多鉸接100%低地板有軌電車隔聲降噪方案分析及優(yōu)化

劉鴻宇， 殷立陽， 王秀丹， 孟凡帥， 盧海超

(中車唐山機車車輛有限公司， 河北唐山 064000)

多鉸接100%低地板有軌電車為100%客室通道地板面無臺階通過，全部客室通道地板面水平或坡度不大于6%、在地面軌道線路上運營，且可以與其他地面交通車輛混行、地板面高度小于或等于350 mm及由若干車輛模塊組成的電動車輛。為了車輛以后可以滿足國際及國內(nèi)降噪標準，本次研究的噪聲指標選取最為嚴苛的VDV154標準：車輛以60 km/h的速度下勻速運行，空調(diào)部分功率運行(半載)的情況下客室內(nèi)噪聲值≤68 dB(A)，司機室內(nèi)噪聲值≤65 dB(A)。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

為了更好的分析多鉸接100%低地板有軌電車隔聲降噪問題，調(diào)研了上海正在運營的張江有軌電車作為噪聲水平參考車，并進行了噪聲摸底測試。

測試工況：張江有軌電車實際運行速度約為60 km/h，空調(diào)出風(fēng)口處噪聲為怠速情況下噪聲，其他位置點噪聲測量為行駛工況。

張江有軌電車噪聲測試點分布位置如圖1所示，主要是為了評估由輪軌噪聲、貫通道泄漏噪聲、電弧弓噪聲源引起的艙內(nèi)噪聲。

圖1 張江有軌電車噪聲測點

表1 張江有軌電車測試結(jié)果

備注：M01:車輛前部麥克風(fēng)朝上; M02:車輛前部麥克風(fēng)朝下; M03:車輛中部麥克風(fēng)朝上;

M05:車輛后部麥克風(fēng)朝上; M06:車輛后部麥克風(fēng)朝下; M07:車輛貫通道麥克風(fēng)朝上;

M08:車輛貫通道麥克風(fēng)朝下; M09:空調(diào)出風(fēng)口; M10:受電弓下部麥克風(fēng)朝上。

由表1結(jié)果可以看出，M02、M06、M08麥克風(fēng)處噪聲值較高。由麥克風(fēng)對應(yīng)的位置可知，輪軌噪聲通過地板以及貫通道傳遞到客艙，為客艙噪聲的主要來源。而頂部受電弓及空調(diào)口噪聲相對輪軌噪聲較低。因此，在對多鉸接100%低地板有軌電車進行聲學(xué)仿真分析中，輪軌噪聲作為主要的噪聲激勵源施加載荷，受電弓噪聲及空調(diào)噪聲作為附加噪聲激勵源施加載荷。

2 原因分析

針對張江有軌電車的測試結(jié)果，采用“頭腦風(fēng)暴法”，利用因果分析圖(又稱“魚骨圖”，見圖2)，從整車的角度分析主要的噪聲源，找出了個9主要噪聲源。

圖2 噪聲源魚骨圖

輪軌噪聲[1]：輪軌噪聲包括輪軌滾動噪聲、輪軌沖擊噪聲和嘯叫聲。滾動噪聲是車輪踏面與鋼軌頂面存在凹凸不平時，車輪和鋼軌產(chǎn)生相互受迫振動造成的[2]；沖擊噪聲為車輪經(jīng)過軌道縫隙或其他不連續(xù)面時產(chǎn)生的噪聲；嘯叫聲是列車曲線行駛時，由于擠壓外軌產(chǎn)生的摩擦及車輪在鋼軌上滑動產(chǎn)生的噪聲。

牽引電機噪聲：牽引電機噪聲主要包括空氣動力性噪聲、機械噪聲和電磁噪聲?？諝鈩恿π栽肼曋饕獮槔鋮s風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)噪；機械噪聲主要為軸承和電刷引起的；電磁噪聲為轉(zhuǎn)子在電磁力作用下旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波和脈沖力波，從而使定子產(chǎn)生振動輻射噪聲。

空調(diào)機組噪聲：空調(diào)機組噪聲主要為壓縮機工作噪聲、風(fēng)扇噪聲、風(fēng)道噪聲、進出口噪聲。

受電弓噪聲：受電弓噪聲主要為行駛過程中自身的空氣動力噪聲、離線產(chǎn)生的火花噪聲、滑板與接觸導(dǎo)線間產(chǎn)生的滑動噪聲。

空氣動力學(xué)噪聲：當(dāng)車速達到100 km/h以上，空氣阻力噪聲就會為整個列車的主要噪聲源。作者研究的多鉸接100%低地板有軌電車及張江有軌電車均在60 km/h條件下運行測試，所以空氣動力學(xué)噪聲可以忽略不計。

齒輪箱噪聲：齒輪箱噪聲一般分為沖擊噪聲、齒輪摩擦噪聲和振動輻射噪聲。沖擊噪聲由于在齒輪輪齒嚙合時，由于齒輪之間的碰撞沖擊產(chǎn)生的噪聲；摩擦噪聲為齒輪之間相對滑動造成的；振動輻射噪聲是在齒輪嚙合作用力下引起殼體等系統(tǒng)振動，從而產(chǎn)生振動輻射噪聲。

牽引輔助箱(電器柜)噪聲：電氣設(shè)備噪聲主要由開關(guān)式集成電路、電機、散熱風(fēng)扇、信號發(fā)生器、逆變器、制動電阻等電器設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。

制動噪聲：車輛發(fā)生制動而產(chǎn)生的噪聲。

從張江有軌電車的測試結(jié)果及各個噪聲源的分析中，發(fā)現(xiàn)輪軌噪聲為主要噪聲源，張江有軌電車作為多鉸接100%低地板有軌電車的噪聲水平參考車；同時，多鉸接100%低地板有軌電車運行速度為60 km/h，且輔助設(shè)備均設(shè)置在車頂區(qū)域，車下大設(shè)備以轉(zhuǎn)向架輪軌為主；可以發(fā)現(xiàn)輪軌噪聲為多鉸接100%低地板有軌電車主要噪聲源。

3 方案分析及優(yōu)化

通過前期的實際調(diào)研、搜集的數(shù)據(jù)和多鉸接100%低地板有軌電車三維模型，初步制定了仿真的過程及思路：

(1)依據(jù)Creo三維軟件繪制出多鉸接100%低地板有軌電車三維模型，根據(jù)其三維模型劃分子系統(tǒng)；

對于多鉸接100%低地板有軌電車的聲學(xué)仿真是基于統(tǒng)計能量法，需要將車身、內(nèi)裝等結(jié)構(gòu)劃分成子系統(tǒng)，使用功率流平衡方程描述子系統(tǒng)間的相互作用，從而預(yù)測車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)的聲壓值。統(tǒng)計能量分析中，子系統(tǒng)是一些相似共振模態(tài)組成的模態(tài)群，從統(tǒng)計意義上把大系統(tǒng)分解成若干個便于分析的子系統(tǒng)。模型中具體分成了車頂，側(cè)墻，地板，車窗，車門等結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)的尺寸參數(shù)都是依據(jù)多鉸接100%低地板有軌電車三維模型。

(2)設(shè)置相鄰子系統(tǒng)之間的連接；

子系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間存在能量傳遞，比如側(cè)墻和車頂，側(cè)墻和車內(nèi)聲腔等，模型中需要明確這些傳遞關(guān)系。仿真軟件中可以根據(jù)幾何關(guān)系自動建立，還有很多地方需要額外的設(shè)置，比如某些位置的聲傳遞損失等等。

(3)施加噪聲振動源激勵；

激勵源是仿真模型的輸入，如：輪軌噪聲，電機噪聲，空調(diào)噪聲等，有了噪聲的輸入，結(jié)合模型中定義的子系統(tǒng)間能量的傳遞關(guān)系，就可以得到我們關(guān)心的每個子系統(tǒng)的能量以及車內(nèi)聲壓值。

(4)計算噪聲響應(yīng)：

此次仿真用的是基于統(tǒng)計能量的仿真方法，用的商用軟件VAone。過程是：將車輛建立基于統(tǒng)計能量的子系統(tǒng)，設(shè)置子系統(tǒng)聲學(xué)參數(shù)，在對應(yīng)的位置施加噪聲振動源激勵，求解關(guān)心位置(子系統(tǒng))的聲壓。統(tǒng)計能量方法廣泛用于軌道車輛和汽車行業(yè)，是預(yù)測車內(nèi)噪聲、指導(dǎo)聲學(xué)設(shè)計的有效且可靠的工具。

通過此思路對原始狀態(tài)和降噪后狀態(tài)進行仿真分析。

3.1 原始狀態(tài)噪聲仿真分析

多鉸接100%低地板有軌電車仿真模型如圖3所示：

圖3 多鉸接100%低地板有軌電車噪聲仿真模型

將客艙劃分為聲腔子系統(tǒng)，并在電車頂部施加空調(diào)噪聲、受電弓噪聲激勵載荷，底部施加輪軌噪聲激勵載荷，由于部分部位噪聲頻譜無法獲取，因此參照類似多鉸接100%低地板有軌電車車型的噪聲頻譜，圖4是此次參考車輛輪軌和受電弓噪聲頻譜，圖5、表2是此次的仿真的激勵載荷施加的相應(yīng)位置。

圖4 仿真模型輪軌噪聲和受電弓噪聲激勵頻譜

圖5 多鉸接100%低地板有軌電車斷面結(jié)構(gòu)信息

表2 艙壁斷面結(jié)構(gòu)描述

3.2 隔聲降噪方案及仿真分析

針對多鉸接100%低地板有軌電車主要噪聲源。設(shè)計5個隔聲降噪方案，并對比不同方案隔聲降噪效果，如表3、圖6。

3.3 各方案噪聲仿真分析結(jié)果

根據(jù)各步驟的隔聲降噪方案，選取各艙室最中間位置點噪聲作為噪聲水平數(shù)值，噪聲仿真結(jié)果統(tǒng)計如表4和圖7所示。

由表4和圖7可知，方案3中地板采用的吸聲棉、隔聲墊、吸聲棉、阻尼漿、穿孔板的組合方案對艙室降噪的效果最高，駕駛室、MC艙、F艙、TP艙分別下降了9.2 dB、10.7 dB、5.4 dB、10.7 dB。這是因為三明治吸隔聲結(jié)構(gòu)不僅能有效地吸收來自電車底部的輪軌噪聲，同時也能很好的阻隔底部噪聲往車內(nèi)的傳播。在側(cè)墻內(nèi)部增加吸聲棉，由于在與客艙之間還有2 mm鋁板的內(nèi)飾板，很大程度減弱了吸聲棉對客艙吸聲效果。雖然側(cè)墻內(nèi)部增加吸聲棉能提高側(cè)墻的隔聲量，但是對客艙噪聲影響很小，這是因為底部噪聲主要是通過地板透射到艙內(nèi)。所以結(jié)合工作量及成本方面考慮，方案3為最優(yōu)方案。

表3 隔聲降噪設(shè)計方案

圖6 隔聲降噪設(shè)計方案

圖7 各方案艙室噪聲對比柱狀圖

圖8 噪聲分布云圖

表4 各方案艙室噪聲仿真結(jié)果統(tǒng)計表 dB(A)

由圖8噪聲云圖可以看出，離輪軌越近的區(qū)域，噪聲越大，所以MC艙和TP艙相對于其他艙室噪聲值高。

如圖9所示，為不同方案下MC艙室噪聲對比曲線，可以看出，采取方案3后中高頻噪聲值有了很大程度的降低。

圖9 不同方案下MC艙室噪聲頻譜曲線對比

3.4 地板隔聲量分析

由于輪軌噪聲為電車的主要噪聲源，并且位于電車底部，因此，地板的隔聲性能的高低決定了底部噪聲對車內(nèi)的穿透能力。如圖10所示，為地板不同方案的隔聲量仿真結(jié)果。

由圖10可以看出，采用吸隔聲組合的三明治結(jié)構(gòu)(吸聲棉+隔聲墊+吸聲棉)后，中高頻隔聲量有很大程度的提高。雖然只單獨增加吸聲棉對隔聲量幾乎無影響，但是通過將吸聲棉布置在噪聲源側(cè)，可以很大程度減弱和吸收噪聲源的輻射噪聲。

圖10 不同方案地板隔聲量仿真結(jié)果

圖10只針對地板隔聲量的研究，選取的隔聲降噪方案分別是原方案、方案1、方案2、方案3和方案5。對于只研究地板隔聲量，方案3和方案4地板隔聲降噪結(jié)構(gòu)一致，地板隔聲量結(jié)果一致，因此沒有對方案4再次進行模擬仿真分析測試。

3.5 方案結(jié)論

從分析結(jié)果得出以下結(jié)論：

(1)方案3較原結(jié)構(gòu)，駕駛室、MC艙、F艙、TP艙噪聲值分別下降了9.2 dB、10.7 dB 、5.4 dB、10.7dB。

(2)原結(jié)構(gòu)地板平均隔聲量較低，為28.06 dB，低于參考值42 dB，通過方案3布置三明治吸隔聲結(jié)構(gòu)后能提高到44.4 dB；

綜上所述，故選用方案3對多鉸接100%低地板有軌電車進行隔聲降噪。

4 方案實施介紹

經(jīng)過以上仿真分析，最終選用方案3進行整車隔聲降噪方案的制定，具體方案包括穿孔板設(shè)計選用、吸聲材料的選用、隔聲墊材料選用、阻尼漿材料的選用。圖11為穿孔板的設(shè)計：

圖11 穿孔板設(shè)計

穿孔板與車體的連接方式為拉鉚連接，穿孔板鋁板穿孔率選用在50%～70%之間[3]，經(jīng)過試驗驗證，穿孔率在此范圍內(nèi)噪聲衰減效果最好。

吸隔聲材料中阻尼漿選用2 mm阻尼漿噴涂在車體底部，吸聲棉+隔聲墊+吸聲棉三明治夾心結(jié)構(gòu)黏接在客室地板底面并用防寒釘輔助固定，防止因時間過久三明治隔聲結(jié)構(gòu)脫落，最后再用穿孔板封堵底部。

5 效果評價

經(jīng)過此次多鉸接100%低地板有軌電車整車隔聲降噪結(jié)構(gòu)優(yōu)化及方案的實施，從理論上驗證了良好的隔聲降噪情況；駕駛室、MC艙、F艙、TP艙噪聲分別下降了9.2 dB、10.7 dB、5.4 dB、10.7dB，隔聲降噪效果顯著，很大程度的改善了乘客乘車體驗；從實際上驗證了方案的可行性以及可操作性。此次隔聲降噪方案的優(yōu)化，為后續(xù)多鉸接100%低地板有軌電車整車隔聲降噪提供了強有力的設(shè)計依據(jù)。

6 仿真分析方案的局限性

仿真分析是建立在理論分析的基礎(chǔ)上，沒有考慮到實際施工情況和實際車體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)階段軌道交通設(shè)計理念為“輕量化”、“節(jié)能化”車輛。多鉸接100%低地板有軌電車輕量化車體結(jié)構(gòu)，如圖12所示，車體結(jié)構(gòu)開設(shè)較多的減重孔，由于各種條件限制，部分位置可能無法實施之前的隔聲降噪方案，特別在兩處地板位置，第1處為MC、TP車轉(zhuǎn)向架處的地板梁位置，第2處為MC、F車渡板下部車體位置，由于地板骨架梁為多孔洞結(jié)構(gòu)，并且地板在這些地方?jīng)]有和骨架梁直接連接，即為懸空狀態(tài)，同時這些懸空的空間沒有任何隔聲吸聲方案，造成地板下方的噪聲源沒有任何阻隔直接傳遞到地板。

圖12 多鉸接100%低地板有軌電車輕量化車體結(jié)構(gòu)

由于多鉸接%100低地板有軌電車車體設(shè)計孔洞或縫隙，就會對整體的隔聲效果造成很大的影響，也會與仿真分析結(jié)果產(chǎn)生一定的差異；如圖13所示，隨著頻率的增加通孔越多隔聲量越小。

圖13 縫隙對隔聲的影響

因此，實際的降噪效果還需要考慮到多鉸接100%低地板有軌電車實際車體結(jié)構(gòu)以及車底部各大設(shè)備的安裝位置及安裝形式，是否會影響隔聲降噪方案的實施。

7 后續(xù)設(shè)計建議總結(jié)

(1)可以考慮減少與地板接觸的地板梁部位的開孔；一定要避免安裝完地板后形成地板懸空；可以向地板梁設(shè)計部門提出需求，梁上的開孔需要兼顧后續(xù)的隔聲降噪方案實施，避免因為空間限制而無法使用任何隔聲降噪方案。

(2)在同一試驗條件下對不同的車體方案進行聲學(xué)試驗，更準確地評估不同材料車體的聲學(xué)性能(傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)等)。

(3)測試保存樣車振動噪聲試驗數(shù)據(jù)，依據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析車內(nèi)振動噪聲頻段能量分布和主要的傳播路徑。

(4)為了更好的提高聲學(xué)性能，建議在項目前期進行氣密性設(shè)計與分析，同時也能避免后期因為氣密性問題對車體重新進行密封操作。

文中通過前期的實際調(diào)研、大數(shù)據(jù)分析、模擬仿真分析及模型仿真局限性分析的方法，確定多鉸接100%低地板車輛噪聲源并制定合理的措施以及分析可能將會出現(xiàn)的問題，措施實施后整車的隔聲降噪效果良好，為后續(xù)城軌車輛隔聲降噪方案的制定提供有效的依據(jù)，同時模型仿真局限性分析及建議為后續(xù)城軌車輛隔聲降噪方案的制定提供有效的參考。