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基于振动和噪声性能的船用复合材料地板设计

刘成义 朱学康 叶梦熊 李金成

刘成义, 朱学康, 叶梦熊, 等. 基于振动和噪声性能的船用复合材料地板设计[J]. 中国舰船研究, 2020, 37(增刊): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01772
引用本文: 刘成义, 朱学康, 叶梦熊, 等. 基于振动和噪声性能的船用复合材料地板设计[J]. 中国舰船研究, 2020, 37(增刊): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01772
LIU C Y, ZHU X K, YE M X, et al. Design of shipboard composite floor based on vibration and noise performance[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 37(Supp): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01772
Citation: LIU C Y, ZHU X K, YE M X, et al. Design of shipboard composite floor based on vibration and noise performance[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 37(Supp): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01772

基于振动和噪声性能的船用复合材料地板设计

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01772
详细信息
    作者简介:

    刘成义,男,1990年生,硕士,工程师。研究方向:潜艇总体设计。E-mail:liuchengyii@163.com

    朱学康,男,1981年生,硕士,高级工程师。研究方向:潜艇总体设计

    叶梦熊,男,1984年生,硕士,高级工程师。研究方向:潜艇总体设计

    李金成,男,1987年生,硕士,高级工程师。研究方向:潜艇总体设计

    通讯作者:

    刘成义 

  • 中图分类号: U661.44

Design of shipboard composite floor based on vibration and noise performance

  • 摘要:   目的  为优化船用地板的声学性能,降低舱内偶发的振动和噪声,提出新型船用复合材料地板的设计方案,并开展相关试验研究。  方法  将测试板的4个角及其4个边的中间部位用螺栓固定,采用钢球跌落试验方法,使用不同重量的钢球从不同高度处向板中心跌落撞击,分别测试传统铝合金花纹板以及2种不同封边形式的复合材料板在受到冲击时产生的机脚振动值和空气噪声值,并量化分析新型复合材料板的减振、降噪效果。  结果  结果显示,在不同重量的钢球从不同高度跌落撞击下,2种封边形式的复合材料板的机脚振动值、空气噪声值均明显低于传统铝合金花纹板,减振、降噪值均超过9 dB,其中不锈钢封边板的效果优于T60阻尼材料封边地板。  结论  2种封边形式的新型复合材料板的声学性能明显优于传统铝合金花纹板,具有较好的推广应用价值。
  • 图  1  复合材料板结构示意图

    Figure  1.  Schematic of composite plate structure

    图  2  铝合金板与复合材料板示意图

    Figure  2.  Schematic of aluminum-alloy and composite plate

    图  3  复合材料板不同封边方案示意图

    Figure  3.  Schematic of composite plates with different edge bandings

    图  4  试验机架

    Figure  4.  Test bench

    图  5  测点布置

    Figure  5.  Arrangement of measuring points

    图  6  Ⅰ-1-3组试验振动测试线谱

    Figure  6.  Vibration spectrum of group Ⅰ-1-3 test scheme

    图  7  轻钢球跌落试验振动测试结果

    Figure  7.  Vibration results of lighter-ball-drop test

    图  8  轻钢球跌落试验减振效果对比

    Figure  8.  Comparison of vibration reduction effect in lighter-ball-drop test

    图  9  重钢球跌落试验振动测试结果

    Figure  9.  Vibration results of heavier-ball-drop test

    图  10  重钢球跌落试验减振效果对比

    Figure  10.  Comparison of vibration reduction effect in heavier-ball-drop test

    图  11  轻钢球跌落试验噪声测试结果

    Figure  11.  Noise results of lighter-ball-drop test

    图  12  轻钢球跌落试验降噪效果对比

    Figure  12.  Comparison of noise reduction effect in lighter-ball-drop test

    图  13  重钢球跌落试验噪声测试结果

    Figure  13.  Noise results of heavier-ball-drop test

    图  14  重钢球跌落试验降噪效果对比

    Figure  14.  Comparison of noise reduction effect in heavier-ball-drop test

    图  15  2种方案相对铝板的减振降噪效果对比

    Figure  15.  Comparison of vibration and noise reduction effects of two schemes relative to aluminum-alloy plate

    表  1  试验方案分组

    Table  1.   Group of test schemes

    钢球样件振动试验噪声试验
    轻钢球铝制地板Ⅰ-1-1Ⅱ-1-1
    阻尼封边Ⅰ-1-2Ⅱ-1-2
    金属封边Ⅰ-1-3Ⅱ-1-3
    重钢球铝制地板Ⅰ-2-1Ⅱ-2-1
    阻尼封边Ⅰ-2-2Ⅱ-2-2
    金属封边Ⅰ-2-3Ⅱ-2-3
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    表  2  Ⅰ-1-3组试验计算结果

    Table  2.   Calculation results of group Ⅰ-1-3 test scheme

    测试振动值/dB
    第1次126.2
    第2次131.3
    第3次126.8
    平均值128.1
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    表  3  不同跌落高度下的振动、噪声测试值及降噪效果

    Table  3.   Mearsurements and reduction of vibration and noise in ball-drop test

    分组样件不同跌落高度振动、噪声测试结果/dB不同跌落高度减振、降噪效果/dB总体效果/dB
    Ⅰ-1-1铝制地板129.0133.1140.0
    Ⅰ-1-2阻尼封边117.5123.9127.911.69.212.19.2
    Ⅰ-1-3金属封边117.0123.0128.112.010.111.810.1
    Ⅰ-2-1铝制地板142.0147.6151.8
    Ⅰ-2-2阻尼封边120.5127.8130.321.519.821.419.8
    Ⅰ-2-3金属封边121.2126.9129.920.920.721.920.7
    Ⅱ-1-1铝制地板85.889.187.5
    Ⅱ-1-2阻尼封边73.279.376.212.69.811.29.8
    Ⅱ-1-3金属封边72.977.375.112.911.912.411.9
    Ⅱ-2-1铝制地板93.197.9101.5
    Ⅱ-2-2阻尼封边77.382.885.015.815.116.515.1
    Ⅱ-2-3金属封边75.079.682.718.118.418.818.1
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-16
  • 修回日期:  2019-12-29
  • 网络出版日期:  2020-12-10

基于振动和噪声性能的船用复合材料地板设计

doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.01772
    作者简介:

    刘成义,男,1990年生,硕士,工程师。研究方向:潜艇总体设计。E-mail:liuchengyii@163.com

    朱学康,男,1981年生,硕士,高级工程师。研究方向:潜艇总体设计

    叶梦熊,男,1984年生,硕士,高级工程师。研究方向:潜艇总体设计

    李金成,男,1987年生,硕士,高级工程师。研究方向:潜艇总体设计

    通讯作者: 刘成义 
  • 中图分类号: U661.44

摘要:   目的  为优化船用地板的声学性能,降低舱内偶发的振动和噪声,提出新型船用复合材料地板的设计方案,并开展相关试验研究。  方法  将测试板的4个角及其4个边的中间部位用螺栓固定,采用钢球跌落试验方法,使用不同重量的钢球从不同高度处向板中心跌落撞击,分别测试传统铝合金花纹板以及2种不同封边形式的复合材料板在受到冲击时产生的机脚振动值和空气噪声值,并量化分析新型复合材料板的减振、降噪效果。  结果  结果显示,在不同重量的钢球从不同高度跌落撞击下,2种封边形式的复合材料板的机脚振动值、空气噪声值均明显低于传统铝合金花纹板,减振、降噪值均超过9 dB,其中不锈钢封边板的效果优于T60阻尼材料封边地板。  结论  2种封边形式的新型复合材料板的声学性能明显优于传统铝合金花纹板,具有较好的推广应用价值。

English Abstract

刘成义, 朱学康, 叶梦熊, 等. 基于振动和噪声性能的船用复合材料地板设计[J]. 中国舰船研究, 2020, 37(增刊): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01772
引用本文: 刘成义, 朱学康, 叶梦熊, 等. 基于振动和噪声性能的船用复合材料地板设计[J]. 中国舰船研究, 2020, 37(增刊): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01772
LIU C Y, ZHU X K, YE M X, et al. Design of shipboard composite floor based on vibration and noise performance[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 37(Supp): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01772
Citation: LIU C Y, ZHU X K, YE M X, et al. Design of shipboard composite floor based on vibration and noise performance[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2020, 37(Supp): 1–7 doi:  10.19693/j.issn.1673-3185.01772
    • 铝制板以其轻质、环保、经济、加工工艺成熟等优势,曾广泛应用于飞机、高速列车、船舶等地板的设计中。然而,在使用过程中,铝制地板逐渐暴露出一些问题,主要包括:在人员踩踏或重物跌落时易产生极大的噪声、减振性能差、长期使用后易氧化发黑、难以清洁保养等。因此,各行业开始寻找铝制地板的替代材料

      早在上世纪90年代,张立[1]等提出采用复合材料夹层结构替代铝板的构想,研究复合材料地板的应用,目前在飞机上已经得到广泛应用。对于高铁列车上的铝板的替代材料,国内研究团队主要是从改进截面形状和应用复合夹层结构2个方面进行了研究。例如,沈火明等[2]和姚丹[3]从优化高铁列车铝制地板外波纹板腹板倾角与高度、截面形状等方面优化吸声、减振性能,此类优化措施在提高减振性能的同时,也通常会增加结构的重量; 而金乃麒[4]、赵阳宇[5]、孙文静等[6]、张振威[7]以夹层结构替代铝板作为研究方向,从轻量化、面板层选取、芯层材料选取等方面,对复合材料夹层结构的吸声、减振效果进行了理论分析、有限元模拟和少量试验研究,结果表明复合材料夹层结构减振、降噪效果较好,其作用机理清晰,可较好地替代铝制地板。刘建良等[8]对浮力材料进行分析研究后,认为通过夹层结构的优化设计可以实现轻质化,以及提高强度、抗疲劳、阻燃、隔振与吸声等性能的目的,并探究了芯材对格栅夹层板振动的影响规律。在船舶上应用的铝制地板同样存在偶发噪声大、减振效果不佳的问题,然而国内对船用复合材料地板的研究较少,主要原因是船上环境复杂恶劣,改进受到空间狭小、重量严格的约束等。

      本文将提出符合船上使用条件的夹层结构复合材料地板方案,其面板采用耐腐蚀性较好的不锈钢材料,阻尼层参照李海涛[9]等的研究成果,采用聚氨酯材料。为降低聚氨酯逸散的有害物质对舱内空气的影响,在边缘进行封边处理。同时,根据安装需求,对下层面板进行局部加强。由于该方案中面板、芯层、封边材料均不相同,很难通过仿真计算来确定其减振、降噪性能,因此需开展声学性能试验研究。

    • 目前,我国船舶上通常不需要设置强结构平台的部分区域,普遍用4~7 mm厚的铝合金花纹板铺设在支撑格架上,作为人员通道。然而,铝合金花纹板在人员行走、物品跌落时,容易产生较大的噪声和振动,可能分散作业人员的注意力或影响人员休息。本节对地板受外载作用产生振动的机理进行分析,并以此为基础,进一步考虑船舶上地板使用区域潮湿、封闭等环境特点,提出了新型船用复合材料地板方案。

    • 船用铝制地板在受到人员踩踏、重物跌落等冲击载荷作用下会产生振动和噪声,此过程可以简化为外载瞬态激励模型,具有动能传递强烈、短暂、激励函数非周期、频谱连续等特点,其瞬态响应与持续时间及模态特性相关。这种离散的多自由度系统数学模型简化为

      $$ {{M}} \ddot {{x}} + {{C}} \dot {{x}} + {{K}} {{x}} = {{F}} $$ (1)

      式中:$\ddot {{x}}$$\dot {{x}}$${{x}}$分别为各自由度的加速度、速度和位移矢量;${{M}}$${{C}}$${{K}}$分别为结构的质量、阻尼和刚度矩阵;${{F}}$为外载荷矢量。

      采用模态叠加法,第i阶模态可表达为

      $${H_i}\left( \omega \right) = \frac{{ - {\omega ^2}}}{{k(\omega _1^2 - \omega - 2{\omega _1}\omega {\xi _{1i}})}}$$ (2)

      式中:${\omega _i}$${\xi _{1i}}$分别为第i阶模态的固有频率和相对一阶模态的阻尼比;ω为频率;ω1为第1阶模态固有频率;k为刚度。

      模态响应加速度频率响应函数为

      $$\left| {{H_i}\left( \omega \right)} \right| = \frac{{ - {{\bar \omega }_1}^2}}{{k\sqrt {\left( {1 - {{\bar \omega }_1}^2} \right) + 4{{\bar \omega }_1}^2\xi _{1i}^2} }}$$ (3)

      式中:${{\bar \omega }_1}= \omega /\omega_1$

      由上式可知,模态响应由冲击载荷和结构模态等特性共同决定。同阶模态对相对高频的冲击响应较少,而适当增加阻尼则能够抑制模态加速度的响应幅值。因此,可以通过将结构模态调整至非冲击输入频段、增加阻尼等方式来减小冲击加速度的响应值。

    • 本文提出一种使用约束阻尼层结构型式的新型船用复合材料地板方案,以增加阻尼的方式进行减振、降噪。该结构型式既能通过在芯层采用阻尼较大的非金属材料来提高地板阻尼,降低地板受冲击时的振动噪声[10-12],又能通过高强度面板和边缘对阻尼层的约束作用,满足地板承载能力、硬度、防滑性等要求,其结构示意如图1所示。

      图  1  复合材料板结构示意图

      Figure 1.  Schematic of composite plate structure

      撞击试验使用的新型复合材料地板几何尺寸为600 mm×600 mm,上、下面层采用薄的不锈钢面板,且下面层边缘区域局部进行了加厚。不锈钢板密度为7 850 kg/m3,弹性模量为205 GPa,泊松比为0.3。中间聚氨酯填充区域尺寸为510 mm×510 mm,密度为1 000 kg/m3,泊松比为0.475,硬度为95 HA。选用的聚氨酯材料硬度较低,难以满足边缘区域的强度要求,需进行封边处理。考虑到面层、边缘区域的一致性,边缘区域可采用不锈钢包覆; 考虑到满足船用要求的情况下尽可能降低芯层阻尼,边缘区域也可以采用符合船用要求且刚度介于不锈钢与聚氨酯之间的T60材料[13]进行填充。因此,提出了采用四周填充T60阻尼材料封边和不锈钢包覆边缘封边的两种不同封边方式的新型地板方案。经测量,新型复合材料地板的面密度均约17 kg/㎡,面密度介于5~6 mm厚的铝板之间,两种材料的地板的对比如图2所示,封边方案如图3所示。

      图  2  铝合金板与复合材料板示意图

      Figure 2.  Schematic of aluminum-alloy and composite plate

      图  3  复合材料板不同封边方案示意图

      Figure 3.  Schematic of composite plates with different edge bandings

    • 采用角钢制作了高试验机架,以模拟地板在船舶上的支撑。对先后安装在机架待测试的铝板及两种不同封边的新型复合材料地板进行试验。机架的4个机脚经卡箍与地面导轨固定,如图4所示。

      图  4  试验机架

      Figure 4.  Test bench

    • 试验采用了LMS多通道数据采集仪和B&K 4513加速度传感器,测点布置如图5所示。钢球跌落试验位置分别位于地板中心正上方距其表面20 ,50和80 cm处,噪声测点位于地板正上方1 m处,机脚振动测点位于支撑机架的4个机脚距离地板上表面40 cm的位置,试验中测点位置保持不变。设备安装方案、测试方法及环境背景噪声等均符合GJB 763.4-1989 《舰船设备结构振动加速度测量方法》等规范要求。

      图  5  测点布置

      Figure 5.  Arrangement of measuring points

      试验时,模拟船用地板振动、噪声产生的机理,分别将两种不同重量的钢球从图5所示3个不同高度自由释放,待其跌落至地板试验件中央,采集噪声、机脚振动的数据。钢球重量不超过0.5 kg,在每个高度均各开展3次试验,取平均值作为测试结果,以降低随机误差。

    • 以铝板作为对照组,分别测试铝板、阻尼封边和金属封边3种地板的振动及噪声,测试方案分组编号见表1。其中,编号的第1位Ⅰ表示振动测试,Ⅱ表示噪声测试;第2位1表示轻钢球,2表示重钢球;第3位中1~3代表3种地板方案。

      表 1  试验方案分组

      Table 1.  Group of test schemes

      钢球样件振动试验噪声试验
      轻钢球铝制地板Ⅰ-1-1Ⅱ-1-1
      阻尼封边Ⅰ-1-2Ⅱ-1-2
      金属封边Ⅰ-1-3Ⅱ-1-3
      重钢球铝制地板Ⅰ-2-1Ⅱ-2-1
      阻尼封边Ⅰ-2-2Ⅱ-2-2
      金属封边Ⅰ-2-3Ⅱ-2-3
    • 以第Ⅰ-1-3组为例,即在最高高度释放轻钢球,对金属封边方案进行撞击振动测试,并以测得的振动数据为例进行分析。3次测试得到的线谱如图6所示,图中,每条曲线表示当次试验中4个机脚振动的平均值。根据线谱数据,计算每次试验的振动值,以3次试验的平均值作为该组试验中地板的最终加速度振级,如表2所示。

      表 2  Ⅰ-1-3组试验计算结果

      Table 2.  Calculation results of group Ⅰ-1-3 test scheme

      测试振动值/dB
      第1次126.2
      第2次131.3
      第3次126.8
      平均值128.1

      图  6  Ⅰ-1-3组试验振动测试线谱

      Figure 6.  Vibration spectrum of group Ⅰ-1-3 test scheme

    • 根据上述试验方案,针对铝板和两种不同封边方式的新型复合材料地板,分别采用轻、重钢球从低、中、高3种高度进行跌落试验,并记录每次试验的振动、噪声测试结果,分析不同高度下的减振降噪效果。表3所示为试验及分析结果,其中,不同高度的减振、降噪效果均为该地板测试结果与同组试验中铝板测试结果的差值,而总体效果为3个不同高度下减振降、噪效果的最小值。

      表 3  不同跌落高度下的振动、噪声测试值及降噪效果

      Table 3.  Mearsurements and reduction of vibration and noise in ball-drop test

      分组样件不同跌落高度振动、噪声测试结果/dB不同跌落高度减振、降噪效果/dB总体效果/dB
      Ⅰ-1-1铝制地板129.0133.1140.0
      Ⅰ-1-2阻尼封边117.5123.9127.911.69.212.19.2
      Ⅰ-1-3金属封边117.0123.0128.112.010.111.810.1
      Ⅰ-2-1铝制地板142.0147.6151.8
      Ⅰ-2-2阻尼封边120.5127.8130.321.519.821.419.8
      Ⅰ-2-3金属封边121.2126.9129.920.920.721.920.7
      Ⅱ-1-1铝制地板85.889.187.5
      Ⅱ-1-2阻尼封边73.279.376.212.69.811.29.8
      Ⅱ-1-3金属封边72.977.375.112.911.912.411.9
      Ⅱ-2-1铝制地板93.197.9101.5
      Ⅱ-2-2阻尼封边77.382.885.015.815.116.515.1
      Ⅱ-2-3金属封边75.079.682.718.118.418.818.1
    • 对轻钢球从不同高度跌落时的振动测试值进行分析,结果表明:对于同种类型的地板,钢球跌落高度越高,机脚振动越大;两种不同封边方式新型地板的机脚振动相当,如图7所示;相对铝板而言,金属封边地板减振效果接近,大部分工况下略优于阻尼封边地板,考虑测量误差,认为金属封边地板减振效果整体略优,如图8所示; 总体减振效果介于9~12 dB之间。

      图  7  轻钢球跌落试验振动测试结果

      Figure 7.  Vibration results of lighter-ball-drop test

      图  8  轻钢球跌落试验减振效果对比

      Figure 8.  Comparison of vibration reduction effect in lighter-ball-drop test

    • 对重钢球从不同高度跌落时的振动测试值进行分析,结果表明:机脚振动及减振效果的趋势与轻钢球试验保持一致,如图9~图10所示;相对铝板而言,金属封边地板减振效果接近,大部分工况下略优于阻尼封边地板,考虑测量误差,认为金属封边地板减振效果整体略优; 总体减振效果介于20~22 dB之间。

      图  9  重钢球跌落试验振动测试结果

      Figure 9.  Vibration results of heavier-ball-drop test

      图  10  重钢球跌落试验减振效果对比

      Figure 10.  Comparison of vibration reduction effect in heavier-ball-drop test

    • 对轻钢球从不同高度跌落时噪声测试值进行分析,结果表明:对于同类型的地板,中等高度钢球跌落试验的噪声要高于低、高钢球跌落相应值,如图11所示;相比于对铝板,两种封边方案的效果比较接近,钢球从中等高度跌落时,金属封边地板降噪效果明显优于阻尼封边方案,如图12所示;总体降噪效果介于9~13 dB之间。

      图  11  轻钢球跌落试验噪声测试结果

      Figure 11.  Noise results of lighter-ball-drop test

      图  12  轻钢球跌落试验降噪效果对比

      Figure 12.  Comparison of noise reduction effect in lighter-ball-drop test

    • 对重钢球从不同高度跌落时噪声测试值进行分析,结果如图13~图14所示,由图可知:噪声值及降噪效果的基本趋势与轻钢球试验时保持一致,两种封边方案的降噪效果对比更加明显,金属封边地板的降噪效果明显优于阻尼封边方案;总体减振效果介于15~19 dB之间。

      图  13  重钢球跌落试验噪声测试结果

      Figure 13.  Noise results of heavier-ball-drop test

      图  14  重钢球跌落试验降噪效果对比

      Figure 14.  Comparison of noise reduction effect in heavier-ball-drop test

    • 在轻、重钢球跌落试验中,两种新型复合材料板的方案相对于铝板的减振、降噪效果对比如图15所示,由图可知:

      图  15  2种方案相对铝板的减振降噪效果对比

      Figure 15.  Comparison of vibration and noise reduction effects of two schemes relative to aluminum-alloy plate

      1)两种方案均能起到较好的减振、降噪效果,采用轻钢球进行试验时,减振效果约9.2 ~10.1 dB,降噪效果约9.8~11.9 dB;采用重钢球进行试验,减振效果约19.8~20.7 dB,降噪效果15.1~18.1 dB;可见,两种复合材料地板均能起到较好的减振、降噪效果,钢球质量越大,减振、降噪效果越好。

      2)轻、重钢球跌落试验中,金属封边地板的减振、降噪效果均优于阻尼封边方案,分析其原因可能为:虽然阻尼材料刚度较金属板低,理论上减振效果较好,但为了达到较好的封边效果,必须保证一定的宽度,本文设置的阻尼封边宽度是从边缘开始,相对安装螺栓对称布置,较宽的T60阻尼材料整体刚度可能接近甚至高于封边用的不锈钢,同时减少了阻尼性能较好的聚氨酯的使用面积,造成地板减振效果变差。

    • 本文以约束阻尼层结构具有较好的减振、降噪效果为理论依据,根据船舶使用环境,提出了两种不同封边形式的复合材料地板方案。通过采用不同重量的钢球从不同高度进行跌落试验,对各方案的地板噪声、机脚振动进行测试,并与传统船用铝制地板进行了对比。结果表明,本文提出的两种封边形式的新型复合材料地板减振降噪效果均优于传统的铝制地板,减振及降噪值均达到9 dB以上,其中金属封边地板的效果均优于阻尼封边方案,且钢球重量越大,效果越明显。考虑到船上行走的人员、跌落的重物重量要远高于试验所用钢球,预计新型地板将能达到预期的减振、降噪效果。

      本文主要从减振、降噪效果对新型船用地板进行了优选,而对于地板的结构强度、耐火等级、毒性、烟密度等,则通过其他阶段的研究工作进行了检测,结果均符合相关船用标准,故本文不再赘述。本研究工作对船用地板声学改进和降低舱室偶发的振动及噪声具有较高的参考价值。

参考文献 (13)

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