動(dòng)車組受電弓區(qū)域被動(dòng)降噪技術(shù)研究

梁永廷，徐福生，閆 鵬，楊 帥，曹 源

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 063035；2.北京科英精益技術(shù)有限公司，北京 100070；3.北京交通大學(xué) 軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國家工程研究中心，北京 100044）

高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲水平是動(dòng)車組乘坐舒適性的重要指標(biāo)之一，也是一直困擾軌道車輛行業(yè)技術(shù)人員技術(shù)研究的難點(diǎn)之一，世界上主要的高速鐵路國家都規(guī)定了本國的高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲限值[1]。通過噪聲特性的測試結(jié)果表明，動(dòng)車組高速行駛時(shí)，受電弓區(qū)域噪聲相對客室中部較為嚴(yán)重，是車內(nèi)噪聲治理的重點(diǎn)區(qū)域。

一般而言，高速動(dòng)車組車內(nèi)噪聲根據(jù)其傳播途徑的不同，可以分為空氣傳播和結(jié)構(gòu)傳播兩種主要形式[2]。其中，采用新型外裝隔聲結(jié)構(gòu)和提高內(nèi)裝材料的隔聲量主要是針對空氣傳播路徑進(jìn)行車內(nèi)噪聲治理的有效方法。

外裝結(jié)構(gòu)主要是結(jié)合車外既有空間在聲源與車體之間加裝隔聲結(jié)構(gòu)，從而降低車內(nèi)噪聲。提高內(nèi)部裝材料隔聲量則主要通過高性能的聲學(xué)材料加以實(shí)現(xiàn)。本文以受電弓平頂作為研究對象，從上述兩個(gè)方面進(jìn)行研究，探究新結(jié)構(gòu)及新材料的應(yīng)用對受電弓區(qū)域整體隔聲量的影響。為優(yōu)化車內(nèi)聲場環(huán)境提供方法借鑒和理論依據(jù)。

1 受電弓平頂組合結(jié)構(gòu)隔聲測試

1.1 隔聲測試及數(shù)據(jù)分析

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19889.3－2005《建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量》[3]，利用雙混響室法，對平頂結(jié)構(gòu)樣件進(jìn)行隔聲特性測試，測試方法如下：

將試件置于測試洞口內(nèi)，用螺栓加以固定并密封。12面無指向性聲源、傳聲器及其之間相互位置的技術(shù)要求滿足GB/T19889.3－2005。

（1）將聲源置于聲源室內(nèi)分別獲取聲源室和接收室內(nèi)各頻帶的平均聲壓級分別為La和Lb。

（2）將聲源置于接收室內(nèi)測試接收室內(nèi)的混響時(shí)間T[4-5]，根據(jù)式 （1），可求得試件的隔聲量。

式中，R為隔聲量，單位為dB；La為聲源室內(nèi)平均聲壓級，單位為dB；Lb為接收室內(nèi)平均聲壓級，單位為dB；S為試件表面積，單位為m2；T為接收室內(nèi)混響時(shí)間，單位為s；V為接收室的容積，單位為m3。

在工程上一般采用計(jì)權(quán)隔聲量Rw作為被測試件隔聲量的單值評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50121-2005《建筑隔聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[6]，將已測隔聲構(gòu)件在1/3倍頻程下的隔聲曲線與規(guī)定的參考曲線族進(jìn)行比較，得到試件的計(jì)權(quán)隔聲曲線，取該曲線在500 Hz頻率下的隔聲量作為計(jì)權(quán)隔聲量Rw。

采用PULSE Labshop作為隔聲測試數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，由于對測試數(shù)據(jù)處理分析時(shí)，需要打開多個(gè)測試文件，人工讀取和處理數(shù)據(jù)相當(dāng)復(fù)雜，為了保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和高效性，降低人工處理數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率，采用Matlab對PULSE Labshop進(jìn)行了二次開發(fā)，通過程序自動(dòng)識別不同的工程文件，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的自動(dòng)批量處理：（1）通過Matlab的Actxserver函數(shù)啟動(dòng)PULSE OLE服務(wù)器；（2）通過OpenProject函數(shù)打開PULSE數(shù)據(jù)分析模板；（3）通過相關(guān)句柄獲取測試數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與輸出，獲得修正后的隔聲量頻譜[7]。

1.2 隔聲測試方案及測試結(jié)果

針對高速動(dòng)車組平頂結(jié)構(gòu)隔聲性能要求并綜合考慮重量、空間的限值，初步設(shè)計(jì)了5種平頂結(jié)構(gòu)組合方案，方案內(nèi)容，如表1所示。其中，方案1為基礎(chǔ)方案。方案2～方案5作為對比方案。分別探究輕質(zhì)吸音棉、超薄吸音板等新材料和隔聲罩等新結(jié)構(gòu)對平頂結(jié)構(gòu)隔聲性能的影響。需要說明的是，方案內(nèi)容從上至下即為實(shí)驗(yàn)樣件從外到內(nèi)的順序，即最上部分面對聲源一側(cè)，最下部分為背離聲源一側(cè)。

表2給出了5種受電弓平頂結(jié)構(gòu)組合方案的測試結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可以得出，隨著新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及新材料的加入，整體結(jié)構(gòu)方案的隔聲量也逐步提高，下面通過對比分析各方案之間的隔聲量曲線圖，來說明新結(jié)構(gòu)及新材料對組合方案的整體影響。

表1 受電弓平頂結(jié)構(gòu)組合方案

表2 平頂組合方案計(jì)權(quán)隔聲量

1.3 隔聲量曲線對比及分析

（1）對比方案2與方案1，計(jì)權(quán)隔聲量提高了1.4 dB，其隔聲量曲線，如圖1所示，從曲線對比中可以看出方案2的隔聲量在各頻段均有提升，尤其是在噪聲處理較難的低頻段125～400 Hz有較為顯著的提高。

圖1 方案1與方案2隔聲量對比曲線

方案2相對于方案1在面對聲源一側(cè)增加了新型隔聲結(jié)構(gòu)隔聲罩。隔聲罩是一款可以根據(jù)車體外部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制的降噪產(chǎn)品，其安裝部位在車體外側(cè)，不占用車體內(nèi)部空間。因?yàn)楦袈曊值拿婷芏容^大，根據(jù)質(zhì)量定律，隔聲量與材料表面密度的對數(shù)成正比，所以隔聲罩的隔聲能力也較強(qiáng)，其計(jì)權(quán)隔聲量可達(dá)到40 dB，隔聲量曲線，如圖2所示，并且隔聲罩的安裝位置在聲源與車體之間，讓其能夠讓噪聲在進(jìn)入車體之前就被大量的反射而過濾掉，從而提高受電弓平頂處整體的隔聲效果。

圖2 隔聲罩隔聲量曲線

（2）對比方案3與方案2，計(jì)權(quán)隔聲量提高了1.4 dB，其隔聲量曲線，如圖3所示，從曲線對比中可以看出方案3相對于方案2的隔聲量在各頻段均具有提升，在800 Hz以上中高頻段的提升尤其明顯。

圖3 方案2與方案3隔聲量對比曲線

方案2相對于方案1在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)增加了高性能輕質(zhì)吸音棉。高性能輕質(zhì)吸音棉是高分子化學(xué)和電氣工程的技術(shù)融合所開發(fā)的新型材料，其按照吸聲原理可歸類為多孔吸聲材料中的泡沫材料，當(dāng)聲音在其內(nèi)部的孔洞和間隙之間傳播時(shí)，由于摩擦和粘滯力的作用，使相當(dāng)一部分聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲波衰減，反射聲減弱達(dá)到吸聲的目的。它的吸聲性能約為傳統(tǒng)聚氨酯吸音棉的2.8倍，三聚氰胺的1.3倍，其吸聲系數(shù)曲線，如圖4所示。密度僅為27 kg/m3，在達(dá)到很好降噪效果的同時(shí)，又不會增加太多的重量，符合目前車輛的輕量化要求。并且本次實(shí)驗(yàn)方案中加入空氣層，根據(jù)詹沛等人對含空氣層與多孔材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲特性研究[8]，空氣層以及多孔材料對復(fù)合結(jié)構(gòu)的隔聲性能有積極的影響。

圖4 輕質(zhì)吸音棉吸聲系數(shù)曲線

（3）對比方案4與方案2，計(jì)權(quán)隔聲量提高了1.7 dB，其隔聲量曲線如圖5所示，從曲線對比中可以看出方案4相對于方案2的隔聲量在各頻段均具有提升，在400 Hz以下低頻段和1 000 Hz以上高頻段的提升最為明顯。

圖5 方案2與方案4隔聲量對比曲線

（4）方案4相對于方案2在結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)增加了高性能超薄吸音板。高性能超薄吸音板按照吸聲原理可歸類為多孔吸聲材料中的吸聲金屬材料。它在低頻到高頻有著極其優(yōu)異的吸聲性能，尤其是在較難處理的低頻段有著良好的表現(xiàn)，其吸聲系數(shù)曲線，如圖6所示，并且其厚度僅為1.8 mm，不會占用大量車內(nèi)空間。高性能超薄吸音板的對受電弓平頂整體隔聲量的影響與高性能輕質(zhì)吸音棉大致相同，都是將聲能轉(zhuǎn)化成熱能消散掉，進(jìn)而使隔聲量得到提高。

圖6 超薄吸音板吸聲系數(shù)曲線

（5）對比方案5與方案2，計(jì)權(quán)隔聲量提高了1.9 dB，其隔聲量曲線，如圖7所示，從曲線對比中，可以看出方案5相對于方案2的隔聲量在全頻段都有了提升與加強(qiáng)。

圖7 方案2與方案5隔聲量對比曲線

方案5相對于方案2在結(jié)構(gòu)中同時(shí)增加了高性能輕質(zhì)吸音棉和高性能超薄吸音板，隔聲量曲線對比結(jié)果表明輕質(zhì)吸音棉和鋁纖維吸音板，在吸音效果上進(jìn)行了互補(bǔ)疊加，使得受電弓平頂處的隔聲量從低頻到高頻整體都得到了提高。

2 結(jié)束語

通過5組受電弓平頂組合方案的隔聲測試結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）在受電弓平頂基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中單獨(dú)施加隔聲罩可以使整體結(jié)構(gòu)獲得1.4 dB的隔聲量提升效果；繼續(xù)增加輕質(zhì)吸音棉，可以使整體結(jié)構(gòu)隔聲量再提高1.4 dB；在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中同時(shí)施加隔聲罩及超薄吸音板，可以獲得3.1 dB的隔聲提升效果；同時(shí)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中施加隔聲罩、輕質(zhì)吸音棉和超薄吸音板，可以使整體隔聲量提高3.3 dB。

（2）在受電弓平頂隔聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，可以將不同類型的吸聲材料和空氣層進(jìn)行搭配組合，來提升整體結(jié)構(gòu)全頻段的隔聲量。

本文研究結(jié)論可為動(dòng)車組受電弓結(jié)構(gòu)的隔聲設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

[1] Noise creation limits for railways[S].[S.1.] UIC Subcommission Nosie and Vabrations,2002.

[2] EADE P W, HARDY A E J.Railway vehicle internal noise [J].Journal of Sound and Vibration, 1997,51(3):403-415.

[3] 全國聲學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化委員會.建筑和建筑構(gòu)件隔聲測量第3部分：建筑構(gòu)件空氣聲隔聲的實(shí)驗(yàn)室測量：GB/T 19889-2005 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.室內(nèi)混響時(shí)間測量規(guī)范：GB/T 50076-2013[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[5] 尹力軍, 葉年發(fā), 潘立超,等. 鐵路車站大空間混響時(shí)間的測試與分析[J]. 鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013， 22（5）：37-40.

[6] 中華人民共和國建設(shè)部.建筑隔聲評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 50121-2005 [S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[7] 盧 瑜. Pulse振動(dòng)測試軟件的后續(xù)開發(fā)[J]. 宇航計(jì)測技術(shù),2009, 29（4）：71-73.

[8] 詹 沛，白國鋒，牛軍川，等. 含空氣層與多孔材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲特性研究[J]. 應(yīng)用聲學(xué)，2014，33（5）：426-432.