CN114239343A - 一种型材隔声结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种型材隔声结构及设计方法，属于轨道交通领域，型材隔声结构的设计方法，包括以下步骤：S10：建立型材结构的有限元模型，S20：确定型材结构的参数，S30：得出型材结构的型腔的声模态振型，S40：基于离散元法建立粒子能量耗散模型，S50：通过阻尼粒子/粒子阻尼体的能量耗散情况确定阻尼粒子的参数，S60：通过实验验证仿真结果，并确定最终方案。一种型材隔声结构，包括：两层型材结构、阻尼粒子/粒子阻尼体、以及隔层。本发明公开了一种型材隔声结构及设计方法，改善高速铁路列车高速行驶时产生的噪声问题。

Description

一种型材隔声结构及设计方法
技术领域
本发明属于轨道交通领域，尤其涉及一种型材隔声结构及设计方法。
背景技术
随着列车运行速度的提高，型材的动态环境急剧恶化，其动力学性能不仅直接关系到列车运行速度能否提高，而且影响到列车的乘坐舒适性和运行安全性。型材主要面临两方面挑战：轻量化及低频辐射噪声。为此，先进发达国家如日本、德国等采用大型铝合金板制作车体以减轻整车的重量，日本同时还采用阻尼技术来降低车体的辐射噪声。
粒子阻尼技术是由填充在振动结构空腔(或附加空腔)中的粒子提供阻尼的技术，在结构发生振动时，由于振动的粒子容器与内部粒子之间的运动耦合与能量转移，导致粒子单元体之间以及粒子单元体与振动容器之间产生碰撞、摩擦、辐射噪声等，从而耗散振动主结构的能量。而粒子阻尼技术的能量耗散作用可以减少型材的振动以及吸收声能，降低声辐射从而达到降噪的效果。
目前，我国车辆大多采用大型铝合金挤压型材来制作车体，但由于型材的制作工艺及阻尼材料的作用机理比较复杂，并没有较好的办法来提高铝合金型材的阻尼，增加低频隔声量。而铝合金型材本身阻尼较小，在车体振动及空气动力激励下，将向车内辐射很大噪声，严重影响车辆的乘坐舒适性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种型材隔声结构及设计方法，改善高速铁路列车高速行驶时产生的噪声问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的型材隔声结构的设计方法，包括以下步骤：
S10：建立型材结构的有限元模型；
S20：通过声学仿真确定型材结构的参数，判断型材结构的参数是否为最优参数，若是，则进入步骤S30，若否，则继续执行本步骤；
S30：通过有限元仿真得出型材结构的型腔的声模态振型，将阻尼粒子/粒子阻尼体填充于声模态点区域内的型腔内部；
S40：基于离散元法建立粒子能量耗散模型，统计耗能情况得到最佳减振效果；
S50：通过阻尼粒子/粒子阻尼体的能量耗散情况确定阻尼粒子的参数，判断阻尼粒子的参数是否为最优参数，若是，则进入步骤S60，若否，则继续执行本步骤；
S60：通过实验验证仿真结果，并确定最终方案。
优选地，步骤S20具体包括：根据原始车体的隔声量和声-振辐射系数进行车体的型材结构的声学拓扑优化，以确定第一板厚度、第二板厚度、板筋厚度、以及板筋倾角参数。
优选地，步骤S50中，阻尼粒子的参数为粒径、填充率、材质、以及密度，从粒径、填充率、材质、以及密度中的一个参数选作第一研究参数，通过控制变量法对比求得各种粒径、填充率、材质、以及密度参数中耗能值最大的阻尼粒子的参数，使得阻尼粒子/粒子阻尼体有最好的隔声效果。
本发明还提供一种型材隔声结构，采用如上述的型材隔声结构的设计方法设计而成，包括：两层型材结构、阻尼粒子/粒子阻尼体、以及隔层，隔层设置于两层型材结构之间，阻尼粒子/粒子阻尼体填充于型材结构的声模态点区域内的型腔内部。
优选地，型材结构包括第一板、第二板、以及板筋，第一板和第二板之间固定有板筋，板筋将第一板和第二板之间的空间分隔成多个型腔。
优选地，粒子阻尼体分为壳状粒子阻尼器和袋状粒子阻尼器。
优选地，壳状粒子阻尼器包括壳体和阻尼粒子，阻尼粒子填充于壳体的内腔，壳体的外侧壁与型腔的内侧壁紧密接触。
优选地，袋状粒子阻尼器包括袋体和阻尼粒子，阻尼粒子填充于袋体的内腔，袋体的外侧壁与型腔的内侧壁贴合。
优选地，阻尼粒子为直径0.001～30mm的球体、长短轴长度均为0.001～30mm的椭球体、边长为0.001～30mm规则的多面体或边长为0.001～30mm的不规则多面体。
优选地，阻尼粒子采用材质密度为0.1～30g/cm3的铁基合金、铝基合金、钨基合金、纳基合金、镁基合金、钾基合金、铜基合金、钙基合金、钪基合金、钛基合金、钒基合金、镍基合金、钴基合金、锰基合金、铅基合金、铬基合金中的一种或多种金属组合而成的多元合金以及玻璃粒子、氧化物陶瓷粒子、碳化物陶瓷粒子、玻璃陶瓷粒子中的一种或多种非金属粒子组合而成的多元非金属粒子。
优选地，阻尼粒子的填充率为10％～100％。
优选地，壳体/袋体的内腔具有至少一个腔室，每个腔室内填充有特征相同或不相同的阻尼粒子，当腔室为两个以上时，相邻的腔室内填充特征相同或不相同的阻尼粒子，特征为阻尼粒子的粒径、材质、以及密度。
优选地，壳体的壁厚为0.01～30mm。
优选地，壳体的材质为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金或钨合金，或者上述合金中的多元合金制成。
优选地，壳体的内表面和阻尼粒子的表面配置为：表面摩擦因子为0.01～0.99，表面恢复系数为0.01～1。
优选地，袋体的袋厚为0.01～30mm。
优选地，袋体的材质为高分子聚合物。
优选地，隔层的材质为隔声材料或吸声材料。
优选地，吸声材料为泡沫塑料、脲醛泡沫塑料、工业毛毡、泡沫玻璃、玻璃棉、矿渣棉、沥青矿渣棉、水泥膨胀珍珠岩板或石膏砂浆。
优选地，板筋的倾角为10-80°。
本发明的有益效果为：
1、根据型材结构的参数，通过有限元仿真得出型材结构的型腔的声模态振型，将阻尼粒子填充于声模态点区域内的型腔内部，优化型材结构的型腔的声模态，有针对性的提升其低频共振区的阻尼，进而提高本型材隔声结构的总计权隔声量，并基于离散元法建立粒子能量耗散模型，统计耗能情况得到最佳减振效果，进而确定阻尼粒子的参数，使得设计出来的型材隔声结构具有改善高速铁路列车高速行驶时产生的噪声问题的效果。
2、双层型材结构的设计起到双层隔声的效果，将两层型材结构的隔声效果结合起来，而在双层型材结构中加入隔声材料或吸声材料会使降噪效果明显提高，远超过预期的效果。
3、通过阻尼粒子和隔层的设置，使得型材结构分层之间的阻抗各不同，空气动力噪声和空调、受电弓等设备运行产生的声波可以在阻尼粒子和隔层界面上产生多次反射，壳体/袋体内的阻尼粒子能够通过阻尼粒子与阻尼粒子间、阻尼粒子与壳体/袋体内腔间的非弹性碰撞和摩擦消耗声能，使透射的声能随着反射次数的增加而减少。同时通过合理配置填充阻尼粒子的材质及对应位置，增加型腔吻合谷的阻尼，提高吻合谷的隔声量，从而高效的提高本型材隔声结构的隔声效果。
附图说明
图1是本发明实施例一的设计方法流程图。
图2是本发明实施例一的型材隔声结构的应用示意图。
图3是本发明实施例一的声模态点区域示意图。
图4是图2中的A的放大示意图。
图5是本发明实施例一的阻尼粒子与型腔的配合示意图。
图6是本发明实施例二的壳状粒子阻尼器与型腔的配合示意图。
图7是本发明实施例二的壳状粒子阻尼器结构示意图。
图8是本发明实施例三的袋状粒子阻尼器与型腔的配合示意图。
图9是本发明实施例三的袋状粒子阻尼器结构示意图。
附图中的标记为：1-型材结构，11-第一板，12-第二板，13-板筋，2-阻尼粒子，3-隔层，4-型腔，5-壳状粒子阻尼器，51-壳体，6-袋状粒子阻尼器，61-袋体，100-侧墙型材，200-声模态点区域。
具体实施方式
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一：
如图1所示，本实施例中提供的型材隔声结构的设计方法，可应用于高铁列车的侧墙、端墙、地板、车顶(平顶或圆顶)等，本实施例以应用于高铁列车车顶(圆顶)为例，包括以下步骤：
S10：建立型材结构1的有限元模型。
S20：通过声学仿真确定型材结构1的参数，根据原始车体的隔声量和声-振辐射系数进行车体的型材结构1的声学拓扑优化，以确定第一板11厚度、第二板12厚度、板筋13 厚度、以及板筋13倾角参数。判断型材结构的参数是否为最优参数，若是，则进入步骤 S30，若否，则继续执行本步骤。
S30：通过有限元仿真得出型材结构1的型腔4的声模态振型，将阻尼粒子2填充于声模态点区域200内的型腔4内部，优化型材结构1的型腔4的声模态，有针对性的提升其低频共振区的阻尼，进而提高本型材隔声结构的总计权隔声量，采用该方式能够将型材结构1增重控制在足够低的范围，将型材隔声结构的隔声量提升控制在较高的水平。
S40：基于离散元法建立粒子能量耗散模型，统计耗能情况得到最佳减振效果。
S50：通过阻尼粒子2的能量耗散情况确定阻尼粒子2的参数，阻尼粒子2的参数为粒径、填充率、材质、以及密度，从粒径、填充率、材质、以及密度中的一个参数选作第一研究参数，判断阻尼粒子的参数是否为最优参数，若是，则进入步骤S60，若否，则继续执行本步骤。通过控制变量法对比求得各种粒径、填充率、材质、以及密度参数中耗能值最大的阻尼粒子2的参数，使得阻尼粒子2有最好的隔声效果。
S60：通过实验验证仿真结果，并确定最终方案。通过专业的实验室，测得隔声前和隔声后的声压差确定最终的方案。
如图2至图5所示，本实施例还提供一种型材隔声结构，采用如上述的型材隔声结构的设计方法设计而成，包括：
两层型材结构1、阻尼粒子2、以及隔层3，两层型材结构1分为上下两层，隔层3设置于两层型材结构1之间，阻尼粒子2填充于型材结构1的声模态点区域200内的型腔4 内部，这样既有利于达到隔声效果，又可以实现列车轻量化。上层型材结构1与侧墙型材 100的固定方式为：在车内侧采用点固焊，在车外侧采用连续焊；下层型材结构1与侧墙型材采用点固焊。通过两层的型材结构1设置，更有利于增加隔声量。本实施例中，隔层 3为泡沫塑料，可以更有效的起到降噪的效果。车顶外侧面板向车顶内侧面板传播振动的路径，有沿板筋13传播的固体传播情况，也有因中空部空气振动变化而传播到板筋13所产生的内侧面板的空气传播。经调查，在这些传播路径中固体传播是主导因素，在板筋13 周边设置阻尼，能有效地降低这种固体传播振动，从而有效提高空心型材的隔声性能。另一方面，中空型材的隔音性能还由于面板的重合现象与共振而降低，因此，型腔4内填充阻尼粒子2后，由于阻尼粒子2是多层不连续材料，可以有效的反射、吸收声波，从而提高结构的隔声性能。本发明隔声效果良好，寿命长，可靠性高，适用于高低温和高负载等恶劣工况。
当车体外侧的声波向侧墙型材投射时，在板内除了产生膨缩波(纵波)外，同时激发弯曲波，弯曲波向上传播，当车体外侧声波的入射波和弯曲波在侧墙型材某点处相位完全一致时，该点处的振动将加强，以此类推，随着弯曲波向上传播，薄板振动将随距离越来越强烈。在型材结构1内部填充阻尼，在弯曲波向上传播型材结构1振动叠加的同时型材结构1内部的阻尼粒子2不断进行非弹性碰撞和摩擦，消耗弯曲波产生的振动能量，以此抑制弯曲波传播过程不断叠加产生的振动能量，进而提高本型材隔声结构的隔声量。双层型材结构1的设计起到双层隔声的效果，将两层型材结构1的隔声效果结合起来，而在双层型材结构1中加入泡沫塑料会使降噪效果明显提高，远超过预期的效果。
进一步的，型材结构1包括第一板11、第二板12、以及板筋13，第一板位于第二板的上方，本实施例的第一板和第二板均为铝板，第一板11和第二板12之间固定有板筋13，板筋13将第一板11和第二板12之间的空间分隔成多个型腔4。本实施例中，板筋的倾角为25°，板筋的倾角会影响本型材隔声结构的隔声量，需要最优板筋倾角参数从而达到更大的隔声量。
本实施例中，阻尼粒子2为直径10mm的球体，阻尼粒子2采用材质密度为10g/cm3的铝基合金，阻尼粒子2的填充率为60％。通过计算确定阻尼粒子2的最佳参数结合安装位置以获得最佳隔声效果。
实施例二：
如图6至图7所示，本实施例与实施例一的区别在于：
填充于声模态点区域内的型腔4内部的为壳状粒子阻尼器5，壳状粒子阻尼器5包括壳体51和阻尼粒子2，阻尼粒子2填充于壳体51的内腔，壳体51的外侧壁与型腔4的内侧壁紧密接触。使其与型腔4无缝隙固定，保证壳体51与型腔4内表面充分接触，这样会保证有较好的隔声效果。
通过阻尼粒子和隔层的设置，使得型材结构1分层之间的阻抗各不同，空气动力噪声和空调、受电弓等设备运行产生的声波可以在阻尼粒子和隔层界面上产生多次反射，壳体 51内的阻尼粒子2能够通过阻尼粒子2与阻尼粒子2间、阻尼粒子2与壳体51内腔间的非弹性碰撞和摩擦消耗声能，使透射的声能随着反射次数的增加而减少。同时通过合理配置填充阻尼粒子2的材质及对应位置，增加型腔4吻合谷的阻尼，提高吻合谷的隔声量，从而高效的提高本型材隔声结构的隔声效果。
其中，壳体51的内腔具有一个腔室，腔室内填充有特征相同的阻尼粒子2，特征为阻尼粒子2的粒径、材质、以及密度。壳体51的壁厚为4mm。壳体51的材质为镁合金。当然了，当腔室为两个以上时，相邻的腔室内也可以填充不相同的阻尼粒子2，具体根据实际需求设置。
其中，壳体51的内表面和阻尼粒子2的表面配置为：表面摩擦因子为0.6，表面恢复系数为0.5。
实施例三：
如图8至图9所示，本实施例与实施例一的区别在于：
填充于声模态点区域内的型腔4内部的为袋状粒子阻尼器6，袋状粒子阻尼器6包括袋体61和阻尼粒子2，阻尼粒子2填充于袋体61的内腔，袋体61的外侧壁与型腔4的内侧壁贴合。保证袋体61与型腔4内表面充分接触，这样会保证有较好的隔声效果。
其中，袋体61的袋厚为2mm，袋体61的材质为高分子聚合物。
通过袋体61结合阻尼粒子2的设置，使得型材结构1分层之间的阻抗各不同，空气动力噪声和空调、受电弓等设备运行产生的声波可以在各层界面上产生多次反射，袋体61内的阻尼粒子2能够通过阻尼粒子2与阻尼粒子2间、阻尼粒子2与袋体61内腔间的非弹性碰撞和摩擦消耗声能，使透射的声能随着反射次数的增加而减少。同时通过合理配置填充阻尼粒子2的材质及对应位置，增加型腔4吻合谷的阻尼，提高吻合谷的隔声量，从而高效的提高本型材隔声结构的隔声效果。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种型材隔声结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：建立型材结构的有限元模型；
S20：通过声学仿真确定所述型材结构的参数，判断所述型材结构的参数是否为最优参数，若是，则进入步骤S30，若否，则继续执行本步骤；
S30：通过有限元仿真得出所述型材结构的型腔的声模态振型，将阻尼粒子/粒子阻尼体填充于声模态点区域内的型腔内部；
S40：基于离散元法建立粒子能量耗散模型，统计耗能情况得到最佳减振效果；
S50：通过阻尼粒子/粒子阻尼体的能量耗散情况确定阻尼粒子的参数，判断所述阻尼粒子的参数是否为最优参数，若是，则进入步骤S60，若否，则继续执行本步骤；
S60：通过实验验证仿真结果，并确定最终方案。
2.根据权利要求1所述的型材隔声结构的设计方法，其特征在于，
所述步骤S20具体包括：
根据原始车体的隔声量和声-振辐射系数进行车体的型材结构的声学拓扑优化，以确定第一板厚度、第二板厚度、板筋厚度、以及板筋倾角参数。
3.根据权利要求1所述的型材隔声结构的设计方法，其特征在于，
所述步骤S50中，所述阻尼粒子的参数为粒径、填充率、材质、以及密度；
从粒径、填充率、材质、以及密度中的一个参数选作第一研究参数，通过控制变量法对比求得各种粒径、填充率、材质、以及密度参数中耗能值最大的所述阻尼粒子的参数，使得阻尼粒子/粒子阻尼体有最好的隔声效果。
4.型材隔声结构，其特征在于，
采用如权利要求1-3任一项所述的型材隔声结构的设计方法设计而成，包括：
两层型材结构、阻尼粒子/粒子阻尼体、以及隔层；
所述隔层设置于两层所述型材结构之间；
所述阻尼粒子/粒子阻尼体填充于所述型材结构的声模态点区域内的型腔内部。
5.根据权利要求4所述的型材隔声结构，其特征在于，
所述型材结构包括第一板、第二板、以及板筋；
所述第一板和第二板之间固定有板筋，所述板筋将所述第一板和第二板之间的空间分隔成多个型腔。
6.根据权利要求4所述的型材隔声结构，其特征在于，
所述粒子阻尼体分为壳状粒子阻尼器和袋状粒子阻尼器。
7.根据权利要求6所述的型材隔声结构，其特征在于，
所述壳状粒子阻尼器包括壳体和阻尼粒子；
所述阻尼粒子填充于所述壳体的内腔；
所述壳体的外侧壁与所述型腔的内侧壁紧密接触；
所述壳体的壁厚为0.01～30mm；
所述壳体的材质为镁合金、铝合金、钛合金、铁合金、铜合金、镍合金、铅合金、锰合金、钴合金或钨合金，或者上述合金中的多元合金制成；
所述壳体的内表面和所述阻尼粒子的表面配置为：表面摩擦因子为0.01～0.99，表面恢复系数为0.01～1。
8.根据权利要求6所述的型材隔声结构，其特征在于，
所述袋状粒子阻尼器包括袋体和阻尼粒子；
所述阻尼粒子填充于所述袋体的内腔，袋体的外侧壁与型腔的内侧壁贴合；
所述袋体的袋厚为0.01～30mm；
所述袋体的材质为高分子聚合物。
9.根据权利要求4所述的型材隔声结构，其特征在于，
所述阻尼粒子为直径0.001～30mm的球体、长短轴长度均为0.001～30mm的椭球体、边长为0.001～30mm规则的多面体或边长为0.001～30mm的不规则多面体；
所述阻尼粒子采用材质密度为0.1～30g/cm3的铁基合金、铝基合金、钨基合金、纳基合金、镁基合金、钾基合金、铜基合金、钙基合金、钪基合金、钛基合金、钒基合金、镍基合金、钴基合金、锰基合金、铅基合金、铬基合金中的一种或多种金属组合而成的多元合金以及玻璃粒子、氧化物陶瓷粒子、碳化物陶瓷粒子、玻璃陶瓷粒子中的一种或多种非金属粒子组合而成的多元非金属粒子；
所述阻尼粒子的填充率为10％～100％；
所述隔层的材质为隔声材料或吸声材料；
所述吸声材料为泡沫塑料、脲醛泡沫塑料、工业毛毡、泡沫玻璃、玻璃棉、矿渣棉、沥青矿渣棉、水泥膨胀珍珠岩板或石膏砂浆；
所述板筋的倾角为10-80°。
10.根据权利要求9所述的型材隔声结构，其特征在于，
壳体/袋体的内腔具有至少一个腔室，每个所述腔室内填充有特征相同或不相同的所述阻尼粒子，当所述腔室为两个以上时，相邻的所述腔室内填充特征相同或不相同的所述阻尼粒子，所述特征为所述阻尼粒子的粒径、材质、以及密度。
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