李澤宇，邢海英，周偉旭，藍(lán)興遠(yuǎn)，劉雪梅，曹長業(yè)

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心，吉林 長春 130062)*

我國城際軌道交通發(fā)展迅速，到2020年城際鐵路里程已達(dá)6000多公里，城際動車組在追求快速、便捷和安全的同時，更注重乘坐的舒適性，而噪音是舒適性的重要影響因素，目前國內(nèi)動車組普遍存在著車內(nèi)噪音較大的問題，很難滿足乘客及司乘人員對乘坐舒適性的要求.

目前歐洲三大軌道車輛供應(yīng)商西門子、阿爾斯通、龐巴迪動車組產(chǎn)品車內(nèi)噪聲的指標(biāo)參考TSI“鐵路車輛 -噪聲”子系統(tǒng)互通性技術(shù)規(guī)范［1］;在其研發(fā)過程中均利用噪聲軟件對車輛的內(nèi)部噪聲進(jìn)行預(yù)測和評估，研制工程中采取聲學(xué)控制方案改進(jìn)和提高車輛的聲學(xué)特性.

我國城際鐵路發(fā)展時間較短，對高速條件下動車組車內(nèi)噪音研究的起步較晚，對噪聲的研究多集中在產(chǎn)品的噪聲測試方面，并沒有將噪聲控制納入整車的頂層指標(biāo)，對整車的聲學(xué)性能還處于憑借經(jīng)驗(yàn)控制的階段.本文采用理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，利用VAONE軟件進(jìn)行聲場仿真分析，預(yù)測動車組車內(nèi)噪音水平，針對噪音影響因素較大的部件開展噪音控制技術(shù)和測試技術(shù)研究，通過整車線路試驗(yàn)驗(yàn)證城際動車組車內(nèi)噪聲水平.

1 車內(nèi)噪聲指標(biāo)

高速試驗(yàn)列車總體技術(shù)條件中規(guī)定，當(dāng)列車以300 km/h速度運(yùn)行時車內(nèi)噪聲不超過68 dB(A);國際鐵路聯(lián)盟規(guī)程UIC567中規(guī)定，當(dāng)列車以160km/h速度運(yùn)行時車內(nèi)噪聲一等客車應(yīng)不超過65 dB(A)，二等客車不超過68 dB(A);高速電動車組通用技術(shù)條件規(guī)定列車以350 km/h速度運(yùn)行時一等車客室噪聲不超過65dB(A)，二等車客室噪聲不超過68 dB(A)，司機(jī)室內(nèi)噪聲不超過 77 dB(A)［2］.

目前國內(nèi)城際動車組尚未制定車內(nèi)噪聲標(biāo)準(zhǔn)，考慮到城際動車組的最高運(yùn)行速度為250km/h，參照國內(nèi)、外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)城際車的應(yīng)用特性，客室的噪聲控制從減振、隔音、吸音三個方面考慮，按GB/T12816《鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測量方法》執(zhí)行，目標(biāo)值如表1所示.

表1 城際動車組車內(nèi)噪音限值

2 噪聲仿真分析方法

為了更好地對車輛噪聲進(jìn)行控制，方案設(shè)計(jì)階段開展動車組噪聲性能預(yù)測計(jì)算分析.首先制定列車噪聲控制計(jì)劃，建立整車聲學(xué)仿真計(jì)算模型，根據(jù)噪聲控制目標(biāo)對各子系統(tǒng)進(jìn)行噪聲分配，通過計(jì)算評估結(jié)果是否滿足噪聲目標(biāo)，如果不滿足，提出改進(jìn)建議，進(jìn)行減振降噪措施的動態(tài)調(diào)整，同時對子系統(tǒng)噪聲指標(biāo)重新分配，更新模型，再進(jìn)行噪聲預(yù)測，直至預(yù)測結(jié)果滿足噪聲要求.

對于車輛整車聲學(xué)仿真分析，應(yīng)用仿真分析軟件VAONE進(jìn)行車內(nèi)聲場計(jì)算.統(tǒng)計(jì)能量分析中的能量是在各個子系統(tǒng)間流動的，單位時間內(nèi)的能量即是功率流，而系統(tǒng)的功率流是遵守功率流平衡方程的.含有N個子系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)能量模型，Pi為第i個子系統(tǒng)的輸入功率，ni，nj，ηi，ηj，ηij，ηji分別為子系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子，ω為系統(tǒng)固有頻率，則功率平衡方程的通式為［3］:

其中，[L] 為包含內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子的系統(tǒng)能量損耗矩陣，具體表達(dá)式為:

式中，[E]為子系統(tǒng)能量矩陣，[P]為系統(tǒng)輸入功率矩陣，具體表達(dá)式分別為:

上述方程代表了用統(tǒng)計(jì)能量法對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析的最基本表達(dá)式，通過這些參數(shù)和輸入功率，可以求解目標(biāo)子系統(tǒng)的平均能量水平，進(jìn)而得到振動級、聲壓級等振動噪聲結(jié)果，在整車聲場的仿真計(jì)算過程中，其中聲腔子系統(tǒng)的劃分、子系統(tǒng)之間的連接、聲腔模態(tài)、部件隔聲指標(biāo)，主要聲源(輪軌、氣動、電氣設(shè)備等)的輻射聲能指標(biāo)及材料彈性模量、剛度系數(shù)、損耗因子、吸聲系數(shù)等參數(shù)等在整個仿真計(jì)算過程中起著決定性的作用.

通過仿真計(jì)算分析出車內(nèi)聲場情況，對于聲學(xué)性能惡劣的結(jié)構(gòu)以及聲能輻射嚴(yán)重的聲源，通過軟件進(jìn)行優(yōu)設(shè)計(jì)進(jìn)行聲學(xué)指標(biāo)控制，比如更換材料、結(jié)構(gòu)、聲源參數(shù)等，預(yù)測聲學(xué)效果，直至達(dá)到滿足聲學(xué)指標(biāo)要求，有針對性的選擇理想的聲學(xué)材料、結(jié)構(gòu)及設(shè)備，使得車內(nèi)聲場得到最優(yōu)化控制［4］.

3 車內(nèi)噪音仿真分析

城際動車組為8輛編組，其中01車為頭車，運(yùn)營環(huán)境對其車內(nèi)噪音的影響最大，因此選取01車開展噪音預(yù)測工作，基于統(tǒng)計(jì)能量法，以VAONE軟件為仿真計(jì)算平臺，建立城際動車組車內(nèi)噪音預(yù)測分析模型［5］，車輛聲學(xué)預(yù)測分析模型如圖1所示.

圖1 車內(nèi)噪音預(yù)測分析模型

當(dāng)動車組以160 km/h速度運(yùn)行時，01車客室中央1.6m高和1.2 m高處聲壓級均為61 dB(A)，客室端部1.6 m高和1.2 m高處聲壓級均為66 dB(A);滿足車內(nèi)噪聲設(shè)計(jì)要求不超過68dB(A)的要求.

當(dāng)動車組以200 km/h速度運(yùn)行時，01車客室中央1.6 m高和1.2 m高處聲壓級均為63 dB(A)，客室端部1.6 m高和1.2 m高處聲壓級均為68 dB(A);滿足車內(nèi)噪聲設(shè)計(jì)要求不超過68dB(A)的要求.

當(dāng)動車組以250 km/h運(yùn)行時，01車車內(nèi)噪音預(yù)測結(jié)果如圖2所示，客室中央1.6 m高和1.2m高處聲壓級均為66 dB(A)，但客室端部達(dá)到69～71 dB(A)，超出車內(nèi)噪聲不超過68 dB(A)的設(shè)計(jì)要求.

圖2 車內(nèi)噪音計(jì)算結(jié)果

車內(nèi)噪音仿真分析結(jié)果表明，動車組在250km/h時車內(nèi)噪音超標(biāo)，城際動車組對車內(nèi)地板、墻板、頂板、防寒材等內(nèi)飾件，車輛端部連接以及空調(diào)等附屬設(shè)施等開展噪音控制研究;本文重點(diǎn)介紹對噪音影響顯著的地板、風(fēng)擋、空調(diào)回風(fēng)道等部位的噪音控制方案.

4 車內(nèi)噪音控制方案

根據(jù)動車組多年運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，地板是影響車內(nèi)噪音的重要部件，針對車輛重點(diǎn)區(qū)域采取多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制作樣件測試數(shù)據(jù)對比，選擇最優(yōu)結(jié)構(gòu)，完成整車的減振降噪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并得到實(shí)際結(jié)構(gòu)測試參數(shù)，做為計(jì)算依據(jù).

城際動車組在車體不同區(qū)域選取不同形式的地板結(jié)構(gòu)開展隔音測試研究，共完成了21種不同結(jié)構(gòu)、不同供應(yīng)商地板的測試，本文選取了四種典型位置的地板結(jié)構(gòu)如表2所示，其中典型試樣2、3、12增加了厚度5 mm的隔音墊，分別應(yīng)用于動車組不同位置;為考察不同供應(yīng)商產(chǎn)品的噪聲水平，試樣12和試樣2為不同供應(yīng)商的產(chǎn)品.

表2 典型地板結(jié)構(gòu)測試試樣

測試結(jié)果如圖3所示，可以看出增加5 mm隔音墊地板隔音效果明顯，比未粘接隔音墊的地板隔音水平提高了約6 dB［6］.不同區(qū)域選用不同結(jié)構(gòu)的地板，可以有效提高地板區(qū)域的隔音水平;同時不同供應(yīng)商采用相同結(jié)構(gòu)地板的測試結(jié)果表明地板隔音水平基本相似.

圖3 地板結(jié)構(gòu)隔音量

風(fēng)擋是車輛端部噪音控制的薄弱環(huán)節(jié)，在250km/h運(yùn)行狀態(tài)下1-2車、2-3車風(fēng)擋處噪聲值在89～92 dBA，形成車外噪聲進(jìn)入車內(nèi)的主要傳遞途徑.典型頻譜特性如圖4所示，其中以中心頻率800 Hz和100 Hz的1/3倍頻段最顯著.為提高風(fēng)擋安裝密封性，在風(fēng)擋內(nèi)、外部安裝接口施加密封膠.渡板下部填充吸音材料聚氨酯吸音棉.

圖4 車間連接風(fēng)擋處噪聲頻譜

空調(diào)開啟時，靜態(tài)車內(nèi)噪音最大為62dB(A)，其本體噪聲對250 km/h車內(nèi)噪聲測試結(jié)果影響較小.但是在250 km/h運(yùn)行狀態(tài)下，其下方車內(nèi)噪聲顯著.

由于空調(diào)回風(fēng)道與車輛外部直接相通，外部噪聲可以直接通過空調(diào)回風(fēng)道進(jìn)入車內(nèi).通過在空調(diào)回風(fēng)道加裝消聲百葉，內(nèi)壁增加吸音材料來降低進(jìn)入車內(nèi)的噪聲，吸音材料選用厚度50 mm三聚氰胺.

通過地板區(qū)域加裝隔音墊噪音控制方案的改進(jìn)措施，轉(zhuǎn)向架區(qū)域加裝隔音墊很好地阻斷了輪軌外部噪音的傳遞，隔聲量提高6 dB左右.城際動車組在滬昆線上開展了整車噪聲測試，測試結(jié)果表明，風(fēng)擋內(nèi)、外部安裝接口施加密封膠、渡板下部填充吸音材料有效阻擋外部噪音進(jìn)入車輛內(nèi)部;空調(diào)風(fēng)道加裝吸音墊提升了車輛內(nèi)部噪音的水平，試驗(yàn)結(jié)果表明動車組噪音水平滿足客室68dB(A)，司機(jī)室77 dB(A)的噪音要求.

5 結(jié)論

(1)城際動車組采用正向設(shè)計(jì)理念，考慮城際運(yùn)用的實(shí)際需求，分析國內(nèi)外動車組標(biāo)準(zhǔn)對車內(nèi)噪聲的指標(biāo)要求，提出了城際動車組客室68 dB(A)、司機(jī)室77 dB(A)的噪聲控制目標(biāo);

(2)應(yīng)用VAONE軟件進(jìn)行內(nèi)部聲場仿真計(jì)算，預(yù)測出城際動車組在160 km/h和200 km/h時滿足噪音指標(biāo)要求，在250 km/h時車內(nèi)噪音限值超過噪聲控制目標(biāo);

(3)采取仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，提出地板加裝隔音墊、風(fēng)擋密封方案、空調(diào)風(fēng)道加裝吸音墊等措施提高部件的隔音水平，帶隔音墊地板樣件測試結(jié)果表明其隔音性能提高約6dB;

(4)城際動車組噪聲測試試驗(yàn)結(jié)果表明動車組250 km/h運(yùn)行時車內(nèi)噪聲從71 dB(A)降低到68 dB(A)，滿足城際動車組車內(nèi)噪聲指標(biāo)要求，噪聲控制方案可以推廣到其它動車組產(chǎn)品中.