軌道交通減振降噪技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展研究

趙天

摘 要：軌道交通具有載客量大、行車(chē)速度高、可靠性高等特性而備受大眾青睞。隨著我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷增強(qiáng)，政府對(duì)軌道交通建設(shè)愈加重視，并投入了大量人力、物力、財(cái)力，不僅促進(jìn)了城市化進(jìn)程加快，并且便捷了大眾出行方式。然而由于軌道交通車(chē)速較快，因此軌道交通運(yùn)行過(guò)程中會(huì)伴隨著較大的噪聲，很容易讓乘客感覺(jué)到不安和疲倦?；诖吮尘?，本文深入分析了軌道交通車(chē)輛的振動(dòng)和噪聲源，接著分析了噪聲和振動(dòng)的測(cè)試方法，及降噪技術(shù)的應(yīng)用，最后對(duì)減震降噪技術(shù)進(jìn)行了展望，以期為軌道交通減振減噪提供一定的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：軌道交通;減振降噪;應(yīng)用;展望

中圖分類(lèi)號(hào)：U270.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）01-0047-02

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)軌道交通越來(lái)越成熟和完善，大大提高了人們的出行效率，成為了人們出行的首要選擇之一。軌道交通因其運(yùn)載量大、能耗低、綠色環(huán)保及科技含量高等特性成為了各個(gè)國(guó)家交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。在我國(guó)的北京、上海、廣州、深圳、成都、南京、武漢等大中型城市都大規(guī)模地建設(shè)了地鐵和高鐵等類(lèi)型的軌道交通設(shè)施。但是，由于人們的環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)及對(duì)出行舒適度要求越來(lái)越高，軌道交通在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲會(huì)影響人們的聽(tīng)力及心情，甚至巨大的振動(dòng)會(huì)誘發(fā)人體器官的共振，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生，對(duì)人體造成損壞，這極大影響著人們的出行質(zhì)量和用戶(hù)體驗(yàn)。如果不能有效地減振減噪，勢(shì)必會(huì)制約軌道交通的發(fā)展。為了有效降低軌道交通的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，本文分析了軌道車(chē)輛的振動(dòng)源和噪聲源，然后在此基礎(chǔ)上探討了減振降噪技術(shù)的應(yīng)用，最后提出了未來(lái)軌道交通的發(fā)展方向。

1 軌道交通車(chē)輛的振動(dòng)與噪聲源分析

要有效地降低軌道交通振動(dòng)和噪聲問(wèn)題，必須先認(rèn)識(shí)其振動(dòng)和噪聲的來(lái)源，及每個(gè)噪聲源對(duì)總噪聲的貢獻(xiàn)值。

1.1 車(chē)外振動(dòng)源和噪聲源

這部分噪聲主要由輪軌噪聲、牽引噪聲及空氣動(dòng)力學(xué)噪聲等組成且噪聲的大小由車(chē)輛行駛速度決定。在低車(chē)速區(qū)域，車(chē)外主要是輪噪為主，并且其頻率在800到2500赫茲之間，而空氣動(dòng)力學(xué)噪聲主要是在高車(chē)速下表現(xiàn)出來(lái)的。輪軌噪聲是軌道交通最為主要的噪聲源之一，其牽引力噪聲主要來(lái)自與牽引電機(jī)和冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇?？諝鈩?dòng)力學(xué)噪聲則取決于行車(chē)速度，隨著車(chē)速以601gv到801gv的幅度而有規(guī)律地增加。并且，當(dāng)車(chē)輛經(jīng)過(guò)隧道時(shí)，由于隧道內(nèi)的空氣受到車(chē)輛擠壓而在隧道產(chǎn)生壓力波，從而使得噪聲明顯增大，尤其是在車(chē)輛上感受最為明顯[1]。

1.2 車(chē)內(nèi)振動(dòng)和噪聲源

軌道交通車(chē)內(nèi)的振動(dòng)和噪聲很難像車(chē)外那樣進(jìn)行分類(lèi)甄別，并且影響車(chē)外的聲振源同樣會(huì)影響車(chē)內(nèi)的振動(dòng)和噪聲。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)內(nèi)噪聲是各種電機(jī)設(shè)備噪聲和外部噪聲共同作用的集合，其主要噪聲源來(lái)自車(chē)內(nèi)的空調(diào)、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、變頻器和變流器等。而外部的噪聲主要是由輪軌噪聲、空氣動(dòng)力學(xué)噪聲組成。另外，車(chē)外的脈沖壓力也會(huì)引起車(chē)內(nèi)的噪聲。

2 噪聲與振動(dòng)測(cè)試分析

噪聲和振動(dòng)的測(cè)試分析是優(yōu)化振動(dòng)降低噪聲的有效工具，通過(guò)測(cè)量來(lái)評(píng)估現(xiàn)有產(chǎn)品的噪聲和振動(dòng)水平，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)進(jìn)一步制定后續(xù)噪聲和振動(dòng)的優(yōu)化方案。關(guān)于車(chē)外的噪聲測(cè)量通常是用單個(gè)麥克風(fēng)來(lái)進(jìn)行測(cè)量，但是對(duì)于高速列車(chē)還需要考慮多普勒效應(yīng)、列車(chē)周?chē)牧鬟\(yùn)動(dòng)以及地面等因素對(duì)噪聲的影響，車(chē)外聲壓級(jí)可根據(jù)ISO3095-2005標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，關(guān)于車(chē)內(nèi)噪聲的測(cè)量在實(shí)際測(cè)試中可參考ISO3381-2005（E）的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)開(kāi)展。圖1為車(chē)輛內(nèi)部噪聲測(cè)點(diǎn)布置圖。駕駛室的噪聲測(cè)點(diǎn)距底板高1.2m，客車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)點(diǎn)同時(shí)在1.2m的高度布置5個(gè)傳感器，其中第一個(gè)位于轉(zhuǎn)向架上方主要測(cè)量轉(zhuǎn)向架的噪聲，最后一個(gè)位于2節(jié)車(chē)廂接頭的通道處用于測(cè)量連接處的噪聲，其余位于這2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間等距布置[2]。

3 軌道交通車(chē)輛的減振降噪技術(shù)應(yīng)用

3.1 減振降噪方式

空氣是噪聲的轉(zhuǎn)播媒介，振動(dòng)則是通過(guò)固體的振動(dòng)來(lái)傳遞的。因此減振降噪可分為吸音、隔音、吸振和隔振。

（1）吸音減噪：在密閉空間布置吸聲材料。常用的吸音材料是吸音棉。該吸音原理是吸音棉有無(wú)數(shù)空氣組成的微孔，可以緩沖和吸聲噪聲和振動(dòng)。除了專(zhuān)門(mén)的吸音棉以外，棉花、海綿泡沫塑料等都可以作為吸音材料，從而降低噪聲和振動(dòng)。

（2）隔音減噪：在噪聲源周?chē)惭b格擋物來(lái)達(dá)到降低噪聲的目的。如果格擋物能完全將聲源隔離成為墻體，則降噪效果取決于墻體的隔音性能，隔音量越大，噪聲越低;隔音板越靠近聲源，隔音效果越好。

（3）吸振減噪：在振動(dòng)源添加子系統(tǒng)，使得振動(dòng)源某一頻率的振動(dòng)得到控制，稱(chēng)為動(dòng)力吸振。常用的動(dòng)力吸振主要是采用動(dòng)力吸振器來(lái)吸收振動(dòng)的能量，動(dòng)力吸振器主要有非線(xiàn)性動(dòng)力吸振器、阻尼動(dòng)力吸振器、無(wú)阻尼動(dòng)力吸振器和復(fù)合動(dòng)力吸振器等4種。非線(xiàn)性動(dòng)力吸振器在吸振方面的效果通常比線(xiàn)性更好，主要是其利用勁度非線(xiàn)性設(shè)計(jì)和阻尼非線(xiàn)性設(shè)計(jì)的隔振和吸振裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)吸振。阻尼動(dòng)力吸振器不受頻帶的影響，適用范圍比無(wú)阻尼動(dòng)力吸振器更寬，因此也被稱(chēng)為寬帶吸振器。復(fù)合動(dòng)力吸振器是通過(guò)將多組動(dòng)力吸振器進(jìn)行合理的組合而形成的，其具有吸振頻帶寬的特點(diǎn)，其通過(guò)合理分布每組的共振頻率及恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)能很好地降低振動(dòng)[3]。

（4）隔振減噪：其為一種通過(guò)減弱固體聲的傳遞，來(lái)衰減振動(dòng)能量在振源和防振體之間添加的彈性連接過(guò)程。一般地，軌道交通如地鐵，高鐵和輕軌等采用的隔振材料主要是橡膠，軟木和氈類(lèi)等。除此之外，液壓減震器和空氣彈簧也有所運(yùn)用。國(guó)內(nèi)外的大多數(shù)軌道交通（地鐵、鐵路和高鐵等）都采用金屬?gòu)椈珊拖鹉z作為彈性元件，而輕軌則采用空氣彈簧和金屬橡來(lái)達(dá)到減振的目的，其減振效果非常好。

3.2 減振降噪材料的選擇

一般來(lái)說(shuō)，軌道交通車(chē)輛中常用的吸聲材料有纖維多孔吸聲材料、共振吸聲材料和薄板薄膜等。纖維多孔吸聲材料有大量的空隙且相互之間連通，孔隙深入材料內(nèi)部。薄板薄膜也能一定程度上吸聲，如木板、金屬板做成的天花板或者墻板等，這種材料利用了共振吸聲原理來(lái)實(shí)現(xiàn)減振和吸聲的功能。發(fā)生共振時(shí)，薄板會(huì)劇烈振動(dòng)大量吸聲?？抗舱裎暤牟牧嫌腥嵝圆牧希ㄅ菽戎饕曋蓄l噪聲）、膜狀材料（塑料膜、帆布和人造革主要吸聲低中頻率噪聲）、板狀材料（膠合板、硬質(zhì)纖維和石棉水泥板等主要吸收低頻噪聲）以及穿孔板（在板材上打孔主要吸聲中頻噪聲）。通過(guò)復(fù)合使用上述幾種材料，能大大提高吸收范圍和吸聲吸聲，極大程度上可以降低噪聲和振動(dòng)。

3.3 減振降噪措施

（1）車(chē)體側(cè)墻處的減振降噪：第一，減振。軌道交通車(chē)輛的側(cè)墻振動(dòng)主要是由于金屬薄板受激發(fā)產(chǎn)生的振動(dòng)現(xiàn)象，而金屬板自身的阻尼很小，因此聲輻射效率很高。為了降低這種類(lèi)型的振動(dòng)和噪聲，通常使用的辦法是在薄板上噴涂高內(nèi)阻的粘彈性材料，如橡膠、瀝青或高分子材料等。當(dāng)車(chē)身側(cè)壁的金屬板振動(dòng)時(shí)，在阻尼的作用下，一部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮苁拐駝?dòng)衰減，從而降低振動(dòng)和噪聲。此外在選擇高阻尼材料時(shí)，不僅要考慮中低頻減振和吸聲效果較好的材料，同時(shí)還應(yīng)該考慮材料的隔熱、防潮等特性。第二，降噪。對(duì)于降低車(chē)身側(cè)壁的噪聲，不僅要考慮側(cè)墻的隔音和吸音特性，還要考慮車(chē)窗和車(chē)門(mén)的密封性。為了降低這種類(lèi)型的噪聲，在我國(guó)的軌道交通車(chē)輛上通常根據(jù)車(chē)身輕吸音材料量化要求，在側(cè)板涂抹阻尼膠并以此填充海綿體和泡沫等，從而形成復(fù)合阻抗作用，使得側(cè)墻的振動(dòng)和噪聲得到衰減。另外，在選擇材料時(shí)還應(yīng)兼顧材料的防潮、隔熱以及防火等特性，綜合考慮后擇優(yōu)選取。

（2）車(chē)下設(shè)備的減振降噪：車(chē)下設(shè)備的噪聲主要來(lái)自車(chē)體下部的大型設(shè)備比如：牽引變流器、變壓器、空壓機(jī)等等。而一般減少車(chē)下設(shè)備噪音的主要措施改善車(chē)身機(jī)構(gòu)，也可以在這些大型設(shè)備上使用新型的減振器，利用隔音或則吸音材料將這些大型設(shè)備的聲音屏蔽起來(lái)。車(chē)下振動(dòng)和噪聲主要來(lái)自輪軌、主電機(jī)、齒輪和轉(zhuǎn)向架周?chē)膭?dòng)力噪聲和振動(dòng)。首先提高軌道的平整度可大幅降低滾動(dòng)噪聲。日本新干線(xiàn)列車(chē)的軌道下鋪設(shè)了一層與道碴相似的具有吸音效果的材料，其主要是由垃圾焚燒的殘?jiān)M成的，是一種非常廉價(jià)的降噪材料，通過(guò)使用這種材料可以將噪聲降低約3分貝左右。其次，在軌枕和混凝土填充物之間的縫隙添加彈性材料也可降低噪音和振動(dòng)。軌道車(chē)輛在運(yùn)行時(shí)由于車(chē)輪高速旋轉(zhuǎn)且軌道表面并非光滑且輪軌還存在一定的缺陷等原因?qū)?dǎo)致產(chǎn)生滾動(dòng)噪聲。

（3）轉(zhuǎn)向架的減振降噪：為了保證車(chē)輛在轉(zhuǎn)向時(shí)具有較大的穩(wěn)定性，同時(shí)保證轉(zhuǎn)向架的可靠耐久，必須盡可能地降低轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)和噪聲。在實(shí)際運(yùn)用中，通常在高速列車(chē)上采用一系和二系彈簧懸掛、三向油壓減震器以及技術(shù)來(lái)降低轉(zhuǎn)向架的振動(dòng)和噪聲。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)較小的橫向振動(dòng)，高速列車(chē)還采用了軸向間隙更小的圓錐滾子軸承。此外，為了提高列車(chē)通過(guò)曲線(xiàn)的穩(wěn)定性和舒適性，在轉(zhuǎn)向架上還安裝有非線(xiàn)性的空氣彈簧，這使得當(dāng)列車(chē)在走直線(xiàn)時(shí)空氣彈簧較柔軟，而當(dāng)列車(chē)走曲線(xiàn)時(shí)，空氣彈簧較硬從而在整體上改善列車(chē)的舒適度。另外，通過(guò)加大空氣彈簧左右安裝間距，還能有效地提高列車(chē)的抗側(cè)滾能力。

4 減振技術(shù)發(fā)展方向

未來(lái)軌道交通的減振方向主要從主動(dòng)控制和被動(dòng)控制兩個(gè)方面著手。主動(dòng)方面的減振控制主要是通過(guò)優(yōu)化軌道的結(jié)構(gòu)、提高軌道尺寸計(jì)算的精度，通過(guò)控制振動(dòng)源和噪聲源以達(dá)到降低軌道噪聲的目的，可以?xún)?yōu)化車(chē)輪的結(jié)構(gòu)，車(chē)輪采用無(wú)縫接軌，同時(shí)定期打磨鋼軌等，從源頭上降低軌道振動(dòng)的噪聲。而被動(dòng)控制降低噪聲是未來(lái)軌道交通發(fā)展的重要方向之一，被動(dòng)控制主要是采用了振動(dòng)、噪聲隔離或噪聲的吸收技術(shù)等，從根源上吸收噪聲或者切斷噪聲波，通過(guò)控制軌道振動(dòng)噪聲達(dá)到降低的作用。同時(shí)，在軌道中挖減振動(dòng)溝和設(shè)置隔震槽、設(shè)置隔聲屏障也是未來(lái)軌道減震技術(shù)發(fā)展的主要方向。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軌道交通已深入國(guó)民的生產(chǎn)生活中，改變了人們的出行方式。但是由于存在較大的振動(dòng)和噪聲，對(duì)人們乘坐的舒適性提出更高要求，降低振動(dòng)和噪聲成為了目前軌道交通行業(yè)的研究重點(diǎn)之一。對(duì)此，業(yè)內(nèi)人士需要深入發(fā)現(xiàn)與研究軌道交通的噪聲與振動(dòng)來(lái)源，并不斷完善車(chē)內(nèi)外及轉(zhuǎn)向架的減振降噪技術(shù)，為減振降噪技術(shù)提供足夠的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

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