任林旸 王瑞乾,2 張學(xué)飛 周虹希 錢日成

(1 常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院 常州 213164)

(2 西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

0 引言

近年來隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，高速列車噪聲振動(dòng)問題[1?2]已然成為了影響乘客乘坐舒適性的主要因素之一，并對(duì)高速列車在運(yùn)輸行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)力產(chǎn)生了負(fù)面影響[3]。高速列車普遍使用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)作為車體[4?5]。現(xiàn)有車體結(jié)構(gòu)的隔聲和聲輻射特性研究多集中在波紋鋁型材[6?7]，而對(duì)內(nèi)裝結(jié)構(gòu)聲學(xué)特性的研究卻較少。然而，內(nèi)裝結(jié)構(gòu)是車體的重要組成部分，直接面向車內(nèi)一側(cè)，其聲學(xué)性能的優(yōu)劣對(duì)車內(nèi)聲場(chǎng)仍有不小的影響[8]。常見的內(nèi)裝板有木質(zhì)膠合板、蜂窩板、玻璃鋼等。除蜂窩板外，其他內(nèi)裝板均為密實(shí)結(jié)構(gòu)，密度較高，通常使用粘貼隔聲墊[9?10]、噴涂阻尼漿[11]等方式對(duì)整體聲學(xué)性能做進(jìn)一步優(yōu)化[12]。而為了契合當(dāng)今社會(huì)環(huán)保、輕量化與節(jié)能的主題，軌道車輛迫切需要開發(fā)與應(yīng)用新型減振降噪材料。

橡膠泡棉是一種以丁基橡膠、聚氯乙烯等為主要材料，經(jīng)高溫溶解后加入增稠劑與發(fā)泡劑，經(jīng)過發(fā)泡而得到的一種新型高分子復(fù)合材料，其相較于傳統(tǒng)夾層材料質(zhì)量更輕、體積也較小、成本更低廉。針對(duì)橡膠泡棉的組合結(jié)構(gòu)聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中表明其吸隔聲性能優(yōu)異，在噪聲控制方面具有廣闊的應(yīng)用前景，然而國(guó)內(nèi)外對(duì)該材料在聲學(xué)性能方面的應(yīng)用研究較少。本文以橡膠泡棉為芯材、鋁質(zhì)薄板作為蒙皮的三明治夾芯板為研究對(duì)象，開展其聲學(xué)特性的分析、優(yōu)化和應(yīng)用研究。

本文基于混合有限元-統(tǒng)計(jì)能量分析(Finite element-statistical energy analysis,FE-SEA)計(jì)算方法，分別建立橡膠泡棉夾芯板的隔聲預(yù)測(cè)模型和聲輻射預(yù)測(cè)模型，將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模型的可靠性，并利用預(yù)測(cè)模型探究橡膠泡棉孔隙率與芯皮厚度比對(duì)整體聲學(xué)性能的影響規(guī)律。進(jìn)一步地，提出對(duì)橡膠泡棉夾芯板的聲學(xué)優(yōu)化方案，最后與傳統(tǒng)芯層材料在實(shí)車組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比和分析。研究結(jié)果可為橡膠泡棉夾芯板在列車上的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

1 橡膠泡棉夾芯板聲學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

所用的橡膠泡棉夾芯板樣件的尺寸為985 mm×970 mm×14 mm，其中芯材為Armacell公司生產(chǎn)的Armasound RD 240橡膠泡棉，密度為240 kg/m3，厚度為10 mm；上下蒙皮均為5052-H32 鋁板，密度為2700 kg/m3，厚度為2 mm。芯材及板件截面如圖1 所示，夾芯板與工裝間用油泥密封，蒙皮前后為實(shí)際聲場(chǎng)環(huán)境。

圖1 橡膠泡棉夾芯板截面圖Fig.1 Cross section of rubber foam sandwich panel

1.1 聲學(xué)預(yù)測(cè)模型

基于混合FE-SEA 方法，在聲振分析軟件中分別建立橡膠泡棉夾芯板隔聲預(yù)測(cè)模型與聲輻射預(yù)測(cè)模型。橡膠泡棉夾芯板的芯材和蒙皮尺寸、密度與實(shí)際樣件尺寸相同，另外，橡膠泡棉芯材的彈性模量為3.2 GPa，泊松比為0.24，蒙皮彈性模量為7.1 GPa。

其中，隔聲預(yù)測(cè)模型的FEM 平板單元總數(shù)為10010 個(gè)，可滿足上限頻率3150 Hz 的精度計(jì)算要求，板的邊界采用自由邊界條件，將實(shí)測(cè)阻尼損耗因子賦予夾芯板子系統(tǒng)，并根據(jù)混響室和半消聲室實(shí)際容積建立兩個(gè)聲腔，賦予其實(shí)測(cè)房間吸聲系數(shù)。聲輻射預(yù)測(cè)模型的FEM 平板單元總數(shù)同樣為10010個(gè)，可滿足上限頻率為3150 Hz的精度計(jì)算要求，板的邊界仍采用自由邊界條件。選取與聲輻射實(shí)驗(yàn)中相同激勵(lì)點(diǎn)位置在485 mm×350 mm 處加載單位力，半無限流場(chǎng)子系統(tǒng)距夾芯板有限元模型表面為500 mm，用于接收夾芯板受激勵(lì)后產(chǎn)生的輻射噪聲，媒質(zhì)為空氣，密度為1.21 kg/m3，空氣聲速為342 m/s。

1.2 聲學(xué)實(shí)驗(yàn)與模型驗(yàn)證

橡膠泡棉夾芯板的隔聲特性實(shí)驗(yàn)采用聲強(qiáng)法[13]在混響室-半消聲室中進(jìn)行?；祉懯?聲源室)和半消聲室(接收室)的容積分別為5414 mm×4100 mm×3300 mm 和12000 mm×6000 mm×3500 mm。聲源室與半消聲室測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2(a)與圖2(c)所示。

圖2 橡膠泡棉夾芯板聲學(xué)特性測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Field test of acoustic characteristics of rubber foam sandwich panel

在混響室使用B&K 4292 型12 面無指向聲源輸出白噪聲作為激勵(lì)，測(cè)試頻率范圍100～3150 Hz。在混響室內(nèi)無規(guī)則布置6 個(gè)B&K 4190 型傳聲器測(cè)得室內(nèi)平均聲壓級(jí)LP1。在半消聲室一側(cè)將夾芯板表面劃分為9 個(gè)均勻網(wǎng)格，使用B&K 3599 型聲強(qiáng)探頭對(duì)橡膠泡棉夾芯板進(jìn)行法向聲強(qiáng)測(cè)試，按S 型路線進(jìn)行逐格掃描，計(jì)算平均法向聲強(qiáng)級(jí)LIn。最后，依據(jù)式(1)，計(jì)算得到被測(cè)樣件的隔聲量，單位為分貝(dB)：

式(1)中：Sm為測(cè)量面的總面積，S為實(shí)驗(yàn)中的被測(cè)試件的面積。

橡膠泡棉夾芯板的隔聲測(cè)試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖3(a)所示?？梢妼?shí)測(cè)隔聲量頻率曲線在低頻段較小，為22～28 dB，在400～630 Hz 段快速上升，在630 Hz 以上頻段，隔聲量基本達(dá)到45 dB 以上。隔聲曲線的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值在整體上較為接近，二者最大差值出現(xiàn)在630 Hz 處，為2.9 dB，且計(jì)權(quán)隔聲量Rw[14]僅相差0.2 dB，說明該隔聲量預(yù)測(cè)模型是有效的，可以使用該模型進(jìn)行進(jìn)一步的隔聲特性研究。

圖3 隔聲與聲輻射特性的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比Fig.3 Comparison between the predicted and measured results of sound insulation and acoustic radiation characteristics

仍然基于聲強(qiáng)法在混響室-半消聲室中進(jìn)行振動(dòng)聲輻射實(shí)驗(yàn)，將橡膠泡棉夾芯板安裝于混響室-半消聲室的洞口，于混響室一側(cè)使用激振器對(duì)橡膠泡棉夾芯板隨機(jī)點(diǎn)加載白噪聲力激勵(lì)。在半消聲室一側(cè)夾芯板表面劃分為均勻的9 個(gè)網(wǎng)格，使用B&K 3599 型聲強(qiáng)探頭對(duì)橡膠泡棉夾芯板進(jìn)行法向聲強(qiáng)測(cè)試，按S型路線進(jìn)行逐格掃描，聲源室與半消聲室測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖2(b)與圖2(c)所示。對(duì)于板件而言，振動(dòng)輻射到半空間的聲功率可由式(2)獲得：

式(2)中：σ為板的聲輻射效率；S為板的表面積；ρ為空氣密度；c為空氣中的聲速；υ為板件表面振速。

橡膠泡棉夾芯板在1/3 倍頻程單位力下的振動(dòng)聲輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3(b)所示。從總值上看，二者相差1.6 dB；從曲線上看，實(shí)測(cè)輻射聲功率在60～70 dB 之間，并在315 Hz 達(dá)到峰值68.7 dB。由于夾芯板四周和洞口工裝之間的安裝條件較為復(fù)雜，并非理想的自由邊界，其難以在模型中實(shí)現(xiàn)精確的模擬，而邊界條件對(duì)于振動(dòng)的影響較大，因此預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值在個(gè)別頻段內(nèi)有3 dB 左右的差距。然而預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)曲線的變化趨勢(shì)總體上仍較為接近，因此可判斷該預(yù)測(cè)模型是有效的，可用于聲輻射特性的進(jìn)一步研究。

2 聲學(xué)特性參數(shù)分析及優(yōu)化

利用所建立的模型，對(duì)不同參數(shù)下橡膠泡棉夾芯板的聲振特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。在實(shí)際工程中，在材質(zhì)不變的前提下，通常評(píng)估結(jié)構(gòu)成型時(shí)的芯材孔隙率與芯皮厚度比對(duì)于夾芯板聲振特性的影響。

2.1 芯材孔隙率的影響

在橡膠泡棉厚度為10 mm、彈性模量為3 GPa、泊松比為0.2 的情況，僅改變橡膠泡棉孔隙率，對(duì)橡膠泡棉夾芯板的聲學(xué)特性進(jìn)行預(yù)測(cè)。預(yù)設(shè)橡膠泡棉孔隙率分別為83%、67%、50%、33%、17%；對(duì)應(yīng)橡膠泡棉的密度為120 kg/m3、240 kg/m3、360 kg/m3、480 kg/m3、600 kg/m3。隔聲量預(yù)測(cè)結(jié)果與聲輻射預(yù)測(cè)結(jié)果見圖4。

由圖4(a)可以看出：隨著芯材孔隙率的減小，其密度在逐漸增加，總體隔聲水平提升較為明顯。另一方面，隨著芯材孔隙率的減小，各頻率隔聲量的增速在逐漸變小，實(shí)際上表明了密度的增加對(duì)于隔聲量提升的貢獻(xiàn)在逐漸降低。由圖4(b)可以看出：隨著芯材孔隙率的減小，輻射聲功率相應(yīng)的呈下降趨勢(shì)，以中低頻的降幅更加明顯，而高頻的降幅稍?。涣硪环矫?，隨著孔隙率的降低，其對(duì)于輻射聲功率的影響也會(huì)逐漸減小，降幅逐漸減小。輻射聲功率主要受材料阻尼的影響，當(dāng)孔隙率減小，即密度提高時(shí)，阻尼也隨之提高，輻射聲功率隨之降低。

2.2 芯皮厚度比的影響

選取橡膠泡棉密度為240 kg/m3，鋁蒙皮厚度為2 mm 不變，探究橡膠泡棉芯材與鋁蒙皮的厚度比對(duì)夾芯板聲振特性的影響。預(yù)設(shè)芯皮厚度比分別為4:1、5:1、6:1、7:1、8:1，對(duì)應(yīng)的橡膠泡棉厚度為8 mm、10 mm、12 mm、14 mm、16 mm。隔聲量與聲輻射預(yù)測(cè)結(jié)果見圖5。

由圖5(a)可以看出：隨著芯皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板隔聲量呈略微上升趨勢(shì)，僅在250 Hz以下和1600 Hz以上的提高量稍明顯?？傮w而言，厚度比的改變對(duì)橡膠泡棉夾芯板隔聲量的影響較小，通過增加芯材厚度來提高整體隔聲水平的方法的效費(fèi)比偏低。由圖5(b)可以看出：隨著芯皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板的輻射聲功率相應(yīng)降低，其在160 Hz 以下的低頻降幅不明顯，而在200 Hz 及315 Hz以上的高頻降幅較為明顯。這主要緣于芯皮厚度比的增加會(huì)導(dǎo)致材料的阻尼提高，從而使得輻射聲功率隨之降低。另一方面，當(dāng)芯皮厚度比持續(xù)增加時(shí)，也可見聲輻射功率的降幅在減小。

2.3 基于敷設(shè)阻尼層的聲學(xué)優(yōu)化

優(yōu)化橡膠泡棉夾芯板的隔聲性能與聲輻射性能，一般通過增加系統(tǒng)阻尼來進(jìn)行。在工程實(shí)踐中，通常優(yōu)先考慮在橡膠泡棉夾芯板中敷設(shè)黏彈性阻尼材料的方法。綜合2.1 節(jié)與2.2 節(jié)中芯材孔隙率與芯皮厚度比對(duì)聲學(xué)性能影響的探究結(jié)果，并結(jié)合工程實(shí)用背景，選用效費(fèi)比最高的厚度為12 mm、孔隙率為67%(對(duì)應(yīng)密度為240 kg/m3)的橡膠泡棉以及兩塊2 mm 厚的鋁蒙皮組裝成夾芯板。在橡膠泡棉夾芯板中的不同位置嘗試敷設(shè)1 mm 厚阻尼層(圖6 中黑色部分)，所調(diào)查的阻尼層敷設(shè)位置分別位于蒙皮外側(cè)(工況1)、芯材中心(工況2)、蒙皮與芯材之間(工況3)，如圖6 所示。計(jì)算時(shí)，選用聲學(xué)軟件VA one中自帶的密度為1100 kg/m3的硬橡膠(Hard rubber)作為阻尼層材料。圖7給出了優(yōu)化后的聲學(xué)特性對(duì)比結(jié)果。

圖7 敷設(shè)阻尼層對(duì)橡膠泡棉夾芯板的優(yōu)化效果Fig.7 Optimization effect of laying damping layer on rubber foam sandwich board

由圖7(a)可以看出：與未敷設(shè)阻尼的夾芯板相比，3 種工況下的夾芯板隔聲量與計(jì)權(quán)隔聲量都有一定的提高。其中工況1 在鋁蒙皮外側(cè)敷設(shè)1 mm阻尼層后，夾芯板的計(jì)權(quán)隔聲量較其他兩種工況更高，達(dá)到了41.2 dB。在100～315 Hz 頻段隔聲量主要由阻尼與質(zhì)量控制，因此在該頻段下3 種工況相較于未敷設(shè)阻尼的夾芯板隔聲量差距較小，而在中高頻段隔聲量的提升則更為明顯。隔聲性能的影響因素主要包括兩方面。首先，阻尼的增加主要提高了低頻隔聲性能，且總質(zhì)量隨之增加，也有助于隔聲性能的進(jìn)一步提高。另一方面，對(duì)于阻尼敷設(shè)位置的影響，實(shí)際上也會(huì)改變芯層多孔材料的流阻，進(jìn)而改變了材料吸聲性能，也會(huì)對(duì)隔聲性能造成影響。

由圖7(b)可以看出：與未敷設(shè)阻尼層相比，3種工況下橡膠泡棉夾芯板的聲功率級(jí)與總聲功率級(jí)的降幅都較為明顯。工況1 在下蒙皮外側(cè)敷設(shè)1 mm 阻尼層后，總聲功率級(jí)相較于其他兩種工況更小，為77.4 dB，且對(duì)比未敷設(shè)阻尼的情況下，降幅達(dá)到了0.7 dB。

綜上，當(dāng)1 mm 橡膠阻尼層敷設(shè)在遠(yuǎn)離聲源側(cè)的鋁蒙皮外側(cè)(工況1)時(shí)，對(duì)隔聲量的提高及輻射聲功率的降低最為有效。

3 組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果的實(shí)驗(yàn)分析

為了評(píng)價(jià)橡膠泡棉夾芯板的實(shí)際應(yīng)用效果，現(xiàn)將前述最優(yōu)復(fù)合結(jié)構(gòu)(2.3 節(jié)中工況1)應(yīng)用于某型高速列車側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)中，并將其與另外3 種側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)方案(兩種傳統(tǒng)內(nèi)裝板材的方案以及一種不包含任何內(nèi)裝板材的背景方案)進(jìn)行對(duì)比分析。表1 給出了4 個(gè)對(duì)比方案的材料組成，圖8 進(jìn)一步給出了4 個(gè)組合方案的截面照?？梢?個(gè)方案的區(qū)別僅在于內(nèi)裝板芯層材料的不同，并由此帶來了整體方案面密度的不同。仍采用雙混響室法，開展4 個(gè)組合方案的隔聲特性實(shí)驗(yàn)，側(cè)墻鋁型材一側(cè)面向聲源室。聲源室的聲波傳播至鋁型材表面時(shí)，也會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)表面的振動(dòng)，振動(dòng)進(jìn)一步傳播至內(nèi)裝板一側(cè)，向接收室輻射噪聲，因此對(duì)結(jié)構(gòu)整體的隔聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可在一定程度上評(píng)價(jià)隔聲和聲輻射兩種聲學(xué)特性的總體效果。

表1 3 種側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)的材料組成及參數(shù)Table 1 Side wall combination schemes of different core materials

圖8 4 種側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)截面圖Fig.8 Section drawings of four side wall composite structures

隔聲實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。從頻率曲線上看，方案1、方案2 和方案3 的隔聲量都明顯高于不含任何內(nèi)裝板件的背景方案0，主要體現(xiàn)在1000 Hz以下中低頻段。對(duì)于3種包含了內(nèi)裝板件的側(cè)墻組合方案，在100～315 Hz 低頻段，方案1 的隔聲量最高，方案3 的隔聲量次之，方案2 的隔聲量最低，這是由于在低頻質(zhì)量控制區(qū)，主要受質(zhì)量定律的影響；方案1的面密度明顯高于其他兩個(gè)方案，而方案3與方案2的面密度相同；但方案3 隔聲量略高于方案2，推測(cè)原因在于橡膠泡棉相較于鋁蜂窩芯層，其吸聲性能更佳，阻尼更大。在500～1250 Hz，出現(xiàn)了顯著變化，方案1 和方案2 有低谷產(chǎn)生，而方案3 未出現(xiàn)明顯低谷，進(jìn)一步凸顯了橡膠泡棉夾芯板優(yōu)良的阻尼效果。

圖9 不同芯材的側(cè)墻隔聲特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of sound insulation characteristics of side walls with different core materials

為了更加直觀地體現(xiàn)各內(nèi)裝板件在輕量化設(shè)計(jì)角度的減振降噪效果，以“效費(fèi)比”這一參量做進(jìn)一步評(píng)價(jià)。這里的效費(fèi)比，指的是相較于背景方案0，優(yōu)化方案每增加單位面密度，從而引起的計(jì)權(quán)隔聲量的增加量，單位dB/(kg/m3)。由此可以計(jì)算出方案1 的效費(fèi)比為0.396 dB/(kg/m3)，方案2 的效費(fèi)比為0.547 dB/(kg/m3)，而方案3 的效費(fèi)比為0.641 dB/(kg/m3)，這說明增加相同質(zhì)量情況下，橡膠泡棉能提升更多的隔聲量，相較于傳統(tǒng)內(nèi)裝板材在結(jié)構(gòu)隔聲輕量化設(shè)計(jì)中更具優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文基于混合FE-SEA 法建立了橡膠泡棉夾芯板的隔聲與聲輻射預(yù)測(cè)模型，并分別與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型的有效性；進(jìn)一步探究了芯材孔隙率與芯皮厚度比對(duì)于橡膠泡棉夾芯板聲學(xué)特性的影響規(guī)律，并通過敷設(shè)阻尼層進(jìn)行了聲學(xué)優(yōu)化；最后在側(cè)墻組合結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計(jì)中通過實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了其使用效果。結(jié)果證明：(1) 隨著芯材孔隙率的減小，密度的增加，橡膠泡棉夾芯板總體隔聲水平提高明顯，輻射聲功率也相應(yīng)降低，并且隔聲量增加幅度與輻射聲功率下降幅度也逐漸變小。(2) 隨著芯材和蒙皮厚度比的提高，橡膠泡棉夾芯板隔聲量呈略微上升趨勢(shì)，輻射聲功率也隨之降低，通過增加芯材厚度來提高夾芯板減振降噪效果性價(jià)比較低。(3) 1 mm 阻尼層敷設(shè)在遠(yuǎn)離聲源端的蒙皮外側(cè)效果最佳，優(yōu)化后夾芯板計(jì)權(quán)隔聲量上升0.7 dB，總輻射聲功率級(jí)下降0.7 dB。(4) 相較于傳統(tǒng)木質(zhì)膠合板和鋁蜂窩板，橡膠泡棉夾芯板相較于傳統(tǒng)內(nèi)裝板材在結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計(jì)中具有輕量化優(yōu)勢(shì)。