高速列車VIP客室噪聲機(jī)理分析

高陽　吳健

（中車長春軌道客車股份有限公司工程研究中心，130062，長春∥第一作者，高級工程師）

在軌道交通快速發(fā)展的同時(shí)，隨著人們生活水平的提高、環(huán)保意識的加強(qiáng)以及噪聲防治相關(guān)法律的強(qiáng)制實(shí)施，軌道交通列車車內(nèi)噪聲問題日益突出，受到了社會上的廣泛關(guān)注［1-3］。高強(qiáng)度、持續(xù)不斷的客室內(nèi)噪聲給司乘人員的身體帶來疲勞感和壓迫感，容易讓人脾氣暴躁、情緒波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能會給聽力帶來損傷，目前已成為高速列車噪聲控制研究的重點(diǎn)［4-6］。

為了獲得VIP客室內(nèi)噪聲聲壓級分布特性和頻譜特性，本文對我國某現(xiàn)役高速動(dòng)車組VIP客室在典型運(yùn)行速度下的噪聲特性進(jìn)行了測試，分析VIP客室內(nèi)噪聲形成機(jī)理，為后續(xù)高速動(dòng)車組VIP客室減振降噪工作提供科學(xué)依據(jù)和指導(dǎo)。

1　測試方案

列車在勻速運(yùn)行時(shí)，在VIP客室第1、2排座椅正前方距地板面1.2 m高處設(shè)置6個(gè)傳聲器測點(diǎn)（前排左、前排中、前排右、后排左、后排中、后排右）。測點(diǎn)的位置分布如圖1所示。為獲取測試車輛VIP客室內(nèi)噪聲的源強(qiáng)分布特性，在VIP客室第1排座椅后方、第2排座椅前方中間位置布置聲源識別球形陣列。為了了解VIP客室噪聲來源機(jī)理，在車體和轉(zhuǎn)向架區(qū)域布置了聲學(xué)和振動(dòng)測點(diǎn)（見圖2）。

圖1　VIP客室傳聲器測點(diǎn)布置

2　聲源特性分析

圖2　VIP客室聲源識別測點(diǎn)布置

圖3給出了VIP客室分別位于頭車或尾車兩種情況下的客室內(nèi)聲壓級總值。從圖中可以看出，VIP客室位于頭車時(shí)其聲壓級總值較其位于尾車時(shí)增大約5 dB。其主要原因在于頭車受到氣動(dòng)噪聲影響更為顯著。因此，欲降低頭車VIP客室的噪聲，需對高速列車的車頭采取低噪聲設(shè)計(jì)，降低車頭區(qū)域氣動(dòng)噪聲。

圖3　VIP客室聲壓級總值比較

為了進(jìn)一步分析車內(nèi)噪聲特性，圖4給出了尾車VIP客室內(nèi)噪聲的1/3倍頻程頻譜。在1/3倍頻程頻譜圖中，定義頻率聲壓級最大值以下10 dB范圍內(nèi)的頻率區(qū)域?yàn)樵肼曪@著頻段。由圖4可知，VIP客室內(nèi)噪聲的顯著頻帶為63～2 000 Hz。

圖5給出尾車VIP客室噪聲頻譜各1/3倍頻程的能量分布。結(jié)合圖4可知，125 Hz頻段對于尾車VIP客室內(nèi)的噪聲起主導(dǎo)作用，與此同時(shí)，500 Hz和630 Hz頻段的噪聲能量對于尾車VIP客室內(nèi)的聲學(xué)環(huán)境存在較大影響。為了降低尾車VIP客室噪聲，需從噪聲機(jī)理入手，分析125 Hz、500 Hz以及630 Hz頻段噪聲來源。

3　噪聲機(jī)理分析

圖6給出125 Hz、500 Hz和630 Hz頻段尾車VIP客室A計(jì)權(quán)聲源識別聲壓云圖。圖中下方區(qū)域是地板，上方為車頂板，兩側(cè)是左、右側(cè)墻。從圖中可以看出，125 Hz頻段噪聲主要來自于地板方向，500 Hz和630 Hz兩個(gè)頻段的噪聲主要來自于側(cè)窗上方的頂板區(qū)域。

圖4　VIP客室內(nèi)噪聲1/3倍頻程頻譜

圖5　VIP客室內(nèi)噪聲能量分布

圖7給出了尾車VIP客室內(nèi)噪聲的快速傅里葉變換（FFT）頻譜以及車外車頂區(qū)域氣動(dòng)噪聲、側(cè)墻氣動(dòng)噪聲、轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲信號和輪軌振動(dòng)信號的FFT頻譜。從圖中可以看出，尾車VIP客室內(nèi)125 Hz三分之一倍頻程頻段內(nèi)的126 Hz處、500 Hz三分之一倍頻程頻段內(nèi)的540 Hz處以及630 Hz段內(nèi)的569 Hz處等頻率存在顯著峰值。

從圖7中可以看出，輪軌振動(dòng)和轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲在126 Hz、540 Hz及569 Hz處均存在較為明顯峰值，車頂和側(cè)墻區(qū)域在這些頻率處并未發(fā)現(xiàn)顯著峰值。

由于上述頻譜曲線和頻率峰值是在列車勻速運(yùn)行情況下得到的，自身無法判斷是否與列車運(yùn)行速度相關(guān)，因此，可通過噪聲和振動(dòng)的時(shí)頻特性來進(jìn)一步分析。圖8給出了尾車VIP客室、車頂氣動(dòng)噪聲、輪軌區(qū)域噪聲以及輪軌振動(dòng)信號的時(shí)頻特性云圖。

由圖8可見，在尾車VIP客室噪聲峰值頻率126 Hz處，VIP客室內(nèi)噪聲、轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲和輪軌振動(dòng)信號具有顯著階次特征，對應(yīng)4.45階為車輛系

圖6　VIP客室A計(jì)權(quán)聲源識別聲壓云圖

圖7　尾車VIP客室噪聲FFT頻譜

統(tǒng)過枕跨頻率。結(jié)合VIP客室聲源識別結(jié)果和車外聲學(xué)和振動(dòng)測點(diǎn)的測試結(jié)果可知，輪軌噪聲通過空氣路徑，透過車體地板在車內(nèi)形成聲源貢獻(xiàn)。

在500 Hz和630 Hz頻段，對應(yīng)速度變化的540 Hz和569 Hz等峰值頻率，其與車輪19～24階和24.4階階次激勵(lì)頻率密切相關(guān)。結(jié)合車內(nèi)聲源識別和車外聲學(xué)和振動(dòng)測點(diǎn)的測試結(jié)果，分析判斷其產(chǎn)生機(jī)理為車輪19～24階非圓激勵(lì)，形成轉(zhuǎn)向架區(qū)域顯著的轉(zhuǎn)向架區(qū)域輪軌振動(dòng)和聲學(xué)激勵(lì)。這些激勵(lì)作用到外地板上，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)傳遞路徑傳遞給側(cè)墻和車窗內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，引起該部位內(nèi)飾結(jié)構(gòu)顯著振動(dòng)聲輻射，從而形成顯著聲源貢獻(xiàn)。

圖8　VIP客室時(shí)頻特性云圖

4　結(jié)論

（1）VIP客室位于頭車時(shí)其聲壓級總值較其位于尾車時(shí)增大約5 dB，其主要原因在于頭車受到車頭區(qū)域氣動(dòng)噪聲影響更為顯著。因此，欲降低頭車VIP客室的噪聲，需對高速列車的車頭采取低噪聲設(shè)計(jì)，降低車頭區(qū)域氣動(dòng)噪聲。

（2）在125 Hz頻段，對應(yīng)階次特性顯著的峰值頻率126 Hz，也是4.45階車輛系統(tǒng)過枕跨頻率。輪軌噪聲通過空氣路徑，透過車體地板在車內(nèi)形成尾車VIP客室在該頻段處的聲源貢獻(xiàn)。

（3）在500 Hz和630 Hz頻段，對應(yīng)隨速度變化的540 Hz和569 Hz等峰值頻率，其與車輪19～24階和24.4階階次激勵(lì)頻率密切相關(guān)。其產(chǎn)生機(jī)理為車輪19～24階非圓激勵(lì)，形成轉(zhuǎn)向架區(qū)域顯著的轉(zhuǎn)向架區(qū)域輪軌振動(dòng)和聲學(xué)激勵(lì)。這些激勵(lì)作用到外地板上，進(jìn)而通過結(jié)構(gòu)傳遞路徑傳遞給側(cè)墻和車窗內(nèi)飾結(jié)構(gòu)，引起該部位內(nèi)飾結(jié)構(gòu)顯著振動(dòng)聲輻射，從而形成顯著聲源貢獻(xiàn)。

［1］何賓.高速列車車外噪聲分布特征及車輪阻尼控制措施初步探討［D］.成都：西南交通大學(xué)，2011.

［2］何遠(yuǎn)鵬，焦洪林，趙悅，等.嵌入式軌道彈性材料特性對鋼軌振動(dòng)與聲輻射的影響［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2015，35（3）：51.

［3］韓光旭.高速列車車輪非圓化對振動(dòng)噪聲的影響及演變規(guī)律研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2015.

［4］劉玉霞，溫澤峰，肖新標(biāo)，等.不同阻尼形式對車輪振動(dòng)聲輻射特性的影響［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2014，34（4）：62.

［5］張捷，肖新標(biāo)，韓健，等.高速列車車內(nèi)客室端部噪聲分布特性與聲學(xué)模態(tài)分析［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2014，50（12）：97.

［6］伏蓉，張捷.高速列車車體輕量化層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計(jì)［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2016，36（1）：48.