軌道工程車監(jiān)控室噪聲控制研究

傅 亮，查國(guó)濤，顏 猛，賀才春，郭福林

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著我國(guó)既有鐵路提速、高速鐵路新建和城市軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，軌道工程車作為鐵路施工和維修的設(shè)備載體，被廣泛應(yīng)用于工務(wù)、橋隧建設(shè)、供電、工程等領(lǐng)域，其保有量已與鐵路機(jī)車的基本相同[1-3]。由于工作人員在軌道工程車上生活與工作，車內(nèi)噪聲直接影響工作人員的舒適性，是鐵路軌道工程車工作人員在作業(yè)環(huán)境中主要的有害因素之一[4]，因此對(duì)其進(jìn)行有效控制，提供一個(gè)低噪聲的工作和生活環(huán)境，不僅能減輕工作人員的疲勞強(qiáng)度，有利于身心健康，也有利于工作人員之間進(jìn)行清晰的語音通信。

國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員對(duì)軌道車輛噪聲控制的研究較多，主要包括主動(dòng)噪聲控制與被動(dòng)噪聲控制。主動(dòng)噪聲控制通常在聲場(chǎng)中布置揚(yáng)聲器作為次級(jí)聲源，主動(dòng)對(duì)聲場(chǎng)進(jìn)行干涉，以達(dá)到降低局部聲場(chǎng)噪聲的目的，但容易增加其他部分聲場(chǎng)噪聲，因此其在軌道車輛降噪中應(yīng)用得較少。被動(dòng)噪聲控制一般是通過阻尼、吸聲、隔聲與密封等方式吸收與隔離噪聲，以達(dá)到使整個(gè)聲場(chǎng)噪聲降低的效果[4-5]，被廣泛應(yīng)用于軌道車輛降噪中。

本文針對(duì)鐵路軌道工程車發(fā)電車的監(jiān)控室噪聲過大的問題，以某鐵路軌道工程車為研究對(duì)象，通過噪聲產(chǎn)生機(jī)理分析及噪聲測(cè)試，尋找主要噪聲源，并采用LMS Virtual Lab對(duì)發(fā)電室與監(jiān)控室之間的隔墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)選出一種方案并進(jìn)行實(shí)測(cè)效果驗(yàn)證。

1 發(fā)電車噪聲特性分析

鐵路軌道工程車包含3節(jié)車廂，分別為發(fā)電車、宿營(yíng)車與工具車。發(fā)電車包括發(fā)電室、監(jiān)控室、廚房、會(huì)議室與前廳（圖1）。發(fā)電車行走時(shí)，噪聲源主要包括發(fā)電機(jī)噪聲、輪軌噪聲與車外流體噪聲；發(fā)電車停車時(shí)，噪聲源主要為發(fā)電機(jī)噪聲?？梢姡徽摪l(fā)電車行走還是停車，發(fā)電機(jī)都一直處于運(yùn)行狀態(tài)，是發(fā)電車最主要的噪聲源，因此本文主要研究發(fā)電車中發(fā)電機(jī)噪聲的控制方法。

圖1 發(fā)電車車內(nèi)布置Fig.1 Interior layout of power generation vehicle

發(fā)電機(jī)噪聲包括機(jī)械噪聲、電磁噪聲與氣動(dòng)噪聲。機(jī)械噪聲主要由發(fā)電機(jī)各運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受氣體壓力和運(yùn)動(dòng)慣性力的周期變化所引起的振動(dòng)或相互沖擊而產(chǎn)生。電磁噪聲主要由旋轉(zhuǎn)力波和高次諧波的徑向力使定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動(dòng)而產(chǎn)生。氣動(dòng)噪聲主要包括風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的渦流噪聲和旋轉(zhuǎn)噪聲以及進(jìn)、排氣管道氣流流動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。為了得到發(fā)電機(jī)噪聲特性，在發(fā)電車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，將發(fā)電室中2臺(tái)型號(hào)一致的發(fā)電機(jī)以其標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況開啟。結(jié)合發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境，在2臺(tái)發(fā)電機(jī)周圍前、左、后、右4個(gè)方位布置噪聲測(cè)點(diǎn)，共計(jì)8個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)與地面間的高度為1.0 m，距離發(fā)電機(jī)表面0.5 m，如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of measurement points

發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況下，上述8個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均總聲壓級(jí)為105.1 dB（A），各測(cè)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)如圖3所示。由圖可知，發(fā)電機(jī)在不超過6 300 Hz的頻率范圍內(nèi)的噪聲均在80.0 dB（A）以上，其中100～2 500 Hz之間的噪聲均在88.8 dB（A）以上，因此發(fā)電機(jī)主要噪聲頻率為 100～2 500 Hz。

圖3 各測(cè)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)頻譜Fig.3 Spectrum of the average sound pressure level at each measurement point

2 監(jiān)控室噪聲控制分析

發(fā)電機(jī)是發(fā)電室內(nèi)最主要的噪聲源，而緊鄰發(fā)電室的監(jiān)控室長(zhǎng)期有人工作，因此監(jiān)控室的噪聲環(huán)境急需改善。在監(jiān)控室內(nèi)布置噪聲測(cè)點(diǎn)（圖2中的測(cè)點(diǎn)9），通過測(cè)量得到監(jiān)控室的噪聲頻譜（圖4），其主要噪聲的頻率范圍為100～200 Hz。計(jì)算各頻率下聲壓級(jí)，得到總聲壓級(jí)為87.7 dB（A）。為了改善監(jiān)控室的噪聲環(huán)境，根據(jù)用戶要求，需要將其噪聲在87.7 dB（A）基礎(chǔ)上降低3 dB（A），即噪聲總能量降低一半。

圖4 監(jiān)控室噪聲頻譜Fig.4 Noise spectrum of monitor room

2.1 隔墻結(jié)構(gòu)

如圖5所示，發(fā)電室到監(jiān)控室的噪聲主要通過兩者之間的隔墻與隔聲門進(jìn)行傳遞，尤其是隔墻，離發(fā)電機(jī)較近且面積較大，通過隔墻的噪聲傳遞路徑對(duì)監(jiān)控室噪聲的貢獻(xiàn)量較大，因此隔墻的隔聲性能對(duì)監(jiān)控室內(nèi)噪聲起到至關(guān)重要的作用。為了降低監(jiān)控室的噪聲，需要對(duì)隔墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖5 隔墻位置及結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of location and structure of the partition wall

目前，發(fā)電室隔墻具體結(jié)構(gòu)如下：16 mm輕質(zhì)墻板、1.5 mm空氣層、30 mm吸聲棉、1.5 mm阻尼片和2 mm鋼板。其中，16 mm輕質(zhì)墻板由1 mm酚醛面板、14 mm酚醛泡沫和1 mm酚醛面板構(gòu)成，各隔墻材料參數(shù)如表1所示。

表1 隔墻各材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of the partition wall

2.2 隔墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

2.2.1 隔墻隔聲性能仿真分析

實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過測(cè)試與仿真分析等手段獲得隔墻結(jié)構(gòu)的隔聲性能。其中，隔聲性能測(cè)試可采用“混響室-消聲室”方法，仿真分析可用有限元分析方法。

圖6示出混響室-消聲室隔聲量測(cè)試示意，其中混響室為發(fā)聲室，半消聲室為接受室。在混響室和半消聲室之間的壁面上開1個(gè)窗口，用于安裝被測(cè)隔墻結(jié)構(gòu)試件，試件尺寸為0.83 m×0.83 m。將無指向性聲源放置在混響室中并發(fā)出穩(wěn)定的白噪聲，在混響室中形成均勻的擴(kuò)散聲場(chǎng)。

圖6 混響室-消聲室隔聲量測(cè)試示意Fig.6 Schematic diagram of sound insulation volume test of the reverberation chamber-anechoic chamber

通過測(cè)量混響室的平均聲壓級(jí)和半消聲室一側(cè)試件表面的平均聲強(qiáng)級(jí)，計(jì)算出試件的隔聲量R，如式（1）所示。隔墻結(jié)構(gòu)隔聲量測(cè)試安裝如圖7所示。

圖7 隔墻結(jié)構(gòu)隔聲測(cè)試安裝示意Fig.7 Schematic diagram of acoustic insulation test installation of the partition wall structure

式中：Lp——混響室各傳聲器測(cè)點(diǎn)的平均聲壓級(jí)；LI——半消聲室一側(cè)試件表面的平均聲強(qiáng)級(jí)。

為了模擬隔聲性能測(cè)試過程，在LMS Virtual Lab中建立隔墻結(jié)構(gòu)隔聲仿真計(jì)算模型（圖8）?；祉懯也捎冒l(fā)聲側(cè)空氣聲學(xué)網(wǎng)格模擬、半消聲室采用接收側(cè)空氣聲學(xué)網(wǎng)格模擬，隔墻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格定義在兩者之間，聲源采用分散布局在半徑為12 m的球面上的12個(gè)面聲源來模擬，聲波依次通過混響室聲學(xué)網(wǎng)格和隔墻結(jié)構(gòu)網(wǎng)格到達(dá)半消聲室聲學(xué)網(wǎng)格，通過讀取隔墻結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)與接收側(cè)的聲功率來計(jì)算隔聲量。

圖8 隔墻結(jié)構(gòu)隔聲量仿真分析模型Fig.8 Simulation analysis model of sound insulation of the partition wall structure

隔墻結(jié)構(gòu)隔聲量仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖9所示，測(cè)試和仿真得到的隔聲量曲線趨勢(shì)一致，結(jié)果較為接近，總體上隔墻仿真分析結(jié)果能夠滿足工程分析要求。

圖9 隔墻結(jié)構(gòu)隔聲量仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Fig.9 Comparison of sound insulation volume simulation of the partition wall structure with test results

2.2.2 隔墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

監(jiān)控室的主要噪聲集中在100～200 Hz，因此對(duì)隔墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是加強(qiáng)隔墻低頻隔聲效果，尤其是100～200 Hz的隔聲效果。

根據(jù)隔聲理論可知，隔墻低頻隔聲性能主要受隔墻面密度、內(nèi)部吸聲與阻尼等因素的影響，因此可以通過增加隔墻內(nèi)部各結(jié)構(gòu)材料（輕質(zhì)墻板、鋼板、吸聲棉與阻尼片）厚度以改變隔墻參數(shù)，從而提高隔墻低頻隔聲性能。

綜上，結(jié)合輕量化原則與工程實(shí)踐的可行性，對(duì)隔墻的聲學(xué)結(jié)構(gòu)提出如下優(yōu)化方案：在隔墻增加相同重量的情況下，分別改變隔墻內(nèi)部各結(jié)構(gòu)的厚度，計(jì)算不同優(yōu)化措施下隔墻的隔聲量變化情況，獲取最佳的優(yōu)化手段。在增加相同重量的前提下，增加隔墻各部分結(jié)構(gòu)的厚度，通過LMS Virtual Lab仿真分析，得到不同優(yōu)化措施下隔墻結(jié)構(gòu)隔聲量的變化情況（圖10和表2）。其中，增加阻尼片或鋼板的厚度后，各頻段所增加的隔墻隔聲量均在1 dB（A）以內(nèi)；增加輕質(zhì)墻板厚度、增加吸聲棉厚度后，增加了100 Hz和160～6 300 Hz的隔墻隔聲量，尤其160～400 Hz頻率范圍內(nèi)的低頻隔聲量，在200 Hz頻率時(shí)增加了6.1 dB（A）。

表2 不同隔墻優(yōu)化措施下隔墻結(jié)構(gòu)增加的A計(jì)權(quán)隔聲量Tab.2 Amount of sound insulation of the A weight increased by the partition wall structure under different partition wall optimization measures

圖10 不同隔墻優(yōu)化措施下隔墻結(jié)構(gòu)所增加的隔聲量Fig.10 Amount of sound insulation increased by the partition wall structure under different partition wall optimization measures

可見，相對(duì)增加隔墻阻尼片、輕質(zhì)板與鋼板的厚度，增加吸聲棉厚度對(duì)監(jiān)控室的降噪效果影響是最為顯著的。這是因?yàn)楦魤Φ母袈曅Ч饕Q于由隔墻中隔聲結(jié)構(gòu)的隔聲性能和吸聲棉的吸聲性能。隔墻的隔聲結(jié)構(gòu)包括輕質(zhì)墻板、鋼板與阻尼片，三者的面密度較高，隔聲性能較好；吸聲結(jié)構(gòu)為吸聲棉，其厚度僅為30 mm，吸聲效果有限，若再增加15 mm厚度，則可大幅提高吸聲棉層的吸聲效果，尤其是低頻吸聲效果。因此，在增加隔墻各部分結(jié)構(gòu)相同重量的前提下，選擇將吸聲棉的厚度增加15 mm作為隔墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，其能以較低的成本取得更好的隔聲效果。

3 隔墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)測(cè)效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提方案的有效性，根據(jù)第2.2節(jié)的分析結(jié)果，對(duì)發(fā)電室與監(jiān)控室間的隔墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在發(fā)電車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，將發(fā)電室中兩臺(tái)型號(hào)一致的發(fā)電機(jī)按照標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況開啟，測(cè)試監(jiān)控室的噪聲大小，得到隔墻優(yōu)化前后監(jiān)控室的噪聲頻譜，如圖11所示。結(jié)果顯示，監(jiān)控室噪聲總聲壓級(jí)為84.6 dB（A），不同頻率下的降噪量分別為1～5 dB（A），總降噪量為3.1 dB（A），降噪效果明顯，達(dá)到用戶提出的監(jiān)控室降噪3.0 dB（A）的目標(biāo)要求。

圖11 隔墻優(yōu)化前后的監(jiān)控室的噪聲頻譜Fig.11 Noise spectrum of the monitoring room before and after partition wall optimization

4 結(jié)語

針對(duì)軌道工程發(fā)電車的監(jiān)控室噪聲過大的問題，本文以某發(fā)電車為對(duì)象，采用LMS Virtual Lab對(duì)發(fā)電室與監(jiān)控室之間的隔墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并實(shí)測(cè)效果驗(yàn)證，得到的結(jié)論如下：

（1）發(fā)電車處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況下，發(fā)電室總聲壓級(jí)為105.1 dB（A），主要噪聲頻率為100～2 500 Hz；監(jiān)控室總聲壓級(jí)為87.7 dB（A），主要噪聲頻率為100～200 Hz。

（2）采用LMS Virtual Lab對(duì)發(fā)電室與監(jiān)控室之間的隔墻進(jìn)行隔聲性能仿真分析，通過對(duì)比測(cè)試和仿真結(jié)果可知，兩者隔聲量曲線趨勢(shì)一致，結(jié)果較為接近，總體上隔墻仿真分析結(jié)果能夠滿足工程分析要求。

（3）在增加隔墻各部分結(jié)構(gòu)相同重量的前提下，選擇增加吸聲棉厚度15 mm為隔墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，能以較低的成本取得更好的降噪效果，監(jiān)控室噪聲在不同頻率下的降噪量分別為1～5 dB（A），總降噪量為3.1 dB（A），降噪效果明顯，達(dá)到監(jiān)控室降噪目標(biāo)3.0 dB（A）的要求。

后續(xù)將對(duì)軌道工程車進(jìn)行系統(tǒng)聲學(xué)仿真分析，通過實(shí)驗(yàn)與仿真的對(duì)比分析，建立準(zhǔn)確的噪聲預(yù)估模型，從而快速準(zhǔn)確地對(duì)軌道工程車進(jìn)行噪聲控制。