高速列车组合地板结构隔声性能分析

李明，韩铁礼，朱荟吉，姚丹，韩健

高速列车组合地板结构隔声性能分析

李明1，韩铁礼1，朱荟吉2，姚丹2，韩健*,3

（1.中车唐山机车车辆有限公司 技术研究中心，河北 唐山 063035；2.西南交通大学 牵引动力国家重点实验室，四川 成都 610031；3.西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

为探究组合地板结构中声能量传递规律，设计出隔声性能更好的高速列车地板结构，本文基于FE-SEA混合法，建立了能够完整考虑内地板、木骨/弹性支撑、多孔吸声材料和外地板的组合地板隔声预测模型，并结合试验测试结果，验证了模型的准确性。基于验证的模型，对比了两种支撑方式（木骨和弹性支撑）对组合地板结构隔声性能的影响。结果显示：支撑方式为木骨时的计权隔声量比弹性支撑大2 dB左右。且其频率隔声量在大部分频率都高于弹性支撑，各个频段内木骨比弹性支撑大2～4 dB。组合地板的声能量传递主要为“铝型材－木骨/弹性支撑－内地板”，传递率相比于“铝型材－沥水板－多孔吸声材料－内地板”超过了60%。多孔吸声材料变化对组合地板隔声性能影响很小，针对组合地板的优化设计应更多的考虑木骨和弹性支撑的减振降噪措施。

高速列车；隔声；组合地板；FE-SEA混合法；声能量传递

随着高速列车的快速发展，随之而来的振动噪声问题越来越引起人们的关注[1]。车外噪声主要通过车体板材结构传播进入到车厢内部。地板结构的异常振动也会影响乘客舒适性[2]。为了能够有效地抑制振动噪声从车外传入车内，设计出声学性能良好的板件结构至关重要。

典型的高速列车地板结构[3]主要包括内地板和外地板，内地板多为木质地板或夹芯铝地板。外地板一般为铝合金中空挤压型材结构（铝型材）。内地板和外地板之间由弹性支撑或木骨连接，中间填充多孔吸声材料。

孙加平等[4]和于金朋等[5]将内地板结构考虑为层状结构，采用传递矩阵法分析了“地板布＋内地板＋隔音垫”的隔声性能，对比了各层材料类型、密度和厚度等因素对层状结构隔声性能的影响。

对于铝型材外地板结构的隔声性能研究主要分为：有限元/边界元法、统计能量法和混合法。郭会越[6]通过有限元法建立了地板、侧墙及顶板的隔声仿真模型，对不同区域进行了优化。张媛媛[7]基于统计能量法对铝型材结构进行了隔声仿真分析，对比了阻尼处理对铝型材隔声性能的影响。吴健[8]基于FE-SEA的方法计算了地铁车辆铝型材结构的隔声性能，并与试验测试结果进行对比验证了模型。相比于有限元法和统计能量法，FE-SEA混合法可以更加精准有效的预测铝型材结构在全频段内的隔声性能。

车体结构中的侧墙[9]和顶板[10]结构通常可等效为“双层隔声墙”结构，即双层板中间填充一定厚度的空气层或多孔吸声材料。但地板之间通常采用木骨或弹性支撑连接，相比于侧墙和顶板，结构更加复杂。目前对于高速列车地板复合结构隔声性能的研究大多集中在试验测试方面[3]，仍缺少更加详细的组合地板结构隔声性能预测模型，以对比不同层结构之间的声能量传递。

为探究组合地板结构中声能量传递规律，设计出隔声性能更好的高速列车地板结构，本文基于FE-SEA混合法，建立了能够完整考虑内地板、木骨/弹性支撑、多孔吸声材料和外地板的组合地板隔声预测模型，并且结合试验测试结果，验证了模型的准确性。基于验证的模型，对比了两种支撑方式（木骨和弹性支撑）对地板结构隔声性能的影响。本文研究结果可以为高速列车组合地板结构的方案设计提供参考依据。

1 高速列车组合地板隔声预测模型

表1为某组合地板的排布方式及各层材料参数。

表1 组合地板的材料参数

基于FE-SEA混合法，在ESI VA One中建立高速列车组合地板的隔声预测模型，对其隔声性能进行预测分析，计算模型如图1所示。图（a）中左、右两个空腔分别模拟发声室和接收室，在发声室一侧施加混响声源，图（b）中铝型材（外地板）结构、木骨和减振垫用FE子系统模拟，其他结构用SEA子系统模拟。

图1 高速列车组合地板隔声预测模型

整个组合地板的隔声量为[11]：

式中：为隔声量，dB；为组合地板向接收室一侧辐射能量时的辐射面积，m2；为角频率，rad/s；0为空气中的声速，m/s；1为发声室的能量，N·m；2为接收室的能量，N·m；1为发声室的模态密度，modes/(rad·s-1)；2为接收室的模态密度，modes/(rad·s-1)；2为接收室的阻尼损耗因子。

2 高速列车组合地板隔声模型验证

为验证组合地板隔声预测模型的有效性，在实验室中采用声压法测试了表1中组合地板的隔声量。测试时样件放置在隔声测试工装中，四周用密封胶密封。图2为实验室测试时的组合地板样件。组合地板的尺寸约为1.07×1.23×0.164 m3。

图2 高速列车组合地板样件

采用声压法进行实验室测试时，隔声量为[12]：

式中：1为发声室的平均声压级；2为接收室的平均声压级；为被测样件的辐射面积，m2；为等效吸声面积，m2，可通过测试接收室的混响时间得到。

建立与试验测试样件同等大小、同样排布的组合地板隔声预测模型，模型中各层材料的密度通过称重得到，弹性模量、泊松比和阻尼损耗因子等参数主要参考同类型材料确定，可能会与实际所用材料有所差异。聚酯纤维棉的吸声系数通过驻波管测试后加载到模型中。模型中边界条件定义为自由状态。

为确保计算结果尽可能体现1/3倍频程100～3150 Hz频率范围内的隔声性能，模型中的计算频率定义为1/36倍频程频率90～3495 Hz。仿真预测和试验测试结果如图3所示。

图3 组合地板仿真预测和试验测试结果对比

对比测试和仿真预测结果，发现1/3倍频程500～3150 Hz频段内的仿真预测结果和测试结果基本接近，最大差异小于5 dB；500 Hz以下差异较大，可能与模型所选的材料参数和边界条件有关，仿真预测时选用了自由边界条件，实际测试中四边用密封胶密封，二者存在一定的差异。总的来说，仿真预测模型是可行的，可用于后续分析组合地板的隔声性能影响因素。

3 支撑方式对隔声性能的影响

组合地板结构中，内地板和外地板之间通常由木骨连接，在有座椅分布的区域，还存在弹性支撑连接，图4为两种支撑方式的对比图。

图4 两种支撑方式样件对比图

在实验室中测试了这两种支撑方式对组合地板隔声量的影响，组合地板的各层材料参数与表1一致，两种组合地板的差异仅为支撑方式的差异，组合地板1的支撑方式为木骨，组合地板2的支撑方式为弹性支撑。测试得到如图5所示的结果。

从测试结果可看出，支撑方式为木骨时的计权隔声量比弹性支撑大2.1 dB。支撑方式为木骨时的隔声量在大部分频率都高于弹性支撑，在1/3倍频程100～160 Hz频段范围内，差异约有5 dB，在1/3倍频程630～1600 Hz频段范围内，差异约有3 dB。建立同等大小的两种组合地板隔声量预测模型，计算结果如图6所示。

仿真预测结果很好的预测出了两种方案在1、3倍频程250～3150 Hz频带内的隔声量差异，各个频段内组合地板1（木骨）比组合地板2（弹性支撑）大2～4 dB，更进一步验证了仿真预测模型的准确性。

相比于试验测试结果，仿真预测模型可以分析不同层结构之间的声能量传递。图7为组合地板的能量传递路径示意图。声功率的传递主要有两种路径：

（1）经由铝型材－沥水板－多孔吸声材料传递至内地板；

（2）经由铝型材直接传递至木骨和橡胶垫（或弹性支撑），再传递至内地板。

图5 两种支撑方式对组合地板隔声量的影响（测试）

图6 两种支撑方式对组合地板隔声量的影响（仿真）

图7 组合地板能量传递路径示意图

图8为这两种组合地板各路径声功率级差异，并且计算了各路径传递的声功率级百分比。

从图8可以看出，组合地板1中铝型材的能量传递主要通过木骨传递至内地板，声功率级传递率为71.1%。组合地板2中铝型材的能量传递主要通过弹性支撑传递至内地板，声功率级传递率为60.7%。因此，多孔吸声材料变化对组合地板隔声性能影响很小。针对组合地板的优化设计应更多的考虑木骨和弹性支撑的减振降噪措施。

图8 组合地板能量传递路径

4 结论

本文基于FE-SEA混合法，建立了能够完整考虑内地板、木骨/弹性支撑、多孔吸声材料和外地板的组合地板隔声预测模型，并结合试验测试结果，验证了模型的准确性。基于验证的模型，对比了两种支撑方式（木骨和弹性支撑）对地板结构隔声性能的影响。得出主要结论如下：

（1）采用FE-SEA混合法建立组合地板结构隔声预测模型，可以有效预测500～3150 Hz频段内的组合地板隔声性能。仿真预测结果和测试结果基本接近，最大差异小于5 dB。

（2）对比组合地板中的两种常见支撑方式：木骨和弹性支撑，支撑方式为木骨时的计权隔声量比弹性支撑大2 dB左右。支撑方式为木骨时的隔声量在大部分频率都高于弹性支撑，各个频段内组合地板1（木骨）比组合地板2（弹性支撑）大2～4 dB。

（3）隔声预测模型中的声能量的传递主要有两种路径：一是经由铝型材－沥水板－多孔吸声材料传递至内地板；二是经由铝型材直接传递至木骨和橡胶垫（或弹性支撑），再传递至内地板。路径二的传递率超过了60%。因此，多孔吸声材料变化对组合地板隔声性能影响很小。针对组合地板的优化设计应更多的考虑木骨和弹性支撑的减振降噪措施。

[1]Xue-song Jin. Key problems faced in high-speed train operation[J]. Journal of Zhejiang University SCIENCE A，2014，15（12）：936-945

[2]郭金莹，王勇，石怀龙. 地铁车辆地板共振机理分析及解决方案[J]. 机械，2013（9）：6-9.

[3]王瑞乾. 高速列车地板结构隔声及隔声提高方法探究[D]. 成都：西南交通大学，2014.

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

[5]于金朋，刘小霞，黄雪飞，等. 高速列车内地板隔音垫声学特性的研究[J]. 噪声与振动控制，2014，34（4）：35-38.

[6]郭会越. 车体铝合金型材断面的声学优化[D]. 北京：北京交通大学，2015.

[7]张媛媛. 高速列车铝型材外地板结构振动与减振降噪性能分析研究[D]. 成都：西南交通大学，2013.

[8]吴健. 地铁列车车内噪声预测与车体铝型材减振降噪优化[D].成都：西南交通大学，2016.

[9]伏蓉，张捷，姚丹，等. 高速列车车体轻量化层状复合结构隔声设计[J]. 噪声与振动控制，2016，36（1）：48-52.

[10]姚丹，杜几平，张捷，等. 多孔材料声学参数辨识及其在城轨列车顶板隔声中的应用[J]. 中南大学学报（自然科学版），2018，49（1）：253-260.

[11]ESI Group. VA One User Guide. 2010.

[12] 全国声学标准化技术委员会. GB/T 19889.3-2005声学建筑和建筑构件隔声测量第3部分：建筑构件空气声隔声的实验室测量[S].北京：中国标准出版社，2005.

Sound Insulation Performance Analysis of High-speed Train Composite Floor Structures

LI Ming1，HAN Tieli1，ZHU Huiji2，YAO Dan2，HAN Jian3

(1.Product Technology Research Center, CRRC Tangshan CO. Ltd., Tangshan 063035, China; 2.State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;3.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study and explore the law of acoustic energy transfer in the high-speed train composite floor structures, and improve their sound insulation performance, a prediction model was established based on the hybrid Finite Element-Statistical Energy Analysis (FE-SEA) method. The model takes into full consideration the interior floor, the wooden or elastic support, the porous sound absorption material and the exterior floor. The model is verified with experimental results. The effects of two supports (wooden or elastic supports) on the sound insulation performance of the floor structure were compared. The results show that the weighted sound reduction index of wooden supports is about 2 dB larger than the elastic support. The frequency dependent sound insulation of wooden supports is about 2~4 dB larger than the elastic support at most frequencies. The acoustic energy transfer of the composite floor is mainly transmitted directly to the wooden or elastic support via the exterior floor and then to the inner floor, with a transfer rate of more than 60%. The influence of the porous sound absorption material is small. For the optimized design of the composite floor, more consideration should be given to the vibration and noise reduction of the wooden or elastic support.

high-speed train；sound transmission loss；composite floor；the hybrid FE-SEA method；acoustic energy transfer

U270.1+6

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.10.010

1006－0316 (2020) 10－0060－06

2020－07－29

国家重点研发计划战略性国际科技创新合作重点专项（2016YFE0205200）；四川省科技计划项目资助（2020YJ0076）

李明（1983－），男，四川眉山人，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为轨道车辆综合节能技术研究。

韩健（1987－），男，辽宁葫芦岛人，博士，助理研究员，主要研究方向为轨道交通振动与噪声控制，Email：super_han@126.com。