碳纖維車體地鐵列車車內(nèi)噪聲分析

田 彩，張 捷，李志輝，蔣文杰，郭建強(qiáng)，肖新標(biāo)

（1.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031；2.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266000）

隨著軌道交通行業(yè)的迅速發(fā)展，地鐵車內(nèi)噪聲問題越來越受到人們關(guān)注，如何有效降低地鐵列車的車內(nèi)噪聲成為研究的重點(diǎn)[1-3]。而碳纖維復(fù)合材料由于比強(qiáng)度、比模量高，耐疲勞、耐腐蝕性能好，因而在減重、強(qiáng)度、可設(shè)計(jì)性等多個(gè)方面均具有金屬材料無法媲美的優(yōu)勢，比如：可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，整體成型，減少車體零部件數(shù)量，減少裝配工作量，從而減少零件數(shù)量，縮短制造周期，降低維修成本；實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)減重，可降低列車運(yùn)行的能量損耗；疲勞性能好，能解決疲勞及裂紋擴(kuò)展問題；同時(shí)隔熱阻燃性能好，這使得碳纖維材料在軌道交通領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢和發(fā)展前景，法國的TGV高速列車在車體上采用了碳纖維和玻璃纖維混合織物夾層結(jié)構(gòu)，使得車體較之鋁合金車體減重25 %，同時(shí)通過線路試驗(yàn)，對其耐火性以及抗沖擊強(qiáng)度等進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了碳纖維與玻璃纖維復(fù)合材料車體在絕熱性能方面的優(yōu)點(diǎn)[4]；韓國2010年投入商業(yè)化運(yùn)營的TTX 列車的側(cè)墻、端墻、車頂均采用了碳纖維夾層結(jié)構(gòu)，使得車體重量較傳統(tǒng)車體減少30%，并通過系列的測試分析，發(fā)現(xiàn)車體的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、防火安全性、模態(tài)特性等各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足設(shè)計(jì)要求[5]。而在國內(nèi)，目前已經(jīng)完成了次承載件和零部件的研制與應(yīng)用，比如高速列車司機(jī)室頭罩、裙板、受電弓導(dǎo)流罩等[2]，碳纖維材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用正在逐漸從車內(nèi)設(shè)備等非承載結(jié)構(gòu)零件向車體主要承載構(gòu)件如側(cè)墻、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等拓展，從裙板、導(dǎo)流罩等零部件向司機(jī)室、整車車體等大型結(jié)構(gòu)發(fā)展，同時(shí)由于碳纖維材料的質(zhì)量輕，將會使得國內(nèi)軌道交通領(lǐng)域的輕量化取得突破性進(jìn)展，而隨著結(jié)構(gòu)的輕量化，結(jié)構(gòu)的隔聲和振動特性等會相應(yīng)改變，因此有必要對碳纖維材料的聲振特性進(jìn)行研究。

Kim 等[6]對使用碳纖維螺旋多孔結(jié)構(gòu)提高復(fù)合材料的吸聲性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，提出了一種由碳纖維和桑皮紙以螺旋形狀組成的吸聲結(jié)構(gòu)并調(diào)查了它的吸聲性能，特別是在低頻情況下，復(fù)合螺旋形狀的吸聲器上涂上一層碳纖維，具有良好的吸聲效果。張喆[7]以碳纖維復(fù)合材料層合板為研究對象，通過理論推導(dǎo)和數(shù)值仿真，建立了碳纖維復(fù)合材料層合板的傳遞損失模型，對其隔聲特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)厚度相同時(shí)，碳纖維板在中低頻的隔聲能力比鋼板差，而與鋁板相近。Zhang等[8]在實(shí)驗(yàn)室對相同厚度的鋼、鋁和碳纖維復(fù)合材料的隔聲特性進(jìn)行了試驗(yàn)對比分析，發(fā)現(xiàn)厚度相同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料的隔聲效果較差，并基于測試數(shù)據(jù)建立了汽車車內(nèi)噪聲仿真的有限元模型，通過該模型探究了不同材料頂板對車內(nèi)噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)采用碳纖維復(fù)合材料頂板時(shí)的車內(nèi)聲壓級與采用其他材料頂板時(shí)的車內(nèi)聲壓級沒有太大差異。

但是到目前為止，對于采用碳纖維車體的地鐵車輛的車內(nèi)噪聲特性、關(guān)鍵部件的隔聲和振動特性以及碳纖維車體對地鐵車輛輕量化設(shè)計(jì)的影響所做的研究鮮見報(bào)道。

本文針對國內(nèi)一種新型碳纖維車體地鐵列車，基于線路試驗(yàn)方法，對比分析碳纖維車體和鋁型材車體的車內(nèi)噪聲差異、關(guān)鍵部件的聲振特性差異，通過建立車內(nèi)噪聲仿真模型，分析碳纖維車體隔聲和振動對車內(nèi)噪聲的影響，進(jìn)而探討碳纖維車體在輕量化和聲學(xué)性能優(yōu)化上的設(shè)計(jì)問題。

1 試驗(yàn)概況

新型碳纖維車體地鐵列車采用2 動2 拖的4 編組形式，其中2車、3車為動車，受電弓位于頭尾車司機(jī)室上方區(qū)域，測試車廂為2 車和3 車，其中2 車為碳纖維車體，3 車為鋁型材車體。圖1（a）為列車車內(nèi)噪聲測點(diǎn)以及隔聲的測試區(qū)域示意圖，圖1（b）為A-A斷面的地板振動測點(diǎn)示意圖。

圖1 試驗(yàn)測點(diǎn)位置示意圖

2 車內(nèi)噪聲特性分析

圖3給出了地鐵列車在明線以60 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)碳纖維車體和普通鋁型材車體車內(nèi)1.2 m 高標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的車內(nèi)噪聲。

圖2 車內(nèi)噪聲頻譜特性

由圖2可見，當(dāng)列車以60 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)，碳纖維車體對應(yīng)的車內(nèi)噪聲總值為66.0 dB(A)，普通鋁型材車體對應(yīng)的車內(nèi)噪聲總值為64.4 dB(A)，碳纖維車體的車內(nèi)噪聲比普通鋁型材車體的高1.6 dB(A)，車內(nèi)噪聲的顯著頻帶均為200 Hz～1 200 Hz 的1/3倍頻程頻帶。而且，碳纖維車體的車內(nèi)噪聲基本在全頻段均高于普通鋁型材車體。

地鐵列車在明線條件下以60 km/h勻速運(yùn)行時(shí)，列車的主要噪聲源是輪軌噪聲[9]，圖3給出了地鐵列車以明線60 km/h 勻速運(yùn)行時(shí)客室前的車內(nèi)聲源識別結(jié)果。

圖3 車內(nèi)聲源識別結(jié)果

由圖3可見，輪軌噪聲通過車體地板進(jìn)入車內(nèi)成為地鐵列車車內(nèi)噪聲的主要來源。當(dāng)輪軌振動激勵相同時(shí)，車內(nèi)噪聲的差異將主要由車體結(jié)構(gòu)材質(zhì)引起的聲振傳遞特性決定。因此，需要對不同材質(zhì)車體的聲振特性進(jìn)行深入分析。

3 車體的聲振特性對比分析

3.1 裝備狀態(tài)車體隔聲特性

針對裝備狀態(tài)下鋁合金和碳纖維兩種材質(zhì)的車體關(guān)鍵部件隔聲特性，采用聲強(qiáng)法進(jìn)行測試對比分析。聲強(qiáng)法測試隔聲的原理示意圖如圖4（a）所示[11]。通過測試聲源室的聲壓Pi以及接收室或者外部空間測量面的平均法向聲強(qiáng)I，由公式計(jì)算得到測試構(gòu)件的隔聲量。

構(gòu)件的表觀隔聲量為入射到構(gòu)件上的聲功率與透過構(gòu)件（包括直接透射和通過各側(cè)向傳聲路徑透射）的聲功率的比值，取以10為底的對數(shù)乘以10，這與實(shí)驗(yàn)室樣件隔聲量的定義是一致的。

但在現(xiàn)場測試中，考慮到側(cè)向傳聲等因素對結(jié)果的影響，用表觀聲強(qiáng)隔聲量R1來表示構(gòu)件的隔聲特性[10]。R1的定義如式（1）所示，本文后續(xù)所述隔聲量均為表觀聲強(qiáng)隔聲量。

式中：Lp1為聲源室內(nèi)的平均聲壓級；S為隔離聲源室和接收室的構(gòu)件面積；Lin為外部空間測量面的平均法向聲強(qiáng)級；Sm為測量面的總表面積；S0取值1.0 m2。

其中：Lp1由式（2）計(jì)算得到[11]。

圖4 試驗(yàn)測試示意圖

式中：p為聲壓，單位為：Pa；p0為基準(zhǔn)聲壓，取為20 μPa；Tm為積分時(shí)間，單位為s。

Lin由式（3）計(jì)算得到[11]。

式中：I為聲強(qiáng)，單位為W/m2；n為指向測量面外部的法向單位矢量；I0為基準(zhǔn)聲強(qiáng)，取值為10-12W/m2。

當(dāng)列車靜置，關(guān)閉所有輔助系統(tǒng)，測試裝備狀態(tài)下不同車體地板的隔聲性能，測試位置為碳纖維車體和鋁型材車體車內(nèi)噪聲測試斷面處的地板結(jié)構(gòu)，本文中車體裝備狀態(tài)下的隔聲測試主要參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB T 31004.2-2014《聲學(xué) 建筑和建筑構(gòu)件隔聲聲強(qiáng)法測量 第2 部分 現(xiàn)場測量》。測試中所有車門關(guān)閉，盡可能排除由于人為因素造成的漏聲?，F(xiàn)場測試布置如圖4（b）所示，將整節(jié)車廂作為聲源室，將測試地板區(qū)域劃分為3 個(gè)子面，利用12 面體揚(yáng)聲器系統(tǒng)構(gòu)建車內(nèi)的擴(kuò)散聲場，在測試區(qū)域附近位置布置6 個(gè)麥克風(fēng)傳感器來測試車內(nèi)的聲壓，使用聲強(qiáng)探頭測量每一個(gè)子面中點(diǎn)的法向聲強(qiáng)。

將測試得到的車內(nèi)聲壓通過式（2）計(jì)算得到車內(nèi)的平均聲壓級LP1。同時(shí)測試用的聲強(qiáng)探頭為面對面式雙傳聲器聲強(qiáng)探頭，通過2 個(gè)距離很近的傳聲器測試聲壓，由式（4）計(jì)算得到聲強(qiáng)。由式（4）和式（3）聯(lián)立計(jì)算得到Lin。

式中：f為頻率；Im[G12(f)]為2個(gè)傳聲器信號間互譜的虛部；d為2個(gè)傳聲器的間距。

通過式（1）計(jì)算即可得到地板的表觀聲強(qiáng)隔聲量。

圖5給出了不同車體地板在橫向上的隔聲分布特性，圖6給出了各個(gè)測點(diǎn)取算術(shù)平均的碳纖維車體和鋁型材車體地板的三分之一倍頻程隔聲特性對比。

圖5 裝備狀態(tài)下地板隔聲特性

圖6 裝備狀態(tài)下車體地板隔聲頻譜特性

由圖5可知，在橫向分布特性上，碳纖維車體地板的隔聲量在43 dB 左右，鋁型材車體地板的隔聲量在46 dB 左右，碳纖維車體地板在橫向上表現(xiàn)為左右兩側(cè)隔聲性能比中間區(qū)域略好，而鋁型材車體則相反，碳纖維車體地板的橫向隔聲特性出現(xiàn)這種差異主要是因?yàn)閷τ谔祭w維地板車體，在車體與地板連接的局部區(qū)域?qū)⑸舷旅善ず穸仍龊竦狡胀ǖ匕鍏^(qū)域的2 倍，從而導(dǎo)致地板兩側(cè)的隔聲量比中間區(qū)域略好，而對于鋁型材車體，則是通過焊接將車體與地板進(jìn)行裝配，鋁型材地板的表面吸聲處理以及內(nèi)地板的結(jié)構(gòu)布置均一致，地板橫向隔聲特性的差異和橫向結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。

由圖6可見，除了在400 Hz～630 Hz 頻段內(nèi)碳纖維地板的隔聲量略高于鋁型材地板之外，在200 Hz～1 600 Hz 的車內(nèi)噪聲顯著頻段，碳纖維車體地板的隔聲量均低于鋁型材車體，而在1 600 Hz～3 150 Hz 頻段內(nèi)，碳纖維車體地板的隔聲量高于鋁型材車體。

3.2 車體振動特性分析

圖7給出了鋁型材和碳纖維車體地鐵列車在以60 km/h勻速運(yùn)行時(shí)的車內(nèi)地板垂向振動特性。

圖7 車體內(nèi)地板垂向振動特性

由圖7可見，碳纖維車體內(nèi)地板的振動加速度級總值比鋁型材車體內(nèi)地板的高3 dB。在200 Hz～1 600 Hz 的車內(nèi)噪聲顯著頻帶內(nèi)，碳纖維車體內(nèi)地板的振動均高于鋁型材車體內(nèi)地板的振動，兩種車體內(nèi)地板的振動加速度級相差3 dB～7 dB。

3.3 聲振特性對車內(nèi)噪聲的影響

為了分析不同材料車體地板隔聲和振動特性對車內(nèi)噪聲的影響，基于SEA方法[12]，基于地鐵列車車體幾何結(jié)構(gòu)尺寸，通過合理劃分車體和車內(nèi)外聲腔子系統(tǒng)，建立車內(nèi)噪聲仿真分析模型[13]，要求每個(gè)子系統(tǒng)的模態(tài)數(shù)足夠多（至少大于5）以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將輔助設(shè)備的聲功率以及仿真得到的轉(zhuǎn)向架聲源激勵（如圖8(a)所示）加載到對應(yīng)的外聲腔子系統(tǒng)，將實(shí)測的結(jié)構(gòu)振動激勵（如圖8(b)所示）加載到車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，將實(shí)測的車體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)隔聲特性加載到子系統(tǒng)之間的連接。考慮到碳纖維車廂和鋁型材車廂關(guān)于中心線對稱布置，兩種車體的幾何結(jié)構(gòu)尺寸一致，可以通過給模型分別加載不同車體的材料屬性、聲源激勵、結(jié)構(gòu)激勵以及隔聲特性參數(shù)來模擬不同車體聲振特性對車內(nèi)噪聲的影響。圖9給出了地鐵列車車內(nèi)噪聲仿真模型。

為了探究不同車體地板隔聲和振動特性對車內(nèi)噪聲的影響，先對模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖10給出了不同車體車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)噪聲仿真與試驗(yàn)的結(jié)果對比。

圖8 模型激勵輸入?yún)?shù)

圖9 車內(nèi)噪聲仿真模型

由圖10可見：不同車廂車內(nèi)噪聲的仿真結(jié)果與測試結(jié)果在頻率分布上趨勢一致，碳纖維車體車內(nèi)噪聲總值僅相差0.5 dB(A)，鋁型材車體車內(nèi)噪聲總值僅相差1.1 dB(A)，證明本文建立的仿真模型有效。

基于車內(nèi)噪聲仿真分析模型，探究不同車體地板隔聲和振動特性對車內(nèi)噪聲的影響。表1給出了不同車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔總的功率輸入情況，圖10給出了不同車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔功率輸入的頻譜分布情況。

圖10 模型的有效性驗(yàn)證

由表1可知：碳纖維車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的輸入功率有81%來自地板空氣聲路徑，有7%來自側(cè)墻空氣聲路徑，有10 %來自地板結(jié)構(gòu)聲路徑；而鋁型材車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的輸入功率有55%來自地板空氣聲路徑，有24%來自側(cè)墻空氣聲路徑，有10 %來自地板結(jié)構(gòu)聲路徑。由此可知：碳纖維車廂的車內(nèi)噪聲主要受地板隔聲的影響，而鋁型材車廂的車內(nèi)噪聲主要受地板和側(cè)墻隔聲的影響，地板的振動聲輻射對于兩種材料車廂車內(nèi)噪聲的影響較小。

由圖11可知，碳纖維車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的功率輸入在全頻段基本均來自地板空氣聲路徑；而鋁型材車廂前轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的功率輸入在50 Hz～200 Hz 頻段以及800 Hz～1 600 Hz 頻段內(nèi)主要來自地板空氣聲路徑，在200 Hz～800 Hz頻段內(nèi)主要來自側(cè)墻空氣聲路徑。

4 輕量化問題淺析

文中碳纖維車廂的車內(nèi)噪聲較之鋁型材車廂高1.6 dB(A)，但碳纖維車廂總重量為4.48噸，鋁型材車廂總重量為6.10噸，整體減重26.5%，碳纖維材料在地鐵列車的輕量化設(shè)計(jì)上有很大的可用空間。通過前面的分析可知：提高碳纖維車體地板隔聲量可以降低車廂車內(nèi)噪聲，則可以在碳纖維地板添加5 mm隔聲墊來提高地板隔聲量，5 mm隔聲墊的隔聲量總值為32.5 dB，單位面積質(zhì)量為6.65 kg[14-15]，而文中碳纖維車體地板的隔聲量為43 dB，與隔聲墊隔聲量相差10 dB，根據(jù)疊加隔聲量差值對結(jié)構(gòu)隔聲量的影響研究[14]，疊加之后的碳纖維車體地板的隔聲量為45 dB 左右，與鋁型材車體地板相近，此時(shí)碳纖維車廂質(zhì)量增加為4.83 噸，相對于鋁型材車體仍可減重20 %，碳纖維車體在地鐵列車上仍有很大的應(yīng)用前景。

表1 轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)聲腔的功率貢獻(xiàn)率/（%）

圖11 車內(nèi)聲腔的功率輸入

5 結(jié)語

基于國內(nèi)一種新型碳纖維車體地鐵列車，基于線路試驗(yàn)方法，對比分析碳纖維車體和鋁型材車體的車內(nèi)噪聲差異、關(guān)鍵部件的聲振特性差異，通過建立車內(nèi)噪聲仿真分析模型，明確碳纖維車體隔聲和振動對車內(nèi)噪聲的影響，進(jìn)而探討碳纖維車體在輕量化和聲學(xué)性能優(yōu)化上的設(shè)計(jì)問題。得到的主要結(jié)論如下：

（1）碳纖維車體的車內(nèi)噪聲比普通鋁型材車體的車內(nèi)噪聲高1.6 dB(A)，車內(nèi)噪聲的顯著頻帶均為200 Hz～1 200 Hz的1/3倍頻程頻帶。

（2）碳纖維車體地板隔聲量總值比鋁型材車體地板低3 dB左右；碳纖維車體地板的振動加速度級總值比鋁型材車體地板高3 dB；碳纖維車廂車內(nèi)噪聲主要受地板隔聲的影響，而鋁型材車廂車內(nèi)噪聲主要受地板和側(cè)墻隔聲的影響，地板的振動聲輻射對于2種車廂車內(nèi)噪聲的影響較小。

（3）碳纖維車廂較之鋁型材車廂整體減重26.5%，可通過在碳纖維車體地板施加5 mm的隔聲墊來降低車內(nèi)噪聲，此時(shí)碳纖維地板的隔聲量與鋁型材地板相近，但碳纖維車體仍可減重20%。

由于試驗(yàn)條件限制，裝備狀態(tài)下車體關(guān)鍵部件的隔聲測試以及地鐵車內(nèi)噪聲傳遞路徑的試驗(yàn)分析還有待進(jìn)一步的研究。