高速列車車廂減振降噪材料和結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)技術(shù)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(nèi)噪聲成為急切解決的問題。降低車內(nèi)噪聲的前提條件是辨識車內(nèi)噪聲源,了解高速列車車內(nèi)噪聲頻譜特征,本文在對高速列車進(jìn)行噪聲源辨識的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)新型粘彈性阻尼材料,通過材料聲學(xué)試驗(yàn)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(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì),得到國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)基金項(xiàng)目“高速軌道交通減振降噪材料和結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)技術(shù)與性能評估方法”的資助,本論

2、文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個方面對粘彈性阻尼材料降低車內(nèi)噪聲振動進(jìn)行較為細(xì)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(nèi)噪聲和振動,進(jìn)行加速度、聲壓和聲強(qiáng)測試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:車內(nèi)噪聲的空間分布不均,主要能量集中在中低頻,車速對車內(nèi)噪聲影響很大。通過分別運(yùn)行法,確定車廂隔聲玻璃門對車內(nèi)噪聲影響比較小,列車運(yùn)行時和靜止時空調(diào)系統(tǒng)對車內(nèi)噪聲有影響,空調(diào)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(qiáng)、聲振相干和偏相干分析,確定地板和窗戶振動由轉(zhuǎn)向架振動引起,地板為車內(nèi)主要振動源,車內(nèi)噪聲主要是地板振動輻射的結(jié)構(gòu)聲。
　　 車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級評定表明:高速列車車內(nèi)噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)噪聲限定值。由于車內(nèi)低頻噪聲很大,心理聲學(xué)量響度評價結(jié)果表明,A計(jì)權(quán)聲壓低估車內(nèi)噪聲的感覺響度,同時RC MarkⅠ和RC MarkⅡ兩種房間聲學(xué)計(jì)算結(jié)果表明,車內(nèi)噪聲環(huán)境不友好。為提高高速列車聲學(xué)舒適性,應(yīng)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(jìn)行減振,從而減小高速列車車內(nèi)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(shè)基礎(chǔ)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(gòu)關(guān)系,討論廣義Maxwell模型時域參數(shù)和頻率內(nèi)復(fù)模量的關(guān)系。廣義Maxwell模型頻率內(nèi)參數(shù)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(shù)項(xiàng)的廣義Maxwell對瀝青阻尼材料材料參數(shù)的擬合計(jì)算表明:Prony級數(shù)模型能很好地逼近材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。廣義Maxwell阻尼模型的粘彈性阻尼復(fù)合結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算表明,阻尼材料引起結(jié)構(gòu)剛度改變,低頻模態(tài)密集,結(jié)構(gòu)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(xué)性能取決于阻尼性能,研究粘彈性阻尼材料在駐

6、波管內(nèi)聲學(xué)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(nèi)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(xué)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(fù)合板周邊約束情況下,中低頻振動與隔聲量和反射系數(shù)的關(guān)系,計(jì)算結(jié)果表明,薄板第一階固有頻率對薄板的隔聲量和反射系數(shù)影響最大。薄板和粘彈性阻尼材料的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)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(shù)更能反映粘彈性阻尼材料窄帶處聲學(xué)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(jìn)行了駐波管試驗(yàn)。聲學(xué)試驗(yàn)結(jié)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(guān)。根據(jù)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(jìn)行車內(nèi)地板和墻壁阻尼處理,這兩節(jié)車廂與未進(jìn)行阻尼處理的車廂C3,同時進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)測試車廂振動和噪聲。三節(jié)車廂地板振動實(shí)驗(yàn)

9、數(shù)據(jù)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(yīng)考慮實(shí)際地板下加速度響應(yīng)的不同,而引起地板上加速度響應(yīng)的不同。三節(jié)車廂臥姿測點(diǎn)分析結(jié)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(nèi)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(jì)權(quán)的曲線比未計(jì)權(quán)的振動加速度頻譜曲線更能反應(yīng)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(nèi)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(nèi)噪聲31.5Hz～8000Hz也相應(yīng)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(nèi)噪聲主要能量集中在低頻帶,車內(nèi)噪聲A計(jì)權(quán)聲壓級和Moore-Glasge

11、r響度計(jì)算結(jié)果表明:未安裝阻尼材料的車廂C3車內(nèi)低頻噪聲比較大,如果采用A計(jì)權(quán)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(zhǔn)確說明丁基橡膠對車內(nèi)噪聲的影響。
　　 雖然車廂地板整體鋪設(shè)粘彈性阻尼材料極大地降低車內(nèi)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(jù)車內(nèi)六個評價點(diǎn)評價車內(nèi)噪聲的特點(diǎn),考慮到響度作為車內(nèi)噪聲評價最重要的主觀心理聲學(xué)參量,提出Moore-Glasger

12、響度模型的多響應(yīng)點(diǎn)面板聲學(xué)貢獻(xiàn)度計(jì)算方法,分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)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(jié)構(gòu)空腔耦合有限元模型,對壁板結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域劃分,計(jì)算空腔結(jié)構(gòu)的聲壓響應(yīng),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(jì)算每個面板在聲場多個評價點(diǎn)特定頻率下的聲場貢獻(xiàn)和和聲場總貢獻(xiàn)兩個參數(shù),計(jì)算結(jié)果表明空腔底板對聲場貢獻(xiàn)最大,需要進(jìn)行自由層阻尼處理。底板和粘彈性阻尼材料層的結(jié)構(gòu)參數(shù)研究表明:阻尼層越厚,降