摘要：隨著高速列車不斷提速，車內(nèi)聲環(huán)境問題越發(fā)凸顯，車窗是距離人耳最近的隔聲元件，但目前鮮有針對(duì)新型車窗在高速列車運(yùn)行環(huán)境下的隔聲特性的研究。本文針對(duì)高速列車運(yùn)行環(huán)境下不同參數(shù)的真空車窗玻璃進(jìn)行隔聲性能計(jì)算，并將其板件厚度、聲橋長(zhǎng)度和真空度屬性對(duì)隔聲性能的影響規(guī)律進(jìn)行總結(jié);以北京航空航天大學(xué)電致變色中心某型電致變色玻璃為例，對(duì)電致變色車窗玻璃進(jìn)行隔聲性能探討，高速列車車窗玻璃選型與改進(jìn)提供一定理論參考。

　　關(guān)鍵詞：聲學(xué);高速列車;列車車窗;隔聲性能;真空車窗;電致變色車窗

　　當(dāng)列車以200km/h以上的速度運(yùn)行時(shí)，噪聲污染問題將同列車安全性、牽引動(dòng)力等因素一起限制高速列車的進(jìn)一步提速[1]。當(dāng)前研究多集中于高速列車板材隔聲問題的研究[2–5]。列車車窗區(qū)域作為噪聲敏感區(qū)域[6]，目前對(duì)于其研究主要針對(duì)普通車窗，如張玉梅等[7]建立高速列車雙板空腔結(jié)構(gòu)車窗隔聲量計(jì)算模型研究了車窗厚度、空腔厚度和空腔阻尼對(duì)車窗隔聲量的影響，劉繼生等[8]從隔聲機(jī)理角度比較了現(xiàn)用鐵路客車車窗玻璃中單層鋼化玻璃、鋼化中空玻璃和夾層中空玻璃3種結(jié)構(gòu)形式對(duì)隔聲效果的影響。

　　此外徐振驍[9]開展了高速列車常用車窗玻璃的隔聲性能研究。對(duì)于真空車窗玻璃與智能車窗玻璃(電致變色車窗玻璃)卻鮮有研究，所以對(duì)于新型列車車窗的隔聲性能研究是很有必要的。本文通過建立更符合高速列車運(yùn)行環(huán)境的聲學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算真空車窗玻璃的隔聲性能曲線，分析其聲橋長(zhǎng)度、外板厚度以及真空度對(duì)其隔聲性能的影響，并對(duì)其各自影響規(guī)律進(jìn)行對(duì)比總結(jié);以北京航空航天大學(xué)電致變色中心某型電致變色玻璃為例，計(jì)算電致變色車窗玻璃的隔聲性能曲線，分析其總隔聲量隨軟膜厚度變化的規(guī)律。將兩類新型車窗玻璃的隔聲性能曲線與現(xiàn)有高速列車車窗玻璃隔聲性能曲線進(jìn)行對(duì)比，說明其聲學(xué)性能在不同頻段或不同情況下的優(yōu)劣勢(shì)，對(duì)高速列車車窗玻璃選型與改進(jìn)有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　1聲學(xué)計(jì)算模型

　　在列車實(shí)際運(yùn)行中，內(nèi)部的聲場(chǎng)是有限的空間，而外部的聲場(chǎng)是接近無限的空間，參照實(shí)際情況，建立外部的空間較大的混響室，內(nèi)部按照高速列車內(nèi)部空間參數(shù)建立消聲室。進(jìn)行統(tǒng)計(jì)能量法(SEA)計(jì)算時(shí)，統(tǒng)計(jì)能量分析的子系統(tǒng)必須要求其子系統(tǒng)內(nèi)能夠儲(chǔ)存振動(dòng)能量[10]。而只有當(dāng)一定數(shù)量的相似共振模態(tài)所組成的一組或一群能夠?qū)崿F(xiàn)共振運(yùn)動(dòng)的子系統(tǒng)才可以儲(chǔ)存振動(dòng)能量。這樣的一群或一組相似模態(tài)在統(tǒng)計(jì)能量分析中就可以視為一個(gè)統(tǒng)計(jì)能量子系統(tǒng)。

　　一個(gè)SEA子系統(tǒng)在目標(biāo)帶寬內(nèi)的模態(tài)數(shù)，與其子系統(tǒng)的特性參數(shù)，即模態(tài)密度有著直接關(guān)系。目前的統(tǒng)計(jì)能量計(jì)算具有低模態(tài)密度的子系統(tǒng)的耦合動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，計(jì)算精度并不高。而在式(1)和式(2)中，聲橋桿件的模態(tài)密度較低，真空車窗玻璃外板件的模態(tài)密度較高，所以為了提升計(jì)算精度，在對(duì)聲橋影響下真空車窗玻璃隔聲性能計(jì)算采用有限元-統(tǒng)計(jì)能量法(FE-SEA)混合計(jì)算方法。

　　由于聲橋在振動(dòng)時(shí)與外板相連，故對(duì)真空玻璃聲橋的聲振模態(tài)進(jìn)行計(jì)算時(shí)不能僅僅計(jì)算柱形聲橋的自由模態(tài)，而需要對(duì)聲橋在真空外板的約束下的聲振模態(tài)信息進(jìn)行求解。求解前，將真空外板用較大網(wǎng)格進(jìn)行劃分，而對(duì)聲橋結(jié)構(gòu)則采用更為精密的網(wǎng)格，并檢查整體網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)行計(jì)算。求解模態(tài)結(jié)果如圖3所示(以前4階為例)。將模態(tài)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入VAOne中，生成有限元(FE)子系統(tǒng)模型，將有限元子系統(tǒng)模型與外部SEA板件相連接，將FE聲橋子系統(tǒng)SEA外板子系統(tǒng)與內(nèi)外側(cè)聲腔相連接，實(shí)現(xiàn)聲能傳遞。

　　2隔聲性能計(jì)算

　　依據(jù)上節(jié)聲學(xué)計(jì)算模型，分別計(jì)算真空車窗玻璃的聲橋長(zhǎng)度屬性、板件厚度屬性以及真空度屬性對(duì)其隔聲性能的影響;并對(duì)電致變色車窗玻璃的隔聲性能進(jìn)行計(jì)算分析。

　　2.1不同聲橋長(zhǎng)度計(jì)算

　　真空腔內(nèi)的中空聲橋結(jié)構(gòu)不僅支撐著中空車窗玻璃的外側(cè)板件，還具有聲能傳遞的功能。故當(dāng)真空車窗玻璃的真空腔內(nèi)聲橋長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，其隔聲量也勢(shì)必發(fā)生改變。本小節(jié)中采用控制變量的方法對(duì)真空玻璃真空腔內(nèi)聲橋長(zhǎng)度與隔聲量的變化關(guān)系進(jìn)行研究。選用真空玻璃的真空介質(zhì)壓強(qiáng)為5000Pa保持不變，真空腔兩側(cè)的玻璃外板厚度保持不變，中間聲腔長(zhǎng)度選為5mm～30mm(變化步長(zhǎng)為5mm)。將各個(gè)子系統(tǒng)同內(nèi)外側(cè)聲腔進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。

　　當(dāng)真空車窗玻璃的聲橋長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，其隔聲量總體有所增加。聲橋長(zhǎng)度增加，其隔聲量的增加在個(gè)別頻段并不十分明顯。當(dāng)聲橋長(zhǎng)度由5mm變化至25mm時(shí)，真空車窗玻璃在中低頻的隔聲量雖然有所增加，但是增幅并不明顯，當(dāng)真空聲橋長(zhǎng)度增加至30mm時(shí)，真空車窗玻璃在低頻段的隔聲量有較大的增幅。在高頻段，隨著聲橋長(zhǎng)度的增加，真空車窗玻璃的隔聲量基本在全部的頻段都隨之增加但增幅較小。隨著聲橋長(zhǎng)度的增加，隔聲量也隨著增加。但是實(shí)際生產(chǎn)和使用時(shí)并不能無限制地增加聲橋長(zhǎng)度來增強(qiáng)其隔聲量。

　　當(dāng)聲橋長(zhǎng)度每增加1mm時(shí)，其總隔聲量隨之變化的增值大小能夠評(píng)判其總隔聲量隨厚度的變化速率，對(duì)真空玻璃聲橋長(zhǎng)度的選擇具有參考意義，也能更直觀地考察其對(duì)總隔聲量增值的貢獻(xiàn)效率。即長(zhǎng)度每增加1mm所帶來的總隔聲量增值越大，其隔聲性能的經(jīng)濟(jì)適用型就越高。真空聲橋長(zhǎng)度為5mm～30mm區(qū)間內(nèi)。當(dāng)真空車窗聲橋長(zhǎng)度變化區(qū)間為5mm～30mm時(shí)，其總隔聲量一直在增加，但是增速隨著厚度的增加逐漸變小。所以單純通過增加真空玻璃聲橋長(zhǎng)度來增強(qiáng)其隔聲性能是不可取的。

　　2.2不同板件厚度計(jì)算

　　當(dāng)真空車窗玻璃的兩側(cè)玻璃板件的厚度發(fā)生變化時(shí)，其隔聲量也勢(shì)必發(fā)生改變。本小節(jié)中采用控制變量的方法對(duì)真空玻璃面板厚度與隔聲量的變化關(guān)系進(jìn)行研究。選用真空玻璃的真空介質(zhì)壓強(qiáng)為5000Pa保持不變，真空腔的厚度設(shè)置為30mm且保持不變，一側(cè)玻璃板件厚度為8mm且保持不變，另一側(cè)厚度選為6mm～16mm的相同玻璃板件(變化步長(zhǎng)為2mm)。將各個(gè)子系統(tǒng)同內(nèi)外側(cè)聲腔進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。

　　城市交通論文投稿刊物：《測(cè)控技術(shù)》雜志是測(cè)控方面核心級(jí)期刊，在測(cè)控領(lǐng)域是權(quán)威雜志，1982年北京市創(chuàng)刊，刊出的測(cè)控方面論文的技術(shù)先進(jìn)、方法新穎、實(shí)用性強(qiáng)。設(shè)置欄目有：儀表與傳感器、數(shù)據(jù)采集與處理、計(jì)算機(jī)與控制系統(tǒng)、總線與網(wǎng)絡(luò)、軟件縱橫、理論與實(shí)踐。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　(1)真空車窗玻璃的隔聲性能隨著聲橋長(zhǎng)度、板件厚度的增加而增加，但總隔聲量的增速隨著長(zhǎng)度、厚度的增加呈下降趨勢(shì);(2)真空車窗玻璃的隔聲性能隨著真空度的增加而增加，但總隔聲量的增速隨著真空度的增加呈下降趨勢(shì)，對(duì)真空車窗玻璃隔聲性能影響最大的因素為真空度;(3)真空車窗玻璃在真空度較低時(shí)，其隔聲性能在低頻段弱于相同厚度中空車窗玻璃，但真空度較高時(shí)，其隔聲性能大幅提高;(4)電致變色軟膜厚度增加，隔聲性能隨之增加，在高頻段尤為明顯，現(xiàn)有電致變色軟膜車窗在高頻段相較于PVB車窗擁有更好的隔聲性能。

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　　作者：石廣田1，徐鄭驍2，張小安1，張曉蕓1，楊力1