪飞，张庆刚，陈丽雯

(1.西南交通大学 牵引动力重点实验室，成都 610031；2.唐山轨道客车有限责任有限公司 产品技术研究中心，河北 唐山 063035)

从2008年京津城际高速铁路联试联调开始，几乎每条新开通的高铁线路和新开发的高速列车均开展了系列的振动噪声科学试验，对车内噪声的声源识别、噪声水平、分布和频谱特性均有测试记录与分析。西南交通大学牵引动力国家重点实验室测试了不同运行速度下速列车的车内噪声，并基于声品质响度指标，评价了高速列车车内噪声环境，结果表明，车内噪声问题较显著，为提升司乘人员的乘坐舒适性，需进一步优化高速列车的减振降噪控制措施[1，2]。针对现场实测高速列车车内噪声两端大中间小的纵向分布特性，YuYu等[3]基于统计能量分析法建立了高速列车车内噪声预测模型，分析了高速列车端部噪声的传递路径和输入能量贡献量，结果表明，端部地板结构对其车内噪声影响显著，提高内地板隔声量能较有效地降低该区域的车内噪声。为此，针对高速列车内地板结构，研究不同内地板材料和几何参数对其隔声特性的影响，具有重要的工程意义。尤其是在车内噪声特性已知的情况下，可以进一步有针对性地对车内噪声显著频段进行地板隔声量优化设计，有的放矢的降低车内噪声水平[4，5]。

典型高速列车内地板结构从上往下，由地板布、三明治夹芯板、隔音垫三部分组成，属于多层复合板结构。对层状复合板结构声学性能分析的方法有多种，其中传递矩阵法[6]（Transfer Matrix Method）因其理论推导直观、模型易于建立，且可用于分析均匀介质和非均匀介质构成的任意有限厚度的分层介质，在分层介质声学特性分析中应用较为广泛。艾海峰等[7]用传递矩阵法研究了多层均质复合板的声透射性能。李海涛[8]等用传递矩阵法，推导了多层结构的反射、透射吸声计算公式，研究了水下典型复合层吸声结构在全入射角下的低频声学特性。

本文将基于数值仿真，采用传递矩阵法，针对高速列车典型内地板结构中的关键部件—隔声垫，计算分析隔音垫结构、材料和厚度等关键参数对内地板声学性能的影响，为高速列车内地板低噪声设计和选材提供依据。

1 模型验证

本文采用传递矩阵法，基于ESI Nova 2010软件分析平台，建立了由泡沫板和铝板组成的层状复合板结构隔声特性预测分析模型，几何尺寸和材料参数参考文献[6]。对其在500 Hz～9 000 Hz频率范围内的频率隔声量进行了计算，然后将计算值与其试验值[6]作比较，如图1所示。结果表明，仿真与试验结果吻合较好，传递矩阵法能够有效计算复合板隔声特性。

2 内地板结构隔声计算模型

采用与上述验证过的基于传递矩阵法的隔声计算建模方法，建立高速列车内地板结构的隔声计算模型。模型中，自上而下，由3 mm地板布、15 mm三明治夹芯板、5 mm隔音垫三部分组成，地板布密度为 100 kg/m3，杨氏模量为 2 000 N/m2，孔隙率为0.92；三明治夹芯板夹板密度为700 kg/m3，杨氏模量为69N/m2，泊松比为0.25，阻尼系数为0.01；三明治芯板蜂窝板密度48 kg/m3，杨氏模量为3×107N/m2，泊松比为0.2，阻尼系数为0.01；隔音垫密度1 100 kg/m3，杨氏模量为 2.3×109N/m2，泊松比为 0.49，阻尼系数为0.08。

本文将对100 Hz～3 150 Hz频率范围内，内地板结构的频率隔声量和计权隔声量进行数值计算，将重点分析隔音垫不同材料参数、厚度对整个内地板隔声量的影响。

3 隔音垫参数调研

3.1 参数调研

调查隔音垫不同材料参数、厚度，对内地板隔声量影响，分别考虑了，弹性模量、密度、阻尼系数不同及随厚度变化下，内地板隔声量变化规律，如表1所示。地板布、三明治夹芯板参数固定。

3.2 平均和计权隔声量

内地板隔声量计算结果如表2和图2所示。图2给出了隔音垫在不同材料参数（弹性模量、密度、阻尼系数）、不同厚度下，内地板计权隔声量。

图2 内地板计权隔声量图

从图2中可以看出：

（1）改变隔音垫材料参数和厚度，内地板计权隔声量在18.3 dB和33.9 dB间变化；

（2）有无隔音垫，内地板隔声量变化较大，当铺设1 mm隔音垫与无隔音垫比较，内地板计权隔声量提高约5 dB；

（3）隔音垫材料参数对整个内地板隔声量影响不大，弹性模态改变一个数量级，阻尼系数相差0.02，内地板隔声量几乎无影响，密度降低约10%，隔声量差异不超过1 dB；隔音垫密度越大，内地板隔声效果相对较好。（4）隔音垫厚度对整个内地板隔声量影响较大，隔音垫厚度每增加1 mm，内地板隔声量提高1 dB～3 dB。

表1 隔音垫材料特性表

表2 不同材料、厚度隔音垫下内地板计权隔声量 单位：dB

3.3 频率隔声量

3.3.1 材料参数对内地板频率隔声量影响

图3给出了5 mm厚隔音垫，在不同材料参数下，内地板的频率隔声量。

从图3中可以看出，等厚度隔音垫，改变隔音垫弹性模量、阻尼系数对整个内地板隔声特性几乎无影响；隔音垫密度降低约10%，内地板隔音量在各个频段均降低约0.6 dB。

3.3.2 隔音垫厚度对内地板频率隔声量的影响

为进一步研究隔音垫厚度对内地板隔声量的影响，图4给出了相同材料参数下（隔音垫1），隔音垫厚度0～8 mm变化时，内地板的频率隔声量。

图4 内地板频率隔声量（同一材料，不同厚度）

从图4中可以看出，在材料参数为隔音垫1的条件下，改变隔音垫厚度，整个内地板隔声特性影响较大。尤其是1 mm～4 mm逐渐增加隔音垫厚度，内地板各个频率隔声量提高2 dB～3 dB。

4 结语

研究隔音垫不同材料参数、厚度，对内地板隔声量的影响，分别考虑了，弹性模量、密度、阻尼系数不同及随厚度变化下，内地板隔声量变化规律。

改变隔音垫材料参数（弹性模量、密度、阻尼系数）、厚度后，内地板隔声量仿真结果表明：

图3 内地板频率隔声量（同一厚度：夹板1 mm厚）

（1）改变隔音垫材料参数和厚度，内地板计权隔声量在18.3 dB和33.9 dB间变化；

（2）有无隔音垫，内地板隔声量变化较大。当铺设1 mm隔音垫与无隔音垫比较，内地板计权隔声量提高约5 dB；

（3）隔音垫厚度对整个内地板隔声量影响较大，隔音垫厚度每增加1 mm，内地板计权隔声量提高1～3 dB，尤其是1～4 mm逐渐增加隔音垫厚度，内地板各个频率隔声量提高2 dB～3 dB；

（4）隔音垫材料参数对整个内地板隔声量影响不大，弹性模态改变一个数量级，阻尼系数相差0.02，内地板隔声量几乎无影响。密度降低约10%，隔声量差异不超过1 dB。隔音垫密度越大，内地板隔声效果相对越好。

[1]张 伟，陈光雄，肖新标，金学松.高速列车车内噪声声品质客观评价分析[J].铁道学报，2011，33(2)：13-18.

[2]ZHANG Jie,XIAO Xin-biao,JIN Xue-song.Interior sound quality of a high-speed train running at more than 300 km/h[A].STECH’12,Seoul,Korea,2012.

[3]YU Yu,XIAO Xin-biao,JIN Xue-song,WANG Di,WANG Heng-yu.Prediction of interior noise in a cabin of high speed train using FE-SEA hybrid methods[C].Inter-Noise,2011,Osaka,Japan,2011.

[4]黄 捷，崔宏飞，殷学文.城市轨道车辆车内噪声特性研究[J].噪声与振动控制，2010，30(2)：62-65.

[5]房 建，雷晓燕，练松良，程小平.铁路噪声预测方法研究[J].噪声与振动控制，2010，30(3)：78-80.

[6]J.F.Allard.Propagation of sound in porous mediamodelling sound absorbing materials-2ed[J].Elsevier Applied Science,London,2009.

[7]艾海峰，陈志坚.斜入射下多层均质复合板结构的声透射[J].哈尔滨工程大学学报，2009，30(3)：251-254.

[8]海 涛，朱 锡，王 林，李永清.水下均匀复合层结构的声特性研究[J].武汉理工大学学报，2008，30(6)：106-10.