高速列车新型车窗隔声性能研究

　　摘要：随着高速列车不断提速，车内声环境问题越发凸显，车窗是距离人耳最近的隔声元件，但目前鲜有针对新型车窗在高速列车运行环境下的隔声特性的研究。本文针对高速列车运行环境下不同参数的真空车窗玻璃进行隔声性能计算，并将其板件厚度、声桥长度和真空度属性对隔声性能的影响规律进行总结;以北京航空航天大学电致变色中心某型电致变色玻璃为例，对电致变色车窗玻璃进行隔声性能探讨，高速列车车窗玻璃选型与改进提供一定理论参考。

　　关键词：声学;高速列车;列车车窗;隔声性能;真空车窗;电致变色车窗

　　当列车以200km/h以上的速度运行时，噪声污染问题将同列车安全性、牵引动力等因素一起限制高速列车的进一步提速[1]。当前研究多集中于高速列车板材隔声问题的研究[2–5]。列车车窗区域作为噪声敏感区域[6]，目前对于其研究主要针对普通车窗，如张玉梅等[7]建立高速列车双板空腔结构车窗隔声量计算模型研究了车窗厚度、空腔厚度和空腔阻尼对车窗隔声量的影响，刘继生等[8]从隔声机理角度比较了现用铁路客车车窗玻璃中单层钢化玻璃、钢化中空玻璃和夹层中空玻璃3种结构形式对隔声效果的影响。

　　此外徐振骁[9]开展了高速列车常用车窗玻璃的隔声性能研究。对于真空车窗玻璃与智能车窗玻璃(电致变色车窗玻璃)却鲜有研究，所以对于新型列车车窗的隔声性能研究是很有必要的。本文通过建立更符合高速列车运行环境的声学计算模型，计算真空车窗玻璃的隔声性能曲线，分析其声桥长度、外板厚度以及真空度对其隔声性能的影响，并对其各自影响规律进行对比总结;以北京航空航天大学电致变色中心某型电致变色玻璃为例，计算电致变色车窗玻璃的隔声性能曲线，分析其总隔声量随软膜厚度变化的规律。将两类新型车窗玻璃的隔声性能曲线与现有高速列车车窗玻璃隔声性能曲线进行对比，说明其声学性能在不同频段或不同情况下的优劣势，对高速列车车窗玻璃选型与改进有一定的实用价值。

　　1声学计算模型

　　在列车实际运行中，内部的声场是有限的空间，而外部的声场是接近无限的空间，参照实际情况，建立外部的空间较大的混响室，内部按照高速列车内部空间参数建立消声室。进行统计能量法(SEA)计算时，统计能量分析的子系统必须要求其子系统内能够储存振动能量[10]。而只有当一定数量的相似共振模态所组成的一组或一群能够实现共振运动的子系统才可以储存振动能量。这样的一群或一组相似模态在统计能量分析中就可以视为一个统计能量子系统。

　　一个SEA子系统在目标带宽内的模态数，与其子系统的特性参数，即模态密度有着直接关系。目前的统计能量计算具有低模态密度的子系统的耦合动力学问题时，计算精度并不高。而在式(1)和式(2)中，声桥杆件的模态密度较低，真空车窗玻璃外板件的模态密度较高，所以为了提升计算精度，在对声桥影响下真空车窗玻璃隔声性能计算采用有限元-统计能量法(FE-SEA)混合计算方法。

　　由于声桥在振动时与外板相连，故对真空玻璃声桥的声振模态进行计算时不能仅仅计算柱形声桥的自由模态，而需要对声桥在真空外板的约束下的声振模态信息进行求解。求解前，将真空外板用较大网格进行划分，而对声桥结构则采用更为精密的网格，并检查整体网格质量，进行计算。求解模态结果如图3所示(以前4阶为例)。将模态计算结果导入VAOne中，生成有限元(FE)子系统模型，将有限元子系统模型与外部SEA板件相连接，将FE声桥子系统SEA外板子系统与内外侧声腔相连接，实现声能传递。

　　2隔声性能计算

　　依据上节声学计算模型，分别计算真空车窗玻璃的声桥长度属性、板件厚度属性以及真空度属性对其隔声性能的影响;并对电致变色车窗玻璃的隔声性能进行计算分析。

　　2.1不同声桥长度计算

　　真空腔内的中空声桥结构不仅支撑着中空车窗玻璃的外侧板件，还具有声能传递的功能。故当真空车窗玻璃的真空腔内声桥长度发生变化时，其隔声量也势必发生改变。本小节中采用控制变量的方法对真空玻璃真空腔内声桥长度与隔声量的变化关系进行研究。选用真空玻璃的真空介质压强为5000Pa保持不变，真空腔两侧的玻璃外板厚度保持不变，中间声腔长度选为5mm～30mm(变化步长为5mm)。将各个子系统同内外侧声腔进行连接，实现能量传递。

　　当真空车窗玻璃的声桥长度发生变化时，其隔声量总体有所增加。声桥长度增加，其隔声量的增加在个别频段并不十分明显。当声桥长度由5mm变化至25mm时，真空车窗玻璃在中低频的隔声量虽然有所增加，但是增幅并不明显，当真空声桥长度增加至30mm时，真空车窗玻璃在低频段的隔声量有较大的增幅。在高频段，随着声桥长度的增加，真空车窗玻璃的隔声量基本在全部的频段都随之增加但增幅较小。随着声桥长度的增加，隔声量也随着增加。但是实际生产和使用时并不能无限制地增加声桥长度来增强其隔声量。

　　当声桥长度每增加1mm时，其总隔声量随之变化的增值大小能够评判其总隔声量随厚度的变化速率，对真空玻璃声桥长度的选择具有参考意义，也能更直观地考察其对总隔声量增值的贡献效率。即长度每增加1mm所带来的总隔声量增值越大，其隔声性能的经济适用型就越高。真空声桥长度为5mm～30mm区间内。当真空车窗声桥长度变化区间为5mm～30mm时，其总隔声量一直在增加，但是增速随着厚度的增加逐渐变小。所以单纯通过增加真空玻璃声桥长度来增强其隔声性能是不可取的。

　　2.2不同板件厚度计算

　　当真空车窗玻璃的两侧玻璃板件的厚度发生变化时，其隔声量也势必发生改变。本小节中采用控制变量的方法对真空玻璃面板厚度与隔声量的变化关系进行研究。选用真空玻璃的真空介质压强为5000Pa保持不变，真空腔的厚度设置为30mm且保持不变，一侧玻璃板件厚度为8mm且保持不变，另一侧厚度选为6mm～16mm的相同玻璃板件(变化步长为2mm)。将各个子系统同内外侧声腔进行连接，实现能量传递。

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　　3结语

　　(1)真空车窗玻璃的隔声性能随着声桥长度、板件厚度的增加而增加，但总隔声量的增速随着长度、厚度的增加呈下降趋势;(2)真空车窗玻璃的隔声性能随着真空度的增加而增加，但总隔声量的增速随着真空度的增加呈下降趋势，对真空车窗玻璃隔声性能影响最大的因素为真空度;(3)真空车窗玻璃在真空度较低时，其隔声性能在低频段弱于相同厚度中空车窗玻璃，但真空度较高时，其隔声性能大幅提高;(4)电致变色软膜厚度增加，隔声性能随之增加，在高频段尤为明显，现有电致变色软膜车窗在高频段相较于PVB车窗拥有更好的隔声性能。

　　参考文献：

　　[1]崔健，袁天辰，杨俭.基于仿真与实测的列车远场气动噪声分析[J].测控技术，2018，37(9)：67-71.

　　[2]刘彬.阻尼材料对地铁车辆地板隔声性能的影响[J].城市轨道交通研究，2018(11)：133-139.

　　[3]张咏琳，凯森，赵艳菊.车辆型材结构的隔声性能优化研究[J].噪声与振动控制，2019，39(5)：84-88.

　　[4]刘天熙，张学飞，王瑞乾.高速列车侧墙铝型材降噪研究[J].噪声与振动控制，2020，40(1)：165-170.

　　[5]蒋文杰，张捷，李志辉.高速列车风挡区域车内噪声特性及声学灵敏度分析[J].噪声与振动控制，2020，40(1)：147-153.

　　[6]方晨宇.CRH380B型高速列车空气动力噪声的数值模拟研究[D].兰州：兰州交通大学，2019.

　　[7]张玉梅，王瑞乾，李晔，等.高速列车车窗隔声量研究[J].机械工程学报，2018，54(4)：212-221

　　作者：石广田1，徐郑骁2，张小安1，张晓芸1，杨力1