地铁吸声材料的制备及其原理分析

摘要

在地铁建设快速发展中存在的一个重要问题就是行车引起的噪声对乘客和工作人员身体健康的影响。为了降低地铁隧道中的噪声污染,现有最常用的方法就是在轨道结构上做一些改进,如对轨枕块采用橡胶垫板、弹性垫板、弹性支承轨道结构等,但降噪效果只有2dB左右,并且这些降噪材料易老化、寿命短、维护和更换困难。人们都在尝试新的办法解决这一问题,已有理论认为在隧道壁面布置吸声材料,可使混响声减弱,明显降低噪声,本文对地铁隧道内声坏境分析建立起地铁隧道声环境模型,通过对模型的研究证明在地铁隧道中使用吸声材料能明显降低噪声的污染,证实了研究地铁内专用的吸声材料具有十分积极的意义。 地铁隧道位于离地表十米左右的地下,其具有特殊的环境特点：潮湿、环境封闭、气流冲击强。因此要求材料防水、防潮,不含有腐蚀性的物质,耐火性能好,持久耐用,强度足够高,又要与四周混凝土墙基良好结合。通过对现有吸声材料的分析发现,它们都不适宜在地铁环境中使用,开发一种新的吸声材料用于地铁环境是必要的。 本文根据地铁隧道内环境特点,选择以陶粒等为主要原材料制备适用于地下隧道等潮湿、半封闭环境的多孔性吸声材料。选用以抛光砖废料为主要原料制备的陶粒,对工业废渣一抛光砖废料进行再利用。通过实验对比,制定最佳工艺流程。分析了材料的厚度、容重、内部孔结构、表面形态和背后空腔以及原材料配比对材料性能的影响规律。在配比优化过程中利用神经网络建立模型,探寻原材料的配比和材料性能的内在联系,预测材料的综合性能以及吸声系数曲线,指导实验加速进行。最终得到的材料降噪系数(NRC)达到0.731,抗折强度4.57MPa,抗压强度8.9MPa,综合性能超过了目前任何一种无机类多孔吸声材料。 已有对多孔吸声材料流阻的研究都停留在定性讨论阶段,本文进一步深入,测试了材料的流阻值,定量的研究了原材料配比对流阻的影响,建立了流阻和材料吸声性能、力学性能的关系,发现材料的吸声性能随着流阻的增加先增后减,强度也随流阻的增加呈先增后减的趋势,但是当流阻的对数在3.06～3.33这一范围内时,抗折和抗压强度均大幅下降。实验确定了流阻的最佳取值范围,这对于材料的制备和对孔隙结构的进一步研究具有重要的意义。 本文采用显微分析法对多孔材料横截面的孔隙特征进行定量分析,以孔隙的黏滞效应产生声阻为理论基础,将孔网络结构理想化为单一尺寸开放孔,建立几何模型。提出有效孔隙率的概念,消除对材料吸声作用贡献不大的侧面开孔的影响,作为描述孔隙特征的参数。研究了材料中值孔径、有效孔隙率和流阻、吸声性能的关系,建立起材料微观孔隙状况和宏观吸声性能之间的联系,为从孔隙结构的角度设计多孔吸声材料提供理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1地铁的发展及其噪声治理现状

1.1.1地铁发展现状

1.1.2地铁噪声及其治理现状

1.2噪声与噪声控制概述

1.2.1噪声的概念

1.2.2环境噪声评价

1.2.3环境噪声测量

1.2.4噪声对人体健康的影响

1.2.5噪声控制

1.3吸声材料

1.3.1吸声材料的应用

1.3.2吸声材料性能的评价

1.3.3吸声材料的分类

1.4地铁环境吸声材料的选择

1.4.1地铁环境对材料的要求

1.4.2主要原材料的选择

1.5陶瓷废料的来源及利用

1.5.1陶瓷废料的来源与分类

1.5.2抛光砖废料国内外综合利用现状

1.6本课题研究的目的、意义和主要内容

第二章材料的制备

2.1原材料

2.1.1主要原材料的性能

2.1.2陶粒的选择

2.1.3主要原材料的预处理

2.2实验设备及实验方法

2.2.1吸声性能的测试

2.2.2空气流阻的测试

2.2.3孔结构的压汞法测试

2.2.4陶粒吸水率的测试

2.2.5力学性能的测试

2.3制备工艺

2.3.1发泡剂的选择

2.3.2制备工艺流程

2.4本章小结

第三章地铁吸声材料组成和性能的研究

3.1地铁吸声材料的吸声机理

3.1.1多孔吸声材料的气孔特性

3.1.2地铁吸声材料的吸声机理

3.2影响地铁吸声材料吸声特性的因素

3.2.1厚度

3.2.2容重

3.2.3内部孔结构

3.2.4表面形态

3.2.5背后空腔

3.3材料配比的研究

3.3.1骨料粒径和级配

3.3.2水灰比

3.3.3水泥掺量

3.3.4掺合料

3.3.5聚丙烯纤维

3.4利用神经网络建立预测模型指导配比研究

3.4.1预测模型的设计

3.4.2材料综合性能预测模型的建立

3.4.3吸声系数曲线预测模型的建立

3.5本章小结

第四章材料的孔隙和性能的关系

4.1流阻和材料性能的关系

4.1.1材料配比对流阻的影响

4.1.2流阻和材料性能的关系

4.2孔隙特征参数的确定

4.2.1模型的选取

4.2.2显微结构分析

4.2.3几何模型的建立

4.3材料孔隙结构和性能的关系

4.3.1中值孔径和流阻的关系

4.3.2中值孔径和吸声性能的关系

4.3.3有效孔隙率和流阻的关系

4.3.4有效孔隙率和吸声性能的关系

4.4本章小结

第五章地铁吸声材料在地铁隧道环境中的应用研究

5.1地铁隧道环境中的耐久性研究

5.1.1提高材料耐久性的措施

5.1.2地铁隧道环境的模拟

5.1.3实验分析

5.2地铁隧道环境中的耐火性研究

5.3地铁隧道环境中的应用效果研究

5.3.1隧道内声场的特点

5.3.2隧道内声压级计算

5.3.3声源——列车模型的设计

5.3.4地铁隧道声环境模型的建立

5.3.5模型的验证

5.3.6吸声材料使用效果的探讨

5.4本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢