轨道列车铝型材的隔声特性研究

摘要：轨道列车车内噪声噪声严重影响乘坐舒适度，研究铝型材结构的隔声量对于降低车内噪声具有重要意义。基于统计能量分析和隔声原理，采用统计能量分析法和基于铝型材地板等效材料的统计能量分析法建立仿真模型，预测铝型材的隔声量。研究结果表明，这两种方法获得的结果均与试验结果吻合较好，能够为车内低噪声设计提供理论参考。

关键词：轨道列车；车内噪声；铝型材；隔声

1 引言

随着高速列车速度等级和舒适度要求的不断提高，车内噪声成为衡量列车品质的关键因素。列车噪声源主要有轮轨噪声、气动噪声和设备噪声等，车外噪声主要通过地板、侧墙、车顶等结构进入到车辆内部。高速列车车体主要由中空挤压铝型材焊接而成，列车整车的振动声学特性与铝合金型材的基本结构密切相关，高速列车转向架区域对车内噪声的影响较为显著，地板结构的隔声量提高能够降低车内噪声。本文推导统计能量分析和隔声基本理论，分别采用SEA法和基于型材地板等效材料的SEA法进行高速列车地板铝型材隔声特性分析，为车内降噪提供技术参考。

2 计算理论简介

对于n个子系统组成的复杂声-振耦合系统，其功率平衡方程如式（1）所示。

式（1）中Pi为外界激励源对第i个子系统的输入功率，Ei为子系统i存储的能量，为子系统的总损耗因子，是子系统的阻尼损耗因子和子系统间的耦合损耗因子之和。

3 铝型材地板隔声性能分析

某高速列车车体铝型材地板的截面形状，其典型特征是上层蒙皮厚度2.8mm，筋板厚度2.5mm，下层蒙皮厚度3mm。铝型材的材料属性为弹性模量E=0.71×1011Pa、泊松比为0.33、密度ρ=27600kg/m3。由于轨道列车车内噪声频带较宽，针对频段特性可采取对应的方法开展仿真分析，目前型材地板的仿真方法主要有SEA法、混合FE-SEA法和等效材料SEA法。下面基于不同仿真方法，对型材结构的隔声量展开分析[1]。

3.1 基于SEA的铝型材地板模型仿真

基于SEA法建立铝型材隔声仿真模型，该方法无需通过理论等效出铝型材地板的材料属性，并且计算速度较快。依据统计能量原理，将整个铝型材划分为多个SEA结构子系统。铝型材上层铝板和下层铝板间的间隙通过建立空腔子系统来模拟。铝型材两侧分别建立入射侧空腔子系统和辐射侧空腔子系统来模拟入射声场和辐射声场，在入射侧声腔处施加声激励，各子系统之间通过线连接和面连接建立能量传递关系[2]。

铝型材SEA模型的材料属性依据实际厚度和材料赋予。在1000～5000Hz的高频范围内，基于SEA法得到的铝型材地板仿真结果与实验结果吻合较好，最大差异小于2dB；在低频范围内，仿真结果与试验结果差异较大，这是因为铝型材结构在低频范围内以整体模态为主，铝型材地板SEA结构子系统的模态数难以满足理论要求，导致在低频范围内的准确性较差。因此，该方法适用于高频范围的隔声量分析，核心优势是计算效率高，建模简单。

3.2 基于铝型材地板等效材料的SEA仿真

将铝型材地板结构等效成多层板模型，，将影响隔声量的因素参数化，再将这些参数赋予模型中的均质板，可等效模拟型材地板的隔声特性。并且这种多层板模型有利于在整车噪声分析中采用，方便后期添加阻尼浆和热熔材等。铝型材地板的上层铝板和下层铝板可根据实际的厚度和材料参数赋予到多层板模型的上层和下层。铝型材的芯部是仿真的关键，等效为各向异性材料来处理，中心层属性需要定义密度以及各个方向的弹性模量（E1、E2、E3）、剪切模量（G12、G23、G31）、及泊松比（Nu12、Nu23、Nu31）[3]。

等效各向异性材料的隔声量仿真SEA模型包含声源室声腔子系统，接受室声腔子系统，型材板样板等效SEA结构子系统。声源室的声腔需要施加一个声压约束来模拟声源室的声源输入，声压约束为单位幅值[4]。

4 结论

本文基于SEA法和等效材料SEA法建立高速列车车体铝型材隔声计算模型，分别计算量铝型材地板的隔声量，计算结果表明：

（1）基于SEA法得到的铝型材地板仿真结果与实验结果吻合较好，能够有有效地预测高频段铝型材的隔声量。

（2）基于铝型材地板等效材料的SEA仿真模型仿真与实验结果整体趋势较为一致，且建模方式简单，能够在此基础上扩展研究附加阻尼层的复合地板隔声量。

参考文献

[1]高阳， 谢素明， 李朝威， 等. 高速列车转向架区域车内噪声控制及优化设计[J]. 振动.测试与诊断， 2020， 40（04）：751-757+826-827.

[2]吴健， 周信， 肖新标， 等. 中空挤压铝型材振动声辐射特性[J]. 噪声与振动控制， 2014， 34（04）：14-18.

[3]G. XIE， Thompson D J， Jones C J C. A modelling approach for the vibroacoustic behaveiour of aluminium extrusions used in railway vehicles[J]. Journal of Sound and Vibration， 2006， 293： 921- 932.

[4]刘天熙， 张学飞， 王瑞乾， 等. 高速列车侧墙铝型材降噪研究[J]. 噪声与振动控制， 2020， 40（01）：165-170.