CN104071092A - 一种用于轨道列车的分层复合轻质声学材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于轨道列车的分层复合轻质声学材料，所述的轨道列车采用轨道列车铝型材和内壁板、以及轨道列车铝型材和内壁板之间的保温阻燃材料构成的多层结构，其特征在于，所述的分层复合轻质声学材料设置于轨道列车铝型材和内壁板之间，其中至少包括一层网格状的橡胶骨架材料层。所述的分层复合轻质声学材料中还包括多孔材料层或/和阻尼层。所述的分层复合轻质声学材料和内壁板采用一体性结构。本发明在原有高速列车车厢内使用的保温和阻燃材料基础上，新型复合材料具备良好的吸声、隔声和减振性能，同时不占有车厢内更多使用空间。
Description
技术领域
本发明属材料与结构领域，可直接应用于轨道列车，如高速铁路车厢内部或其它有环保要求的强噪声环境。
背景技术
高速铁路作为当代高新技术的集成，具有运能大、能耗低、污染小、安全舒适等比较优势，是交通运输体系中最具可持续性和环境友好性的运输模式，是世界各国科学技术和制造产业创新能力、综合国力以及国家现代化程度的集中体现和重要标志之一。
“十一五”期间我国高速铁路建设在国家的大力支持下得到跨越式发展。随着京沪高铁的开通目前我国高速铁路运营里程已位居世界第一。其中，京津城际高速铁路列车运行速度已达到300km/h，京沪高速铁路的设计时速达到了350km/h。列车提速后噪声与振动问题显得愈加突出，已成为制约高速铁路技术发展的关键因素，噪声与振动的污染不仅严重影响车内的安静性、乘员的舒适性和高铁沿线区域居民的生活环境，而且也导致了列车的主要机械设备工作时磨损疲劳甚至失效，降低了设备使用寿命的同时也威胁着高速列车的安全运行。
现有高铁通常采用在双层结构，轨道列车铝型材和内壁板，之间设置保温阻燃材料，并没有考虑车外的声与振动隔离问题。将来新一代高铁设计需要同时考虑“制造低成本，运行低能耗，环境低噪声”这三个条件，因此，设计新型多孔能集成分层复合轻质声学材料对减低能源消耗和提高轨道列车的舒适性有着非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，目前列车高速运行时噪声均超过国家标准，旅客长时间乘车的舒适性会大受影响，另外，某些特殊环境条件下噪声的影响也不容忽视，如列车高速运行经过长距离隧道旅客的不舒适感会更加强烈，因此，需要进一步采取相应地减振降噪措施来降低列车车厢内部噪声。本发明主要面向高速列车车厢壁板间使用，在提高声学性能的同时保证材料的阻燃、隔热等环保要求，并根据车厢壁板不同部位噪声频谱特性、材料厚度空间及使用要求进行声学优化设计。
为实现上述发明目的，本申请提出了一种复合材料的设计思想主要有以下几点：（1）将原有结构（轨道列车铝型材和内壁板之间设置保温阻燃材料）拓展为采用橡胶骨架和阻尼材料的多层隔声结构，这样，振动噪声能量可进一步层层衰减和被吸收掉；（2）选用不同材料分别强化某种功能属性，利用分层结构进行阻尼、减振和隔声一体化集成设计；（3）在复合结构中引入橡胶材料网格骨架层，有效地降低了复合材料的整体重量，同时空气层的存在较好地提高了材料的隔声量。
本发明的一种用于轨道列车的分层复合轻质声学材料，所述的轨道列车采用轨道列车铝型材和内壁板、以及轨道列车铝型材和内壁板之间的保温阻燃材料构成的多层结构，其特征在于，所述的分层复合轻质声学材料设置于轨道列车铝型材和内壁板之间，其中至少包括一层网格状的橡胶骨架材料层。
在上述的技术方案中，所述的分层复合轻质声学材料中还包括多孔材料层或/和阻尼层。
在上述的技术方案中，所述的分层复合轻质声学材料为三层，依次包括：多孔材料层、网格状的橡胶骨架材料层和阻尼层。
在上述的技术方案中，所述的分层复合轻质声学材料为五层，依次为多孔材料层、网格状的橡胶骨架材料层、多孔材料层、网格状的橡胶骨架材料层和阻尼层。
在上述的技术方案中，所述的多孔材料层的厚度10～60mm。
在上述的技术方案中，所述的网格状的橡胶骨架材料层的厚度为2～10mm。
在上述的技术方案中，所述的阻尼层的厚度为5mm以内。
在上述的技术方案中，所述的分层复合轻质声学材料和内壁板采用一体性结构。
本发明的优点在于：本发明研发的新型复合材料具备以下优良性能：（1）环保，无纤维、粉尘污染，避免传统玻璃棉或其他有毒纤维损害健康；一般的低成本多孔声学材料，如玻璃棉不环保甚至有害健康，某些橡胶材料在加工过程硫化或燃烧时也会造成污染；（2）保温绝热良好，作用温差在50度以上；（3）防火阻燃，达到DIN5510标准第2部分的S4，ST2，SR2级；（4）轻量化，比传统夹层材料质量轻50%～70%；（5）吸声，平均吸声系数0.8以上；（6）隔声，高速列车车厢受电弓平台测试隔声量增加在4dB以上；（7）减振，振动能量传递减少一半以上；（8）改变了以往分层安装的模式，现有技术中原有材料是内壁板和阻燃保温材料分开安装，本发明采用和内壁板一体性结构安装的方式，可大大提高安装、生产效率。
总之，由于材料的隔声性能与单位面积的质量，刚度、阻尼以及入射声波的频率等参数有关。在可听声频段基本上处于隔声的质量控制区，即材料的隔声性能随质量和频率的增加而提高，一般很难在低频同时兼顾高隔声性能和低面密度，一般要根据实际情况折衷考虑。在原有高速列车车厢内使用的保温和阻燃材料基础上，新型复合材料具备良好的吸声、隔声和减振性能，同时不占有车厢内更多使用空间。多层复合材料中引入了橡胶材料网格骨架层来替代原有设计方案的橡胶垫，在提高材料减振隔声性能的同时有效降低了复合材料的整体重量，真正地解决了降低质量与提高隔声性能并存的矛盾，新型多功能集成复合轻质声学材料的设计思路未在国内外减振降噪和轨道交通领域见到相关文献、专利或具体应用，对我国高速列车减振降噪有着非常重要的意义，因此具有很强的创新性和良好的应用价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明四层复合材料实施例的分解结构示意图；
图3是本发明五层复合材料实施例的分解结构示意图；
图4是本发明的五层复合材料（包含1.6mm厚阻尼层）和重质顶板在声激励条件下高速列车受电弓区域模拟平台标准点的隔声量曲线图；
图5是本发明的五层复合材料（包含2.4mm厚的阻尼层）轻质顶板力激励条件下高速列车受电弓区域模拟平台标准点的声压级曲线图；
图6是本发明的四层复合材料（包含3.2mm厚阻尼层）和蜂窝顶板与图4的五层复合材料、现有的双层隔声结构在混响室的隔声量曲线对比图，图中，标注P为多孔吸声材料，A为橡胶骨架层，R为阻尼层，单位厚度毫米。
附图标识：
1、车厢外声源
3、车厢外部主体结构（铝型材）
2、分层复合材料
4、车厢内部壁板
5、车厢内部空间
6、多孔材料层
7、橡胶骨架材料
8、阻尼层
具体实施方式
为了更全面的理解本发明，并为了解本发明另外的目的和优点，现在结合相应附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，原有高速列车车厢壁包括：车厢外声源1一侧的车厢外部主体结构2（一般采用铝型材），位于车厢内部空间5一侧的车厢内部壁板4，以及设置在两者之间的保温和阻燃材料基础上的新型分层复合材料2，以实现良好的吸声、隔声和减振性能。
如图2所示，本发明的多功能分层复合材料由上至下包括四层：
1、第一层：多孔材料6（吸声、保温）
2、第二层：橡胶骨架材料7（隔声、减振）
3、第三层：多孔材料6
4、第四层：阻尼层材料8（隔声、减振）。
其中，第一层的多孔材料6的上表面可设计成和车厢外部主体结构2（一般采用铝型材）相嵌合的结构。
如图3所示，本发明的多功能分层复合材料由上至下包括五层：
1、第一层：多孔材料6（吸声、保温）
2、第二层：橡胶骨架材料7（隔声、减振）
3、第三层：多孔材料6（吸声、保温）
4、第四层：橡胶骨架材料7（隔声、减振）
5、第五层：阻尼层材料8（隔声、减振）
具体实现中，五层复合材料中的第一、三层多孔材料特征参数和厚度可不同，每层多孔材料厚度10～60mm，第二、四层材料特征参数和厚度亦可不同，橡胶骨架每层硬质阻尼隔声材料2～10mm，阻尼层材料厚度控制在5mm以内，具体设计根据材料安装使用要求以及总体声学性能设计要求。
本实施例中，多层复合材料优化组合成五层复合材料，其厚度随声入射方向分别为50～60mm三聚氰胺绝热保温多孔材料、5mm厚橡胶骨架材料、20mm三聚氰胺绝热保温多孔材料、5mm厚橡胶骨架材料和1.6mm阻尼层材料，如图4所示，该五层复合材料（包含1.6mm厚阻尼层）和重质顶板在声激励条件下高速列车受电弓区域模拟平台标准点的隔声量曲线图显示，该方案在声激励条件下计权隔声量提高4.1dB，力激励条件下总的降噪量提高4.6dBA，其中，顶板与复合材料的面密度相对于实车工况增加了0.096%，属于合理增加范围，该复合材料结构更适合隔离利用空气传播的声波能量；达到国家标准距地面1.2米位置，复合材料的隔声量相对实车内饰材料提高4.1dB的要求。
另外，同样组合成五层复合材料并增加阻尼层的厚度到2.4mm，如图5所示，该五层复合材料（包含2.4mm厚的阻尼层）轻质顶板力激励条件下高速列车受电弓区域模拟平台标准点的声压级曲线图显示，在声激励条件下隔声量提高3.6dB，力激励条件下总的降噪量提高5.1dBA，其中，顶板与复合材料的面密度相对于实车工况减少了0.069%，该复合材料结构更适合隔离利用固体传播的声波能量，而且具有更低的质量或面密度，达到国家标准距地面1.2米位置复合材料相对实车内饰材料的噪声降低5.1dBA的要求。
图6是本发明的四层复合材料（包含3.2mm厚阻尼层）和蜂窝顶板与五层复合材料、现有双层隔声结构在混响室的隔声量曲线图，图中标注P为多孔吸声材料，A为橡胶骨架层，R为阻尼层，单位厚度毫米。该四层复合材料在混响室声激励条件下计权隔声量相对五层复合材料的方案计权隔声量提高1.8dB，相对双层隔声结构计权隔声量提高6.0dB，其中，蜂窝顶板与复合材料的面密度相对于实车工况减少了0.097%，该复合材料结构相对五层复合材料的隔声效率进一步提高，而且总质量或面密度也同时降低。
噪声与振动的污染严重影响高速列车车内的安静性、乘员的舒适性和高铁沿线区域居民的生活环境，已成为制约高速铁路技术发展的关键因素。车厢内噪声控制最有效的方法是通过内部声学材料与结构的优化来有效吸收和隔离内部主要结构振动与噪声源目前在高速列车车厢内壁板（侧壁板、天花板和地板）与主体结构（铝型材）之间敷设大量的保温材料或其它配套材料，这些材料基本上不具备吸声、隔声和减振功能，因此在保证车厢内部温度、湿度等环境要求下，同时综合利用多孔吸声材料和粘弹性阻尼材料，发展保温、吸隔声、减振一体化多功能复合材料技术进行列车内部噪声控制，对降低高速列车车厢内部的噪声水平以及提高乘客的舒适度有着重要的意义。本发明的新型材料在提高原有设计材料减振隔声性能的同时有效降低了复合材料的整体重量，真正地解决了降低质量与提高隔声性能并存的矛盾，新型多功能集成复合轻质声学材料的设计思路未在国内外减振降噪和轨道交通领域见到相关文献、专利或具体应用，对我国高速列车减振降噪有着非常重要的意义，因此具有很强的创新性和良好的应用价值。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种用于轨道列车的分层复合轻质声学材料，所述的轨道列车采用轨道列车铝型材和内壁板、以及轨道列车铝型材和内壁板之间的保温阻燃材料构成的多层结构，其特征在于，所述的分层复合轻质声学材料设置于轨道列车铝型材和内壁板之间，其中至少包括一层网格状的橡胶骨架材料层。
2.按权利要求1所述的分层复合轻质声学材料，其特征在于，所述的分层复合轻质声学材料中还包括多孔材料层或/和阻尼层。
3.按权利要求2所述的分层复合轻质声学材料，其特征在于，所述的分层复合轻质声学材料为三层，依次为：多孔材料层、网格状的橡胶骨架材料层和阻尼层。
4.按权利要求2所述的分层复合轻质声学材料，其特征在于，所述的分层复合轻质声学材料为五层，依次为多孔材料层、网格状的橡胶骨架材料层、多孔材料层、网格状的橡胶骨架材料层和阻尼层。
5.按权利要求2～4任一项中所述的分层复合轻质声学材料，其特征在于，所述的多孔材料层的厚度10～60mm。
6.按权利要求2～4任一项中所述的分层复合轻质声学材料，其特征在于，所述的网格状的橡胶骨架材料层的厚度为2～10mm。
7.按权利要求2～4任一项中所述的分层复合轻质声学材料，其特征在于，所述的阻尼层的厚度为5mm以内。
8.按权利要求1所述的分层复合轻质声学材料，其特征在于，所述的分层复合轻质声学材料和内壁板采用一体性结构。
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