高速列车地板用蜂窝夹芯结构复合材料隔声性能

胡侨乐，边国丰，邱夷平,3，魏 毅,4，徐珍珍

(1.安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000；2.东华大学 纺织学院，上海 201620；3.泉州师范大学 纺织服装学院,福建 泉州 362000; 4.东华大学 东华大学民用航空复合材料协同创新中心，上海 201620)

列车的轻量化可提高列车运行速度和降低能耗，但同时带来了噪音问题。车内噪声不仅损伤听力，影响人体对声音的识别以及乘坐舒适性，还易损害人的神经系统，使人急躁易怒、影响睡眠、造成疲倦，甚至引起神经衰弱症如头痛、耳鸣、记忆力减退等。因此，在保证高速列车持续轻量化的同时，列车的降噪具有现实意义[1]。高速列车降噪措施是控制噪声传播途径，主要措施为采用隔声地板[2-3]。已有研究表明，高速列车的车内噪声主要来源之一是地板空气传声，且主要频段集中在中低频(80～1 000 Hz)[4-6]。因此，优化地板结构，提高地板在中低频段的隔声音量，是降低车内噪声，提高地板隔音性能的关键问题所在[7-9]。在隔声地板中，蜂窝夹芯板，一种由2个面板与低密度蜂窝芯黏合而形成的轻质三明治结构，是目前隔声研究的主流，主要是利用蜂窝夹芯板密度低、比刚度高、吸能、降噪及优异的可设计性等特点[10-11]。通过设计蜂窝夹芯板结构参数，将有可能同时满足高速列车在轻量化和隔声性能方面的要求。因此，研究蜂窝夹芯板结构参数对隔声性能的影响具有重要的意义[12-14]。

王文健[15]根据高速列车噪声传播的方式，探究了不同地板结构(复合胶合板，铝蜂窝板和浮筑地板)对隔声效果的影响。韩亮等[16]设计了多种结构组合的复合板，通过理论分析筛选出了复合板最佳的组合方式。贾玉山等[17]对比分析了国内外高速列车使用的3种地板(铝面板铝蜂窝地板、铝面板复合隔声地板和铁面板铝蜂窝地板)，并提出新结构新材料的地板隔声效果的考核指标。沈艳祥[18]对动车组专用3种地板结构进行隔声性能测试，并利用VA One声振全频仿真软件对其中2种地板结构的隔声量进行了仿真计算，提出提高铝蜂窝地板隔声量的方法。此外，Hong等[19]通过仿真结果与实验结果进行比较，指出蜂窝板随着面板厚度的增加，共振频率向低频偏移，随着水平线与斜壁的夹角和蜂窝边长的减小，隔声性能提高；随着蜂窝芯壁厚的增加，隔声性能提高。孙家平等[20]通过建立高速列车内地板声学分析模型，研究高速列车面板材料、厚度和蜂窝芯密度对内地板隔音性能的影响。Huang等[21]建立了面板隔声的理论模型，研究了刚度和阻尼对蜂窝板传声损失的影响。研究结果表明，使用高强度的环氧树脂作为皮层的蜂窝板能有效地提高低频传输的噪声损耗。程庆利[22]根据蜂窝板的隔声特性，推导了蜂窝板隔声量的理论计算方法，并对蜂窝板的隔声性能进行了分析，指出蜂窝板面板的厚度增大，蜂窝板的隔声性能显著提高，这与许晖等得出的结论一致[23-24]。Peters等[25]对蜂窝结构与声能穿透损耗因子关系进行分析，指出芯材密度越大，剪切模量越小，穿透损耗因子越小，而面板材料的影响不明显。同时，蜂窝边长越小，不仅有利于提高隔声性能，还有利于提高结构强度[26]。

虽然目前已有对蜂窝夹芯结构复合材料隔声性能的研究，但主要集中在金属蜂窝和金属面板，关于蜂窝规格和面板材料对于隔声性能的影响研究相对较少。本文通过采用密度小、强度高的芳纶蜂窝芯以及3种不同预浸料(斜纹碳纤维，缎纹玻璃纤维和非织造聚苯硫醚PPS)，制备质量轻、刚度大的蜂窝夹芯结构复合材料，分析芳纶蜂窝夹芯板在高速列车上应用的可行性和前景性。

1 实验材料及方法

1.1 原材料

本研究采用的3种不同面板材料(碳纤维预浸料，玻璃纤维预浸料和聚苯硫醚PPS预浸料)均由浙江百合航太复合材料有限公司提供，具体参数如表1所示。芳纶蜂窝芯材料由特一(上海)新材料有限公司提供，具体参数见表2。蜂窝芯材厚度参数根据现有高速列车使用的标准样板规格，设定为20 mm。

表1 面板材料基本参数Tab.1 Parameters of face sheet materials

表2 芳纶蜂窝芯材参数Tab.2 Parameters of aramid honeycomb core material

依据Sakamoto 等[27-28]指出玻璃微珠能改善隔声性能，选取由3 M中国有限公司提供的iM16K型玻璃微珠改性面板，探讨中空玻璃微珠改性面板与未改性面板对蜂窝夹芯板隔声性能的影响。

1.2 样品制备与测试

为避免厚度对隔声性能的影响，面板的厚度应保持一致，误差范围控制在10%左右。因此，当面板材质为玻璃纤维或碳纤维材料时，层数为2层，而当面板材质为PPS预浸料，层数设计为1层。

1.2.1 蜂窝夹芯板面板材料改性

本实验采用筛网(10～50 μm)对玻璃微珠粉末进行筛选，并利用筛网将筛选得到的玻璃微珠粉末均匀涂覆于预浸料表面，制备改性面板材料。为探讨玻璃微珠含量的影响，分别设置玻璃微珠添加量为面板树脂质量分数的2%、5%、8%，其中，C/P面板材料中玻璃微珠的质量分数表示为C/P-2%、C/P-5%。C/P-8%。

1.2.2 蜂窝夹芯板铺层与固化

蜂窝夹芯板的铺层包括面板铺层和面板与蜂窝芯铺层。首先面板材料沿经向(0°)铺层，得到上下面板材料，并将面板0°方向与蜂窝芯的纵向对齐铺层，得到蜂窝夹芯板预成型体，如图1(a)所示。采用热进热出方式(即先将压机加热至设定温度，再放入蜂窝夹芯板预成型体热压共固化，最后取出冷却至室温)，将完成铺层的蜂窝芯预成型体置于HY-10TK 型全自动热压机(上海恒驭仪器有限公司)压板中心进行热压成型，其中预成型体与压机上下面板间均依次放置网格布和铝板，使得预成型体受压均匀易脱模。根据蜂窝芯的受压极限和预浸料固化温度，设置热压压强为0.2 MPa，热压温度为80 ℃，时间为2 h，如图1(b)所示为蜂窝夹芯板制备示意图。

图1 蜂窝夹芯板示意图Fig.1 Schematic diagram of honeycomb panels preparation.(a)Lay-up process of face sheet and honeycomb core material;(b)Honeycomb panels preparation；(c)Sound insulation test sample

1.2.3 隔声测试试样制备

根据隔声测试阻抗管的要求，将热压制备的蜂窝夹芯板在数码激光切割机(SF3015 G，贺虹数控激光设备厂)上进行切割，制备直径80 mm的圆形隔声测试试样，样品示意图如图1(c)所示。采用精度为0.01 mm的数显游标卡尺测量面板厚度和蜂窝夹芯板厚度。蜂窝夹芯板质量由菁华YP401 N天平(0.1 g)测量获得。蜂窝夹芯板测试样品具体参数如表3、4所示。

表3 不同蜂窝芯边长及密度的芳纶蜂窝夹芯板基本参数Tab.3 Parameters of aramid honeycomb sandwich composite with different honeycomb core length and density

1.2.4 隔声性能测试

采用传递函数法中的四传感器阻抗管法(SW466，BSWA阻抗管，测试精度为0.1 dB)，分别在后盖打开状态和后盖闭合状态2种情况下进行交替实验测试，且各测3次求得平均隔声曲线，每个试样测试5次，用以控制实验误差。蜂窝板的隔声测试在恒温恒湿实验室中进行，实验测试条件为温度25 ℃，湿度51%，大气压力1.01×105Pa。为防止测试过程中出现漏声现象，试样尺寸设定为直径等于80 mm的圆，使得试样刚好能放置于安装管内，且试样四周采用聚四氟乙烯生料带进行封边，并使用白凡士林涂抹于试样表面边缘。蜂窝夹芯板的隔声原理和试样安装如图2所示。

图2 蜂窝夹芯板隔声原理及测试装置Fig.2 Theory of sound insulation of honeycomb sandwich panel and test device.(a)Sound insulation theory of honeycomb panels;(b)Schematic diagram of sound insulation test for honeycomb panels

通过实验获取的频率与隔声量绘制蜂窝夹芯板隔声性能曲线，根据GB/T 19889.3—2005《声学 建筑和建筑构件隔声测量测量 第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量》，采用中心频率为100～3 150 Hz的16个1/3倍频程频带隔声量的算术量，即平均隔声量作为蜂窝夹芯板隔声能力的评价量[29-31]，计算公式如下：

表4 3#不同面板材料的蜂窝夹芯板基本参数Tab.4 Parameters of 3# honeycomb panels with different face sheet materials

2 结果与讨论

2.1 蜂窝芯参数对隔声性能的影响

2.1.1 蜂窝孔格边长对隔声性能的影响

图3示出相同面板材质时，不同蜂窝孔格边长对隔声性能的影响。可看出，当面板材料一致时，蜂窝孔格边长为3.2 mm的蜂窝板隔声性能曲线与蜂窝孔格边长为4.8 mm的蜂窝板大致相同。而从平均隔声量上看，相同面板材质情况下，蜂窝孔格边长为3.2 mm的蜂窝板隔声量略高于蜂窝孔格边长为4.8 mm的蜂窝板，但平均隔声量差距不超过0.5 dB。这主要是因为3.2 mm边长蜂窝芯所含有的蜂窝孔格数在215～226之间，而蜂窝芯边长为4.8 mm 的蜂窝板孔格数在200～208之间，二者孔格数相差较小，导致声音传递过程中，蜂窝芯吸收声波的声能接近，使得蜂窝孔格边长对于蜂窝板隔声量的影响较小，隔声量相近。值得注意的是，如果蜂窝孔格边长越长，则使得单位面积中蜂窝孔数变少，导致声音传递过程中，声音受到阻碍少，声能损失少。

图3 蜂窝芯边长对隔声性能的影响Fig.3 Effect of honeycomb core length on sound insulation property.(a)Carbon fiber;(b)Gass fiber;(c)PPS

2.1.2 蜂窝芯密度对隔声性能的影响

图4示出相同面板材质时，不同蜂窝芯密度对隔声性能的影响。从图中可以看出，同种面板材料下，蜂窝芯密度为72 kg/m3的蜂窝板在频率为1 500～2 300 Hz 上的隔声量比蜂窝芯密度为48 kg/m3的蜂窝板高。而且从平均隔声量上看，平均隔声量能提高0.5～1.6 dB。这说明随着蜂窝芯密度的增加，隔声量在中频段有所提高，蜂窝板隔声性能提升。其原因为随着蜂窝芯密度的提高，蜂窝壁更加厚实，蜂窝板整体的刚度有所提高，声波能量在蜂窝芯中反射消耗的能量增多，其隔声效果越好。

图4 蜂窝芯密度对隔声性能的影响Fig.4 Effect of honeycomb density on sound insulation property.(a)Carbon fiber;(b)Glass fiber;(c)PPS

2.1.3 单一面板对隔声性能的影响

由图4还可看出面板为单一材料时，不同面板材质的蜂窝夹芯板隔声曲线大致相同，隔声量在300 Hz附近达到顶峰，之后随着频率的增加呈下降趋势。另外，当PPS预浸料作为面板材料较玻璃纤维预浸料和碳纤维预浸料隔声效果好，其原因主要为玻璃纤维预浸料和碳纤维预浸料的增强体均为双向织物，声波更易穿透织物，蜂窝板面板吸收声能表现不佳。而PPS预浸料为无规非织造布，结构内部纤维的杂乱排序使得声波在面板内不断的反射与被吸收，改变了声波的传播路径，延长了声波在材料中的传播时间，最终使得透过蜂窝板的声能变小，其隔声效果较好，且其主要优势在于中频段(1 300～2 200 Hz)。

2.1.4 面板与芯材对隔声性能影响排序

由上述分析可知，影响蜂窝板隔声量的因素有面板材料、蜂窝芯厚度、蜂窝芯密度和蜂窝芯边长。以下将以平均隔声量为指标，采用极差法(平均隔声量差值绝对值，比如边长极差值为C/C-1—C/C-2)对上述4个因素进行排序，进一步探究不同因素对蜂窝板隔声量的影响大小，结果见表5。

由表5可知，影响蜂窝板隔声因素从大到小的排序为蜂窝芯密度、面板材料与蜂窝孔格边长。这说明在其他参数一致条件下，蜂窝芯密度越大，蜂窝壁越厚，越有利于隔声；面板材料中刚度越小，无序性越高，越有利于隔声；蜂窝芯边长越短，蜂窝孔数越多，越有利于隔声。因此，在满足轻量化和力学性能的前提下，宜选择蜂窝芯密度大、孔格边长短和面板材料无序性高的材料，越有利于提高蜂窝板隔声性能。故而从表中可以看出，隔声效果最好的是以PPS预浸料为面板材料，蜂窝芯为ACT1-3.2-72所组成的蜂窝夹芯板。这主要是因为，在蜂窝芯规格一致的前提下，PPS预浸料为无规非织造布，结构内部纤维的杂乱排序使得声波在面板内不断的反射与被吸收，改变了声波的传播路径，延长了声波在材料中的传播时间，最终使得透过蜂窝板的声能变小，其隔声效果较好。

表5 不同因素对蜂窝板隔声量的影响Tab.5 Effect of different parameters on sound insulation property of honeycomb panel

2.2 改性面板对隔声性能的影响

虽然当面板为PPS预浸料和蜂窝芯规格为ACT1-3.2-72时，蜂窝夹芯板隔声性能最优，但相比于标准铝蜂窝夹芯板试样，其隔声性能曲线在频率为100～2 500 Hz区域，明显均低于标准试样。因此，基于轻量化前提下，即不改变蜂窝芯规格(ACT1-3.2-72)，探究面板改性是否能提高蜂窝夹芯板隔声性能具有重要意义。

2.2.1 混合面板对隔声性能的影响

在单一面板研究的基础上，将PPS预浸料与碳纤维或玻璃纤预浸料进行组合，以提高蜂窝夹芯板隔声性能。图5示出当PPS预浸料置于外层和内层时，与单一PPS预浸料蜂窝夹芯板进行隔声性能对比分析可以看出，当频率在0～500 Hz时，混合面板相比于单一PPS面板对蜂窝夹芯板隔声性能几乎没有改变，且PPS预浸料置于外层或内层对隔声性能没有提升。而在500～1 000 Hz区域，混合面板隔声量相比于单一PPS面板略有提升，说明混合面板可提高蜂窝夹芯板在有限频率的隔声性能。此外，当PPS置于内层时，平均隔声量比外层时高，为44.0 dB。这主要是因为当机织物为表层时，声波经刚性面板反射后，剩余穿透的声波在具有多孔性，内部纤维排列无规的三维立体网状的非织造PPS材料中被较多的反射，增加了声音传播路径，使得声能损失较多。此外，声音在材料内部传播过程中，会引起孔隙内部空气振动，并与材料表面相互摩擦化为热能消耗掉[32]。因此，当PPS置于内层时，对蜂窝夹芯板隔声性能具有较好的提升作用。

图5 面板材料对隔声性能的影响Fig.5 Effect of face sheet materials on sound insulation property.(a)Face sheet with one type of material,face sheet with mixed materials;(b)PPS at outer layer;(c)PPS at inner layer

2.2.2 改性混合面板对隔声性能的影响

图6示出不同玻璃微珠含量改性混合面板对蜂窝夹芯板隔声性能的影响。可看出，利用玻璃微珠改性面板可提高蜂窝夹芯板隔声量，主要是因为空心玻璃微珠增强了树脂基体与纤维之间的作用力及体系内摩擦力，增加了声能的耗散。而且空心玻璃微珠提高了体系内波形转换的程度，并且由于其内部微空腔的散射作用，增强了声压反射性能[28]。此外，从总体平均隔声量方面看，C/P平均隔声量为44.0 dB，C/P-2%平均隔声量为44.7 dB，C/P-5%平均隔声量为46.0 dB，C/P-8%平均隔声量为46.2 dB，说明玻璃微珠含量提高，蜂窝板的平均隔声量也随之提高。虽然C/P-5%平均隔声量与C/P-8% 相近，但从隔声效果看，玻璃微珠含量为5%时，隔声效果提高显著，其主要提高的频率段为500～1 300 Hz，提高量约为5～8 dB，以及1 700 ～2 300 Hz，提高量约为4～5 dB。而且当玻璃微珠含量为5%时，预浸料表面覆盖接近饱和，在涂覆8%含量时预浸料黏结力不够，难以涂覆均匀，且玻璃微珠在预浸料铺层按压过程中易被压出。因此，当玻璃微珠含量为5%对蜂窝夹芯板隔声性能提升最优。

此外，通过与标准试样比较可以看出，在100～300 Hz区域，未改性面板与标准试样隔声性能基本接近，但在300 Hz以上，标准试样隔声性能明显优于未改性面板。而从玻璃微珠改性的面板可以看出，在频率为100～1 300 Hz区域，试样C/P-5%隔声性能基本与标准样板持平，表明玻璃微珠的添加有利于提高蜂窝夹芯板面板的隔声性能。在1 500～2 500 Hz 频段试样C/P-5%与标准样板仍有一定的差距，这有可能是因为复合材料成型中不可避免存在一定缺陷，如空穴、面板与蜂窝芯胶接处，导致在高频率下隔声量差。另外，铝蜂窝隔音板面密度高，惯性阻力大，在高频率下振动传递率小，故而表现为隔音效果优于芳纶蜂窝夹芯板。然而从平均隔声量方面看，试样C/P-5%比标准样板仅低1.5 dB(见图6(c))，且在质量方面，试样C/P-5%比标准样板减重约30%。因此，从轻量化和隔声性能综合考虑来看，玻璃微珠改性后的芳纶蜂窝夹芯板具有替代铝蜂窝夹芯板，成为新一代高速列车(80～1 000 Hz)隔音地板的可能性。而当频率高于1 500 Hz，蜂窝夹芯板隔声量差，将影响人员乘坐列车的舒适性。

图6 改性混合面板对隔声性能的影响Fig.6 Effect of modified mix face sheet materials on sound insulation performance.(a)Comparison between unmodified panel and standard sample;(b)Different content of glass microbeads;(c)Comparison of optimal honeycomb panel (C/P-5%)with standard sample

3 结 论

本文利用热压成型法和四传感器阻抗管法分析蜂窝芯规格(密度和边长)、面板材料(碳纤维、玻璃纤维、聚苯硫醚(PPS))和玻璃微珠改性对蜂窝夹芯板隔声性能的影响。通过对其隔声性能的分析得到如下结论：

1)在芳纶蜂窝芯厚度一定的条件下，蜂窝芯的密度、孔格边长和面板材料对蜂窝夹芯板的隔声量有不同程度的影响。其中密度越大，蜂窝壁越厚，隔声性能越好；面板材料为非织造聚苯硫醚(PPS)预浸料时，有利于提高蜂窝夹芯板隔声性能；孔格边越长，单位面积内蜂窝个数越少，对声音传递过程中阻碍越小，隔声性能越差。

2)混合面板相比于单一面板，隔声性能具有一定程度的提高，尤其是当PPS非织造布置于内层(靠近蜂窝芯侧)时。这主要是因为机织物为表层时，声音除被机织物面板和内部纤维排列无规的三维立体网状的非织造PPS材料吸收外，声音在材料内部传播过程中，会引起孔隙内部空气振动，并与材料表面相互摩擦化为热能消耗掉。

3)玻璃微珠改性面板有利于提高蜂窝夹芯板隔声性能，其中当玻璃微珠含量为面板预浸料树脂含量的5%时，蜂窝隔声性能最优，尤其在500～1 300 Hz区域，提高量为5～8 dB，隔声效果与标准铝蜂窝持平。在1 500～2 500 Hz之间，蜂窝夹芯板平均隔声量低于标准样，但二者差距仅为1.5 dB左右。

4)从轻量化角度和隔声性能方面考虑，芳纶蜂窝夹芯板相比与标准铝蜂窝板质量减少30%左右，且隔声性能与标准铝蜂窝板相接近，故而在高速列车地板应用上，芳纶蜂窝夹芯板具有一定的优势和应用前景。