（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司設(shè)備研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥高級(jí)工程師）

臥鋪動(dòng)車組隔聲降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

畢 凱

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司設(shè)備研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥高級(jí)工程師）

闡述了控制臥鋪動(dòng)車組振動(dòng)、噪聲的必要性，提出了控制臥鋪動(dòng)車組振動(dòng)噪聲的基本對(duì)策，論述了臥鋪動(dòng)車組降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，包括聲源和振源的控制優(yōu)化、車體結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計(jì)、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)避振設(shè)計(jì)、車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)設(shè)計(jì)等技術(shù)。

動(dòng)車組；隔聲降噪；優(yōu)化設(shè)計(jì)

Author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

伴隨著我國(guó)列車速度的提高，鐵路車輛的振動(dòng)和噪聲問(wèn)題越來(lái)越突出，如不采取有效措施，既會(huì)降低乘客的舒適度，又會(huì)降低車輛各種零部件的壽命。

長(zhǎng)交路臥鋪動(dòng)車組在夜間持續(xù)運(yùn)行，需要保持持續(xù)運(yùn)行時(shí)無(wú)明顯突發(fā)噪聲，并盡可能降低車內(nèi)噪聲，才能為乘客提供良好的旅行休息環(huán)境。因此，臥鋪動(dòng)車組減振降噪設(shè)計(jì)是當(dāng)前鐵路現(xiàn)代化必須解決的首要問(wèn)題之一，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 動(dòng)車組噪聲源及控制

1．1 車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

動(dòng)車組車輛噪聲問(wèn)題的研究，首要任務(wù)是了解車輛噪聲的聲源分布、源強(qiáng)大小及其頻譜特性，并結(jié)合車輛結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)特性，明確各聲源的產(chǎn)生和傳播機(jī)理。動(dòng)車組車外噪聲主要包括輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲、弓網(wǎng)噪聲和高架結(jié)構(gòu)二次輻射噪聲4大類。動(dòng)車組車內(nèi)聲場(chǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，聲源眾多，大致可分為3種類型：直達(dá)聲、透射聲和振動(dòng)輻射聲，如圖1所示。

圖1 動(dòng)車組車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理

直達(dá)聲是從噪聲源發(fā)出，以空氣為媒介，從車窗或車門的縫隙和排風(fēng)口直接傳播到車內(nèi)的聲音；透射聲是指客室外的各種聲源，先經(jīng)空氣介質(zhì)傳播，繼而透過(guò)車輛材料傳到車內(nèi)的聲音；振動(dòng)輻射聲為各種振動(dòng)激勵(lì)源通過(guò)車輛結(jié)構(gòu)將振動(dòng)能量傳遞至車廂，進(jìn)而激發(fā)車廂結(jié)構(gòu)振動(dòng)產(chǎn)生聲輻射。由于直達(dá)聲和透射聲都是通過(guò)空氣傳播，而振動(dòng)輻射聲是通過(guò)結(jié)構(gòu)傳播，因而動(dòng)車組車內(nèi)噪聲來(lái)源可歸為空氣傳播聲和結(jié)構(gòu)傳播聲兩種。

輪軌噪聲、弓網(wǎng)噪聲、氣動(dòng)噪聲和輔助設(shè)備噪聲等動(dòng)車組車外噪聲都是動(dòng)車組車內(nèi)噪聲的主要來(lái)源，這些聲源大多數(shù)既可以通過(guò)空氣途徑傳播，也可通過(guò)結(jié)構(gòu)途徑傳播。盡管對(duì)不同的車輛結(jié)構(gòu)和車輛聲學(xué)特性而言，這些聲源對(duì)車內(nèi)噪聲的貢獻(xiàn)值是不一樣的，但是，根據(jù)國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)，在研究動(dòng)車組車內(nèi)噪聲來(lái)源時(shí)，必須考慮下列可能是顯著的噪聲來(lái)源：①輪軌滾動(dòng)噪聲；②軌枕通過(guò)頻率和車輪缺陷導(dǎo)致的參數(shù)激振；③動(dòng)車組弓網(wǎng)噪聲以及空腔、轉(zhuǎn)向架區(qū)域、車間連接處等的氣動(dòng)噪聲；④車輛表面的湍流邊界層噪聲；⑤動(dòng)力單元、空調(diào)系統(tǒng)、進(jìn)排氣裝置等輔助設(shè)備發(fā)出的噪聲。

1．2 車內(nèi)噪聲控制

中藥成分復(fù)雜，要闡明某種成分與相應(yīng)藥效活性的關(guān)系較為困難，而中藥譜效學(xué)能夠?qū)⒅兴幹讣y圖譜和藥效學(xué)結(jié)合起來(lái)，既能標(biāo)示出中藥含有的多種成分，又能很好地揭示成分與藥效的關(guān)系[11-13]。因此，中藥譜效學(xué)常用于闡明中藥中各成分對(duì)藥效的貢獻(xiàn)程度，其主要方法包括多元線性回歸分析法、偏最小二乘回歸分析法等[14]。本研究采用最小偏二乘回歸分析法，根據(jù)紫荊葉提取物對(duì)酪氨酸酶活性的抑制作用，考察其特征圖譜所代表的不同成分對(duì)該抑制作用的貢獻(xiàn)程度，以期為篩選具有酪氨酸酶活性抑制作用的天然美白原料提供理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)依據(jù)。

針對(duì)動(dòng)車組車內(nèi)噪聲產(chǎn)生機(jī)理，以及噪聲的傳播規(guī)律，動(dòng)車組車內(nèi)噪聲控制方法可以用圖2來(lái)表示。

如圖2所示，動(dòng)車組車內(nèi)噪聲控制，首先要確定車內(nèi)噪聲的目標(biāo)值，如時(shí)速250km臥鋪動(dòng)車組車內(nèi)噪聲設(shè)計(jì)要求客室端部包間噪聲不大于68dB（A），客室中部包間噪聲不大于65dB（A）；其次通過(guò)仿真計(jì)算（線路試驗(yàn)）獲得車內(nèi)主要噪聲源，并分析主要噪聲源特性，包括頻譜特性和源強(qiáng)分布等；然后根據(jù)噪聲源類型和傳播方式的不同進(jìn)行相應(yīng)的低噪聲設(shè)計(jì)，包括直達(dá)聲低噪聲設(shè)計(jì)、透射聲低噪聲設(shè)計(jì)以及振動(dòng)聲輻射低噪聲設(shè)計(jì)等。通過(guò)以上低噪聲設(shè)計(jì)，并預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)車內(nèi)噪聲水平，進(jìn)而確定最終車內(nèi)噪聲控制方案。

圖2 動(dòng)車組車內(nèi)噪聲控制

1．3 車內(nèi)噪聲限值

對(duì)于臥鋪動(dòng)車組車內(nèi)噪聲問(wèn)題而言，國(guó)內(nèi)尚無(wú)對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。以時(shí)速250km臥鋪動(dòng)車組為例，車內(nèi)噪聲限值主要參考GB／T 12816—2006《鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測(cè)量方法》、《CRH系列動(dòng)車組噪聲等評(píng)價(jià)指標(biāo)暫行規(guī)定》（鐵總科技［2014］210號(hào)）等標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定。臥鋪動(dòng)車組車內(nèi)噪聲限值如表1所示。

2 整車低噪聲設(shè)計(jì)

根據(jù)表1所示，臥鋪動(dòng)車組車內(nèi)噪聲測(cè)評(píng)點(diǎn)主要是端部包間、中部包間及司機(jī)室，因此，臥鋪動(dòng)車組整車低噪聲設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)首先確保以上測(cè)評(píng)點(diǎn)位置的噪聲符合限值要求。在此基礎(chǔ)上，研究進(jìn)一步降低車內(nèi)噪聲整體水平的改進(jìn)設(shè)計(jì)。

表1 臥鋪動(dòng)車組車內(nèi)噪聲限值dB（A）

2．1 關(guān)鍵區(qū)域低噪聲設(shè)計(jì)

車廂端部區(qū)域通常是動(dòng)車組車內(nèi)噪聲最惡劣的地方?，F(xiàn)有座車動(dòng)車組線路試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)動(dòng)車組以250km／h速度運(yùn)行時(shí)，客室端部噪聲可達(dá)到75～80dB（A）。結(jié)合臥鋪動(dòng)車組車輛結(jié)構(gòu)特性（見(jiàn)圖3）可知，車廂端部包間基本直接位于轉(zhuǎn)向架上方，受到轉(zhuǎn)向架區(qū)域包括輪軌噪聲在內(nèi)的聲源直接作用，其中相對(duì)于二位端包間，一位端包間更為靠近車廂端部，臨近風(fēng)擋和塞拉門，其聲學(xué)環(huán)境更加惡劣。因此，車廂端部包間的低噪聲設(shè)計(jì)，在控制該區(qū)域輪軌噪聲和氣動(dòng)噪聲等聲源的基礎(chǔ)上，還要考慮優(yōu)化改進(jìn)風(fēng)擋、塞拉門等結(jié)構(gòu)的密封隔聲性能，地板、側(cè)墻、端墻、頂板等的隔聲減振性能，以及包廂間壁的隔聲、隔振動(dòng)聲輻射性能。

2．1．1 受電弓下方包間

圖3 臥鋪動(dòng)車組中間車結(jié)構(gòu)特性

弓網(wǎng)噪聲作為動(dòng)車組車輛的主要噪聲源之一，直接影響受電弓下方區(qū)域的車內(nèi)噪聲水平?，F(xiàn)有座車動(dòng)車組線路試驗(yàn)結(jié)果表明，受電弓下方的車內(nèi)噪聲明顯高于車內(nèi)其他部分的噪聲，差值為1～3dB（A）。隨著車輛運(yùn)行速度的提高，弓網(wǎng)噪聲往往變得更強(qiáng)且更為復(fù)雜。受電弓車的車外弓網(wǎng)區(qū)域存在明顯的聲源，其聲強(qiáng)基本和輪軌區(qū)域噪聲相當(dāng)，因此，受電弓區(qū)域的空氣傳聲對(duì)車內(nèi)噪聲具有顯著貢獻(xiàn)。結(jié)合臥鋪動(dòng)車組車輛結(jié)構(gòu)特性（見(jiàn)圖4）可知，受電弓位于端部包間的上方，這進(jìn)一步加劇了受電弓下方的端部包間噪聲水平。受電弓區(qū)域車內(nèi)噪聲的控制，應(yīng)該首先降低弓網(wǎng)噪聲源和受電弓區(qū)域的振動(dòng)能量傳遞，其次要提高平頂、側(cè)墻等的隔聲、隔振性能。

圖4 臥鋪動(dòng)車組帶受電弓車結(jié)構(gòu)特性

2．1．2 空調(diào)機(jī)組下方包間

空調(diào)機(jī)組對(duì)車內(nèi)噪聲的影響可分為兩部分，一是空調(diào)機(jī)組的工作噪聲，二是空調(diào)機(jī)組的氣動(dòng)噪聲?？照{(diào)機(jī)組的工作噪聲主要對(duì)靜置狀態(tài)下的車內(nèi)、車外噪聲起主要作用，而空調(diào)機(jī)組的氣動(dòng)噪聲則會(huì)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下的車內(nèi)、車外噪聲產(chǎn)生重要影響。結(jié)合臥鋪動(dòng)車組車輛結(jié)構(gòu)特性（見(jiàn)圖3）可知，空調(diào)機(jī)組下方包間低噪聲設(shè)計(jì)，一方面要控制空調(diào)機(jī)組的工作噪聲，另一方面還要關(guān)注空調(diào)機(jī)組的氣動(dòng)噪聲優(yōu)化，同時(shí)考慮提高空調(diào)機(jī)組區(qū)域頂板、側(cè)墻的隔聲減振性能。

2．1．3 車下設(shè)備上方包間

牽引變壓器、牽引變流器、輔助變流器等車下設(shè)備對(duì)車內(nèi)噪聲的影響主要是其工作狀態(tài)下產(chǎn)生的振動(dòng)能量向車內(nèi)傳遞。現(xiàn)有座車動(dòng)車組線路試驗(yàn)結(jié)果表明，車下設(shè)備的顯著噪聲、振動(dòng)能量可以經(jīng)由地板向車內(nèi)傳遞，并引起側(cè)墻、頂板以及內(nèi)裝結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲響應(yīng)。車下設(shè)備上方包間低噪聲設(shè)計(jì)，一方面要控制輔助設(shè)備的工作噪聲，另一方面還要關(guān)注輔助設(shè)備和車體連接結(jié)構(gòu)的隔振和減振性能，同時(shí)也要考慮提高輔助設(shè)備區(qū)域地板和側(cè)墻的隔聲減振性能。

2．2 隔聲降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)

臥鋪動(dòng)車組整車低噪聲設(shè)計(jì)需要從聲源控制和傳遞路徑優(yōu)化兩方面著手。聲源控制包括空氣聲源和結(jié)構(gòu)振動(dòng)兩種聲源的控制，傳遞路徑優(yōu)化包括空氣傳聲和結(jié)構(gòu)傳聲兩種路徑的優(yōu)化。

2．2．1 聲源和振源的控制優(yōu)化

圖5給出了轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲減小3dB（A）和轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲減小5dB（A）之后的車內(nèi)噪聲與轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲未采取任何措施時(shí)的車內(nèi)噪聲對(duì)比。由圖5可見(jiàn)，轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲減小3dB（A）之后，客室端部噪聲降低了約1dB（A）；轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲減小5dB（A）之后，客室端部噪聲降低了約2 dB（A）。

因此，對(duì)于臥鋪動(dòng)車組整車低噪聲設(shè)計(jì)而言，控制車輛顯著的空氣聲源，如輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲、弓網(wǎng)噪聲等，以及控制車輛顯著的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，如轉(zhuǎn)向架區(qū)域振動(dòng)、弓網(wǎng)區(qū)域振動(dòng)、輔助設(shè)備區(qū)域振動(dòng)等，對(duì)于降低車內(nèi)噪聲水平具有重要意義。

圖5 轉(zhuǎn)向架區(qū)域噪聲控制對(duì)比

2．2．2 車體結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計(jì)

對(duì)于空氣傳聲而言，提高車體結(jié)構(gòu)的隔聲水平是降低車內(nèi)噪聲的有效方法。對(duì)臥鋪動(dòng)車組車內(nèi)噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)車體結(jié)構(gòu)的隔聲水平提高之后車內(nèi)噪聲降低了2～3dB（A）。因此，對(duì)于臥鋪動(dòng)車組整車低噪聲設(shè)計(jì)而言，提高車體結(jié)構(gòu)的隔聲水平具有重要作用，特別是車輛的聲源暴露處和車體結(jié)構(gòu)隔聲薄弱處，如轉(zhuǎn)向架區(qū)域地板、受電弓平頂、端部側(cè)墻、頂板、端墻等關(guān)鍵位置的隔聲優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為重要。

2．2．3 內(nèi)裝結(jié)構(gòu)避振設(shè)計(jì)

臥鋪動(dòng)車組車內(nèi)有大量的包間結(jié)構(gòu)，包間間壁的振動(dòng)聲輻射對(duì)車內(nèi)噪聲的影響也不容忽視。車輛的振動(dòng)與噪聲激勵(lì)傳遞至車內(nèi)，引起車內(nèi)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)并輻射噪聲，進(jìn)而產(chǎn)生一系列車內(nèi)噪聲問(wèn)題。因此，對(duì)于臥鋪動(dòng)車組整車低噪聲設(shè)計(jì)而言，需要對(duì)車內(nèi)包間間壁進(jìn)行聲學(xué)結(jié)構(gòu)特性設(shè)計(jì)。一方面要使間壁的共振頻率避開車輛結(jié)構(gòu)的主要固有激勵(lì)頻率，另一方面要研究降低間壁的振動(dòng)聲輻射水平。

2．2．4 車內(nèi)包間聲學(xué)模態(tài)設(shè)計(jì)

與結(jié)構(gòu)模態(tài)類似，空腔存在聲學(xué)模態(tài)，特別當(dāng)車身結(jié)構(gòu)模態(tài)與車內(nèi)空腔聲學(xué)模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率相近時(shí)，會(huì)形成車內(nèi)空腔聲學(xué)共振響應(yīng)。車內(nèi)空腔聲場(chǎng)分布會(huì)以某一固有聲學(xué)振型來(lái)表現(xiàn)，在橫向或縱向的波峰和波谷處形成較顯著的聲壓差值，可使人產(chǎn)生某些區(qū)域噪聲異常強(qiáng)烈的主觀感覺(jué)。現(xiàn)有動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)過(guò)程中曾出現(xiàn)過(guò)一例端部異響問(wèn)題，即和車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)分布相關(guān)。圖6給出了該動(dòng)車組車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)計(jì)算結(jié)果。

由圖6可見(jiàn)，車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)的分布在111Hz附近均表現(xiàn)為橫向兩端大、中間小的規(guī)律。當(dāng)動(dòng)車組以250km／h速度運(yùn)行時(shí)，受到過(guò)枕跨參數(shù)激振頻率（111Hz）的激勵(lì)，加之車輛系統(tǒng)本身在100 Hz附近存在固有模態(tài)密集區(qū)，所以會(huì)引起車輛系統(tǒng)共振；同時(shí)，在111Hz附近存在多個(gè)車內(nèi)空腔聲學(xué)模態(tài)，并且聲壓的分布規(guī)律表現(xiàn)為車內(nèi)橫向兩側(cè)大、中間小的狀態(tài)。車內(nèi)的聲振耦合最終導(dǎo)致了客室端部的異響問(wèn)題，因此，對(duì)于臥鋪動(dòng)車組整車低噪聲設(shè)計(jì)而言，獲得包間、走廊的聲學(xué)模態(tài)分布特性，避免車內(nèi)產(chǎn)生顯著的聲固耦合效應(yīng)十分關(guān)鍵。

圖6 車內(nèi)聲學(xué)模態(tài)特性

3 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)車組振動(dòng)和噪聲控制是一個(gè)系統(tǒng)工程，它與車體輕量化設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、氣密性研究、輪軌摩擦、線路質(zhì)量、振動(dòng)及隔聲、減振材料的選擇、車下動(dòng)力設(shè)備等息息相關(guān)。設(shè)計(jì)時(shí)單從某一方面考慮不能有效降低車內(nèi)外振動(dòng)和噪聲水平，必須綜合考慮各方面因素的影響。只有將聲學(xué)設(shè)計(jì)融入動(dòng)車組結(jié)構(gòu)及部件設(shè)計(jì)的每一方面，才能取得控制動(dòng)車組振動(dòng)和噪聲的良好效果。

［1］ 中國(guó)鐵路總公司。CRH5E型臥鋪動(dòng)車組暫行技術(shù)條件：科技裝函［2015］146號(hào)［S］．北京：中國(guó)鐵路總公司，2015．

［2］ 中國(guó)鐵路總公司．CRH系列動(dòng)車組噪聲等評(píng)價(jià)指標(biāo)暫行規(guī)定：鐵總科技［2014］210號(hào)［S］．北京：中國(guó)鐵路總公司，2014．

Application of Sound Insulation and Noise Reduction Technology in EMU Sleeper Train

BI Kai

The necessity of controlling vibration and noise of EMU sleeper train is expounded，the basic countermeasures to control the vibration and noise of EMU sleeper train are put forward．Then，the technology of the acoustic optimization design for EMU is discussed，including the optimal control of noise and vibration sources，the sound insulation design of the carbody structure and the interior structure，the acoustic modal design of the compartment and so on．

electric multiple unit（EMU）；sound insulation and noise reduction；optimal design

U270．2

10．16037／j．1007－869x．2017．02．016

2016－09－10）