阻尼浆提高动车组铝型材隔声性能的应用研究

曾要争

中车南京浦镇车辆有限公司

0 引言

动车组多采用双层薄壁铝合金作为车体结构，该结构具有质量轻，结构稳定，整体耐腐蚀性强等诸多优点。由于双层薄壁铝合金的层与层之间为维持结构稳定添加了起支撑作用的筋，导致大量噪声沿固体传播。筋与两侧的铝合金壁形成了若干空腔，也使一部分噪声通过空气传播[1]。双层薄壁铝合金的结构特点及铝材质本身的特性使其隔声性较差，噪声在双层薄壁铝合金结构中的传播途径如图1所示。

为了改善铝型材的隔声性能，可通过改善筋及薄壁部分的阻尼性能，抑制其振动，从而降低噪声的产生和传播。通常采用在筋及薄壁的一侧粘贴阻尼材料以增强其阻尼[2-3]。基于此，本论文以制备具有优异阻尼损耗特性的阻尼浆为基础，将其应用于动车组铝型材表面，研究其对铝型材隔声性能的改善作用，并分析了其机理。

图1 噪声在双层薄壁铝合金结构中的传播途径

1 实验与仪器设备

1.1 实验原料与材料

表1为实验原材料。

表1 实验原材料

动车组铝型材如图2所示。

图2 铝型材图

1.2 仪器设备

采用共混法利用高速搅拌机制备阻尼浆，具体的制备步骤如下：

1）实验室制备丙烯酸乳液。

2）按实验配方称量。

3）将丙烯酸乳液加入高速分散搅拌机，在400 r/min转速下搅拌。

4）将称量好的云母等加入上述体系中，转速提高至800 r/min，持续搅拌15分钟，制得阻尼浆。

表2为阻尼浆制备主要仪器设备。

表2 阻尼浆制备主要仪器设备

表3为性能评价所用仪器设备。

表3 性能评价仪器设备

2 结果与讨论

2.1 阻尼浆阻尼特性影响因素分析与优化

图3是阻尼损耗因子测试试样，图4所示是改变功能填料的种类并调整相应配比得到的典型阻尼浆的阻尼损耗因子。分别以不同粒径云母粉和碳酸钙作为功能填料制备试样1、2、3、4并测试其阻尼损耗因子。由图4可知：比较云母（试样4）或CaCO3（试样3）作为功能填料制备阻尼浆，采用云母作为填料制备的阻尼浆其阻尼损耗因子优于CaCO3。而将二者复合应用且配比适当（试样1），制备的阻尼将具有更大的阻尼损耗因子。笔者认为出现这种现象是基于以下原因：云母具有特殊的片状结构，比表面积大，将其作为功能填料加入到阻尼浆体系中可以形成多界面。由于云母与基体材料的密度及刚度等不同，在外界激励（振动）作用下云母与基体材料运动不一致，云母与基体材料因“相对运动”产生摩擦而导致能量耗散，表现为高损耗因子。

图3 损耗因子测试试样

当将云母和CaCO3进行复合时，可形成图5所示结构。片状的云母与球状的CaCO3在阻尼层受到外力作用时产生相对运动，片状颗粒与球状颗粒的运动可增加滚动摩擦的形式，更有利于功能填料与基体之间产生摩擦，从而表现为更优的阻尼损耗特性，阻尼损耗因子达到0.35。

图4 功能填料对阻尼损耗因子的影响

图5 云母和CaCO3组合结构

2.2 阻尼浆隔声特性影响因素分析与优化

以云母为主要功能填料，辅以适当比例的CaCO3制备的阻尼浆，将其涂覆在1 mm厚铝板上，涂层厚度为2 mm，利用阻抗管测试其隔声性能，图6所示。从图6可以看出，在阻尼浆中添加CaCO3，当质量占填料总质量的6.25%时，阻尼隔声涂料平均隔声量比未添加时提高了约3～4 dB(A)；随着CaCO3添加量的增加，阻尼隔声涂料的隔声量也随之增加，当其添加比例依次为12.5%，18.75%和25%时，平均隔声量依次各提高1 dB(A)左右。产生此种现象的原因一方面是由于CaCO3与云母可形成图5所示组合结构，体系的阻尼损耗因子增加，在振动作用因界面滑动产生内耗，从而起到增加隔声的作用。另一方面，如图7所示，添加了CaCO3可提高涂层的密实度：未添加CaCO3的阻尼中，大粒径的片层状云母层层叠加，存在比较大的空隙，CaCO3粒径为2000目，添加了CaCO3的阻尼涂层可填补云母大颗粒之间的一些空隙，使填料之间的接触更紧密。

图6 1 mm铝板隔声性能测试

图7 固化后阻尼浆断面微观形貌

2.3 阻尼浆对铝型材阻尼隔声性的影响

试验共有三个试样组，每个试样组中有三块样件。同一试样组中的三块样件是根据车体地板切割的不同部位而区分的。其中，试样组1为无附加阻尼材料的铝型材裸板，试件组2为在面对车内的一侧喷涂2 mm阻尼材料的铝型材，试件组3为在试件2基础上继续喷涂阻尼材料直至厚度为4 mm，图8所示。各试件组的详细资料如表4所示。

图8 涂覆不同厚度阻尼浆动车组铝型材实物图

表4 各试件组详细资料

图9所示是三种铝型材地板阻尼比频谱特性，由图9可知：铝型材地板结构模态阻尼比在三分之一倍频程的每个频段内，喷涂4 mm阻尼层的铝型材地板均大于喷涂2 mm阻尼层铝型材地板，没喷涂阻尼材料的铝型材地板裸板结构，其模态阻尼比最小。喷涂2 mm和喷涂4 mm阻尼的铝型材地板在400～500 Hz的中频区域，模态阻尼比提高显著。喷涂4 mm阻尼的铝型材地板其阻尼特性最好，相对于没喷涂阻尼的铝型材裸板而言，在 250 Hz，400 Hz，1250 Hz 和 1600 Hz处的模态阻尼比显著提高，提高量均超过了400%。喷涂2 mm阻尼的铝型材地板次之，相对于没喷涂阻尼的铝型材裸板而言，在 250 Hz，400 Hz，1250 Hz，1600 Hz和2000 Hz处模态阻尼比大大提高，提高量均超过了200%。

图10、表5是三种铝型材计权隔声量对比，可以看出：铝型材裸板的计权隔声量为31.3 dB(A)，喷涂2 mm阻尼层的铝型材地板计权隔声量为35.8 dB(A)，喷涂4 mm阻尼层的铝型材地板计权隔声量为38.2 dB(A)。喷涂阻尼对提高铝型材地板隔声量有较显著的效果，相比没喷涂阻尼的铝型材裸板，喷涂2 mm阻尼层可提高铝型材地板计权隔声量4.5 dB(A)，而喷涂4 mm阻尼层可提高铝型材地板计权隔声量6.9 dB(A)。

图9 三种铝型材地板阻尼比频谱特性

图10 三种铝型材隔声特性对比

表5 三种铝型材计权隔声量对比

3 结论

1）以云母功能填料，以纯丙乳液为基体材料可以获得具有一定阻尼损耗特性的阻尼浆。当在体系中添加适量的球形CaCO3，阻尼浆的阻尼损耗特性可进一步提高，损耗因子可达0.35。

2）细度为2000目CaCO3添加到以云母为主要功能填料的阻尼浆体系中，制得的阻尼浆可明显提高铝板的隔声性能。

3）在动车组铝型材车体上喷涂2 mm、4 mm阻尼浆涂层，模态阻尼比可分别显著提高200%和400%，计权隔声量可分别提高4.5 dB(A)和6.9 dB(A)。