聚氨酯吸声材料对CRTSⅢ轨道板的降噪影响

周 瑜，汪小渝，赵 鑫

（1、2、3，深圳大学土木与交通工程学院，广东 深圳，518060）

0 引言

近年来，我国高速铁路的许多相关设备、设施和技术不断趋于成熟并达到世界一流水平，其中由我国自主研发、具有完全自主知识产权的CRTSⅢ型板式无砟轨道综合表现尤为突出，在郑徐、京沈、昌赣等国内高铁线路，印尼雅万高铁以及德黑兰至马什哈德高铁等国外高铁线路建设中都得到了广泛应用。同时，高速铁路还存在较为严重的振动与噪声危害。无砟轨道板是向轨下结构传递振动能量及辐射噪声的主要结构之一。聚氨酯是一种玻纤增强的硬质PU 微孔弹性体，因其具有良好的力学性能、优异的承载性能和减振性能，在高速铁路减振领域的应用逐渐增多。着眼高速铁路安全运营研究聚氨酯减振材料对CRTSⅢ型轨道板声辐射特性的影响规律具有现实意义和工程价值。

当前，国内外许多学者对聚氨酯弹性体材料在轨道结构上的减振降噪性能进行了初步的研究。裴勇涛、娄生超［1］等介绍了高速铁路噪声分析及防治措施。柯在田［2］等人对聚氨酯固化道床技术进行了研究，得出聚氨酯固化道床具备有砟轨道的弹性和减振降噪性能、无砟轨道的整体性和稳定性。孙少芳［3］等采用预聚体法制备高铁减振垫板微孔聚氨酯弹性体，研究了其力学性能、动态性能以及耐热性能及在高铁运行过程中的减振降噪效果。何鉴辞［4］以深圳某新建地铁线路隧道段为研究对象，测试了60 km/h的速度下聚氨酯减振垫轨和橡胶减振垫这两种材料的减振垫轨道和普通道床轨道的振动响应，通过引入铅锤Z 振级进行综合评价。Thompson D J［5］研究了由于不同地点的地面性质的差异导致的高速铁路的振动差异。崔日新等［6］将有限元法与边界元法相结合，建立阻尼钢轨-无砟轨道系统振动-声辐射分析模型，以高速轮轨力谱作为激励，分析阻尼钢轨材料、结构参数对钢轨导纳传递特性及声辐射特性的影响。综上发现，国内外学者对于聚氨酯材料在轨道减振降噪中的作用，更偏向于减振性能的研究，而对于降噪性能的研究还不够清楚。

本文主要研究聚氨酯材料对于CRTSIII 型轨道板的声辐射特性影响，首先介绍了几种声学数值模拟方法，然后用边界元法对CRTSⅢ型轨道板建模，对比分析有无覆盖聚氨酯材料的轨道板声辐射特性，旨在揭示聚氨酯减振材料对高速铁路无砟轨道结构降噪性能影响，为提升高铁减振降噪措施的实效性提供参考依据。

1 声学边界元法理论与建模

1.1 声学边界元法概念与软件选择声学数值模拟方法主要有统计能量法、声振耦合法、声学有限元法及声学边界元法，其中，声学边界元方法是继声学有限元方法之后发展起来的一种声学数值计算方法，只需在定义域上划分网格单元，对边界离散，可使问题降低一个维数，用满足条件的函数去对边界条件进行逼近，相互独立、完全并行的计算定义域内各点的函数值以及参数模型，对于无砟轨道使用聚氨酯减振材料的声辐射 特性研究使用声学边界元法有更大优势。LMS Virtual.Lab 软件是一种振动噪声仿真平台，广泛用于各种声系统的声音预测和噪声改善，本文将基于LMS软件，采用边界元法对于无砟轨道使用聚氨酯减振材料的声辐射特性进行研究

1.2 CRTSⅢ型轨道板边界元模型CRTSⅢ型轨道板尺寸为5 700 mm×3 100 mm×300 mm，弹性模量36 Gpa，泊松比0.3，密度2 500 kg/m3，网格尺寸50 mm，网格数量23 684 个；将60 型钢轨简化，截面取工字型，钢轨长5 700 mm，顶宽为75 mm，底宽为130 mm，高为180 mm；定义流体材料为空气，密度为1.2 kg/m3，声速344 m/s。在LMS Virtual.Lab 中建立声学边界元模型，如下图1所示，采用边界元法分析其振动及声学相应特性。

图1 整体模型（左）和整体模型+对称面+声学边界示意图（右）

2 聚氨酯材料声辐射特性分析

2.1 无聚氨酯材料的轨道板声振响应分析在LMS Virtual.Lab 中进行声振分析，将列车对轨道板的作用简化为一个垂直于轨道板上表面中央的简谐荷载，大小为500 N，频率变化范围为50-1 000 Hz，分析域差为10 Hz，对模型进行边界元振动相应计算，将计算结果显示为结构变形云图（见图2）。由图2 可知，轨道板在440 Hz 的条件下会出现一处振动变形波峰，且此波峰位于荷载的作用点处，这说明当荷载作用在轨道板上时，作用点位置的振动变形是最大的。另外，轨道板模型分别在480 Hz、570 Hz、710 Hz、910 Hz 的频率下出现变形峰值，且个数分别是3 个、5 个、7 个、9 个，变形峰值的数量随着荷载频率的增大而增多，且都具有对称性；此外，振动变形波峰沿纵向中心线分布。再者，荷载频率范围为50 Hz～1 000 Hz 时，随着频率的增大，轨道板振动变形波峰数量增加，但峰值并不一定都位于荷载作用点上。

图2 不同频率作用下轨道结构的振动位移响应

图3 为计算得到CRTSⅢ型轨道板模型的声功率级曲线，可知该曲线有五处峰值，分别是440 Hz、480 Hz、570 Hz、710 Hz、910 Hz，这五个频率点与上文列举出的五个出现变形波峰的五个频率值相同，说明该边界元模型的正确性，而且建立的CRTSⅢ型轨道板模型在荷载作用力为570 Hz 的时候有最大声振位移噪音值，其最大均方根值为126.762 dB。

图3 CRTSⅢ型轨道板的声功率级曲线

将轨道板边界元模型周围的流体材料定义为空气，声速取344 m/s，密度取1.2 kg/m3，定义ISO Power Field Point（场点），定义数据转移和声学边界条件，然后对已经建立的CRTSⅢ型轨道板模型进行声振求解，计算得到声振辐射效率曲线，可知在荷载频率为50～150 Hz 时，轨道板模型声振辐射效率增加速率较大，而当频率大于150 Hz 时，声振辐射效率变化极小，曲线趋于水平，这说明在频率范围为50～150Hz 时，荷载对声辐射效率的影响较大，而当荷载频率大于150 Hz 时，声辐射效率便趋于稳定，与荷载大小的关系较小。

2.2 附有聚氨酯材料的轨道板声学模型首先，对CRTSIII型轨道板模型进行网格划分，然后定义坐标轴约束，接着定义流体材料（轨道板周围空气的声速为344m/s，密度为1.2 kg/m3），将结构进行X、Y、Z 三个方向的约束，并将声源定义为在轨道板表面中心位置的单声源点；随后定义吸声材料属性，将聚氨酯减振材料覆盖于轨道板模型的上表面。其中聚氨酯的比重为1 250 kg/m3，拉伸强度取60 Mpa，声阻抗为kg/(m2·s)，通过定义声振阻抗边界条件来模拟定义聚氨酯材料的吸声属性。图4为不同频率下覆盖聚氨酯减振材料的轨道板模型的声振声压级云图，可知覆盖聚氨酯材料后轨道板模型在一定荷载作用力下的声振特性。

图4 覆盖聚氨酯减振材料的轨道板声振声压级云图

2.3 分析有无聚氨酯材料的轨道板声辐射特性将声振特性结果转换为声振模态参与因子模块，通过对比分析有无覆盖聚氨酯减振材料下轨道板模型的声振模态参与因子，更加直观地说明覆盖聚氨酯材料后声振特性的变化。首先将分析结果在LMS Virtual.Lab 中转换为声振模态参与因子曲线图模块，得到在不同阶数下轨道板模型的声振模态参与因子，将其与没有覆盖聚氨酯减振材料的轨道板模型的声振模态参与因子曲线进行对比，如图5 所示。两种轨道板模型的声振模态参与因子曲线大致走势、波动特征及横坐标都大致相同，但观察两个轨道板模型的纵坐标可发现，有覆盖聚氨酯材料的模型与无覆盖聚氨酯材料的模型在纵坐标上差异极大，而纵坐标是垂直方向上的振动位移，故可以初步得出结论：覆盖聚氨酯减振材料后的轨道板模型，垂直振动位移要远远小于没有覆盖聚氨酯减振材料的轨道板，所以聚氨酯材料有较好的减振效果。

图5 覆盖聚氨酯（左）与无覆盖聚氨酯（右）第40阶声模态参与因子对比

对比有覆盖聚氨酯材料与无覆盖聚氨酯材料的轨道板模型的声振频率响应曲线（如图6 所示），可知曲线在100 Hz-400 Hz 范围内波动较大，波动值在100-170 dB 之间；当频率大于400 Hz 以后，声振频率响应会突然降低，且随着频率的增大，曲线保持持续稳定下降趋势，但曲线斜率会持续变小。故可得出结论：在频率为100-400 Hz 之间时，聚氨酯减振材料对轨道板模型的减振效果不明显，此时声振频率响应大小会持续上下波动；而频率大于400 Hz以后，聚氨酯减振材料对于轨道板模型的减振效果便会开始明显，但随着频率的增加，减振特性便会逐渐稳定。

图6 覆盖聚氨酯材料（左）和五覆盖聚氨酯材料（右）的轨道板模型声振频率响应曲线

3 小结

将聚氨酯减振材料覆盖于CRTSIII 型轨道板模型上表面，使用边界元法对其进行声振响应分析计算，并将两种模型的声学响应和声振模态参与因子曲线进行对比，结果表明：

1）边界元法是计算轨道结构噪声问题的一种较好分析方法，本文建立的附有聚氨酯材料的CRTSIII型无砟轨道板边界元模型是准确的。

2）聚氨酯减振材料对CRTSIII 型无砟轨道板有一定的减振降噪作用，主要作用为降低轨道板在垂直方向上的声振位移，在频率为570 Hz 时取得噪声最大均方根值126.762 dB。

3）聚氨酯材料对于频率在100 Hz-400 Hz 范围内荷载下对CRTSIII 型轨道板噪声削弱效果并不明显，声振模态参与因子会在一定范围内持续上下波动，当频率大于400 Hz 后，聚氨酯材料对轨道板的减振作用便会逐渐明显且趋于稳定。