徐鳳妹，廖 平，印建明，葛劍敏

(1 中國南車集團 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 客車設(shè)計部，江蘇南京210031; 2 同濟大學(xué) 聲學(xué)研究所，上海200092)

出口突尼斯內(nèi)燃動車組聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計

徐鳳妹1，廖 平1，印建明1，葛劍敏2

(1 中國南車集團 南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 客車設(shè)計部，江蘇南京210031; 2 同濟大學(xué) 聲學(xué)研究所，上海200092)

根據(jù)突尼斯內(nèi)燃動車組項目技術(shù)規(guī)范中關(guān)于車內(nèi)外噪聲要求和評定標準，介紹了動車組噪聲源、不同區(qū)域斷面結(jié)構(gòu)的聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計、車內(nèi)外噪聲預(yù)測和采取的降噪措施，通過車內(nèi)外噪聲的測試，驗證了預(yù)測的準確性，試驗與噪聲預(yù)測結(jié)果基本一致，噪聲測量值達到了項目技術(shù)規(guī)范的要求。

動車組;聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計;噪聲預(yù)測;噪聲測試

南車集團南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司為突尼斯研制生產(chǎn)了一批內(nèi)燃動車組(以下簡稱動車組)，每列動車組由兩節(jié)結(jié)構(gòu)相同的車輛組成。作為動車組關(guān)鍵技術(shù)之一的車輛噪聲控制即聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計中經(jīng)過了方案制定、仿真計算、噪聲預(yù)測、方案優(yōu)化、噪聲測試等階段。該項目技術(shù)規(guī)范對車輛噪聲要求如下:車內(nèi)外測量噪聲級的測量條件按國際標準定義，車內(nèi)參照ISO 3381［1］要求車內(nèi)噪聲達到(1)列車靜止動力輔助設(shè)備運行時客室內(nèi)的噪聲不得超過68 dB(A);(2)列車以最大速度運行時乘客室內(nèi)的噪聲不得超過72 dB(A);車外參照ISO 3095［2］，列車起動和全加速時，標準規(guī)定的車外測點噪聲級不超過85 dB(A)。

圖1 車體各部位分布圖

1 動車組布置及噪聲源

1.1 動車組布置

動車組依靠液力傳動，最大運行速度是160 km/h，圖1是動車單節(jié)車體各部位分布圖，前端是司機室，動力系統(tǒng)中的動力包和冷卻裝置分別安裝在車下、車頂，他們之間通過冷卻管路連接。車頂平頂區(qū)域布置了空調(diào)裝置、電磁箱、水箱等設(shè)備，車體兩側(cè)中部布置了雙開塞拉門。動轉(zhuǎn)向架安裝在前部區(qū)域，拖轉(zhuǎn)向架安裝在后部區(qū)域。為解決車身輕量化和噪聲的矛盾，通過計算機仿真模擬，對車體結(jié)構(gòu)進行了多重優(yōu)化，實現(xiàn)各部位結(jié)構(gòu)、材料和質(zhì)量的最佳組合。

聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計首先是找到噪聲源，對噪聲的源頭進行優(yōu)化處理，從圖1可以看出，動車組最大的噪聲源是動車組的動力系統(tǒng)、吊掛在車下的動力包和側(cè)門上方的冷卻裝置，另外還有空調(diào)機組、輪軌噪聲(研究表明:當列車速度小于250 km/h，鐵路噪聲以輪軌噪聲為主［3］)等。

1.2 動車組主要噪聲源特性

動力包噪聲為供貨商提供的聲功率數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到距離車底外表面預(yù)測點位置后，動力包的噪聲頻譜特性如圖2(a)所示。類比城市軌道車輛(速度為80 km/h)，采用同濟大學(xué)的測試結(jié)果，輪軌噪聲測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到噪聲預(yù)測點位置后，輪軌噪聲頻譜曲線如圖2 (b)所示。車頂表面噪聲測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到噪聲預(yù)測點位置后，車頂外部噪聲頻譜曲線如圖2(c)所示。車體側(cè)墻表面噪聲測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到噪聲預(yù)測點位置后，車體側(cè)墻噪聲頻譜曲線如圖2(d)所示。司機室前墻噪聲測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到噪聲預(yù)測點位置后，司機室前墻噪聲頻譜曲線如圖2(e)所示。根據(jù)廠家提供的冷卻通道噪聲源試驗數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)化到仿真計算所需要位置后，冷卻通道噪聲源的噪聲頻譜曲線如圖2(f)所示。

圖2 動車組主要噪聲源1/3倍頻程頻譜曲線

1.3 動車組各斷面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其隔聲特性

動車組車輛各個斷面都為多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，不同材料的厚度和性能組成多個方案，對每個方案在隔聲實驗室進行了隔聲性能試驗，隔聲實驗室分為發(fā)聲室和接收室，在發(fā)聲室和接收室內(nèi)都放置了大量反射體以反射聲波來達到擴散場的要求，發(fā)聲室內(nèi)部放置一個穩(wěn)態(tài)聲源揚聲器作為發(fā)聲系統(tǒng)。測試裝置包括:功率放大器、揚聲器、測量傳聲器、分析記錄儀等測量儀器。測量中使用丹麥B＆K公司的Pulse Labshop Tool系列軟件，配合B＆K Type 3038及Type 7539數(shù)據(jù)采集模塊，利用多組雙通道對輸入信號進行了實時CPB分析(即聲音信號的1/3倍頻程分析)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如下(結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)，數(shù)字單位/mm):

動轉(zhuǎn)向架上方:3優(yōu)質(zhì)阻尼漿+3鋼板+3優(yōu)質(zhì)阻尼漿+80隔熱材+20地板+2.5地板布。

動力包上方:17.3隔熱罩(2鋼板+15保溫材+0.3鋼板)+15空氣層+3優(yōu)質(zhì)阻尼漿+3鋼板+3優(yōu)質(zhì)阻尼漿+70隔熱材+20地板+2.5地板布。

拖轉(zhuǎn)向架上方:3優(yōu)質(zhì)阻尼漿+3鋼板+3優(yōu)質(zhì)阻尼漿+70隔熱材+20地板+2.5地板布。

低地板區(qū):3阻尼漿+1.5波紋鋼板+3阻尼漿+47.5隔熱材+20地板+2.5地板布。

冷卻裝置下方平頂:2鋼板+2.5優(yōu)質(zhì)阻尼漿+74隔熱材+4玻璃鋼。

司機室后圓頂:2鋼板+2.5阻尼漿+90隔熱材+70發(fā)泡隔熱材+4玻璃鋼。

冷卻通道:2鋼板+2.5優(yōu)質(zhì)阻尼漿+50隔熱材+22鋁峰窩板。

側(cè)墻、端墻:2.5鋼板+2.5阻尼漿+74隔熱材+4玻璃鋼。

司機室:20玻璃鋼+120發(fā)泡隔熱材+4玻璃鋼。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)隔聲曲線如圖3所示，其中Ra為平均隔聲量;Ia為記權(quán)隔聲量。

2 動車組聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計措施

車輛的聲學(xué)設(shè)計是合理地利用隔振、減振、隔聲、吸聲的綜合效果，使客室內(nèi)的噪聲降低到允許的標準值以下，動車組噪聲及聲學(xué)優(yōu)化設(shè)計從下面5個方面考慮:

圖3 動車組主要斷面處結(jié)構(gòu)模擬隔聲曲線

2.1 采用密閉結(jié)構(gòu)，提高車輛的氣密性

在設(shè)計過程中，車體鋼結(jié)構(gòu)外部采用滿焊，司機室模塊和車身的連接采用焊接、打膠密封的形式，司機室的隔熱材采用發(fā)泡的形式，充分保證該區(qū)域的密封，貫通車體上下的動力系統(tǒng)連接管路布置在圖1所示的冷卻通道里，車窗、車門和車體的連接采用可靠的密封結(jié)構(gòu)。布置在動力包上方用于動力包中柴油機日常維護的檢查門采取了雙層密封結(jié)構(gòu)，盡可能提高車輛的氣密性。

2.2 提高車上、車下設(shè)備連接區(qū)域的剛度

振動和噪聲是需要統(tǒng)一研究的，結(jié)構(gòu)的振動引起空氣的振動，然后以波的形式在空氣中傳播，成為噪聲，增加車下、車上設(shè)備安裝區(qū)域的剛度，可以相對減弱結(jié)構(gòu)振動。6 t多重的動力包是嚴重的振動源、噪聲源，動力包吊掛區(qū)域采取了剛性比較大的箱形結(jié)構(gòu)梁組成框架，如圖4、圖5所示。二位端平頂上安裝了冷卻裝置、水箱、電磁箱、空調(diào)等設(shè)備，在車頂平頂設(shè)計了二根縱向通長的槽形梁，槽形梁和車頂?shù)臋M梁、縱向梁組焊成框架，車頂所有設(shè)備安裝在二根縱向通長的槽形梁上，提高了平頂?shù)恼w剛度。

2.3 設(shè)備安裝點、內(nèi)裝固定采取彈性連接，達到減振目的

動力包和車體的連接:動力包所有元器件集合在一個框架上，成為動力包模塊，模塊和車體的連接有4個連接面，連接面采用了圖6所示的減振結(jié)構(gòu)。

圖4 動力包安裝框架

地板、間壁的安裝均采用彈性支座(由橡膠和型材組成)連接，圖7為地板的安裝方式。的夾層厚度，選擇不同厚度的超細玻璃棉。70 mm厚超細玻璃棉NRC:0.80，平均吸聲系數(shù):0.72。

圖5 箱型橫梁斷面

圖6 減振安裝座

圖7 地板安裝方式

2.4 嚴格控制關(guān)鍵部件的隔聲指標

對直接關(guān)系到車內(nèi)隔聲性能的關(guān)鍵部件做了相應(yīng)規(guī)定，例如塞拉門采用鋁門板，芯材采用蜂窩鋁，隔聲量達到35 dB;車窗采用雙層中空夾膠玻璃，隔聲量達到37 dB;風擋采用雙層結(jié)構(gòu)，隔聲量達到35 dB。

2.5 材料選擇

為解決車體輕量化和噪聲的矛盾，通過計算機仿真模擬，對列車結(jié)構(gòu)進行了多重優(yōu)化，實現(xiàn)各部位結(jié)構(gòu)、材料和質(zhì)量的最佳組合。

(1)阻尼材料的選擇

對阻尼材料的選擇做了對比優(yōu)化處理，圖8所示的轉(zhuǎn)向架區(qū)域、冷卻系統(tǒng)所在的車頂區(qū)域，動力包安裝區(qū)域，在這些區(qū)域包括轉(zhuǎn)向架區(qū)域的底架鋼結(jié)構(gòu)下表面、動力包所在區(qū)域的底架鋼結(jié)構(gòu)下表面及裙板內(nèi)側(cè)、冷卻系統(tǒng)所在區(qū)域的車頂鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，噴涂損耗因子0.196、減振降噪效果好的優(yōu)質(zhì)阻尼材料，其余部位則采用普通的阻尼漿。經(jīng)過對不同厚度阻尼層和鋼板的組合隔聲性能測試，采用底架外部的阻尼層僅3 mm厚(普通客車4 mm厚)，其余2.5 mm厚(普通客車3 mm厚)方案。

(2)地板的選擇

底架內(nèi)裝地板采用了隔聲減振性能優(yōu)良的隔聲復(fù)合地板，密度:12.5 kg/m2，隔聲:Rw≥31 dB。

(3)絕熱材料的選擇

鋼結(jié)構(gòu)和內(nèi)裝板之間的隔熱層采用了體積密度22～26 kg/m3、隔聲性能優(yōu)良的超細玻璃棉材料。根據(jù)不同區(qū)域

圖8 特別區(qū)域阻尼漿布置

3 車內(nèi)噪聲預(yù)測

3.1 車內(nèi)結(jié)構(gòu)噪聲預(yù)測

車體各部位從外層到車內(nèi)采用的是多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用SYSNOISE軟件，對車內(nèi)噪聲進行預(yù)測，SYSNOISE軟件是使用有限元、無限元和邊界元方法，對封閉的和半開放空間提供了一套完整的聲學(xué)和振動分析的工具。該軟件使用方便，速度快，對聲學(xué)傳遞損失、隨機分析、無限元、非線性源等有很強的運算處理能力。軟件使用操作步驟依次為:建立結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)庫、定義分析選項、輸入結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格模型、輸入結(jié)構(gòu)模態(tài)、定義黏性模態(tài)阻尼、定義點負荷激勵、保存結(jié)構(gòu)模型、建立聲學(xué)模型數(shù)據(jù)庫、定義分析選項、輸入結(jié)構(gòu)的邊界元網(wǎng)格模型、檢查速度的法向量、定義連續(xù)媒質(zhì)特性、保存聲學(xué)模型、;連接聲學(xué)模型和結(jié)構(gòu)模型、定義場點網(wǎng)格圖、設(shè)置兩個模型的分析參數(shù)、計算強迫耦合響應(yīng)、計算出的結(jié)構(gòu)和聲學(xué)結(jié)果可視化顯示。

3.2 車內(nèi)噪聲的總聲壓級計算

根據(jù)聲壓級疊加計算公式，預(yù)測出車內(nèi)噪聲其中LpT為總聲壓級，Lpi分別為各單元直達聲、混響聲和結(jié)構(gòu)聲組成。

表1為車內(nèi)標準點噪聲預(yù)測值。

表1 車內(nèi)標準點噪聲預(yù)測值

車內(nèi)噪聲平均值為70.9 dB(A)，小于車內(nèi)噪聲標準值72 dB(A)，平均值達標。

4 試驗驗證

用于測試的動車組，由兩輛結(jié)構(gòu)相同的動車(A車和B車)編成，車內(nèi)測點1～10布置如圖9所示:

圖9 車內(nèi)測點布置圖

測點1～10位于兩排座椅中間通道的中心線上，測點3、8的位置的傳聲器置于地板面高1.6 m處，其余測點的傳聲器置于地板面上1.2 m處，傳聲器均朝上放置。車內(nèi)噪聲測試結(jié)果:

A車:內(nèi)部靜態(tài)，空調(diào)等設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，測點噪聲級總平均為62.7 dB(A)，小于68 dB(A)，合格。

動車組勻速運行狀態(tài)，測點噪聲級總平均為68.4 dB(A)，小于72 dB(A)，合格。

B車:內(nèi)部靜態(tài)，空調(diào)等設(shè)備正常運轉(zhuǎn)，測點噪聲級總平均為62.9 dB(A)，小于68 dB(A)，合格。動車組勻速運行狀態(tài)，測點噪聲級總平均為67.1 dB(A)，小于標準72 dB(A)，合格。

車外噪聲測點1～5布置如圖10所示:測點距軌道中心7.5 m，2個測點之間的距離4 m。

車外噪聲測試結(jié)果:靜態(tài)啟動時，車外距軌面1.2 m高測點，測點噪聲值總平均74.4 dB(A);3.5 m高測點:總平均73.2 dB(A)，均小于85 dB(A)。

綜上所述，被測試動車組噪聲符合合同技術(shù)規(guī)范要求。業(yè)主驗車時用自帶的噪聲測試儀器，所測試的結(jié)果符合相應(yīng)要求。

圖10 車外測點布置圖

［1］ ISO 3381－2005 鐵路設(shè)施聲學(xué)—有軌車輛內(nèi)部的噪聲測量［S］.

［2］ ISO 3095－2005 鐵路設(shè)施聲學(xué)—有軌車輛輻射的噪聲測量［S］.

［3］ 魯書濃，練松良.城市軌道交通輪軌噪聲探討［J］.城市軌道交通研究，2003，(05):74-78.

［4］ 王文斌，林中欽，等.機械設(shè)計手冊(機械振動和噪聲)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008.

Acoustics Optimization Design Of Tunisia DUMs

XU Fengmei1，LIAO Ping1，YIN Jianming1，GE Jianmin2
(1 Passenger Car Division，CSR Nanjing Puzhen Rolling Stock Co.，Ltd.，Nanjing 210031 Jiangsu，China; 2 Institute of Acoustice Tongji University，Shanghai 200092，China)

According to the internal and external noise requirement and assessment standard of the technical specifications for Tunisia DUMs，this article introduces the noise source of DMUs，acoustics optimization design of different sections，noise forecast and reduction measures.The test result is consistent with the noise forecast，and the noise measurement value can meet the requirement of technical specifications for Tunisia DUMs.

Tunisia DMUs;acoustics optimization design;noise prediction;noise testing

U270.2

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.01.12

1008－7842(2015)01－0057－05

4—)女，教授級高級工程師(

2014－07－18)