高速列车车体轻量化层状复合结构隔声设计

伏　蓉,张　捷,姚　丹,肖新标,金学松

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室，成都 610031）



高速列车车体轻量化层状复合结构隔声设计

伏蓉1,2,张捷1,姚丹1,肖新标1,2,金学松1

（1.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，成都 610031；2.西南交通大学 材料先进技术教育部重点实验室，成都 610031）

摘要：随着高速列车车体结构轻量化的发展，层状复合结构车体在高速列车上得到广泛应用，提高层状复合结构的隔声性能，是高速列车减振降噪的关键技术。基于传递矩阵法，建立“铝板+多孔材料层+空气层+碳纤维增强板”的典型高速列车层状复合结构车体隔声计算分析模型，并分析多孔材料和空气层对层状复合结构车体隔声性能的影响。结果显示，混响声场激励下，在铝板和碳纤维增强版之间仅增加空气层只能提高车体结构高频隔声量，低频部分会由于“板-空气-板”的系统耦合共振，形成显著吻合谷，导致其隔声性能在吻合谷频率处大幅下降。对此，利用多孔材料吸声原理，提出在空气层中增加吸声材料层，抑制隔声吻合低谷，通过优化设计，得出“铝板+空气层+吸声材料+空气层+碳纤维增强板”的优化结构形式，在实现车体轻量化目标同时，可有效提高其隔声性能。

关键词：声学；高速列车；轻量化；层状复合结构；隔声；多孔材料；空气层

节能环保是现代高速列车的主要发展方向，这分别对车体轻量化和高速列车减振降噪性能提出了更高的要求。

但随着列车运行速度的提高，噪声问题逐渐凸显，并已成为制约高速列车持续快速发展的关键因素。而车体轻量化可能会降低其隔声性能，使车内噪声增加，与高速列车减振降噪背道而驰。

层状复合结构具有轻质、高比强度、高比刚度、耐候性好和可设计性强等优点，在航天航空、船舶海洋、轨道交通和公路汽车等工程领域中有广泛的应用[1–4]。对层状复合结构减振降噪性能的研究，尤其是在轻量化目标下的结构优化和材料选材，是目前研究的热点。

对层状复合结构声学性能计算分析的方法有有限元法、解析法、波阻抗法、传递矩阵法、声电类比法等。其中，传递矩阵法[5](Transfer Matrix Method)因其物理概念清晰、推导直观和建模方便等优点，被许多学者所广泛采用。

艾海峰等[1]针对多层均质层状复合结构，推导了其隔声特性计算分析的传递矩阵，研究了面板厚度、芯板厚度、芯板弹性和剪切损耗因子对复合板整体投射系数的影响；万翾等[2]考虑了层状复合结构中，板材的正交各向异性特性，推导了正交各向异性复合材料层合板隔声特性计算分析的传递矩阵，研究了层合板铺设角度、板厚和板密度对层合板隔声特性的影响；孙加平[3]针对不同三明治夹芯板材料和结构，研究了表层材质、厚度和蜂窝夹层密度不同时，夹芯板结构隔声量的变化规律。

但对于高速列车车体层状复合结构，在车身和车厢内壁板之间往往包含有空气间隙和吸声特性良好的防寒材，属于典型的“均质材料层1（车身板材）+均质材料层2（空气层）+多孔吸声材料层3（防寒材）+均质材料层4（空气层）+正交各向异性材料层5（内饰结构）”结构，至今对其隔声特性的相关研究较少。

因此，本文将采用传递矩阵法，根据Biot关于多孔弹性介质的声传播理论，基于数值仿真，计算分析多孔材料和空气层的加入对层状复合结构隔声性能的影响，为高速列车车体层状复合结构轻量化和低噪声设计提供参考依据，更好地改善车内声环境。

1　传递矩阵法

1.1典型单层介质的传递矩阵

图1给出了典型单层介质中的声传播平面图，有限介质平行于xy平面放置，声波在xz平面传播。A点和B点分别为有限介质中前后表面上的点，设A点的z方向坐标值为0，B点的z方向坐标值为h。每一层中的声传播传递矩阵可以用式（1）表示，同时可等效成式（2）[5]

图1　单层介质中的声传播

1.1.1流体介质

当声波经空气入射，需穿过的有限介质为流体时，其传递矩阵Tf为[5]

其中ρ是流体介质的密度，kz是流体波数在z方向的分量。

1.1.2固体介质

当声波经空气入射，需穿过的有限介质为弹性固体时，其传递矩阵Ts的等效矩阵Γs() z为[5]

1.1.3正交各向异性介质

当声波经空气入射，需穿过的有限介质为正交各向异性材料时，其传递矩阵To的等效矩阵[ Γo(z)]

为[2]

1.1.4多孔吸声材料介质

当声波经空气入射，需穿过的有限介质为多孔

吸声材料时，其传递矩阵TP的等效矩阵为[5]

1.2多层层状复合结构隔声量

图2给出了多层层状复合结构中的声传播平面图，A点和B点分别为半空间无限介质边界表面上的点，M1、M2、……、M2n分别为各层有限介质前后表面上的点。

图2　多层层状复合结构中的声传播

当层状复合结构末端为半无限空气时，该结构与半无限流体层之间的连续条件可写为[5]

其中是接口矩阵，取决于第n层结构的材料属性。在B点处的流体阻抗为

透射系数t和反射系数r存在以下关系

基于混响声场激励，可以得到层状复合结构的隔声量为

其中τ()

θ是关于给定入射角θ的透射系数，变化范围从θmin到θmax。

2　模型验证

基于传递矩阵法，应用ESI Nova分析软件，参考文献[6]典型算例，建立“板+粘弹性材料+板”计算模型，各层材料参数与几何尺寸见表1。

表1　层状复合结构材料参数与几何尺寸

图3给出了在混响声场激励下（入射角变化范围为0～85°），5 000 Hz～12 000 Hz频率范围内隔声量仿真结果与试验结果的对比图[6]。

图3　模型验证

图3结果表明，仿真与试验结果吻合较好，传递矩阵法可有效计算层状复合结构隔声特性。

3　层状复合结构隔声特性分析

轻量化设计前提下，高速列车典型车体层状复合结构如图4所示，属于典型的“车身铝材（均质层1）+空气层（均质层2）+吸声材料（多孔材料层3）+空气层（均质层4）+内饰结构（正交各向异性层5）”多层结构。

为了解高速列车车体轻量化层状结构隔声特性，以“车身铝材+内饰壁板（CFRP）”为基础设计结构，计算分析吸声材料、空气层及其组合方式对层状复合结构隔声特性的影响。

车身铝材密度为2 742 kg/m3，杨氏模量为69.0 GPa，泊松比为0.33，结构损耗因子为0.007；CFRP内饰壁板是正交各向异性材料，杨氏模量为Ex=Ey= 60.0 GPa、Ez=8.0 GPa，泊松比为Pxy=0.3、Pxz=Pyz= 0.05，热膨胀系数为Ax=Ay=5×10-7/kdeg、Az=2.8×10-5/ kdeg，密度为1 550 kg/m3；三聚氰胺吸声材料的密度为8.8 kg/m3，杨氏模量为80.0 kPa，泊松比为0.4，结构损耗因子为0.17，孔隙率为0.99，曲率为1.02，流阻为10.9 kPa·s/m2，特征热效长度为0.13 mm，特征黏性长度为0.1 mm；空气声速为342.2 m/s，密度为1.213 kg/m3。分析频率为100 Hz～4 000 Hz，计算步长为10 Hz。

图4　高速列车车体层状复合结构

3.1空气层影响

首先，考虑轻量化设计最典型的双层墙结构（Double Wall），即“车身铝材+空气层+内饰壁板”。图5给出了层状复合结构隔声特性随空气层厚度变化的结果。图中，AL表示车身铝材，Air表示空气层，CFRP表示内饰壁板，其前面数字代表材料层厚度。

图5　空气层厚度不同时的隔声量

由图5可见：由于双层墙结构会存在典型的“板-空气-板”系统共振，引起共振频率处出现较大隔声谷值；且在1 860 Hz附近板结构产生吻合效应，声波无阻碍地透过板而辐射至另一侧，达到隔声量的最低值，仅17 dB左右，空气层的存在只起到了提高结构高频隔声特性的作用，不能满足车体层状复合结构的设计要求；而对设置了空气层后，层合结构隔声量随空气层厚度的增加而增加。

上述系统共振频率可由式（11）计算得到[7]其中Ka=ρ0c2/[l(cosθ)2]是等效弹簧刚度，θ是入射声波与板法线的夹角，l是两板之间空气层的厚度，M1、M2分别是板的面密度。

从式（11）可以看出，当平面波入射角度越大，共振频率也越高。则当声波垂直入射时，可得到1 mm、3 mm、5 mm空气层所对应的最低共振频率分别为1 584.7 Hz、914.9 Hz、708.7 Hz。

3.2多孔材料层影响

图6给出了多孔材料的吸声原理示意图，孔隙间的黏滞力作用可将声波通过内部空气和结构的摩擦转换成热或其它可以损耗的能量[8]，同时吸声材料的阻尼作用还可以抑制层状复合结构的振动，特别是在共振频率处的振幅[9]，从而达到耗散能量、提高结构隔声性能的效果。

图6　多孔材料吸声原理

因此，根据多孔材料吸声原理，在双层墙结构中增加吸声材料层，考察层状复合结构的隔声特性随多孔材料层厚度变化的结果，见图7。图中，M表示多孔材料层。

图7　多孔材料厚度不同时的隔声量

从图7可知，第一个共振隔声低谷随着多孔材料厚度的增加向低频偏移，这是因为中间层材料厚度的增加使其等效刚度降低所致；第二个吻合谷较之前得到了明显抑制，最低值提高了15 dB～19 dB；吻合谷频率下低频部分隔声量最大值约为50 dB，较之前提高了15 dB左右；总的来说，填充多孔材料层可以有效地提高层状复合结构的隔声量，且随着多孔材料厚度的增加，隔声量也隨之增加。

3.3多孔材料与空气层组合方式的影响

在上述结论的基础上，对层合结构进一步优化，考察吸声材料与空气层以何种方式组合最有利于层状复合结构隔声量的提高，充分实现高速列车的轻量化设计。图8中，多孔材料与空气层总厚度保持不变，通过调整二者各自的厚薄，研究其对层状复合结构隔声特性的影响。

图8　多孔材料与空气层组合厚度不同时的隔声量

由图8可见：由多孔材料和空气层组合而成的层状复合结构隔声量，在2 500 Hz以下中低频段得到了有效的提高，但在高频部分的效果差强人意，且多孔材料层越厚，结构隔声量越大；第一个共振隔声低谷均在200 Hz左右，谷值不明显；第二个吻合谷值和吻合谷频率下低频部分隔声量最大值均在“7 mm铝板+45 mm吸声材料+1 mm碳纤维增强板”的基础上又提高了5 dB～7 dB。总的来说，多孔材料和空气层组合的方式可以使层状复合结构隔声性能得到较大提升，同时，这种组合方式可以减轻结构的总体重量，达到预期轻量化低噪声的设计目的。

图9给出的是多孔材料和空气层层数和位置关系改变时，结构隔声量曲线的变化情况。此时，每一种材料的厚度均保持不变，多孔材料或空气层等分后，改变了二者的位置关系。

图9　多孔材料与空气层组合方式不同时的隔声量

由图9可见：无论是将多孔材料还是空气层等分，第一个共振隔声低谷和第二个吻合谷均没有明显的改变，但在500 Hz～1 700 Hz频段内结构隔声量有显著提高，达到约61 dB；另外，将多孔材料层等分后置于空气层两侧的方式，虽在1 700 Hz以下频段隔声量曲线最大，但仅比将空气层等分后置于多孔材料层两侧的方式大1 dB左右，而在1 700 Hz以上频段却要小3 dB～5 dB。因此，目前可以得出混响声场激励下，“铝板+空气层+吸声材料+空气层+碳纤维增强板”的优化结构形式可在实现车体轻量化目标的同时，有效提高其隔声性能。

4结　语

基于传递矩阵法，建立了“铝板+多孔材料层+空气层+碳纤维增强板”的典型高速列车层状复合结构车体隔声计算分析模型，分析了多孔材料和空气层对层状复合结构车体隔声性能的影响，结果表明：

（1）在铝板和碳纤维增强板之间仅增加空气层只能提高车体结构高频隔声量，低频部分会由于“板-空气-板”的系统耦合共振，形成较大隔声谷值，且在1 860 Hz附近板结构产生吻合效应，导致其隔声性能在吻合谷频率处大幅下降，达到隔声量的最低值，仅17 dB左右，不能满足车体层状复合结构的设计要求；

（2）利用多孔材料吸声原理，提出在空气层中增加吸声材料层，可以有效地提高层状复合结构的隔声量，同时第一个共振隔声低谷向低频偏移，谷值变得不明显，第二个吻合谷较之前双层墙结构得到了明显抑制，隔声量提高了24 dB～26 dB。总的来说，多孔材料和空气层组合的方式可以使层状复合结构隔声性能得到较大提升，并减轻结构的总体重量，达到预期轻量化低噪声的设计目的；

（3）通过优化设计，得出“铝板+空气层+吸声材料+空气层+碳纤维增强板”的优化结构形式，吻合谷频率下低频部分隔声量最大值可达到约61 dB，进一步提升了结构的低频隔声性能，同时实现了车体轻量化的目标。

参考文献：

[1]艾海峰，陈志坚.斜入射下多层均质复合板结构的声透射[J].哈尔滨工程大学学报，2009，30(3)：251-254.

[2]万翾，吴锦武.传递矩阵法分析复合材料层合板的传声损失[J].噪声与振动控制，2013，33(1)：45-50.

[3]孙加平，张丽荣，孙海荣，等.高速列车三明治夹芯板内地板结构隔声特性研究[J].噪声与振动控制，2014，34 (4)：39-43.

[4]杨军伟，蔡俊，邵骢.微穿孔板—蜂窝夹芯复合结构的隔声性能[J].噪声与振动控制，2013，33(4)：122-125.

[5]Allard J F,Atalla N.Propagation of sound in porous media:modeling sound absorbing materials-2ed[M]. Sussex:John Wiley&Sons Ltd,2009:243-275.

[6]Brouard B,Lafarge D,Allard,J F.A general method of modeling sound propagation in layered media[J].Journal of Sound and Vibration,1995,183(1):129-142.

[7]卢天健，辛锋先.轻质板壳结构设计的振动和声学基础[M].北京：科学出版社，2012.40-57.

[8]詹福良，徐俊伟.Virtual.Lab Acoustics声学仿真计算从入门到精通[M].西安：西北工业大学出版社，2013.109-116；151-163.

[9]王笃勇.板结构隔声性能数值仿真与实验验证[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.

力国家重点实验室自主研究课题（2015TPL_T08）

前从事高速列车噪声与振动控制研究。E-mail:swjtu_furong@163.com

E-mail:xiao@home.swjtu.edu.cn

中图分类号：O42 2；TB535+.1

文献标识码：A

DOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.01.010

文章编号：1006-1355(2016)01-0048-05

收稿日期：2015-07-19

基金项目：国家自然科学基金（U1434201，51475390）；牵引动

作者简介：伏蓉（1992-），女，吉林公主岭人，硕士研究生，目

通讯作者：肖新标，男，副教授，硕士生导师。

Study on Sound Insulation and Lightening Design of Layered Composite Structures for High-speed Trains

FURong1,2,ZHANGJie1,YAODan1, XIAO Xin-biao1,2,JIN Xue-song1

(1.State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Key Laboratory ofAdvanced Technology of Materials,Ministry of Education, Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

Abstract:The layered composite structure is widely used for the weight reduction in high-speed trains.Improving the sound insulation properties of the composite structure is the key technology for vibration and noise reduction of high-speed trains.In this paper,based on the transfer matrix method,a model of typical composite structure made of aluminum plate, porous material layer,air layer and carbon-fiber reinforced plate for high-speed trains was established.Influence of the property of the air layer and the porous material on the sound insulation performance of the composite structure was analyzed by numerical calculations.The results show that the air layer between the aluminum panel and the carbon fiber reinforced polymer panel can hardly improve the sound insulation property of the composite structure in the lower frequency band under a diffusing field excitation.Instead,the transmission loss curves have acoustic valleys at some specific frequencies because of the cavity resonance.But adding a porous material layer in the air layer can suppress the acoustic valleys according to the principle of sound absorption of porous materials.Through the optimization design,the optimized structure form of“aluminum panel+air layer+porous material layer+air layer+CFRP panel”was obtained.It can improve the sound insulation performance effectively as well as reduce the weight of the structure of vehicles.

Key words:acoustics;high-speed train;lightweight design;composite structure;sound transmission loss;porous material;air layer