穿孔板吸声结构对包间吸声性能的影响

林松涛 陈 艳 赵艳菊

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

卧铺动车组列车是铁路客车谱系的重要组成部分。设计时需保证高速运行的同时，能够更大限度的满足乘客乘车的舒适性。随着列车速度的提升，卧铺包间内的噪声问题也越来越受到人们的关注。

动车组的噪声主要由轮轨噪声、气动噪声及车下设备噪声等组成。列车运行时，车内噪声主要来自受电弓、转向架等部件和车厢连接处，这些区域的低频气动噪声和轮轨噪声通过空气传入车厢，导致车内噪声增加。目前卧铺动车组包间内的声场由通过空气介质传来的直达声组成的直达声场和从车内表面反射回来的混响声组成的混响声场组成，混响声的强弱主要取决于车厢内的吸声性能。卧铺包间内主要由光滑的间壁结构组成，床垫和靠背作为其中主要的吸声材料，吸声性直接影响包间内混响声的衰减。

本文在现车基础上，在包间内部进行吸声优化设计。结合卧铺车实际结构分析，选择加穿孔板吸声材料的方式提升包间内的吸声效果。

1 吸声原理及材料类型

1.1 吸声原理

声波入射到介质分界面上时，一部分声波被反射，一部分被吸收，还有一部分通过媒质，此声能减少的过程，称为吸声。材料或结构的吸声能力用吸声系数表示。

吸声材料(结构)的吸声原理：粘滞性和内摩擦占主导作用，声波传播时，内部各处质点振动速度均不同，这就使得质点之间产生粘滞力和内摩擦力，使声能不断转化为热能。热传导效应也是导致材料吸声的一大原因，声波传播时媒质各处质点的疏密程度不同，从而导致媒质各处的温度也不同，相邻质点之间产生了热量传递，使得声能不断转化为热能。

1.2 吸声材料类型

吸声材料按照结构可分为：多孔吸声材料、共振吸声结构、特殊吸声结构等。其中，多孔吸声材料多用于吸收中高频声，共振吸声结构一般用来解决低频声的吸收问题。

穿孔板结构为共振吸声结构的典型代表之一。穿孔板结构包括穿孔板及其后的空气层，为了增加吸声性能，部分穿孔板结构还会在空腔中添加多孔吸声材料。当穿孔板后空气层填入疏松的吸声材料时，空腔的有效深度和穿孔的有效长度均增加。填充吸声材料后的穿孔板结构共振频率向低频移动，同时吸声系数有所提高。

2 阻抗管吸声实验

目前工程上测量材料吸声系数主要有两种方法：混响室法和阻抗管法。混响室法多用于测试声波无规入射时材料的吸声系数或单个物体的吸声量，混响室法测试得到的吸声系数和吸声量数据可直接用于工程设计中。阻抗管法多用于测试小时间吸声系数结果，测量声波法向入射时的吸声系数和声阻抗率，由于安装测量方便，多用于比较不同材料或同种材料不同情况下的吸声性能。本文中材料吸声性能的测试均采用阻抗管法。

2.1 测试原理

驻波比为阻抗管中测量声压极大值与极小值的比值，为接收信号的电压比值。测试材料的吸声系数即为测量材料给定频率的驻波比。

测量时如果直接读出声压级极大值与极小值之差，可按经验公式计算。

2.2 穿孔板吸声材料样品吸声测试

由前文可知，在穿孔板后加多孔吸声材料，选配一定的穿孔率，获得适当的摩擦阻力，即获得良好的吸声效果。通过对不同类型的多孔吸声材料进行实验对比，选取某50mm厚夹层三聚氰胺材料作为基材，搭配孔径为5mm的穿孔板(见图1)进行阻抗管吸声系数测试，其吸声系数结果如图2。

图1 穿孔板+夹芯三聚氰胺复合材料样品

图2 吸声系数测试结果

从图2中可以看出：此夹芯三聚氰胺材料在630Hz以后吸声性能良好，材料表面加穿孔板后，吸声系数在200-500Hz、1000-1600Hz、2500-4000Hz频率段均有小幅增加，在全频段吸声性能良好。

3 包间吸声方案验证

3.1 仿真建模

选择车辆同侧相邻两个包间作为建模对象，模型如图3所示。

图3 包间声学模型示意图

包间间壁、窗户、背靠、扶手、桌板、床铺等属性采用实际测量参数输入。隔声量参数采用静态隔声试验结果数据。客室声腔混响时间采用车辆静置包间混响时间测试结果数据。在包间外部施加扩散声场激励，激励声源参数采用实际线路实验中车体表面噪声和车下噪声实测值。

3.2 结果分析

对包间进行噪声求解计算，可以得到包间内代表不同位置的声腔的声压级结果，选择车辆中部包间上铺窗位置测点处的声压级实验结果，与包间上铺声腔声压级仿真结果相比较，如图4所示。

图4 实验结果与仿真结果对比

由图4中可知：包间上铺声腔声压级仿真结果与车辆上铺窗位置测点处的声压级实验结果总体趋势较一致。在160Hz、500Hz、630Hz、2000Hz处窗位置测点处的声压级曲线分别有峰/谷波动值，但在仿真结果中并未体现出来，这可能是由于仿真模型只是从整体上反映了包间的总体特性，而并未针对包间的具体结构做出建模分析所导致。

在床铺下方分别加“穿孔板+三聚氰胺”组合吸声材料，根据其阻抗管吸声系数测试结果换算为混响室测试结果，施加到模型中，观察包间内的吸声系数。

图5 上、下铺包间声压级

如图5，分别为加“穿孔板+三聚氰胺”后包间上铺声腔及下铺声腔声压级，由图中可以看出，在床铺下方加复合材料后，上铺声腔声压级稍有减小，但并不是很明显，而下铺声腔则在全频段声压级均有所减小，仿真结果显示下铺声腔吸声处理前后总声压级约相差3dB。

4 结论

根据对现车包间进行吸声系数测试分析可以得知：目前包间已具有一定的吸声能力。可以采用在床铺下方加“穿孔板+多孔材料”的方式改善包间内的吸声效果。例如：加“穿孔板+三聚氰胺”材料后，包间上铺声腔声压级稍有减小，而下铺声腔全频段声压级减小3dB。选择在床铺下方铺设此类复合材料时，应重点考虑表面面板的重量及安全性等因素。

[1] 龙华，王东镇，梁君海.高速卧铺车车内噪声特性分析[C].2012全国环境声学学术会议论文集.杭州：噪声与振动控制，2012：348-350.

[2] 姚丹，张捷，王瑞乾，等.卧铺动车组床垫材料吸声特性测试及仿真优化[J].浙江大学学报，2016，50(8)：1486-1492.

[3] 马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京：机械工业出版社，2002:395-466.

[4] ISO.Acoustic-determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes-Part 2：Transfer-function method：10534-2-1998[S].London:International Organization for StandardizationInc，1998.