敷设阻尼加筋外地板结构振动声辐射特性研究

张丰收，沈火明，张文正，吕稀，宋海洋，熊夫睿

（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都610213；2.西南交通大学力学与工程学院，成都610031）

敷设阻尼加筋外地板结构振动声辐射特性研究

张丰收1，沈火明2，张文正1，吕稀1，宋海洋1，熊夫睿1

（1.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都610213；2.西南交通大学力学与工程学院，成都610031）

结合声学分析软件建立高速列车加筋外地板结构有限元模型，研究阻尼材料对加筋外地板声辐射特性的影响，并探究面板厚度、结构阻尼系数和阻尼材料对外地板隔声量的影响。研究结果表明：敷设阻尼层能够有效抑制外地板的声辐射，但不是越厚越好；增加面板厚度及结构阻尼系数能够提高外地板的隔声量；阻尼层厚度存在临界值，此时外地板隔声量最大。加筋外地板敷设树脂类阻尼且增大结构阻尼系数，声学性能较理想。

振动与波；高速列车；加筋；外地板；振动声辐射；阻尼；隔声量

高速列车底板结构从车内行走位置到转向架依次是内地板、间夹层和外地板，是车体结构的一部分。外地板为中空加筋薄板结构，这种结构在组装使用中不仅满足轻量化要求，也能满足相应的强度和刚度需求。外地板结构在外界激励作用下产生振动声辐射，影响车内振动声学环境。敷设阻尼材料后能够有效减弱结构共振，将结构振动能量以热量形式耗散降低结构辐射能量。

文献[1]和[2]主要从理论角度与解析方法相结合探究机械结构的振动问题，在此基础上进一步研究阻尼复合圆柱壳的振动声辐射问题；文献[3]和[4]主要从试验测试方法的角度切入，探究阻尼因素对轮轨向外辐射噪声特性的影响。文中以高速列车铝型材外地板结构为研究对象，建立有限元实体模型，探究加筋外地板的结构振动声辐射特性[5]。

1 有限元实体模型

采用声学软件建立结构实体模型，外地板布筋采用变形最小且稳定性好的三角形布筋[6–7]。加筋外地板结构参数为：弹性模量7.1×1010Pa、密度2 710 kg/m3、泊松比0.329 6、筋板厚度2.5 mm、面板厚度3.0 mm、几何尺寸(2 100×1 176×70)mm。外地板边界条件是两端面简支约束，声学边界定义成AML属性，自动匹配声辐射边界条件，实现声学网格空间完全离散，如图1所示。

图1 声学有限元无反射边界条件示意图

声辐射特性分析中加载实测车体振动值于外地板中心位置，隔声量分析中在入射面一侧加载白噪声载荷。然后在声学软件声学分析模块中定义结构与声学模型的耦合界面，采用声学有限元方法进行直接声振耦合计算。

敷设阻尼层可分为自由阻尼层和约束阻尼层：自由阻尼层即是在机械结构表面直接涂敷阻尼材料，实现起来方便且效果明显；约束阻尼层即是在自由阻尼层外面再涂敷一层弹性材料，约束阻尼层可以更好的发挥减振降噪性能，但制造工艺复杂且质量更大，实际运用不广泛。采用敷设自由阻尼层进行有限元模拟，如图2所示。

图2 外地板结构敷设自由阻尼层示意图

2 阻尼层厚度对外地板结构声辐射特性影响

加筋外地板结构基本参数不变，根据图2所示外地板结构，对结构和自由阻尼层单独定义材料属性，敷设环氧树脂自由阻尼层，厚度分别定义0 mm（无阻尼）、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm。提取外地板结构的声压级和声功率级[8]进行对比分析，声压级取声学模型声压分布最大值点为参考点（下文取同一位置参考点）。

计算结果表明，400 Hz以上时，敷设阻尼层能够有效降低外地板的辐射声功率；400 Hz～1 600 Hz频率段，1.5 mm阻尼层对外地板辐射声压抑制效果较好，显著降低630 Hz和1 600 Hz频率处的峰值，两频率点声功率值分别降低26.27 dB、18.63 dB。1 600 Hz以上时1.0 mm阻尼层对辐射声功率抑制效果较好，并在2 500 Hz峰值频率点声功率值降低13.41 dB，如图3所示。

如表1所示，根据高速列车中低频特性，敷设环氧树脂阻尼层厚度为1.0 mm时，加筋外地板结构的声学性能较为理想。

表1 不同阻尼层厚度的外地板总辐射声功率值

从能量角度分析，受迫振动时板结构的振动速度均方值也可以揭示板结构声辐射特性，见式（1）。

式中ρc为空气中的声辐射阻抗；a、b为板结构的长度和宽度；为板结构表面法向振速均方值；σ为辐射效率。

计算时外地板中心点位置振速均方值取值如图4(a)所示。敷设阻尼层后，20 Hz～800 Hz频率段外地板表面法向振速提高；20 Hz～100 Hz频率段阻尼层厚度变化对结构表面振速影响不明显；400 Hz～800 Hz频率段阻尼层厚度为1.5 mm时，外地板表面振速最大。进一步分析可知，随着阻尼层厚度增加导致结构声辐射效率降低，外地板辐射能力减弱，如图4(b)所示。

图3 不同阻尼层厚度的外地板声压级和声功率级

图4 不同阻尼层厚度的外地板振速均方值和辐射效率

综上，外地板中低频能量较高，所以当计算频率增大时振动速度整体呈下降趋势，则振动能量也逐渐减弱。在减弱车内噪声时考虑增加阻尼层厚度同时也要考虑阻尼层的面密度比，自由阻尼层厚度在1.0 mm～1.5 mm之间时，加筋外地板声学性能较为理想。

3 阻尼材料对外地板结构声辐射特性的影响

加筋外地板结构基本参数不变，取自由阻尼层厚度为1.5 mm，阻尼层材料属性如表2所示。

计算结果表明，在20 Hz～400 Hz频率段，激励载荷作用下加筋外地板场点声压级和辐射声功率级频率响应随阻尼材料的变化差异较小，相对而言敷设高阻尼材料203#，可使之具有较低的辐射声压和辐射声功率；对比外地板结构辐射声压和辐射声功率频率响应曲线发现，高于400 Hz时，高阻尼材料203#和310#、PVB树脂、环氧树脂（Epoxy Resin）相对能够起到更好的减振降噪效果。敷设高阻尼材料203#使得外地板结构处于较低的能量辐射水平，减振降噪效果最佳，如图5和表3所示。

考虑能量辐射最低的同时也要顾及自由阻尼层的面密度比，在实际使用中如果质量过大会不利于列车车体轻量化的技术要求，高阻尼材料203#面密度比是5.135 8，是PVB树脂和环氧树脂（1.5）面密度比的3.5倍，因此203#作为减振降噪的阻尼材料不适合大面积使用。

图5 不同阻尼材料的外地板场点声压级和声功率级

表2 不同阻尼材料模型参数

表3 不同阻尼材料的外地板结构总辐射声功率值

进一步分析外地板中心位置振动速度均方值和声辐射效率发现，环氧树脂、高阻尼材料203#和310#以及PVB树脂均具有较高的振动速度，但是PVB树脂的声辐射效率在三者中间较高。相比较而言，高阻尼材料203#、310#和环氧树脂（Epoxy Resin）所对应的外地板结构声辐射效率最低，如图6和表4所示。

表4 不同阻尼材料的外地板结构振动速度均方值

图6 不同阻尼材料的外地板结构声辐射效率

综上所述，涂覆自由阻尼层时应以树脂类作为阻尼层优先考虑材料，能够使加筋外地板声学性能较为理想。

4 加筋外地板结构的隔声量计算

声波在空气介质传播过程中，设置一些比较容易吸收声波能量的物体消耗声波能量，使声音在传播过程中因受阻挡或者被吸收而降低透过的声能，这种措施叫隔声。类似于单板隔声原理[8–9]，声波到达外地板处大部分被反射，小部分被吸收，小部分通过外地板。隔声实验室由声源室、接收室、控制室组成，两室之间的试件洞口安装试件测量隔声量[8]。在声学软件中则通过对声学边界条件等参数的定义来模拟隔声实验室功能。声学边界定义为AML属性，将白噪声定义在入射面一侧，以模拟声源声波从入射面入射到达辐射面的过程[10]，如图7和图8所示。

图7 白噪声声源布置示意图

图8 隔声计算传播示意图

4.1 面板厚度对铝型材板结构隔声量的影响

外部声源到达加筋外地板处未被反射的声波一部分被外地板吸收以振动形式体现，另一部分通过外地板向前继续传播。加筋外地板结构基本参数不变，面板厚度分别定义为2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm。

相同边界条件下，面板厚度增加致使外地板结构固有特性增强，与单板结构质量定律相符合，厚度的变化对有限大板影响非常显著，这点需要在实际工程设计中特别注意，有限大板理论值与有限元值如图9(a)所示，有限元数值模拟与实测隔声量[11]结果如图9(b)所示，也从侧面证明所建有限元模型的正确性。

图9 有限元数值计算结果对比

在20 Hz～400 Hz频率段，加筋外地板作为有限大板，面板厚度增加能够导致结构隔声量显著增加，在20 Hz～800 Hz中低频率段，隔声量的变化趋势也符合有限大板理论数据变化曲线，如图10所示。

图10 不同面板厚度外地板结构隔声量

在800 Hz～1 600 Hz频率段，面板厚度为2.0 mm时隔声性能较好，1 600 Hz以上面板厚度为2.5 mm时隔声性能较好，这是外地板结构模态和外部声源共同作用的结果，与前文分析结果相同。如果采用窄带计算发现在更高频率段内会因为板的模态共振导致波峰波谷过于密集，与无限大板结构类似，且随着面板厚度的增加结构共振频率会逐渐向低频转移[12]。不同面板厚度的外地板结构声压级和声功率级见图11。

图11 不同面板厚度的外地板结构声压级和声功率级

4.2 结构阻尼系数对铝型材板结构隔声量的影响

阻尼系数是基于结构材料、载荷情况及施工类型来确定的。加筋外地板结构基本参数不变，对外地板结构分别设置0.25%～3.5%的阻尼系数。

计算结果表明，在低频区域和高频区域板结构阻尼对噪声的传播均有抑制作用，且结构阻尼系数越大，抑制作用越明显，隔声效果越好：400 Hz以下时，外地板结构隔声量的差异随结构阻尼系数变化不明显，传声损失对结构阻尼系数改变并不敏感；400 Hz以上时，结构阻尼系数变化时隔声量明显优于400 Hz以下频率段，板结构隔声量随着结构阻尼系数增加而增加。结构阻尼系数增加时隔声量峰值所对应的频率位置没有发生改变，如图12所示。

图12 不同结构阻尼系数的外地板结构隔声量

因此，选择结构阻尼系数较大的减振降噪材料，可以得到更好的隔声效果。

4.3 阻尼材料对铝型材板结构隔声量的影响

减振降噪的主要方法之一是增大结构阻尼，常用方法是在已有板结构表面敷设阻尼层以增加结构的阻尼。这种被动控制方法，可以提高结构自身阻尼以减弱或者消除结构受迫振动所产生的噪声，也能相应提高机械结构的动态稳定性。

加筋外地板结构基本参数不变，将自由阻尼层和结构基本层分别定义材料属性，阻尼层厚度定义为1.0 mm，阻尼材料如表2所示。

计算结果表明，100 Hz以下时，外地板结构隔声量对自由阻尼层阻尼材料的变化不敏感。其原因可能是由于阻尼层厚度1.0 mm不到外地板整体厚度的10%，受低阶频率激励发生受迫振动时不能够充分发挥剪切耗能作用。另一方面，在低阶频率范围内噪声的传播主要是非共振传播并遵守质量定律。

在100 Hz以上，阻尼材料对外地板结构隔声量的影响显著，差异也比较明显。对比外地板结构隔声量曲线发现：在100 Hz～200 Hz频率段高阻尼材料310#和PVB树脂有较好的隔声效果；在200 Hz～800 Hz频率段高阻尼材料203#和环氧树脂隔声效果较好；在800 Hz以上，高阻尼材料203#体现出较好的隔声性能，如图13所示。

图13 不同阻尼材料的外地板结构隔声量

综上所述，高阻尼材料203#和310#受迫振动时吸收较多的能量，体现良好的隔声效果。PVB材料受迫振动时能够充分发挥剪切耗能作用，体现出良好的隔声效果。但在实际生产中考虑列车轻量化的技术要求，外地板涂覆自由阻尼层时应优先考虑树脂类材料。

4.4 阻尼层厚度对铝型材板结构隔声量的影响

加筋外地板结构基本参数不变，敷设环氧树脂材料阻尼层，对自由阻尼层和结构基本层分别定义材料属性，阻尼层厚度分别定义为0 mm（无阻尼）、0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm，计算不同阻尼层厚度的加筋外地板结构隔声量。

计算结果表明，在20 Hz～100 Hz频率段，环氧树脂自由阻尼层厚度变化对外地板隔声效果影响不明显；在100 Hz以上，环氧树脂阻尼层厚度变化对外地板隔声量影响显著；在100 Hz～300 Hz频率段阻尼厚度为1.5 mm时隔声效果较好；在400 Hz时裸地板隔声效果较好；400 Hz以上时阻尼层厚度为1.0 mm和1.5 mm所体现的隔声效果最好，表明环氧树脂阻尼层在高频区域发挥了剪切耗能的作用，如图14所示。

由计算分析可知，环氧树脂自由阻尼层厚度在1.0 mm左右时，加筋外地板声辐射处于较低水平。综合考虑，敷设自由阻尼层选择厚度在1.0 mm左右的树脂类材料，减振降噪效果最为理想。

5 结语

图14 不同阻尼层厚度的外地板结构隔声量

（1）对加筋外地板进行多种阻尼材料、不同阻尼层厚度等属性的声学计算结果综合分析，敷设厚度为1.0 mm左右的环氧树脂，加筋外地板结构辐射声能量较低，减振降噪效果较为理想。

（2）加筋外地板面板厚度增加，中高频区域的隔声效果更为显著。在工程应用中面板厚度的变化对有限大板隔声量的影响不可忽略，在设计中应着重考虑。面板厚度为2.5 mm左右时，加筋外地板结构声学性能较优。

（3）在整个加筋外地板结构隔声性能对比中，无论是在低频区还是高频区外地板结构自身阻尼系数对噪声传播抑制作用非常明显。减振降噪工程设计应用中应使用结构阻尼较大的材料。

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Study on Structural Vibration andAcoustic Radiation of Reinforced Outer Floors with Damping Materials

ZHANG Feng-shou1,SHEN Huo-ming2,ZHANG Wen-zheng1,LYUXi1,SONG Hai-yang1,XIONG Fu-rui1
（1.Key Laboratory of Nuclear Reactor System Design Technology, Nuclear Power Institute of China,Chengdu 610213,China; 2.School of Mechanical and Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China）

The finite element model of reinforced outer floors in high-speed trains is established by means of acoustic software.The influence of damping material properties on the acoustic radiation characteristics of the outer floor structure is investigated.The influence of panel’s thickness,structural damping coefficient and damping material properties on sound transmission loss of the outer floor is studied.The results demonstrate that the damping layer can effectively suppress the sound radiation of the outer floor.Increasing the panel’s thickness and structural damping coefficient can raise the transmission loss of the floor.The damping layer thickness has a critical value for the maximum sound transmission loss of the floor.It is suggested that the resin damping material should be chosen so that the structure damping coefficient can be increased for getting an ideal acoustic performance for the reinforced outer floors.

vibration and wave;high-speed train;reinforced;outer floor;vibration and acoustical radiation;damping; sound transmission loss

U270.32

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.02.018

1006-1355(2017)02-0085-06

2016-10-17

张丰收（1989－），男，山东省曹县人，硕士生，主要研究方向为结构振动与控制、工程结构仿真。E-mail:1989zfs@sina.com

沈火明（1968－），男，江苏省苏州市人，博士生导师，主要研究方向为结构振动与控制、工程结构仿真、微动磨损与微动疲劳、环境评价与预测。