纤维增强树脂基夹芯复合材料隔声性能的研究

罗乐 谭艳 施锋 廖庆华 王刚 吴凡

摘 要 本文对轨道交通车辆安装复合材料头罩的驾驶室进行隔声研究，先从双层纤维增强树脂基夹芯复合材料对称结构和非对称结构的隔声性能进行研究，再对三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构的隔声性能进行探究，接着进一步探究阻尼材料、隔声材料对纤维增强树脂基夹芯复合材料隔声性能的影响，最后根据驾驶室的实际情况，探究空气层和内饰件产品对驾驶室隔声性能的影响。结果表明，对于双层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构，在声源侧分配厚的纤维层，比平均分配两侧纤维层可获得更高的隔声性能；对于三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构，将厚度最大的纤维层置于近声源端，将厚度次之的纤维层置于远声端，将厚度最小的纤维层置于中间的结构，其隔声量明显优于双层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构；在复合材料背面增加阻尼材料或隔声材料都可提高其隔声性能；考虑内饰件及空气层时，驾驶室的隔声量可提高。

关键词 隔声；纤维增强树脂基夹芯复合材料；驾驶室

Study on Sound Insulation Performance of Fiber

Reinforced Resin Sandwich Composite

LUO Le1， TAN Yan2，SHI Feng1， LIAO Qinghua1， WANG Gang1， WU Fan1

（1.Zhuzhou Electric Locomotive Widege Technology Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001;

2.Zhuzhou Lince Group Co.， Ltd.， Zhuzhou 412001）

ABSTRACT In this paper， the sound insulation of cab of rail transit vehicle installed with composite headcover is studied. First， the sound insulation performance of symmetrical structure and asymmetric structure of double-layer fiber reinforced resin sandwich composite is studied， and then the sound insulation performance of three-layer fiber reinforced resin sandwich composite structure is explored. Then， the influence of damping material and sound insulation material on the sound insulation performance of fiber reinforced resin sandwich composite material is further explored. Finally， according to the actual situation of the cab， the influence of air layer and interior decoration products on the sound insulation performance of the cab is explored. The results show that for the double-layer fiber reinforced resin sandwich composite structure， the sound insulation performance is higher when the thick fiber layer is distributed on the sound source side than when the fiber layer is evenly distributed on both sides. For the three-layer fiber reinforced resin sandwich composite structure， the thickest fiber layer is placed at the near sound source， the thickest fiber layer is placed at the far sound end， and the thickest fiber layer is placed in the middle. The sound insulation capacity of the structure is obviously better than that of the double-layer fiber reinforced resin sandwich composite structure. Adding damping material or sound insulation material on the back of the composite can improve the sound insulation performance. Considering the interior and air layer， the sound insulation of the cab can be improved.

KEYWORDS sound insulation; fiber reinforced resin matrix sandwich composite; cab

1 引言

隨着城市轨道交通行业的高速发展，车辆的运行速度也在逐步提高，为了提高车辆的运行速度，就必须对车辆进行轻量化，在轨道车轻量化的发展趋势下，头罩作为驾驶舱的重要部件之一，逐渐从金属材质向着纤维增强树脂基夹芯复合材料发展。

纤维增强树脂基夹芯复合材料具有质轻、高强、高模、耐腐蚀、耐疲劳、可设计性强、整体成型等一系列优异性能，使其在航空航天、军事工程和体育运动器材等领域得到广泛应用［1］。目前，纤维增强树脂基夹芯复合材料在轨道交通领域得到应用，它对减轻车厢重量，降低噪声、振动，提高安全性、舒适性，减少维修等均有重要作用。尤其在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，有很大的优势。

随着车辆速度的提高，车内噪声问题［2］已经成为影响运营可靠性、安全性和舒适性［3-5］等的重要因素之一。纤维增强树脂基夹芯复合材料头罩作为驾驶室与外界环境隔断的主要部件，提高其隔声性能更是成为解决车内噪声问题的重中之重。

本文先对双层纤维增强树脂基夹芯复合材料对称结构和非对称结构的隔声性能进行研究，再对三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构的隔声性能进行探究，接着进一步探究阻尼材料、隔声材料对纤维增强树脂基夹芯复合材料隔声性能的影响，最后根据驾驶室的实际情况，设计四种工况，探究空气层和内饰件产品对驾驶室隔声性能的影响。本文中的研究结论可为工程中纤维增强树脂基夹芯复合材料隔声性能的提高提供方法借鉴和理论指导。

2 双层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构隔声性能研究

目前，双层纤维增强树脂基夹芯复合材料头罩厚度结构通常采用对称结构，即两侧纤维增强树脂基复合材料层（以下简称“纤维层”）以芯材为中心进行厚度对称，如图1所示。

依据国际标准ISO 10140-2：2021，对对称结构的双层纤维增强树脂基夹芯复合材料样件进行隔声性能测试，样件面积为1500mm×1000mm，测试中心频率为100Hz～3150Hz，测试方法如下：

将样件固定于测试洞口内，周边做密封。扬声器、传声器及其之间相互位置的技术要求满足ISO 10140-2：2021。声源室与接收室之间的空气声应满足下述条件，在任一频带内，从声源室传递到接收室的空气声声压级比撞击声声压级至少低10dB。按照ISO 10140-2：2021测试要求进行试验，双层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构样件的测试结果如图2所示。

将以上测试结果带入公式进行计算，可求得计权隔声量Rw，对称结构纤维增强树脂基夹芯复合材料样块Rw=31dB。计权隔声量Rw在工程上一般都用來作为被测试件隔声量的单值评价标准。

借鉴双层隔声复合板材研究结论，当两种隔声材料种类确定时，将隔声量较大的材料置于近声端，隔声量较小的材料置于远声端时，更有利于提高整体结构的隔声水平［6］。针对现有的对称结构双层纤维增强树脂基夹芯复合材料，初步设计了一种非对称结构，如图3所示，此非对称结构将厚度较大的纤维层A置于近声源端，厚度较小的纤维层B置于远声源端。

按照ISO 10140-2：2021的测试方法，将非对称结构的测试结果与对称结构的隔声性能进行对比，如图4所示，125Hz～630Hz频段内，非对称结构高于对称结构，630Hz～2000Hz频段两种结构的隔声量基本持平，2000Hz以上频段对称结构高于非对称结构。从计权隔声量Rw来看，非对称结构比对称结构高1dB。可见，在两侧纤维层总体厚度一致的情况下，靠近声源侧设置分配更厚的纤维层，比平均分配两侧纤维层可获得更高的隔声性能。

3 三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构隔声性能研究

借鉴三层隔声复合板材研究结论，当三种隔声材料种类确定时，将隔声量最大的材料置于近声源端，将隔声量次大的材料置于远声端，将隔声量最小的材料置于中间时，该复合结构隔声水平最高［6］。设计一种三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构，将厚度最大的纤维层A置于近声源端，将厚度次之的纤维层B置于远声端，将厚度最小的纤维层C置于中间，同时将芯材均分于纤维层C的两侧，如图5所示。

按照ISO 10140-2：2021的测试方法对三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构隔声性能的进行测试，结果如图6所示。

由图6可知，从100Hz到3150Hz频段，三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构的隔声量明显优于双层对称和双层非对称结构。从计权隔声量Rw来看，三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构比双层对称结构高5dB，比双层非对称结构高4dB。

4 阻尼材料、隔声材料对纤维增强树脂基夹芯复合材料隔声性能的影响

为了探究阻尼材料、隔声材料对纤维增强树脂基夹芯复合材料隔声性能的影响，在对称结构双层纤维增强树脂基夹芯复合材料的基础上，在接收室一侧的材料面上增加阻尼材料、隔声材料并设计三种方案进行研究，如图7所示。

按照ISO 10140-2：2021的测试方法分别对三种方案进行隔声试验，并将测试结果与对称结构进行对比，如图8所示。当只增加阻尼材料时，160Hz以上频段的隔声量有明显提高；当只增加隔声材料时，在125Hz～800Hz频段内，隔声量有提高，在800Hz～1600Hz频段内，隔声量与对称结构样板的隔声量基本持平，1600Hz以上频段隔声量有明显提高；当同时增加阻尼材料和隔声材料时，100Hz以上频段的隔声量有明显提高。从计权隔声量Rw来看，同时增加阻尼材料和隔声材料时，计权隔声量Rw提高最多；只增加阻尼材料时，计权隔声量Rw提高次之；只增加隔声材料时，计权隔声量Rw提高最少。

5 空气层、内饰件对驾驶室隔声性能的影响

根据驾驶室的实际情况，在头罩内部还覆盖了4mm厚的纤维增强树脂基复合材料内饰件，且内饰件与头罩之间存在空气层，空气层在0～100mm的范围内变动。为了更贴近实际情况，设计了四种工况进行隔声性能研究，如表1所示。

依据表1的工况，按照ISO 10140-2：2021的测试方法分别对四种工况进行隔声测试，探索空气层和内饰件产品对整体驾驶室隔声性能的影响，测试结果如图9所示。

由图9可知，当考虑内饰件及空气层对驾驶室隔声性能的影响时，如将内饰件直接贴于头罩内部，之间无空氣层时，125Hz～800Hz频段的隔声量有略微提高，800Hz以上频段的隔声量有明显提高。随着内饰件与头罩间的空气层逐渐变大，125Hz以上频段的隔声量明显提高；空气层从50mm向100mm增加过程中，1600Hz以上频段的隔声量的提高量基本持平。从计权隔声量Rw来看，当内饰件与头罩间无空气层时，可提高驾驶室隔声量1dB；随着内饰件与头罩间空气层的增加，每增加25mm的空气层，驾驶室隔声量提高2dB。

6 结语

（1）在两侧纤维层总体厚度一致的情况下，靠近声源侧设置分配更厚的纤维层，比平均分配两侧纤维层可获得更高的隔声性能。

（2）对于三层纤维增强树脂基夹芯复合材料结构，将厚度最大的纤维层置于近声源端，将厚度次之的纤维层置于远声端，将厚度最小的纤维层置于中间的结构隔声量明显优于双层对称和双层非对称结构。

（3）在接收室一侧的双层纤维增强树脂基复

合材料上增加阻尼材料或隔声材料都可提高双层纤维增强树脂基复合材料的隔声性能。同时增加阻尼材料和隔声材料时，隔声量提高最多；只增加阻尼材料时，隔声量提高次之；只增加隔声材料时，隔声量提高最少。

（4）当考虑内饰件及空气层对驾驶室隔声量的影响时。内饰件与头罩间无空气层时，可提高驾驶室隔声量1dB；随着内饰件与头罩间空气层的增加，每增加25mm的空气层，驾驶室隔声量提高2dB。

该研究结果对于工程中纤维增强树脂基复合材料隔声性能的进一步提高有重要借鉴意义。

参 考 文 献

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［5］张捷，肖新标，王谛，等.350km/h以上高速列车观光区噪声特性及其评价研究［J］.铁道学报，2012，34（10）：23-29.

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