阻尼材料对地铁车辆地板隔声性能的影响

2018-11-16刘彬

城市轨道交通研究 2018年11期

刘彬

(天津铁道职业技术学院，300240，天津//助教)

研究发现，地铁列车车内噪声主要来自轮轨噪声、车辆结构噪声及车内设备噪声等[1]。针对车辆的降噪问题，国内外学者做了大量的研究工作。文献[2-4]对车内噪声进行预测，并分析噪声的辐射特性。文献[5]对不同铝合金车体结构进行隔声量测试研究，得到最佳声学性能的车体结构组合。目前，我国对于车内降噪措施的研究主要集中在隔声与吸声等方面。文献[6-9]探讨了不同阻尼浆厚度以及阻尼分布形式对铝型材地板减振降噪的影响。文献[10-11]从吸声角度分析多孔吸声材料对地铁吸声降噪的影响。成灌线是我国首条采用轨面吸声板降噪的铁路，从声源上有效控制了噪声的传播。

本文在以上研究的基础上，采用FE-SEA(有限元-统计能量分析)混合法[12-13]对两种不同的城轨车辆地板结构进行隔声量研究，探究其隔声特性分布规律，为进一步提高城轨车辆隔声水平提供依据。

1 FE-SEA混合法基本原理

在FE-SEA混合法中，系统结构刚度矩阵由FE子系统刚度矩阵和SEA子系统直达场刚度矩阵耦合而成，SEA子系统施加外界载荷于此耦合矩阵，并向SEA子系统混响场传递能量。当FE子系统与SEA子系统耦合时，其整体响应为：

(1)

式中:

Sqq——FE子系统中接点位移响应;

Sff,ext——FE子系统上的外部载荷，在隔声问题中为外部声压;

Sff,m,rev——第m个SEA子系统的混响场在耦合接点处的统计平均作用力;

Ddir——直达场中FE子系统与SEA子系统的整体刚度矩阵。

根据直混场互惠定理可得：

(2)

式中：

Em——第m个SEA子系统所具有的平均统计能量;

ω——圆频率;

nm——第m个SEA子系统的模态密度。

式(2)中虚部代表第m个SEA子系统对整体刚度矩阵的阻抗。

由于各子系统功率平衡，则FE-SEA耦合系统的功率平衡方程为：

Pin,j+Pin,dir,j=Pout,j+Pdiss,j

(3)

式中:

Pin,j——外界输入功率;

Pin,dir,j——FE子系统通过直达场对子系统j的输入功率;

Pout，j,Pdiss，j——分别为输出功率及子系统j自身损耗功率。

式(3)整体功率平衡方程的矩阵表达形式为：

(4)

式中:

ηN——第N个SEA子系统的内损耗因子;

ηjk——SEA子系统j、k之间的耦合因子。

方程(4)中包含了描述FE-SEA模型的四大性能参数：模态密度、内损耗因子、耦合损耗因子以及外界输入功率。当以上参数得到确定后，即可求解得到系统的整体平均响应能量。

根据以上原理，在ESI公司开发的VA one软件中建立铝型材声学预测模型，将预测结果与试验值进行对比，验证其准确性。根据混响室-半消声室测试标准添加声载荷(DAF)模块和半无限大声场(SIF)，铝型材长宽高分别为1 500 mm、1 200 mm、40 mm，上板厚3 mm，筋板厚2.5 mm，下板厚4 mm，无内饰粘接材料，内部加强筋为三角形单元布置的裸地板。将其按照每个波长包含至少6个单元进行离散，在125～4 000 Hz频率范围内，预测结果与试验结果对比如图1所示。

图1 试验值与预测值结果对比

从图1可以看出，试验值与预测值之间的误差较小。因此,该方法可用于后续仿真预测。

2 FE-SEA混合模型建立

2.1 地铁车辆地板结构

目前,地铁车辆上常用的地板多为铝型材加内饰材料结构，既满足轻量化设计,又能达到承载要求。图2为两种不同的地板结构断面，为便于区分，设为a、b两类地板。

a) a类地板

两种地板均以三角筋铝型材作为基本骨架。a类地板地板布粘接在蜂窝铝板上，蜂窝铝板与铝型材之间隔着由橡胶制成的减振垫。这种地板具有良好的减振和平整度，在南宁地铁2号线、郑州地铁1号线均有使用。b类地板去掉蜂窝铝板结构，地板布直接铺设在铝型材表面，铝型材中空部分填充隔声隔热材料，并在铝型材底部喷涂阻尼浆。这种地板具有良好的隔声降噪、隔热性能。武汉地铁1号线采用此种地板结构。

2.2 地板FE-SEA模型

根据以上地板结构，在VA one中建立两种地板的FE-SEA混合模型。地板划分为14 879个壳单元组成的FE子系统，边界条件为简支;在地板表面施加DAF激励载荷，半无限大声场采用SIF模块模拟消声室与混响室SEA子系统，流场介质默认为空气。整体FE-SEA隔声预测模型如图3所示。

图3 地板FE-SEA声学模型

3 仿真计算分析

3.1 不同地板隔声特性

两种地板使用的中空铝型材相同，上板厚3 mm，中间板厚2.5 mm，下板厚4 mm，中间空腔厚度为40 mm。空腔填充隔热材料采用碳纤维，流阻为9 000 N·s/m4。其他材料的具体参数见表1。

表1 材料参数

在nastran中建立两种地板的有限元模型，导入VA one,生成两种地板的FE-SEA模型。以长1 500 mm、宽1 200 mm的地板模型为实例，计算其在100～3 150 Hz频率范围内的隔声量，计算结果如图4所示。从图4可以看出，在100～250 Hz频率范围内，a地板的隔声量明显高于b地板。在该区域内，刚度对隔声量的影响起主要作用，由于b地板取消了蜂窝板结构，而采用阻尼材料代替，导致b地板整体刚度降低，从而使地板整体隔声量降低，且随着整体刚度的增加，第一阶共振频率增大。与a地板相比，b地板减少5 kg蜂窝铝板，增加了2.4 kg阻尼材料，有效地抑制了铝型材在315～800 Hz频率范围的振动，提升了地板在该频率段内的隔声量。随着频率的升高，阻尼的隔声效应减弱，地板的局部振动效应占主导地位，a地板因减振垫之间存在空腔间隙，声波在小声腔内不断反射消耗能量，从而增加了高频部分的隔声量。

图4 a、b地板隔声量对比

3.2 阻尼厚度对隔声特性影响

从仿真结果可以看出，阻尼材料能有效地提高低频段内的隔声量，而地铁车辆车内噪声主要以低频成分为主，为探究阻尼材料厚度对地板隔声量的影响，设置2 mm、4 mm、6 mm、8 mm等4个阻尼厚度梯度，敷设于b地板上，计算不同阻尼厚度的隔声特性曲线。计算结果如图5所示。从图5可以看出,随着阻尼厚度增加，隔声特性曲线向上移动，隔声量呈现增大趋势;在250～800 Hz频率范围内，阻尼充分发挥其剪切耗能优势，隔声效果明显，但随着阻尼厚度的增加，隔声量提升效果逐渐减弱，其中当阻尼厚度从2 mm增加到4 mm时，隔声量的提升效果最佳，最大隔声量增量达3.8 dB。由于阻尼材料的某些参数与实际情况存在一定的差距，导致计算结果和实际略有出入，但总的趋势一致，故计算结果在一定程度上反映了阻尼厚度对地铁车辆地板隔声量的作用规律。