CN115230758A - 一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，由周期性单元阵列拓扑而成，所述周期性单元包括自上而下设置的穿孔板、第一框架、柔性薄膜、第二框架和柔性底板。所述柔性薄膜上设有非线性阻尼元件，阻尼元件内部非阻塞性填充有固体颗粒、液体或其混合媒质。柔性底板与车厢基体面板相连。本发明装置不仅可有效抑制结构振动与声辐射，而且由于其内部颗粒的运动规律呈现强烈的非线性效应，进一步与薄膜间耦合后将产生的非线性耦合共振，有效提高车厢隔声和吸声性能。同时，本发明可自适应贴附于各种类型列车车厢壁面的复杂曲面结构，且其阻带特性及隔声性能在特定范围内动态变化，呈现出一定的自适应特性，具有较好的工程应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及减振和隔声技术领域，具体涉及一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层。
背景技术
为缓解随城市化推进而不断攀升的交通运量需求，我国轨道交通运营里程不断增长，列车投入运营量激增，其车内噪声问题日益突出。由于高速列车壳体主要为轻质、薄壁的夹层板结构，其在复杂声振荷载下极易产生以低阶模态为主的受迫振动，进而向舱内辐射低频噪声，不仅影响乘客的舒适度，还可能导致内部电子仪表、机械传动装置等器件精度降低、使用寿命减少等，严重威胁列车运行安全。因此，亟需研发新型减振降噪材料，控制列车车内噪声。
为降低高速列车车厢内噪声，专利文献CN113665607A公布了一种高速列车减小空气阻力和降低车内噪声的仿生外表面结构，通过在仿生鸟类羽毛上表层的外壁上设置类羽毛状结构的有序凸起和凹坑，利用此凸起和凹坑改变列车车厢外壁面的空气流场结构，实现高速列车行进过程的减阻降噪。然而，该结构仅能降低气动噪声，对轮轨噪声、辅助设备噪声等无任何作用，因此实际效果有限。专利文献CN113548069A公布一种具有全频段降噪功能的列车车厢用降噪内饰板，通过组合隔板、吸音板和缓冲垫实现减振降噪。然而，该装置采用的传统吸隔声板中低频吸隔声性能不足，最终降噪效果不佳。此外，不同列车车厢内噪声频谱特性存在一定差异，上述装置一旦加工成型，其声学性能便固定，难以满足不同降噪场景需求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种适用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，可兼顾结构轻质、薄层的同时，有效提高列车车厢低频减振降噪性能。此外，还可根据不同列车噪声特点，可快速调控其降噪性能。
本发明的技术方案如下：本发明实施例提供了一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，由若干周期性单元阵列拓扑而成；一周期性单元包括自上而下设置的穿孔板、第一框架、柔性薄膜、第二框架和柔性底板，所述柔性薄膜上设有非线性阻尼元件，所述的第一框架、第二框架结构相同，所述柔性底板与列车车厢基体面板相连。
进一步地，所述非线性阻尼元件呈圆柱体、长方体或棱柱体；其内部非阻塞性填充有固体颗粒、液体或固液混合媒质。
进一步地，可通过调整不同周期性单元内包括固相或液相媒质的填充率、颗粒粒径、液体粘度在内的非线性阻尼元件参数。定向调控声学覆盖层声学性能。
进一步地，第一框架、第二框架形状结构相同，所述第一框架、第二框架为圆形、三角形、矩形或六边形，使得周期性单元的形状呈对应的圆形、三角形、矩形或六边形。
进一步地，在每个周期性单元中，穿孔板开有1～5个小孔，所述的小孔的孔径为1mm～5mm，孔间距大于20mm。
进一步地，所述的柔性薄膜的材料为涤纶树脂、热可塑性聚氨酯或尼龙。
进一步地，所述的柔性薄膜的厚度为0.1mm～0.4mm。
进一步地，所述柔性底板的材料为乙烯醋酸乙烯酯共聚物。
进一步地，所述柔性底板的厚度为2mm~10mm。
进一步地，所述柔性底板与车厢基体面板相连的一面还设有离型纸。
本发明的有益效果：
（1）不同于传统阻尼材料和隔声结构的简单组合，本发明装置引入非阻塞性颗粒阻尼，不仅可有效抑制结构振动与声辐射，而且由于其内部颗粒的运动规律呈现强烈的非线性效应，进一步与薄膜间耦合后将产生的非线性耦合，可极大丰富薄膜局部共振模态，拓宽结构低频隔声带宽。
（2）与传统被动型声学材料不同，非线性阻尼元件内部颗粒运动状态及其耗能特性随荷载变化而变化，因此，在实际时频特性变化的复杂荷载下，本发明装置的阻带特性及隔声性能将在特定范围内动态变化，呈现出一定的自适应特性，具有较好的工程应用前景。同时，颗粒阻尼的结构参数具有高度易调性，通过改变其内部颗粒粒径、数量等，可灵活调控结构阻带特性，适用于不同应用场景。
（3）本装置采用柔性底板作为贴附层，可自适应贴附于各种类型列车车厢壁面的复杂曲面结构，从而解决硬质材料因无法与曲面结构完美拼合导致的漏声问题。同时，还可提供一定的阻尼和缓冲效果。
附图说明
图1为本发明实施例中一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层整体结构示意图；
图2为本发明实施例中一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层周期性单元剖面图；
图3为本发明实施例中一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层和相同质量薄板贴附10mm厚铝合金板后的隔声量仿真计算结果；
图4为本发明实施例中一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层吸声系数仿真计算结果；
图中，1-穿孔板，11-小孔，2-第一框架，3-柔性薄膜，311-固体颗粒，4-第二框架，5-柔性底板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，由若干周期性单元阵列拓扑而成；其中，一周期性单元包括自上而下布置的穿孔板1、第一框架2、柔性薄膜3、第二框架4和柔性底板5。所述柔性薄膜3上设有非线性阻尼元件31；所述的第一框架2、第二框架4的结构相同，即采用的隔板壁厚相同；所述柔性底板5与车厢基体面板相连。 所述穿孔板1开有若干小孔11。
进一步地，所述周期性单元的形状包括但不限于设计为圆形、三角形、矩形、六边形，优选为六边形。
进一步地，所述非线性阻尼元件31的形状包括但不限于呈圆柱体、长方体或棱柱体；其内部非阻塞性填充（未充满）有固体颗粒、液体或固液混合媒质。可通过调整不同周期性单元内所述非线性阻尼元件参数（包括固相或液相媒质的填充率、颗粒粒径、液体粘度等）定向调控声学覆盖层声学性能。
进一步地，所述穿孔板1开有若干小孔11具体为：在每个周期性单元中，所述穿孔板的穿孔数量为1～5个，所述的穿孔的孔径为1mm～5mm，孔间距大于20mm。车厢内部噪声可通过其表面穿孔处进入到结构内部，并通过局域共振被消耗，从而进一步改善车内声环境。
进一步地，所述的柔性薄膜3的材料为涤纶树脂、热可塑性聚氨酯或尼龙，厚度为0.1mm～0.4mm。
进一步地，所述柔性底板5的材料为乙烯醋酸乙烯酯共聚物，其厚度可设计为2mm~10mm。
本发明提出的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层的主要原理如下：在列车运行过程中，轮轨振动、发动机等设备振动将传递至车厢板壁，引起贴附其上面的超构表面内部的颗粒、液体等剧烈振动，利用颗粒与颗粒间（或颗粒与液体间、液体与液体间）、颗粒与壁面间（或液体与壁面间）相互摩擦、碰撞消耗能量，抑制车厢板壁振动及其声辐射。同时，外界流致噪声、发动机噪声等空气声传播至车厢板壁后，将进入到所述声学覆盖层内部，分别经过由柔性底板、第二框架和柔性薄膜构成的非线性薄膜共振腔，和由柔性薄膜、第一框架和穿孔板构成的柔性底面亥姆霍兹共振腔。上述两部分结构以薄膜为纽带相互耦合，并通过产生耦合共振消耗声能，从而提高结构低频隔声量。同时，非线性阻尼元件实际时频特性变化的复杂荷载下，等效阻抗、等效质量密度等声学参量在振动过程中动态变化，呈现出强烈的非线性效应，进一步与薄膜耦合后可产生丰富的局部低频共振模态，有助于拓宽结构低频隔声带宽。此外，所述声学覆盖层还兼具有一定吸声性能，车厢内部噪声可通过其表面穿孔（即小孔11）处进入到结构内部，并通过局域共振被消耗，从而进一步改善车内声环境。
实施例1：如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，包括穿孔板1、第一框架2、柔性薄膜3、第二框架4和柔性底板5。所述柔性薄膜3上设有非线性阻尼元件31，所述柔性底板5与车厢基体面板相连。所述第一框架2和第二框架4结构相同，均为纵横交错的格栅形状，将整个声学覆盖层分隔成若干周期性单元，其中格栅壁厚均为4mm，高度均为10mm。本发明实施例1中设置周期性单元的形状为矩形。在一个周期性单元内，穿孔板1中心穿有一个小孔11，孔径为4mm，穿孔板1厚度为2mm；中间柔性薄膜3上中心黏贴一个圆柱体形阻尼元件31，其底面直径为16mm，高度为5mm；阻尼元件内部非阻塞性填充（未充满）有固体颗粒311，颗粒粒径为1mm。柔性底板5厚度为2mm。
本发明实施例1中穿孔板1、第一框架2和第二框架4材质均为亚力克板，其密度ρ=1190 kg∕m3；杨氏模量E=3.2Gpa；泊松比v=0.35。柔性薄膜3材质为PET聚酯塑料，其密度ρ=1450 kg∕m3；杨氏模量E=6.5 Gpa；泊松比v=0.39。柔性底板5材质为乙烯醋酸乙烯酯共聚物，其密度ρ=1475 kg∕m3；杨氏模量E=210 Mpa；泊松比v=0.45。
为验证声学覆盖层的低频吸隔声性能，采用COMSOL Multiphysics软件 对声学覆盖层声学性能进行仿真计算。由于有限元仿真难以准确描述阻尼元件内固体颗粒、液体或其混合媒质在复杂声振荷载下强烈的非线性行为，故仿真计算中将其内部填充物简单视为刚性质量块。采用10mm铝合金板近似模拟列车车厢面板。10mm铝合金板上贴附所述声学覆盖层和相同质量薄板的隔声量对比见图3，声学覆盖层吸声性能见图4。由图3可知，相比相同质量薄板，贴附本发明声学覆盖层有效突破质量定律限制，显著提升铝合金板320Hz~580Hz的隔声性能，最大提升量超过10dB。由图4可知，本发明提出的声学覆盖层在320Hz和530Hz存在两个吸声峰，最大吸声系数均超过0.98，具有较好的低频吸声性能，可有效吸收列车车厢内低频混响声。可见，即使不考虑阻尼元件内部颗粒摩擦、碰撞等产生阻尼效应及其与薄膜产生的非线性耦合共振效应，声学覆盖层便已具备优异的隔声和吸声性能。显然，在实际应用中，进一步考虑阻尼效应和非线性耦合共振效应后，本发明的减振降噪性能将进一步得到提升。
此外，由于声学覆盖层的非线性耦合共振频率主要由其内部阻尼元件参数决定，因此，可通过调整不同单元内所述非线性阻尼元件参数（包括固体颗粒或液体媒质的填充率、颗粒粒径、液体粘度等）定向调控其声学性能。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，由若干周期性单元阵列拓扑而成；周期性单元包括自上而下设置的穿孔板、第一框架、柔性薄膜、第二框架和柔性底板，所述柔性薄膜上设有非线性阻尼元件，所述的第一框架、第二框架结构相同，所述柔性底板与列车车厢基体面板相连。
2.根据权利要求1所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，所述非线性阻尼元件呈圆柱体、长方体或棱柱体；其内部非阻塞性填充有固体颗粒、液体或固液混合媒质。
3.根据权利要求1或2所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，可通过调整不同周期性单元内包括固相或液相媒质的填充率、颗粒粒径、液体粘度在内的非线性阻尼元件参数，定向调控声学覆盖层声学性能。
4.根据权利要求1所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，第一框架、第二框架形状结构相同，所述第一框架、第二框架为圆形、三角形、矩形或六边形，使得周期性单元的形状呈对应的圆形、三角形、矩形或六边形。
5.根据权利要求1所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，在每个周期性单元中，穿孔板开有1～5个小孔，所述的小孔的孔径为1mm～5mm，孔间距大于20mm。
6.根据权利要求1所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，所述柔性薄膜的材料为涤纶树脂、热可塑性聚氨酯或尼龙。
7.根据权利要求1或6所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，所述柔性薄膜的厚度为0.1mm～0.4mm。
8.根据权利要求1所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，所述柔性底板的材料为乙烯醋酸乙烯酯共聚物。
9.根据权利要求1所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，所述柔性底板的厚度为2mm~10mm。
10.根据权利要求1所述的用于列车车厢减振降噪的可调式声学覆盖层，其特征在于，所述柔性底板与车厢基体面板相连的一面还设有离型纸。
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