高速列车波纹外地板隔声与阻尼特性分析

张媛媛，王建祥，陈亮亮，张凌凯

(新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052)

高速列车高速运行时对轨道的冲击和振动较大，轻量化的车体结构本身较容易发生振动且隔音性能也会降低，直接影响列车运行安全和旅客乘坐的舒适性。因此，铝型材外地板的声学、阻尼等性能在车辆低噪声设计中显得尤为重要。文献［1］对高速列车进行声学模态计算并进行轨道谱响应分析。文献［2］讨论了轻质材料和结构的动力学性能及隔声性能的研究发展趋势。文献［3］提出了一种新方法来估计和测量铁路车辆的传输损耗。文献［4］建立了列车车体的有限元模型，并在ANSYS中对其进行模态分析和谐响应分析。文献［5－6］分析了波纹板加夹板结构的隔声性能及阻尼对轮轨向外辐射噪声特性的影响。文献［7］研究了3种阻尼材料(改性沥青、水性涂料和丁基橡胶阻尼材料)对列车车内噪声的影响。文献［8－9］研究了不同板类结构的振动及声辐射问题，并提出了主动控制的优化方案。文献［10］研究了不同材料参数和厚度的隔音垫对内地板隔声量的影响。由此可见，在发展列车轻量化的同时，需要确保列车的运行安全及车内环境的低噪声。本文基于统计能量分析原理并结合声振分析软件VA One，对高速列车铝型材外地板进行了隔声量与阻尼特性研究。

1 统计能量分析方法

1.1 约束阻尼层减振降噪基本理论

将约束阻尼层定义为层合板的形式，则结构的阻尼损耗因子为

式中:Pdiss是波的总功率耗散;ω为圆频率;T，U是层合板的动能和势能。

总功率的耗散能Pdiss通过层合板各层总应变能之和来定义，即

式中:m为组成层合板的单层板数量;ω为圆频率。

1.2 隔声量

在所研究结构的上下两侧定义两个声空腔。给上声空腔一个激励，而下声空腔仅接受由上声空腔通过结构传来的声激励，则结构隔声量的计算公式为

式中:E1，E2和n1，n2分别为上、下声空腔的能量和模态密度;Ac为结构与声空腔耦合面积;c1为声速;ω为带宽的中心频率;η2为下声空腔的损耗因子。

2 实例计算分析

某高速列车铝型材外地板的弹性模量E=0.71×1011Pa，泊松比 ν=0.33，密度 ρ=2 700 kg/m3，结构模型参数如表1所示。计算模型如图1所示。

表1 结构模型参数 m

图1 计算分析模型

2.1 子系统隔声量与整个板材隔声量的关系

在所研究结构的上、下两侧定义两个声腔。给上声腔一个激励，下声腔仅接受由上声腔通过结构传来的声激励。声学仿真预测模型如图2所示。

图2 声学仿真预测模型

为了分析结构中间某SEA子系统隔声量与整个板材结构隔声量的关系，由式(3)可得

对一个确定的计算模型，声空腔大小、传播介质及声速等均已确定。声空腔的模态密度n、能量E和阻尼损失因子η仅与频率有关，在确定的频率上它们均为定值。

现设结构中某SEA子系统与声空腔的耦合面积为Am，相应的隔声量为TLm，整个结构与声空腔的耦合面积为An，相应的隔声量为TLn，则有:

用式(6)减去式(5)，可得整个板材结构与它其中的一个子板之间隔声量的关系，如式(7)所示。

对于一个确定的计算模型，结构与声空腔的耦合面积为定值，由图1可得式(8)和式(9)。

将式(8)和式(9)代入式(7)可得整个板材结构的隔声量与它其中某个子板的隔声量之间存在的一个常数差，如式(10)所示。

现用图2中的计算模型验证以上推导结论的正确性。为计算方便，上、下声空腔的阻尼损耗因子均定义为1%的常数谱。图3为VA One软件算出结构的隔声量曲线。观察可知整个板材的隔声量与子板的隔声量之间存在常数差，且该常数差为定值(见表2)。

图3 隔声量计算曲线

2.2 阻尼层对结构阻尼损耗因子及隔声量的影响

在高速列车铝型材外地板施加约束阻尼层时，以其上顶板、下底板或筋板为基板，将黏弹性层直接添加在基板上，而约束层在最顶层。本节主要计算分析约束阻尼层在型材中的施加位置对铝型材外地板减振降噪的影响。计算模型如图2所示。

表2 隔声量dB

表3 黏弹性材料参数

已知黏弹性材料的密度为980 kg/m3，泊松比为0.48，室温下的黏弹性材料参数如表3所示。整个约束阻尼层的厚度为0.63 mm，其中黏弹性层的厚度为0.13 mm，约束层是厚度为0.5 mm的铝型材。

1)上顶板敷设约束阻尼层

结构在施加约束阻尼层前后的阻尼损耗因子及其隔声量的大小如图4所示。分析可知:阻尼层使结构阻尼损失因子增大，隔声量也明显增加。产生这种结果的原因可能包括以下几个方面:首先，型材的上顶板本身为薄壁结构，刚度较小，容易发生弯曲变形，阻尼层厚度占18.9%，此时的约束阻尼层充分发挥了其剪切耗能的优势;其次，上顶板中各子板的模态并不仅和处理的表面有关，而是和下底板及筋板之间存在相互作用;再次，在频率范围内，结构主要以局部模态为主，共振模态分布密集，此时噪声的传播主要取决于共振模态，所以结构阻尼对噪声传播影响较大。

图4 型材上顶板施加约束阻尼层

2)下底板敷设约束阻尼层

结构在施加约束阻尼层前后的阻尼损耗因子及其隔声量的大小如图5所示。经分析可得:对中空铝型材带筋薄板的下底板施加约束阻尼层后，结构阻尼损失系数明显提高，隔声量也相应提高。在隔声量的计算时，噪声首先由激励声空腔到达结构，再由结构振动向外辐射能量，从而到达接收声空腔。因此，虽然声源激励是在上空腔，但在对结构上顶板或下底板敷设约束阻尼层时，对隔声量的贡献基本相同。

图5 型材下底板施加约束阻尼层

3)筋板敷设约束阻尼层

结构在敷设约束阻尼层前后的阻尼损耗因子及其隔声量的大小如图6所示。分析可得，对型材的筋板敷设约束阻尼层后，结构阻尼损失系数明显提高，隔声量也有所增加。与上顶板和下底板敷设阻尼相比，结构损失因子较大，这可能是因为结构上顶板和下底板厚度为2.7 mm，而筋板厚为2.5 mm，由于阻尼层的减振原理是依靠其黏弹性层的剪切耗能，基板越薄越容易发生弯曲变形，所以筋板敷设阻尼层后阻尼损耗因子较大。该情形对隔声量的贡献与前面两种工况基本一致，但是其质量最大，不利于轻量化设计，如表4所示。

图6 型材筋板敷设约束阻尼层

表4 敷设约束阻尼层后结构的质量 kg

3 结束语

本文利用统计能量分析原理并结合声振分析软件VA One，推导计算了整个板材与其子板隔声量之间的关系;结合声振分析软件VA One，分析了约束阻尼层在型材中的施加位置对铝型材外地板减振降噪的影响。计算结果表明:整个板材结构的隔声量与它其中某个子板的隔声量之间存在一个常数差;将相同的阻尼层敷设在上顶板、下低板对阻尼损失系数和隔声量的贡献基本相同;而敷设在筋板上阻尼损耗因子较大，对隔声量的贡献与前两种工况基本一致，但因其质量较大，不利于轻量化设计。

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