【机情无限 精彩毕设】机械2025届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第七期——地铁车辆车体内饰材料吸声方案设计

学生姓名：高杰

班    级：车辆2021-06班

指导教师：韩健

毕设题目：地铁车辆车体内饰材料吸声方案设计

一、概况

1.选题意义

地铁交通作为现代城市公共交通系统的骨干，具有运量大、速度快、频次高等突出优势，运输能力极强；同时地铁交通系统稳定，事故率低，具有安全可靠的特点。另外，社会经济效益高、节能环保以及具备可持续发展特性都是它的优势。因此，随着城市化进程加速，城市轨道车辆行业高速发展，越来越多城市及国家开始筹备地铁交通建设。

另一方面，完善地铁交通运行方面问题，例如舒适度，其意义十分深远。车内噪声不仅能影响乘客乘车舒适度，而且会加重地铁设备的损害，降低车辆寿命，某种程度上制约了城市轨道交通的前进发展。

与此同时，低噪声也是车辆设计中最重要的设计目标之一。车体内饰材料的吸声性能直接影响车厢内的噪声水平，本设计旨在通过优化内饰材料选择与结构设计，有效降低地铁车厢内部噪声。故该课题针对地铁车体这种由铝型材、多孔吸声材料以及内装结构地板复合而成的车体内饰结构展开研究，进行声学设计，确保满足车内噪声设计要求。

2.任务分解

任务分解思维导图如下图1所示：

图1任务分解思维导图

在地铁列车以80km/h于隧道运行工况下，以降低车内噪声2个声压级，即2dB(A)为总目标。基于设计目标，完成地铁车体内饰材料吸声方案设计，并对该设计方案进行仿真、试验及计算，评估车内降噪效果，完成设计计算说明书等相关文本的撰写工作。

具体任务概述：

1.查阅资料与文献翻译

查阅资料了解国内外相关研究现状及研究成果，查阅相关外文文献并翻译指定外文文献。

了解并学习地铁内饰板吸声材料与吸声结构吸声原理及设计思路。

明确该毕业设计的设计重点、设计思路和需要完成的任务。

方案设计思路分析时，针对选题的制约或影响因素，包括技术、市场接受度、安全、成本问题以及环境与可持续发展等现实约束，对设计方案的可行性分析评价。

2.车内噪声模型建立及仿真分析

运用统计能量分析法，利用VA One软件，搭建车内噪声模型，通过FE-SEA严格耦合，实现全频段仿真。

建模完毕后，输入原始车体部件隔声量，进行原始车内噪声仿真分析。

3.部件灵敏度分析

对各部件（地板、侧墙、圆顶等）隔声量灵敏度分析，研究各部件随隔声量变化对车内噪声的影响，结合地铁噪声来源，最终确定地板为研究对象。根据仿真数据，优化地板原始隔声方案，将地板隔声量提高5dB。

4.地铁车体总图绘制及隔声模型建立

使用CAD完成地铁车体结构总图的绘制。

截取地板铝型材导入hypermesh，划分2D及3D网格。

将地板型材导入VA One，赋予属性参数，计算结构模态，进行隔声建模。

多孔吸声材料调研与研究，优化隔声量方案。

5.超材料结构设计及试验计算

研究分析超材料吸声原理。

进行超材料吸声结构设计。

有限元模型建立，进行超材料仿真分析及试验计算。

6.成果与报告

撰写设计计算说明书。

准备结题答辩。

二、已完成工作

1) 外文文献翻译

图2 文献翻译展示

2) 建车内噪声模型立

根据地铁车体结构，将地铁列车划分为地板、侧墙、圆顶、客室门、客室窗以及贯通道这六个子系统。各部件在SEA模型中简化为平板或曲板结构。车内声腔在纵向上划分为11个腔体。下图分别为车体板件结构、车内声腔子系统、车内声腔爆炸图以及声腔与结构的SEA连接系统的整车模型。

图3 车体板件结构

图4 车内声腔子系统

图5车内声腔爆炸图

图6 声腔与结构的SEA连接截图

将原始隔声量（表1）带入车内噪声模型中（如下图7），得到车内噪声水平。

图7

表1原始隔声量指标（单位：dB）

3) 灵敏度分析及部件优化指标

经过对于车体主要板件的隔声量灵敏度分析（如图8所示），随着隔声量的提高，地板处声压级降低最为明显，且结合地铁噪声源，选择将地板隔声量提高5dB。通过车内噪声模型仿真，优化后客室内平均可降低1.1dB(A)（表2）。

图8 隔声量灵敏度分析

表2 优化前后车内声压级对比（单位：dB(A)）

4) 地铁车辆车体结构图纸

图9地铁车体总车图纸

5) 多孔吸声材料（500-800Hz）调研分析、方案制定以及隔声量建模（爆炸图）

5.1多孔材料吸声原理：

声波进入材料内部后，因纤维间摩擦和空气黏滞阻力将声能转化为热能，中频段（500-800Hz）的吸声效果主要取决于材料的流阻率、孔隙率、厚度、弹性模量及背后空腔。

5.2影响因素分析

密度：低密度材料孔隙率较高，流阻率较低，利于高频声波进入并被耗散，但低频吸声较差；高密度材料孔隙率较低，流阻率较高，对中低频声波吸收更有效，但高频可能因表面反射而降低吸声系数。

孔隙率：高孔隙率声波易进入材料内部，但流阻率可能过低，导致声能耗散不足（粘滞效应弱）；低孔隙率声波反射增强，吸声性能下降。

流阻率：低流阻率声波穿透性强但耗散少，高频吸声好，低频差；高流阻率声波难以深入材料，能量多在表面反射。

厚度：薄厚度(d<10mm）主要吸收高频（>2000Hz），低频声波因波长较长几乎无作用，增加厚度吸声频带向低频扩展，最佳厚度在50mm左右，超过一定厚度（通常100-150mm）后，吸声系数提升趋缓，低频改善有限。

弹性模量：低弹性模量利于声波从空气进入材料内部，减少界面反射，提升低频吸声性能，过低则声能耗散不足。

5.3多孔吸声材料特性对比

表3 地铁地板吸声材料特性对比分析

表4 关键参数最佳范围

表5 声学性能对比（吸声系数）

5.4空腔对于多孔吸声材料的作用

5.4.1低频吸声性能增强，空腔增加了材料与刚性背板之间的空气层，使声波在空腔内多次反射并与材料相互作用，尤其改善了对低频声波的吸收（如100-500Hz）。高频调谐，通过调整空腔深度，可优化中高频的吸声系数，避免单一材料在高频段吸声过强而低频不足的问题。

5.4.2空腔作为声学缓冲层，帮助匹配多孔材料的声阻抗与空气的特性阻抗，减少声波反射，提升能量耗散效率。

5.4.3成本降低，较薄的吸声材料结合空腔即可达到厚材料的吸声效果，降低材料成本。

5.4.4满足车辆轻量化设计要求，有效降低地铁地板自重。

5.5隔声模型建模

图10 分别为无空腔隔声模型和有空腔隔声模型

图11 优化材料后（无空腔）隔声量情况

图12 优化材料后（有空腔）后隔声量情况

两者差异大原因分析：玻璃丝棉弹性刚度和密度低，声波穿透能力强，但耗能极弱。而空腔很好地使声波在空腔内多次反射并与材料相互作用，提高了吸声性能。

结论：在500-800Hz频段下，玻璃丝棉吸声效率更高。选用欧文斯703玻璃丝棉材料，其由高密度玻璃纤维制成，具有开孔结构，能有效吸声中高频声波。密度约为48 kg/ m³，厚度选用50mm。低频吸收能力相对较弱，通过复合20mm空腔结构改善性能。

原始方案： 2mm玻璃钢与1mm橡胶垫层合板+50mm碳纤维棉+1mm阻尼浆（涂敷铝型材表面）。（在100-1000Hz范围内隔声量40dB）

优化方案：2mm玻璃钢与1mm橡胶垫层合板+50mm玻璃丝棉（48kg/ m³）+20mm空腔+1mm阻尼浆（涂敷铝型材表面）。（在100-1000Hz范围的隔声量预测：45.00dB）

三、下一步工作计划

1.4月10日-4月20日

  完成超材料吸声结构设计，有限元模型建立。

2.4月21日-4月30日

  完成超材料仿真分析、计算和试验。

3.5月1日-5月7日

  绘制车体内饰吸声结构图纸，即多孔吸声材料和超材料结构。

4.5月1日-5月14日

  撰写完成设计计算说明书。

  问题一：我看你的吸声设计方案是分两个板块的，那么它们之间的关系是什么样的？为什么要分为两个方面研究？

  回答：两个吸声方案是相互独立的，关于多孔吸声材料的声学性能优化，我是基于地铁车体内装板防寒层中添加新型材方面研究的，我须通过对多孔吸声材料的声学性能，包括厚度、密度、孔隙率、流阻率等关键声学特性的研究把握多孔材料能够达到的最大降噪效果，因为吸声材料于车内降噪的能力有限，通过对其的研究，不能够达到我的设计目标，则须进行对于吸声结构的进一步研究，寻求更优化的车内降噪设计方案。

  问题二：为什么研究目标定为降低车内噪声2dB(A)？为什么选用隧道运行工况作为研究场景？

  回答：从物理能量角度，降低3dB(A)表示声音能量减半，相对来说意味着车内噪声有了很大程度的降低，所以我定为2dB(A)具有一定的实际意义和可操作性。关于选用隧道运行工况是因为隧道环境的声学特性更为严格，车内噪声比明线运行工况高出5-10分贝。同时，地铁运行的主要场景是在隧道，大多数地铁线路的隧道段占比超过70%，具有实际意义，且国际标准和行业规范通常要求以隧道工况作为噪声测试的基准条件，以确保数据可比性。

毕业设计做到中期这个时间点，我最大的感受就是在于课堂所学理论知识与实际工程项目设计的关系。我深刻认识到两者存在紧密联系，工程项目离不开对于理论知识的深刻把握，当然若只去理解和掌握理论知识而脱离工程项目，理论知识将失去意义。在本科接近四年的学习生涯中，总是觉得课堂上所学知识离自己有一定距离，认为学习任务既复杂又枯燥，没有正确认识到自己所学的知识将对未来的研究和工作产生巨大影响。直到开始进行毕业设计，我才更加明白了理论知识和课堂于我们学生的重要性。在毕业设计中，我最大的收获就是自主研究创新以及学习模仿。我阅读文献，学习他人的研究思路和方法，沉下心学习各种软件操作，梳理设计思路。在我的毕业设计中，我通过理论分析、材料选型、模型建立和仿真模拟等环节，深入研究了地铁车厢噪声控制的优化方法。这一过程不仅让我对轨道交通噪声治理有了系统性的认识，更在实践能力、学术思维和团队协作方面收获很大。课题研究过程中，我系统学习了声学基础理论，包括噪声传播机理、吸声系数评价方法及多孔材料的声学特性。通过查阅国内外文献，我了解到地铁车厢噪声主要来源，而内饰材料的吸声性能直接影响乘客舒适度。在导师指导下，我对比了传统吸声材料与新型复合材料，开展了方案研究。在设计验证阶段，我利用VA One对材料进行声学仿真，通过调整孔隙率、厚度等参数优化性能。然而，初期仿真结果与预期偏差较大，经反复试验才达到理想结果。我意识到，科研容不得半点马虎，极大提升了我的工程问题解决能力。毕业设计是本科阶段的“收官之作”，也是科研能力的检验。本次课题不仅让我掌握了声学材料的设计流程，更培养了我严谨求实的学术态度和解决复杂工程问题的信心。