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用泡沫铝制做列车地板和侧衬的研究

2009-03-31 来源:

用泡沫铝制做列车地板和侧衬的研究

梁李斯1 牟永亮1 姚广春1 尹铫2

1.东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110004 2.中国科学院声学研究所 ,北京 100080

    要:根据火车、地铁车厢的噪声频谱分析,以及闭孔泡沫铝夹心板隔声性能和隔振

性能测试结果,分析了泡沫铝夹心板用作列车地板及隔声侧衬的可行性,并与其他材料列

车地板和侧衬进行了比较,认为泡沫铝地板和侧衬在列车上应用具有强劲的发展趋势。

关键词: 泡沫铝夹心板 隔声 隔振 阻尼

1         前言

普通列车、高速列车及地铁列车在运行过程中,都产生振动与噪声,这些振动和噪声影响车内的舒适度,较严重时会危害乘客的身体健康,对长期在车内工作的人员更加不利,同时也会缩短车体一些零部件的使用寿命,因此振动与噪声问题是列车内一个很重要问题[1]。而解决这些问题,只能通过改变车体自身的一些结构。为了达到减震和降噪目的,本文研究了泡沫铝材料制作列车地板和侧衬的可行性,泡沫铝代替传统材料,将使车内环境得到改善。

2         普通列车车厢、地铁车厢噪声频谱分析

2.1噪声来源

普通列车车厢内的噪声主要来自于列车自身动力系统和轮轨噪声[2]。动力系统噪声包括由牵引系统(即牵引设备和传动装置等)、发电机和电动机组、车门和广播等带来的噪声。

轮轨噪声主要包括列车在平直轨道上运行产生的滚动噪声、在钢轨接合处产生的碰撞噪声、在轨道上滑行时产生的啸叫声三大类。

2.2普通列车车厢噪声频率分布

实测普通列车车厢内的噪声频率和强度如图1所示:

1.  普通列车车厢内噪声频率与强度

                                                           

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50774021

作者简介:梁李斯(1983-)女,东北大学博士研究生;姚广春(1947-)东北大学教授,博士生导师。

由图2可以看出,车厢内超过60分贝的噪声频率主要集中在1000Hz以下,主要噪声频率在16500Hz。因此我们在选择降噪材料时也应有针对性地选择隔声效果在这一频率比较好的材料。

2.3地铁车厢噪声频率分布

地铁列车车厢内噪声频率分布和强度见图3, 超过60分贝的噪声频率在5004000Hz大范围内,噪声主频率为1000Hz左右。我们应针对噪声的特点选择降噪效果比较符合或接近这一噪声要求的隔声材料。

[3]

 

2. 地铁车厢内噪声频率分布与强度

3         泡沫铝夹心板的隔声性能

采用熔体发泡法生产的闭孔泡沫铝做心材,与铝板粘贴复合制作泡沫铝夹心板[4]。泡沫铝夹心板的隔声效果是在中国科学院声学所测量的,不同密度、相同厚度和不同厚度、相同密度的泡沫铝夹心板的隔声量测量结果见图3和图4。:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 不同密度泡沫铝夹心板隔声测量结果

1)密度为0.67g/cm3泡沫铝夹心板;  2)密度为0.51g/cm3泡沫铝夹心板;

3)密度为0.31g/cm3泡沫铝夹心板

3是不同密度的,厚度为30mm泡沫铝夹心板对频率为04000Hz噪声的隔声测量结果。如图可见随着泡沫铝密度的增加隔声量也随之增大,但是当密度超过0.51g/cm3后,隔声量增加不显著,泡沫铝夹心板密度0.5g/cm3左右为宜。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. 不同厚度泡沫铝夹心板隔声测量结果

1)厚度为30mm泡沫铝夹心板;  2 厚度为20mm泡沫铝夹心板;

3)厚度为10mm泡沫铝夹心板。

4是不同厚度的,密度为0.67g/cm3泡沫铝夹心板对频率为04000Hz噪声隔声的测量结果。由图可以看出,随着泡沫铝厚度的增加隔声量随之增大,但是当厚度超过20mm后,隔声量增加不显著,所以泡沫铝夹心板厚度为1520mm时既经济又具有较好的隔声效果。

1.泡沫铝夹心板(厚度20mm,密度0.51 g/cm3)隔声量(分贝)测量结果

声频率Hz

100

315

630

1000

2000

3000

4000

隔声量dB

18.0

26.7

30.2

30.3

38,7

42.6

42.3

 

普通列车和地铁车厢地板和侧衬选用的泡沫铝适宜密度为0.5g/cm3左右,适宜厚度为1520mm。密度为0.5g/cm3,厚度为20mm泡沫铝夹心板隔声测量结果列在表 1中,平均可以降噪30分贝以上,使车厢内噪声可以降到国际标准(60分贝)以下,提高车内舒适度。

高速列车的侧衬仍然为1520mm,而地板可以适当厚一些,3040mm为宜。其平均隔声量可以达到30分贝以上。

 

4 泡沫铝夹心板隔振性能测试结果

为考查泡沫铝材料的隔振性能,测试了泡沫铝材料的损耗因子。泡沫铝试样切割制备成尺寸为70×20×10mm的长方体形状。1#试样的孔隙率为81.7%2#试样的孔隙率为84.4%。在振动频率为1~10Hz范围内,应变振幅为1×10-4情况下损耗因子的变化见图51~10Hz范围内泡沫铝材料的损耗因子,即阻尼性能随频率升高略有降低。但是损耗因子基本上在一个带宽(2.0~2.3×10-2)范围内,降低的程度不是很明显。

 

5 泡沫铝材料的阻尼—频率曲线

6为孔隙率82.4%试样,应变振幅为2×10-5,振动频率为0~700Hz范围内损耗因子的变化曲线。当振动频率低于100Hz时,泡沫铝材料有较高的损耗因子,阻尼能力较好,当频率高于200Hz以后,损耗因子大幅度降低,超过400Hz后趋于平缓,仍然具有6×10-2。由上可以看出泡沫铝具有较好的阻尼性能,可以显著减振。

6.泡沫铝材料不同频率下损耗因子

 

5泡沫铝地板与其它材料地板性能比较

泡沫铝列车地板与木质地板的对比见表2,由表2中数据可见泡沫铝夹心板的性能优越,虽然一次性投资费用较高,但平均每年单位面积费用降低。

2. 列车泡沫铝底板与木质地板性能比较

性能

泡沫铝地板

木质地板

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用泡沫铝制做列车地板和侧衬的研究

用泡沫铝制做列车地板和侧衬的研究

梁李斯1 牟永亮1 姚广春1 尹铫2

1.东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110004 2.中国科学院声学研究所 ,北京 100080

    要:根据火车、地铁车厢的噪声频谱分析,以及闭孔泡沫铝夹心板隔声性能和隔振

性能测试结果,分析了泡沫铝夹心板用作列车地板及隔声侧衬的可行性,并与其他材料列

车地板和侧衬进行了比较,认为泡沫铝地板和侧衬在列车上应用具有强劲的发展趋势。

关键词: 泡沫铝夹心板 隔声 隔振 阻尼

1         前言

普通列车、高速列车及地铁列车在运行过程中,都产生振动与噪声,这些振动和噪声影响车内的舒适度,较严重时会危害乘客的身体健康,对长期在车内工作的人员更加不利,同时也会缩短车体一些零部件的使用寿命,因此振动与噪声问题是列车内一个很重要问题[1]。而解决这些问题,只能通过改变车体自身的一些结构。为了达到减震和降噪目的,本文研究了泡沫铝材料制作列车地板和侧衬的可行性,泡沫铝代替传统材料,将使车内环境得到改善。

2         普通列车车厢、地铁车厢噪声频谱分析

2.1噪声来源

普通列车车厢内的噪声主要来自于列车自身动力系统和轮轨噪声[2]。动力系统噪声包括由牵引系统(即牵引设备和传动装置等)、发电机和电动机组、车门和广播等带来的噪声。

轮轨噪声主要包括列车在平直轨道上运行产生的滚动噪声、在钢轨接合处产生的碰撞噪声、在轨道上滑行时产生的啸叫声三大类。

2.2普通列车车厢噪声频率分布

实测普通列车车厢内的噪声频率和强度如图1所示:

1.  普通列车车厢内噪声频率与强度

                                                           

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50774021

作者简介:梁李斯(1983-)女,东北大学博士研究生;姚广春(1947-)东北大学教授,博士生导师。

由图2可以看出,车厢内超过60分贝的噪声频率主要集中在1000Hz以下,主要噪声频率在16500Hz。因此我们在选择降噪材料时也应有针对性地选择隔声效果在这一频率比较好的材料。

2.3地铁车厢噪声频率分布

地铁列车车厢内噪声频率分布和强度见图3, 超过60分贝的噪声频率在5004000Hz大范围内,噪声主频率为1000Hz左右。我们应针对噪声的特点选择降噪效果比较符合或接近这一噪声要求的隔声材料。

[3]

 

2. 地铁车厢内噪声频率分布与强度

3         泡沫铝夹心板的隔声性能

采用熔体发泡法生产的闭孔泡沫铝做心材,与铝板粘贴复合制作泡沫铝夹心板[4]。泡沫铝夹心板的隔声效果是在中国科学院声学所测量的,不同密度、相同厚度和不同厚度、相同密度的泡沫铝夹心板的隔声量测量结果见图3和图4。:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. 不同密度泡沫铝夹心板隔声测量结果

1)密度为0.67g/cm3泡沫铝夹心板;  2)密度为0.51g/cm3泡沫铝夹心板;

3)密度为0.31g/cm3泡沫铝夹心板

3是不同密度的,厚度为30mm泡沫铝夹心板对频率为04000Hz噪声的隔声测量结果。如图可见随着泡沫铝密度的增加隔声量也随之增大,但是当密度超过0.51g/cm3后,隔声量增加不显著,泡沫铝夹心板密度0.5g/cm3左右为宜。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. 不同厚度泡沫铝夹心板隔声测量结果

1)厚度为30mm泡沫铝夹心板;  2 厚度为20mm泡沫铝夹心板;

3)厚度为10mm泡沫铝夹心板。

4是不同厚度的,密度为0.67g/cm3泡沫铝夹心板对频率为04000Hz噪声隔声的测量结果。由图可以看出,随着泡沫铝厚度的增加隔声量随之增大,但是当厚度超过20mm后,隔声量增加不显著,所以泡沫铝夹心板厚度为1520mm时既经济又具有较好的隔声效果。

1.泡沫铝夹心板(厚度20mm,密度0.51 g/cm3)隔声量(分贝)测量结果

声频率Hz

100

315

630

1000

2000

3000

4000

隔声量dB

18.0

26.7

30.2

30.3

38,7

42.6

42.3

 

普通列车和地铁车厢地板和侧衬选用的泡沫铝适宜密度为0.5g/cm3左右,适宜厚度为1520mm。密度为0.5g/cm3,厚度为20mm泡沫铝夹心板隔声测量结果列在表 1中,平均可以降噪30分贝以上,使车厢内噪声可以降到国际标准(60分贝)以下,提高车内舒适度。

高速列车的侧衬仍然为1520mm,而地板可以适当厚一些,3040mm为宜。其平均隔声量可以达到30分贝以上。

 

4 泡沫铝夹心板隔振性能测试结果

为考查泡沫铝材料的隔振性能,测试了泡沫铝材料的损耗因子。泡沫铝试样切割制备成尺寸为70×20×10mm的长方体形状。1#试样的孔隙率为81.7%2#试样的孔隙率为84.4%。在振动频率为1~10Hz范围内,应变振幅为1×10-4情况下损耗因子的变化见图51~10Hz范围内泡沫铝材料的损耗因子,即阻尼性能随频率升高略有降低。但是损耗因子基本上在一个带宽(2.0~2.3×10-2)范围内,降低的程度不是很明显。

 

5 泡沫铝材料的阻尼—频率曲线

6为孔隙率82.4%试样,应变振幅为2×10-5,振动频率为0~700Hz范围内损耗因子的变化曲线。当振动频率低于100Hz时,泡沫铝材料有较高的损耗因子,阻尼能力较好,当频率高于200Hz以后,损耗因子大幅度降低,超过400Hz后趋于平缓,仍然具有6×10-2。由上可以看出泡沫铝具有较好的阻尼性能,可以显著减振。

6.泡沫铝材料不同频率下损耗因子

 

5泡沫铝地板与其它材料地板性能比较

泡沫铝列车地板与木质地板的对比见表2,由表2中数据可见泡沫铝夹心板的性能优越,虽然一次性投资费用较高,但平均每年单位面积费用降低。

2. 列车泡沫铝底板与木质地板性能比较

性能

泡沫铝地板

木质地板

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