高速列車車廂減振降噪材料和結構的一體化設計技術與性能評估方法.pdf

1、隨著列車向高速和輕量方向發(fā)展,旅客對列車乘車環(huán)境要求越來越高,降低列車車內噪聲成為急切解決的問題。降低車內噪聲的前提條件是辨識車內噪聲源,了解高速列車車內噪聲頻譜特征,本文在對高速列車進行噪聲源辨識的基礎上,設計新型粘彈性阻尼材料,通過材料聲學試驗選擇合適的粘彈性阻尼材料,研究列車粘彈性阻尼材料車廂結構一體化設計,得到國家高科技研究發(fā)展計劃(863計劃)基金項目“高速軌道交通減振降噪材料和結構的一體化設計技術與性能評估方法”的資助,本論

2、文從理論和實驗兩個方面對粘彈性阻尼材料降低車內噪聲振動進行較為細致的研究。論文主要完成以下方面的工作:
　　 對高速列車各種工況下車內噪聲和振動,進行加速度、聲壓和聲強測試。試驗數據表明:車內噪聲的空間分布不均,主要能量集中在中低頻,車速對車內噪聲影響很大。通過分別運行法,確定車廂隔聲玻璃門對車內噪聲影響比較小,列車運行時和靜止時空調系統(tǒng)對車內噪聲有影響,空調系統(tǒng)主要通過引起地板振動而輻射噪聲。高速列車車廂車體能很好隔離中高頻輪

3、軌噪聲。通過聲強、聲振相干和偏相干分析,確定地板和窗戶振動由轉向架振動引起,地板為車內主要振動源,車內噪聲主要是地板振動輻射的結構聲。
　　 車內噪聲A計權聲壓級評定表明:高速列車車內噪聲遠遠超過國家標準噪聲限定值。由于車內低頻噪聲很大,心理聲學量響度評價結果表明,A計權聲壓低估車內噪聲的感覺響度,同時RC MarkⅠ和RC MarkⅡ兩種房間聲學計算結果表明,車內噪聲環(huán)境不友好。為提高高速列車聲學舒適性,應該降低高速列車25H

4、z～250Hz中低頻噪聲和1300Hz～2400Hz高頻噪聲,可以采用在這些頻率段具有良好減振能力的粘彈性阻尼材料對車廂地板進行減振,從而減小高速列車車內噪聲。
　　 為研制新型粘彈性阻尼材料,在基于小變形的線性粘彈性的假設基礎上,采用廣義Maxwell線性粘彈性模型來建模粘彈性阻尼材料的本構關系,討論廣義Maxwell模型時域參數和頻率內復模量的關系。廣義Maxwell模型頻率內參數研究表明:廣義Maxwell模型能建模各種不

5、同配方的粘彈性阻尼材料。不同Prony級數項的廣義Maxwell對瀝青阻尼材料材料參數的擬合計算表明:Prony級數模型能很好地逼近材料的實驗數據。廣義Maxwell阻尼模型的粘彈性阻尼復合結構的有限元計算表明,阻尼材料引起結構剛度改變,低頻模態(tài)密集,結構的共振峰值減小。改變廣義Maxwell模型的彈性模量和松弛時間,粘彈性阻尼材料的減振能力變化規(guī)律不同。
　　 由于粘彈性阻尼材料的聲學性能取決于阻尼性能,研究粘彈性阻尼材料在駐

6、波管內聲學性能來選擇合適的阻尼材料。由于粘彈性阻尼材料在駐波管內的安裝方式為周邊約束,這種約束方式對粘彈性阻尼材料的中低頻聲學性能有很大影響。因此,采用駐波管三傳感器方法,建立駐波管試件周邊約束條件的三維有限元模型,研究薄板和粘彈性阻尼復合板周邊約束情況下,中低頻振動與隔聲量和反射系數的關系,計算結果表明,薄板第一階固有頻率對薄板的隔聲量和反射系數影響最大。薄板和粘彈性阻尼材料的材料和結構參數研究表明:增加薄板厚度薄板的固有頻率增加,低

7、谷處的隔聲量和反射系數都減小,而增加粘彈性阻尼層厚度減小薄板的固有頻率,隔聲量低谷處的隔聲量增加,薄板的隔聲量在50Hz～1600Hz上的隔聲量都增加。1/3倍頻率中心頻率處的隔聲量比反射系數更能反映粘彈性阻尼材料窄帶處聲學性能的變化。
　　 為從研制的三類粘彈性阻尼材料中優(yōu)選100Hz～250Hz和1300Hz～1600Hz頻率段阻尼性能優(yōu)良的粘彈性阻尼材料,對不同厚度和配方的三類粘彈性阻尼材料進行了駐波管試驗。聲學試驗結果表

8、明:不同配方的粘彈性阻尼材料隔聲性能相差很大；粘彈性阻尼材料的隔聲性能與阻尼材料厚度以及它們與鋼板基體之間厚度比值密切相關。根據1,3倍頻程中心頻率處隔聲量的大小優(yōu)選一種改性瀝青阻尼板MB15、一種丁基橡膠阻尼板BR1和一種水性阻尼涂料WC2。
　　 使用優(yōu)選出來的三類粘彈性阻尼材料,分別對兩節(jié)車廂C1和C2進行車內地板和墻壁阻尼處理,這兩節(jié)車廂與未進行阻尼處理的車廂C3,同時進行實車試驗測試車廂振動和噪聲。三節(jié)車廂地板振動實驗

9、數據表明:阻尼材料在0.315Hz～8000Hz整個頻率上降低車廂上下地板的振動；改性瀝青阻尼材料和水性涂料比丁基橡膠的減振效果好,隨著車速的增加,改性瀝青和水性涂料的減振效果更明顯；為說明地板減振能力,不能只使用振動級圖來說明,還應考慮實際地板下加速度響應的不同,而引起地板上加速度響應的不同。三節(jié)車廂臥姿測點分析結果表明:安裝有阻尼材料的車廂乘坐舒適性得到提高；由于人體對4Hz～8Hz范圍內的振動很敏感,三類粘彈性阻尼材料對這范圍的振

10、動具有很好的抑制效果,Wk頻率計權的曲線比未計權的振動加速度頻譜曲線更能反應粘阻尼阻尼材料對車廂乘坐舒適性的影響。
　　 三節(jié)車廂車內噪聲總值和頻譜分析表明:由于三類粘彈性阻尼材料減小地板振動,車內噪聲31.5Hz～8000Hz也相應地減小,C1車廂的改性瀝青和水性涂料的降噪效果比C2車廂的丁基橡膠好,隨著車速的增加,阻尼材料降噪聲能力增加。由于三節(jié)車廂車內噪聲主要能量集中在低頻帶,車內噪聲A計權聲壓級和Moore-Glasge

11、r響度計算結果表明:未安裝阻尼材料的車廂C3車內低頻噪聲比較大,如果采用A計權聲壓級來評價阻尼材料的降噪效果,將低估阻尼材料的降噪效果,響度比A聲級更準確說明丁基橡膠對車內噪聲的影響。
　　 雖然車廂地板整體鋪設粘彈性阻尼材料極大地降低車內噪聲,但不可避免地增加車廂的總重量,這為高速列車車輛輕量化發(fā)展帶來挑戰(zhàn)。根據車內六個評價點評價車內噪聲的特點,考慮到響度作為車內噪聲評價最重要的主觀心理聲學參量,提出Moore-Glasger

12、響度模型的多響應點面板聲學貢獻度計算方法,分析不同設計參數的粘彈性阻尼材料降低車廂噪聲的效果。建立比例縮小車廂的結構空腔耦合有限元模型,對壁板結構進行區(qū)域劃分,計算空腔結構的聲壓響應,把線性聲壓級變換為等效矩陣帶寬尺度的特性響度,得到需要降噪特定頻率,計算每個面板在聲場多個評價點特定頻率下的聲場貢獻和和聲場總貢獻兩個參數,計算結果表明空腔底板對聲場貢獻最大,需要進行自由層阻尼處理。底板和粘彈性阻尼材料層的結構參數研究表明:阻尼層越厚,降