淺析司機(jī)室噪聲控制方法

杜俊廷 岳凱 施宗楠

摘 ? 要：目前機(jī)車在設(shè)計(jì)時(shí)可采用的隔音降噪措施很多，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、工藝等多方面的原因，機(jī)車司機(jī)室內(nèi)的噪聲仍得不到有效控制。本文對機(jī)車司機(jī)室噪聲的產(chǎn)生原理及控制方式進(jìn)行了分析和研究，重點(diǎn)介紹了隔聲和吸聲結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)以及一種司機(jī)室噪聲檢測的新方法，并對不同結(jié)構(gòu)的復(fù)合降噪材料在隔聲和吸聲性能上的差異進(jìn)行了比較，為司機(jī)室降噪設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)車 ?司機(jī)室 ?隔聲結(jié)構(gòu) ?吸聲結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U260.38 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）10（b）-0052-02

Abstract： At present， there are many sound insulation and noise reduction measures in locomotive design， but in practical application， due to structural design， manufacturing， technology and other reasons， the noise in locomotive driver's cab can not be effectively controlled. This paper analyses and studies the generation principle and control method of cab noise of locomotive， and mainly introduces the design essentials of sound insulation and sound absorption structure and a new method of cab noise detection， and compares the differences of sound insulation and sound absorption performance of composite noise reduction materials with different structures， so as to reduce cab noise. The design provides a basis.

Key Words： Locomotive; Cab; Sound insulation structure; Sound absorption structure

機(jī)車的噪聲是影響司乘人員安全的因素之一。為了提升司乘人員的安全性與舒適性，在機(jī)車車體結(jié)構(gòu)特別是司機(jī)室內(nèi)都進(jìn)行了附加的聲學(xué)處理，如密封、吸聲、隔聲處理等，以改善司機(jī)室的操作環(huán)境[1]。目前，機(jī)車司機(jī)室與內(nèi)部裝修結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在技術(shù)設(shè)計(jì)的同時(shí)對噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算十分困難，通常的做法是在機(jī)車試制后進(jìn)行實(shí)車測試，再根據(jù)測試結(jié)果對司機(jī)室結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，或者對后續(xù)生產(chǎn)車型的設(shè)計(jì)進(jìn)行更改。機(jī)車司機(jī)室的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，噪聲限制嚴(yán)格，這種頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳的模式，對于機(jī)車司機(jī)室噪聲的控制還是不夠完善。

本文從理論、材料性能、檢測方法三個(gè)方面進(jìn)行了研究，旨在為機(jī)車司機(jī)室的降噪設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 ?司機(jī)室振動和噪聲的理論研究

司機(jī)室噪聲分為兩大類型：一是由機(jī)車機(jī)械室內(nèi)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的噪聲以及機(jī)車外部噪聲通過縫隙與墻壁進(jìn)入室內(nèi)的空氣噪聲;另一個(gè)大類型是由于機(jī)車車體蒙皮振動而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)噪聲。結(jié)構(gòu)噪聲是由車輪與軌道摩擦所產(chǎn)生的噪聲、空氣動力學(xué)噪聲、受電弓噪聲等傳入機(jī)車車體結(jié)構(gòu)從而引起車體自身振動而產(chǎn)生的?？諝庠肼暱梢杂山档蜋C(jī)車機(jī)械室設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，提高機(jī)車車體的隔聲、吸聲性能來控制;結(jié)構(gòu)振動噪聲一般具有低頻特性，可以由增加降噪材料和隔聲結(jié)構(gòu)來控制，例如在司機(jī)室內(nèi)表面采用雙層復(fù)合板，中間填充隔聲降噪材料。

司機(jī)室噪聲控制的模式主要是被動控制，即阻斷噪聲傳播途徑。因此處理方法主要是從司機(jī)室車體鋼結(jié)構(gòu)的密封、吸聲，以及隔聲方面來進(jìn)行控制。

1.1 司機(jī)室的密封

司機(jī)室內(nèi)壁的縫隙與過線孔令噪聲能夠直接傳入。孔洞或縫隙面積越大，對墻體的隔聲量影響越大[2]。因此，須對機(jī)車司機(jī)室的密封性進(jìn)行提升，將所有沒有實(shí)際作用的縫隙堵塞，對因線路管路穿墻而產(chǎn)生的孔洞進(jìn)行密封處理。在實(shí)際生產(chǎn)操作中，對機(jī)車司機(jī)室車體各方向蒙皮銜接處等密封要求高的區(qū)域的焊縫均需采用滿焊，對由于空間結(jié)構(gòu)限制不能采用滿焊的區(qū)使用密封膠對縫隙進(jìn)行密封。對于穿過墻壁的線纜用過線環(huán)、膨脹材料進(jìn)行密封。

1.1.1 車外密封

司機(jī)室前窗玻璃與窗框之間的縫隙采用密封膠進(jìn)行連接與密封，以便使司機(jī)室前窗玻璃與窗框之間平滑過渡且保證具有良好的密封性能。避免使用凸出玻璃的密封橡膠條，使玻璃與窗框因過渡不平滑且密封不嚴(yán)而產(chǎn)生繞流，形成形成空氣動力學(xué)噪聲。

1.1.2 車內(nèi)密封

司機(jī)室門的隔聲性能，主要取決于門與門框之間的密封程度。門密封副的好壞取決于門與門框的平面度、門與門框的剛度、密封條的材料、截面形狀、鉸鏈的結(jié)構(gòu)等[3]。為了提高司機(jī)室門的隔聲性能，在門框以及門扇結(jié)構(gòu)上，宜采用高強(qiáng)度的整體邊框設(shè)計(jì)，以保證門框與門扇的平面度。

1.2 司機(jī)室的吸聲

1.2.1 吸聲材料

吸聲性能一般由吸聲材料吸收掉的聲能與入射聲能的比值即吸聲系數(shù)α來表示。吸聲系數(shù)范圍在0～1之間，若材料將聲音完全反射α=0，完全吸收則α=1。吸聲系數(shù)不僅與吸聲材料自身的尺寸、結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，還與吸聲材料在司機(jī)室內(nèi)的布置，噪聲入射的角度、頻率有關(guān)。目前機(jī)車司機(jī)室常用的吸聲材料有玻璃棉、泡沫塑料等多孔性材料。多孔材料的吸聲原理是當(dāng)聲波入射時(shí)引起多孔材料空洞內(nèi)空氣與細(xì)小纖維的波動，通過將聲能轉(zhuǎn)化為熱能而消耗掉。由于多孔性材料的孔隙尺寸與高頻聲波的波長相近，因而對高頻聲吸聲效果好，而對低頻聲吸聲效果較差。

1.2.2 吸聲結(jié)構(gòu)

為了彌補(bǔ)多孔性材料在低頻吸聲能力方面的不足，在實(shí)用中通常采用各種吸聲結(jié)構(gòu)來進(jìn)行吸聲處理，以獲得較好的低頻吸聲效果。吸聲結(jié)構(gòu)分為薄板吸聲、共振吸聲、穿孔板吸聲、微穿孔板吸聲結(jié)構(gòu)等多種。

多孔性吸聲材料大多是松散的，不能直接布置在司機(jī)室內(nèi)壁。實(shí)際應(yīng)用中用透氣的玻璃布、纖維布等包起來放入結(jié)構(gòu)框架內(nèi)，然后再加一層護(hù)面穿孔板。護(hù)面穿孔板可以是纖維板、鋼板、鋁板或鍍鋅鐵絲網(wǎng)等。

如果把鋼板、鋁板等以一定的孔徑和穿孔率打上孔，并在板后設(shè)置空氣層，這樣就構(gòu)成了穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)。穿孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)的最高吸聲系數(shù)出現(xiàn)在共振頻率處，其共振頻率可由下式計(jì)算：

式中：c為當(dāng)?shù)匾羲?，P為穿孔率，P=孔的總面積/板的總面積;h為空腔深度（單位m）;Lk為小孔的有效頸長，Lk=t+0.8d，t為板厚（單位m），d為孔徑（單位m）。

從上式可以看出，板的穿孔面積越大，吸收的頻率越高;空腔越深或頸口有效深度越長，吸收的頻率越低。穿孔板的穿孔排列方式一般有2 種，正方形和三角形（如圖1）。

在工程中，板厚一般取1.5～10mm，孔徑2～5mm，穿孔率0.5%～5%，腔深為50～300mm。國產(chǎn)化HXD2機(jī)車在司機(jī)室內(nèi)側(cè)采用了正方形排列的多孔板，板厚1.5mm，孔徑3mm，孔距6mm，空腔深度100mm;將參數(shù)代入公式（1）可以得到國產(chǎn)化HXD2機(jī)車共振吸聲結(jié)構(gòu)的共振頻率。由于人耳最敏感的頻率范圍是1000～3000Hz，因此國產(chǎn)化HXD2機(jī)車多孔板共振吸聲結(jié)構(gòu)可有效使司機(jī)室成員感到司機(jī)室很安靜。

2 ?控制司機(jī)室振動和噪聲的材料

2.1 復(fù)合隔聲材料

機(jī)車司機(jī)室一般先在機(jī)車內(nèi)壁覆蓋阻尼漿，然后再裝修板與內(nèi)壁之間填充復(fù)合隔聲材料。

目前使用的隔聲材料在性能上與較新的隔聲材料存在差距，在HXD2G型機(jī)車進(jìn)行隔聲降噪研究時(shí)，漢高公司對中車大同公司既有隔聲材料與漢高的產(chǎn)品進(jìn)行了對比。既有隔聲材料與漢高隔聲材料物理屬性如表1。

2.2 性能對比

隔聲量方面，漢高隔聲材料比大同公司既有隔聲材料要高大約20dB左右。

吸聲系數(shù)方面，漢高隔聲材料吸聲系數(shù)在低頻時(shí)低于大同公司既有隔聲材料，而在高頻段，要高于大同公司既有隔聲材料。這是因?yàn)闊o紡布可以使吸聲性能往低頻移動。

3 ?噪音源的查找

噪音源的查找這方面，傳統(tǒng)方法是在司機(jī)室?guī)讉€(gè)對噪音上限有要求的區(qū)域設(shè)置傳感器，測得關(guān)鍵點(diǎn)的噪音數(shù)值。這種方法可以得到設(shè)置傳感器區(qū)域的噪音值，從而對噪音值偏大測試點(diǎn)附近的降噪材料進(jìn)行加強(qiáng)，但無法準(zhǔn)確說明哪個(gè)位置是司機(jī)室空間內(nèi)噪音的輸入源，以及每個(gè)輸入源發(fā)出哪一個(gè)頻段的噪音。

新方法是使用聲學(xué)影像技術(shù)進(jìn)行噪音源查找，聲學(xué)影像可以很準(zhǔn)確地找到司機(jī)室頂棚、側(cè)墻、地板、等部分噪音源的準(zhǔn)確位置，可以確定不同頻率的噪音哪些位置的強(qiáng)度大，且結(jié)果以圖片的形式呈現(xiàn)一目了然。

參考文獻(xiàn)

[1] Liu Dongming，Yang shijie，Zhang jichao.Analysis of DriversBurden and Man-Machine Interfaces in High-Speed Locomotive Driving Cab[J]. Journal of Southewest Jiaotong University，1995，3（2）：143-148.

[2] 趙良省. 噪聲與振動控制技術(shù)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3] 劉曉波，張建潤，劉劍.電力機(jī)車司機(jī)室減振降噪設(shè)計(jì)[J].機(jī)車電傳動，2009（6）：13-17.