徐　磊，张学飞，王瑞乾，赵阳宇，李　晔

（1.常州大学 城市轨道交通学院，江苏 常州 213164；2.常州西南交通大学 轨道交通研究院，江苏 常州 213164）



隔声材料排布顺序对复合板材隔声特性的影响

徐磊1，张学飞1，王瑞乾1，赵阳宇2，李晔1

（1.常州大学 城市轨道交通学院，江苏 常州 213164；2.常州西南交通大学 轨道交通研究院，江苏 常州 213164）

对高速列车平顶组合结构进行隔声测试，调换其中2块隔声垫的前后位置后，平顶组合结构隔声特性发生显著改变。针对这一问题，基于统计能量法探究双层隔声复合板材中材料排布顺序对于整体结构隔声特性的影响规律，分析该现象产生的原因；接着，进一步利用基于统计能量法的隔声预测模型对三层隔声复合板材中材料排布顺序对整体隔声特性的影响进行延伸探究。结果表明：对于双层复合结构，当两种隔声材料的种类一定时，将隔声量较大的材料置于近声源端，将隔声量较小的置于远声源端，对整体结构隔声量的提升最显著，主要提升低频隔声量；对于三层复合结构，情况较为复杂，其中，将隔声量最大的材料置于近声源端，将隔声量次大的材料置于远声源端，将隔声量最小的材料置于中间时，对整体结构隔声量的提升最显著，且同时提升低频和中频隔声量。研究内容对于工程中复合材料隔声性能的进一步改善有借鉴意义。

声学；高速列车；隔声；统计能量法；复合板材；排布顺序

高速列车的车内噪声问题［1］已经逐渐成为其运营可靠性、安全性、舒适性等的重要影响因素之一。现有的有关高速列车车内噪声问题的研究成果多集中于车内噪声的测试与仿真［3-5］以及舒适性评价［6-8］等。而对于如何有效控制车内噪声，以及如何开展相应的低噪声设计则涉及较少。一般而言，高速列车车内噪声根据其传递路径的不同，可以分为空气传声和结构传声两种主要形式［9］。其中，提高复合板材的隔声量是针对空气传声路径进行车内噪声控制的有效方法。

改善复合板材隔声性能的具体措施有很多［10，11］，而隔音垫的使用是其中比较简单和普遍的做法。于金鹏等研究了隔音垫厚度、弹性模量和密度等材料参数对高速列车内地板隔声特性的影响规律［12］；王瑞乾对隔音垫粘合方式对高速列车内地板隔声特性的影响做了仿真计算与实验探究［13］。本文则以高速列车平顶结构作为研究对象，探究隔声材料排布顺序对复合板材隔声特性的影响。实际工程应用中，将多层具有隔声、吸声、阻尼减振等用途的材料复合起来，往往可以得到隔声量更高的结构。

为了找到隔声水平更高的高速列车平顶结构形式，文中将2个调换了隔音垫前后位置的平顶结构作为设计方案，对其分别进行隔声特性的测试。对于测试结果的差异，文中通过统计能量法建模，探究了该差异产生的原因；并在该模型基础上，进一步研究子板排布顺序对三层隔声复合板材隔声特性的影响规律。所建模型及得到的结论可为工程中复合材料隔声性能的提高提供方法借鉴和理论指导。

1　高速列车平顶组合结构隔声测试

针对高速列车平顶结构隔声性能要求并综合考虑重量、空间的限值，初步设计了二种平顶结构组合方案，方案内容如表1所示，区别在于方案2是将方案1中铝型材上方的5 mm隔音垫和2 mm隔声垫互换位置。需要说明的是，不锈钢板为平顶结构的外侧，即面对声源的一侧，隔音包布为平顶结构的内侧，即背离声源的一侧。图1给出了二种平顶方案的样件截面。样件面积为970 mm×985 mm。

依据国家标准GB/T19889.3-2005［14］，利用混响室-混响室方法，对以上2种平顶结构样件进行隔声特性测试，测试中心频率为100 Hz～3 150 Hz，测试方法如下：

将试件置于测试洞口内，用螺栓将试件固定牢靠后，周边做密封。扬声器、传声器及其之间相互位置的技术要求满足GB/T19889.3-2005。分别于声源室和接收室测得1/3倍频程内各频带的平均声压级分别为La和Lb。所得到的声压级代入式（1），可求得试件各频带的隔声量。

表1　高速列车平顶结构组合方案

式中R为隔声量，单位为dB；La为声源室内平均声压级，单位为dB；Lb为接收室内平均声压级，单位为dB；S为试件表面积，单位为m2；T为接收室内混响时间，单位为s；V为接收室的容积，单位为m3。

计权隔声量Rw在工程上一般都用来作为被测试件隔声量的单值评价标准。根据国家标准GB/T 50121-2005《建筑隔声评价标准》［15］，将已测隔声构件在三分之一倍频程下的隔声曲线与规定的参考曲线族进行比较，从而得到试件的计权隔声曲线，该曲线在500 Hz频率下的隔声量即作为计权隔声量Rw。

图2给出了二种平顶结构组合方案的隔声量测试结果。由图2可知，400 Hz～1 250 Hz频段内，方案1和方案2的隔声量基本持平，1 250 Hz以上高频段内，方案1略高于方案2；尤其在315 Hz以下低频段内，方案1的隔声量显著高于方案2，提高量为1 dB～3 dB；从计权隔声量Rw来看，方案1比方案2高了0.9 dB。可见，当将5 mm隔音垫置于更靠近声源的位置，而将2 mm隔音垫置于较远离声源的位置时，平顶结构组合方案隔声量更高，尤其提高了低频隔声量。

为了进行更深入的探究，分别对以上平顶组合方案所用的5 mm隔声垫和2 mm隔声垫进行隔声测试。测试方法跟以上平顶结构组合方案的测试方法相同。隔声测试现场如图3所示。

隔声垫是一层具有隔声能力的材料。5 mm隔声垫和2 mm隔声垫相比，由于二者厚度、面密度、阻尼等参数的不同，而形成了不同的隔声能力。图4给出了2种隔声垫的隔声量测试结果，表2给出了这两块隔声垫的基本参数以及计权隔声量测试结果。由该表可见，5 mm隔声音垫的计权隔声量比2 mm隔声垫提高了近8 dB。

图1　平顶结构组合方案截面

图2　平顶结构组合方案隔声特性测试结果

图3　隔声测试现场

图4　隔音垫隔声特性测试结果

表2　隔声垫基本参数及隔声性能

由以上分析可见，隔音垫的种类没有改变，仅仅改变了2种隔声垫的排布顺序，即造成了平顶结构组合方案隔声量的显著变化。针对这一问题，下面基于统计能量法，建立双层复合板材隔声预测模型，探究该现象产生的原因，并对隔音垫排布顺序对整体结构隔声特性的影响规律展开深入研究。

2　双层隔声复合板材隔声特性探究

基于统计能量法，在VA-one中建立双层复合板材的隔声预测模型，如图5所示。两层隔音板厚度均为1 mm，且间夹2 mm空气层，以模拟两层隔音板之间的结构材料引起的声衰减；复合板两侧各建立一声腔，并在其中一声腔内施加混响声场，以分别模拟声源室及接收室。

图5　基于统计能量法的隔声预测模型

为探究隔声材料排布顺序对复合板材隔声特性的影响，计算中设置两种计算工况，工况内容如表3所示。即采用1 mm铁板与1 mm铝板，分别模拟隔声量大小不同的两块隔声材料，在计算中调换两者的位置，探究其排布顺序对于整体结构隔声特性的影响，计算结果如图6所示。

表3　基于统计能量法的隔声计算工况设置

图6　基于统计能量法的双层复合板材隔声计算结果

由图6可见，两种工况的隔声曲线在500 Hz以上频段相差很小，而在400 Hz以下低频段，工况2隔声量高于工况1，提高了1 dB～3 dB。即是说，将隔声量较大的铁板置于近声源端，而隔声量较小的铝板置于远声源端，更有利于提高该双层复合结构隔声水平，主要是低频隔声量提高了。

统计能量方法的计算结果均与高速列车平顶组合结构的结果规律相一致，解释了调换隔音垫顺序后，平顶结构隔声特性发生显著变化的原因：将隔声量更大的隔声材料置于近声源端，将隔声量较小的隔声材料置于远声源端，更有利于整体结构隔声水平的提升，它主要提升了低频隔声量。

3　三层隔声复合板材隔声特性探究

在双层复合板材统计能量法隔声预测模型的基础上，增加一层隔声材料，形成三层复合板材，进一步探究隔声材料排布顺序对三层复合板材隔声特性的影响规律，其隔声预测模型如图7所示。

图7　三层复合板材隔声预测模型

取1 mm铝板、2 mm铝板、3 mm铝板各一块作为复合结构中的三层隔声材料，每两层材料间夹2 mm空气层，并按照不同的排布顺序组合后进行隔声计算，计算工况如表4所示。图8给出了所有工况的计算结果。

由图8，可做以下分类比较：

（1）比较工况1和工况2，工况2相当于在工况1的基础上将近声源端材料与远声源端材料互换位置而得到。在250 Hz以上频段，二者基本重合，在200 Hz以下频段，工况2比工况1隔声量大1 dB～3 dB。同时，工况3和工况4的比较结果、工况5和工况6的比较结果均与工况1和工况2的比较结果相近。这说明，当中间材料不变时，将另外两种材料之中隔声量较大的置于近声源端，隔声量较小的置于远声源端，能够更有效地提升结构隔声水平，它主要提升低频隔声量。

图8　三层复合板材隔声计算结果

（2）比较工况1和工况3，工况3相当于在工况1的基础上将远声源端材料与中间材料互换位置而得到。在200 Hz以下的低频段和1 600 Hz以上的高频段，二者基本重合，在250 Hz～1 250 Hz中频段，工况1比工况2隔声量大1 dB～3 dB。同时，工况2和工况6的比较结果、工况4和工况5的比较结果均与工况1和工况3的比较结果相近。这说明，当近声源端材料不变时，将另外两种材料之中隔声量较大的置于远声源端，隔声量较小的置于中间，能够更有效地提升结构隔声水平，它主要提升中频隔声量。

（3）比较工况1和工况5，工况5相当于在工况1的基础上将近声源端材料与中间材料互换位置而得到。在1 250 Hz以上的高频段，二者基本重合，在1 000 Hz以下中低频段，工况5比工况1隔声量大2 dB～6 dB。同时，工况2和工况4的比较结果、工况5和工况6的比较结果均与工况1和工况5的比较结果相近。这说明，当远声源端材料不变时，将另外两种材料之中隔声量较大的置于近声源端，隔声量较小的置于中间，能够更有效地提升结构隔声水平，它主要提升中低频隔声量。

以上三组比较结果说明，对于三层隔声复合板材，当三种隔声材料种类确定时，将隔声量最大的材料置于近声源端，将隔声量次大的材料置于远声源端，将隔声量最小的材料置于中间时，该复合结构的低频隔声量、中频隔声量以及整体隔声量均为最大。

表4　三层复合板材隔声计算工况设置

4　结语

对二个调换隔声垫前后位置的平顶组合结构进行隔声特性测试。对于测试结果的显著差异，文中基于统计能量法，建立双层板隔声预测模型，探究该差异产生的原因；并在此基础上，进一步研究隔声材料排布顺序对三层隔声复合板材隔声特性的影响规律。得到结论如下：

（1）将5 mm隔声垫置于近声源端，2 mm隔声垫置于远声源端时，高速列车平顶组合结构的低频隔声量以及整体隔声量均更高。

（2）对于双层隔声复合板材，当两种隔声材料种类确定时，将隔声量较大的材料置于近声源端，隔声量较小的材料置于远声源端时，更有利于提高整体结构的隔声水平，它主要提高低频隔声量。

（3）对于三层隔声复合板材，当三种隔声材料种类确定时，将隔声量最大的材料置于近声源端，将隔声量次大的材料置于远声源端，将隔声量最小的材料置于中间时，该复合结构隔声水平最高，主要体现在中低频段。该研究结果对于工程中复合材料隔声性能的进一步提高有重要借鉴意义。

［1］张捷，肖新标，韩健，等.高速列车车内客室端部噪声分布特性与声学模态分析［J］.机械工程学报，2014，50（12）：97-103.

［2］韩光旭，温泽峰，张捷，等.车轮非圆化对高速列车振动噪声的影响［J］.噪声与振动控制，2014，34（4）：10-13.

［3］HARDY A E J.Measurement and assessment of noise withinpassengertrains［J］.JournalofSoundand Vibration，2000，231（3）:819-829.

［4］SAPENA J，TABBAL A，JOVÉ J，et al.Interior noise prediction in high-speed rolling stock driver’s cab:focus on structure-borne paths（mechanical and aero sources）［C］.Proceedings of the 10 th International Workshop on Railway Noise，Nagahama，Japan，18-22 October 2010: 445-452.

［5］YU Y，XIAO X B，JIN X S，et al.Prediction of interior structure borne noise of a cabin of high speed train using FE-SEA hybrid methods［C］.Proceedings of the 10 th International Workshop on Railway Noise，Nagahama，Japan，18-22 October 2010:445-452.

［6］LETOURNEAUX F，GUERRAND S.Assessment of the acoustical comfort in high-speed trains at the SNCF: Integration of subjective parameters［J］.Journal of Sound and Vibration，2000，231（3）:839-846.

［7］ETIENNE P，NACER H，JOHAN J.Noise assessment in a high-speed train［J］.Applied Acoustics，2002，63:1109-1124.

［8］张捷，肖新标，王谛，等.350 km/h以上高速列车观光区噪声特性及其评价研究［J］.铁道学报，2012，34（10）：23-29.

［9］EADE P W，HARDYA E J.Railway vehicle internal noise［J］.Journal of Sound and Vibration，1977，51（3）:403-415.

［10］沈火明，张玉梅，肖新标，等.高速列车波纹外地板低噪声优化设计［J］.交通运输工程学报，2011，11（2）：65-71.

［11］王瑞乾，肖新标，刘佳，等.阻尼喷涂式高速列车铝型材减振降噪特性试验［J］.噪声与振动控制，2014，34（4）：52-55.

［12］于金鹏，刘小霞，黄雪飞，等.隔音垫对高速列车内地板隔声特性的影响［J］.噪声与振动控制，2014，34（4）：35-38.

［13］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.

［14］全国声学标准化技术委员会.GB/T 19889-2005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，2007.

［15］中华人民共和国建设部.GB/T 50121-2005建筑隔声评价标准［S］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

Influence of the Insulation MaterialArrangement on Sound Insulation Properties of Composite Sheets

XULei1，ZHANG Xue-fei1，WANG Rui-qian1，ZHAO Yang-yu2，LIYe1

（1.School of Urban Rail Transit，Changzhou University，Changzhou 213164，Jiangsu China；2.Changzhou Institute of Railtransport，Southwest Jiaotong University，Changzhou 213164，Jiangsu China）

The insulation performance of the flat roof composite structure of a high-speed train is tested.It is found that when the positions of the two insulation pads in the structure are exchanged，the sound insulation performance of the composite structure will change significantly.To solve this problem，influences of the arrangement order of the insulation materials in a double-layer composite sheet and a triple-layer composite sheet on their sound insulation performances are studied respectively based on statistical energy method.Results show that for the double-layer composite sheet，the material layer with high insulation capacity should be arranged on the side close to the sound source and the layer with low insulation capacity should be arranged far from the sound source so as to raise the sound insulation of the overall structure significantly，especially in the low frequency range.For the triple-layer composite structure，the material layer with highest insulation capacity should be arranged on the side close to the sound source，the layer with secondary high insulation capacity should be arranged on the side far from the sound source，and the layer with lowest insulation capacity should be placed in the middle of the composite sheet so as to raise the sound insulation of the overall structure significantly，as well as to raise the sound insulation capacity in the medium and low frequency range.This work is of reference significance for further improvement of the sound insulation properties of composite sheets.

acoustics；high-speed train；sound insulation；SEA；composite sheet；arrangement order

U270.1+6

ADOI编码：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.04.012

1006-1355（2016）04-0058-05

2015-03-20

徐磊（1991-），男，江苏省无锡市人，硕士，主要研究方向为轨道交通噪声与振动分析。

张学飞，男，硕士生导师。E-mail:zxfzxf1989@sina.com