地鐵車輛的車內(nèi)噪聲控制及評價探究

潘浩　范蘭永

摘 要：地鐵車輛的車內(nèi)噪聲是乘坐地鐵舒適性的一項重要標(biāo)準(zhǔn)，因而研究車內(nèi)噪聲可以有效地了解乘坐的舒適性，為進(jìn)一步改進(jìn)車體結(jié)構(gòu)做出指導(dǎo)，保障旅客舒服。本文重點分析了地鐵車輛運行時車內(nèi)噪聲的成因及傳播路徑，并針對噪聲源、隔聲、減振、吸聲等多方面提出了地鐵車輛的車內(nèi)噪聲的控制方法和對策。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；車內(nèi)噪聲；聲壓測量

地鐵車體壁板振動引起的車內(nèi)噪聲影響旅客的乘坐舒適性。這種結(jié)構(gòu)性噪聲屬于低頻噪聲，傳統(tǒng)的A計權(quán)聲壓級評價方法不能準(zhǔn)確反映乘客對車內(nèi)低頻噪聲的主觀感受。利用噪聲響度作為評價指標(biāo)，能夠綜合考慮人體心理反應(yīng)機制和噪聲感知特性。目前噪聲響度主要用于評價汽車車內(nèi)噪聲研究，而應(yīng)用于地鐵車輛車內(nèi)噪聲特性評價的相關(guān)研究尚無報道。本文選擇沈陽地鐵2號線車輛為研究對象，首先進(jìn)行車內(nèi)低頻噪聲的A計權(quán)聲壓級預(yù)測和控制，然后采用相應(yīng)的方法對車內(nèi)噪聲進(jìn)行噪聲響度評價。

一、地鐵車輛噪聲傳播途徑分析

車內(nèi)噪聲主要由空氣聲、固體聲和混響聲3部分組成。車輛上幾乎所有的噪聲源都對車內(nèi)輻射噪聲，加上車體自身產(chǎn)生的噪聲及車體對外部噪聲的放大作用，使得車內(nèi)噪聲控制成為一項相當(dāng)復(fù)雜的工作。噪聲傳人車內(nèi)的途徑大致可分為空氣傳播和固體傳播?？諝鈧鞑ヂ暿侵杠囃庠肼曂ㄟ^車體各部分的縫隙傳人車內(nèi)的噪聲。固體傳播聲可分為二次固體聲和二次固體聲。一次固體聲是指鋼軌和車輪間的振動通過彈簧系統(tǒng)傳給轉(zhuǎn)向架和車體，使地板等振動產(chǎn)生的噪聲。二次固體聲是指聲源輻射的聲能激振車體外殼，使車內(nèi)地板、下墻板、車窗等產(chǎn)生振動，并向車內(nèi)輻射的噪聲，即車外噪聲通過車體結(jié)構(gòu)傳播的透射噪聲。地鐵列車大量采用固定式車窗和密封性能好的車門，空氣傳播聲較小，滾動噪聲以及車外噪聲的二次固體聲占車內(nèi)噪聲的大部分。

二、車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測與分析

（一）車體壁板位移邊界條件傳遞

車體結(jié)構(gòu)模型與車內(nèi)聲場模型均為單獨建立，聲場邊界元網(wǎng)格的節(jié)點號與車體結(jié)構(gòu)模型的有限元網(wǎng)格的內(nèi)表面節(jié)點號不一致。因此無法將車體結(jié)構(gòu)振動位移作為邊界條件直接傳遞給聲場邊界元模型；SYSNOISE軟件利用由ANSYS軟件計算各個頻率的結(jié)構(gòu)位移作為聲場邊界條件進(jìn)行聲場預(yù)測時，每次只能計算1個頻率，而不能一次性地計算出所有頻率結(jié)構(gòu)振動對應(yīng)的聲學(xué)響應(yīng)，計算效率太低。為解決這2個問題，用FORTRAN語言在2個分析軟件之間設(shè)計1個接口程序，把整個模型計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的位移進(jìn)行重新排序，使之與單獨生成的聲場邊界元網(wǎng)格的節(jié)點序號相一致，并且可以一次性地將不同頻率下的振動位移作為邊界條件傳遞，使SYSNOISE軟件能一次全部計算出結(jié)構(gòu)振動對應(yīng)的各個頻率的聲學(xué)響應(yīng)。

（二）車內(nèi)聲場預(yù)測結(jié)果

將生成的邊界條件導(dǎo)入車內(nèi)聲場邊界元模型，SYSNOISE軟件自動把節(jié)點位移邊界轉(zhuǎn)化成節(jié)點振動速度邊界，進(jìn)行車內(nèi)聲場計算。參照GB14892-2006《城市軌道交通列車噪聲限置和測量》，在車體地板上方1.2m處，在車體長度方向中心線上的車內(nèi)中部和兩端部選取5個位置點，點間隔為4m，作為車內(nèi)聲場觀測點，并確立聲場縱向和橫向觀測平面?？v向觀測面位于地板上方1.2m處.聲場橫向觀測面從車體中部橫剖面開始.每隔2m取1個橫剖面.在頻率0-200Hz范圍內(nèi)，取步長為10Hz，進(jìn)行車內(nèi)聲場預(yù)測。峰值對應(yīng)的頻率分別是70，90，120，190Hz.其中頻率70H暑時觀測點2和觀測點3處的聲壓級超過75dB，另外3個觀測點處的聲壓級也超過70dB。在頻率150Hz時車內(nèi)聲壓級最低，對比車體結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，頻率70Hz時車體變形相對劇烈，故導(dǎo)致對應(yīng)頻率的車內(nèi)聲壓級值較大。而頻率150Hz時車體只是局部變形，所以車內(nèi)聲壓級值較小.另外，在頻率10Hz處，聲壓級最大接近90dB，對比車體所受載荷特性發(fā)現(xiàn)，該頻率附近軌道不平順激勵下轉(zhuǎn)向架對車體支撐處的振動載荷較大，導(dǎo)致車體振動響應(yīng)劇烈，引起車內(nèi)聲壓級增加。

三、地鐵車內(nèi)噪聲的應(yīng)對措施

（一）減少車體的振動

通過適當(dāng)?shù)能囕嗇喞庑渭庸ぃ瑑?yōu)化列車通過曲線的性能和平穩(wěn)性，在車體各構(gòu)件中，板件的聲輻射效率較高，板件振動對車身噪聲影響最大。為減弱板件的振動，可設(shè)置加強筋以提高其剛度；也可加裝阻尼材料或貼減振材料以增加振動的衰減。另外，在板件上涂阻尼材料以降低其聲輻射效率，對減少噪聲也很有效果。對于旋轉(zhuǎn)設(shè)備，可使用振動隔離器，如空氣壓縮機組柔性懸掛在車體下面，并進(jìn)行減振處理。車體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)避免與其發(fā)生共振。制動控制單元、防滑閥在排風(fēng)處均加消聲器。在設(shè)計設(shè)備支撐和支架時，采用彈性支撐方式，使其符合鐵路車輛振動的要求。

（二）隔絕傳播途徑

為了隔斷車輪的高頻振動通過車軸、軸箱、彈簧、構(gòu)架、搖枕等部件向上傳遞到車體各部，應(yīng)在軸箱與彈簧之間設(shè)置防振橡膠墊，同時中央彈簧選用對高頻振動隔離性能較好的空氣彈簧，使一次固體噪聲大大減小。為防止向車內(nèi)透過二次固體噪聲，應(yīng)在牽引電機、齒輪箱、空調(diào)機組等振動、噪聲源附近的車體上加隔聲材料，增加這部分車體結(jié)構(gòu)的隔聲性能。為防止車外噪聲通過空氣向車內(nèi)傳遞，需安裝具有氣密結(jié)構(gòu)的雙層中空玻璃側(cè)窗；車門系統(tǒng)使用蜂窩結(jié)構(gòu)、雙玻璃窗及在門板四周使用隔聲密封材料，加強門口鋼結(jié)構(gòu)的剛度，以防門口變形，使車門在關(guān)閉狀態(tài)下具有良好的噪聲衰減性。同時，采取密封措施，減小車內(nèi)壁板的孔隙數(shù)和尺寸，阻斷固體傳聲和削弱氣體傳聲。

四、結(jié)束語

地鐵噪聲控制是一門復(fù)雜的技術(shù)，它與輪軌摩擦、轉(zhuǎn)向架設(shè)計、車體氣密性、減振結(jié)構(gòu)、隔聲、吸聲、材料的選擇、設(shè)備的安裝等息息相關(guān)。只有綜合考慮各方面因素，將聲學(xué)設(shè)計融入地鐵設(shè)計過程的始終，把噪聲控制技術(shù)融入車輛的輕量化、氣密性、各種材料及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計之中，才能有效控制地鐵車內(nèi)噪聲，為乘客提供一個良好舒適的乘車環(huán)境。

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