梯度结构和层合结构在高铁木丝声屏障中的应用
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摘 要：通过在实际工程应用，我们对原有木丝声屏障进行了板材结构进行了调整有效地提高了板材的吸音和力学性能。
中图分类号：TU112 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0167-01
随着社会和经济的发展，人们对生活环境要求的提高以及国家提出的和谐社会理念。环境噪声污染治理成为城市轨道交通建设关注的重要内容。列车运行噪声频谱特性随列车速度、机车车辆类型、轨道结构的不同而不同。总体而言，列车运行速度越快，其噪声等效频率越高，高速铁路等效频率主要集中在1000～2000 Hz。
1 工程概况
我们承建的遂渝二线站前I标段工程新桥站（不含）至三星段（DK0+000～ZDK32+100）声屏障工程。人口居住较为集中。该工程经过遂宁市苹果园开发安置小区、流通坝特大桥通过的居民区。该段的声屏障工程是属于安民工程。工程对降噪要求很高。如果施工后还出现噪音降不下来，将会极大地影响沿线两边的居民的生活起居。
2 梯度功能材料的介绍
“人工结构化材料”是复合材料领域目前的发展方向，材料用途方向也形成“功能梯度材料”（Functionally Gradient Materials简称FGM），按照单一结构或者单一功能的材料发展到多功能一体化的复合材料的方向。功能梯度材料就是根据具体的使用要求、选择来将不同性能的两种材料通过先进的技术进行材料复合，其中间部分的结构组成会呈连续的梯状变化，这样复合出来一种性质功能也会呈梯度沿厚度方向变化的复合型新型材料。能够克服两种材料在结合部位性能不匹配因素是这种新型复合材料的显著特点，并且两侧不同的材料也同时具有各自的功能。航天飞机推进系统中燃烧室壁材料第一次对科学家们提出了特殊要求，根据这些要求涉及制备了陶瓷金属梯度功能材料，该材料成功将金属陶瓷涂层复合材料之间的界面消除，实现了缓和热应力和耐热隔热。从梯度功能的概念出发，通过金属、陶瓷、聚和物等不同材料的巧妙梯度复合，梯度材料在诸如核能、电子、光学、化学、电磁学、生物医学等许多技术领域乃至日常生活中都有着极大的应用前景。
3 木丝吸音板结构研究
以往我们所采用的木丝板声屏障多是单一的板材。为提高吸音效果，我们对板材结构进行调整。
由于高速铁路的车速比较快，最高时速都在速度200 km/h以上。这时吸声材料的吸声效果与材料的流阻有相当大的关系，材料的流阻过小，表现在材料的结构上就是材料孔隙率过高、孔尺寸过大，那么声波很容易通过材料，空气对声波的损耗小，吸声效果较差；相反如果材料的流阻过大，表现在材料的结构上就是孔隙率过低，孔尺寸过小，材料的特性阻抗与空气的特性阻抗相差很大，那么声波在材料的表面发生了反射，声波进入到材料的内部的量很少，这时，即便材料内部的孔结构再好，损耗能力再强，也无济于事。所以，吸声材料的流阻有一个最佳值，即其既利于声波在材料的表面发生很小的反射，尽可能多地传入到材料内部，又能使材料具有较好的损耗性能。满足这样的条件必然要求在材料设计时既要注意材料表面的特性阻抗与空气的特性阻抗差别较小，又要满足材料对声波的粘滞损耗大。显然，单一的声学结构是满足不了这样的要求，而梯度结构能很好地满足这样的要求，即材料的表面选择密度小、特性阻抗与空气相差小，内部材料的密度逐渐增大，保证声波在传播过程中不在界面处发生反射，使声波一直从低流阻端向高流阻端传播，从而保证声波既具有很好的传播效应又具有很强的损耗能力，表现在吸声上就是具有很高的吸声系数。我们此次试验是通过调整每层材料的密度来改变材料的流阻值。当然，这样的层合还不是严格意义上的梯度结构，只有增加层数，使各层的厚度尽可能的小才是理想的梯度材料。
我们制作了单层为1 cm，合计厚度为4 cm梯度结构，其综合了单一结构中密度大的低频吸声效果好高频吸声效果差，密度小的低频吸声效果差，而高频吸声效果好的优点，得到了高、低频吸声效果都良好的吸声材料。通过实验表明梯度结构的平均吸声系数要比单一密度吸声材料的好。
我们对此次的木丝吸音板在应用梯度结构的同时，也采用在木丝吸声材料背面设计一层0.5 cm混凝土基板。混凝土基板在起到隔声的同时，也起到反射的作用。反射波再次通过梯度结构时，再次对声波进行能量消减，形成吸隔两层式结构。其复合作用超过两者单独作用的算术相加，可以将声波大幅度地吸收。
4 板材制作中注意事项
4.1 木丝的矿化药剂浸渍处理
为了克服木材中的有害成分对水泥的阻凝作用，应采用水玻璃和硫酸铝溶液对木梗表面进行浸渍处理，浸渍时间约l～2 mm，封闭有碍水泥水化的有害物质析出。
4.2 水泥、木丝与水的混合搅拌
搅拌中水泥、木丝与水的混合均匀性至关重要。加入水泥并搅拌均匀，调整用水量使混合料干湿状态适宜。水加量不足会影响水泥水化强度，但水分过多时，水泥悬浮浆会流向板的表面，导致水泥表面结构疏松，同时还会影响板材的强度，同时造成木丝间搭接不牢形成分层和空洞。所以，进入混合机的水泥、木丝、水按要求进行定量计量。
5 结语
此次研究，我们成功地把梯度式层合结构和吸隔两层式结构应用到了木丝声屏障中，有效的提高了声屏障的吸声能力，同时，也提高了声屏障的力学性能。成功申请了一项专利，并通过了四川省科技鉴定。此课题为《高速铁路附属构件设备及材料研究》的子课题。《高速铁路附属构件设备及材料研究》获得了2011年四川省科技进步三等奖。
参考文献
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[3] 杨桂，刘方龙.具有广阔发展前途的纺织结构复合材料[R].九十年代我国复合材料发展展望研讨会.中国宇航学会，1990.