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        速度350 km/h 雙層動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)降噪設(shè)計(jì)

        2021-05-21 01:54:08鄢桂珍潘光亮郭建強(qiáng)
        鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛 2021年2期
        關(guān)鍵詞:客室隔聲型材

        鄢桂珍,潘光亮,郭建強(qiáng)

        (中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司, 山東青島266111)

        雙層客車(chē)具有載客量大,人均能耗低的優(yōu)勢(shì),能夠滿(mǎn)足繁忙線(xiàn)路運(yùn)能提升需求,也符合軌道車(chē)輛低碳環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外動(dòng)車(chē)組發(fā)展過(guò)程中,雙層動(dòng)車(chē)組是一個(gè)重要的發(fā)展方向,并且有廣泛的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn),其中投入運(yùn)營(yíng)最多的是法國(guó)阿爾斯 通TGV雙層動(dòng)車(chē)組,累計(jì)交付近200 列[1]。除此以外,還有日本的E1 和E4 雙層動(dòng)車(chē)組、龐巴迪的IR200 雙層動(dòng)車(chē)組等。我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的“新曙光”號(hào)、“神州”號(hào)、“廬山”號(hào)以及“金輪”號(hào)雙層動(dòng)車(chē)組,均為內(nèi)燃動(dòng)力集中雙層動(dòng)車(chē)組,最高運(yùn)營(yíng)速度180 km/h[2-3],基于動(dòng)力分散技術(shù)的雙層電力動(dòng)車(chē)組,在國(guó)內(nèi)還是空白。隨著京滬高鐵等繁忙線(xiàn)路客流攀升,研制載客量更大的速度350 km/h 雙層動(dòng)力分散動(dòng)車(chē)組已非常迫切,而作為整車(chē)重要性能指標(biāo)的車(chē)內(nèi)聲學(xué)舒適度是雙層動(dòng)力分散動(dòng)車(chē)組急需解決的重要課題。CRH380A 和諧號(hào)、CR400復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組研制過(guò)程中的噪聲控制技術(shù)研究,為雙層動(dòng)車(chē)的降噪設(shè)計(jì)提供了良好的基礎(chǔ)[4-6]。

        根據(jù)速度350 km/h 雙層動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)的平斷面特點(diǎn),提出噪聲控制重點(diǎn)區(qū)域,基于CR400 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組的噪聲研究基礎(chǔ),采用聲學(xué)正向設(shè)計(jì)技術(shù),完成動(dòng)車(chē)組的動(dòng)車(chē)整車(chē)降噪設(shè)計(jì)及仿真預(yù)測(cè)。

        1 速度350 km/h 雙層動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)結(jié)構(gòu)

        圖1 單層和雙層布置對(duì)比

        1.1 斷面增大帶來(lái)氣動(dòng)噪聲增加

        雙層動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)車(chē)體高度比CR400 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組增大450 mm,比CRH380A 和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組增大800 mm,如圖2 所示。隨著斷面增大,氣動(dòng)阻力和噪聲均增大。 相比CRH380A 和諧號(hào)動(dòng)車(chē)組,CR400 復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組斷面增大后,中低頻噪聲明顯增加,如圖3 所示。

        1.2 下層客室與輪軌噪聲源更近

        客室區(qū)域,雙層動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)下層客室下沉,下層地板更接近軌道,原設(shè)備艙區(qū)域約1 m 的高度空間變成下層客室旅客乘坐區(qū)域。單層動(dòng)車(chē)組地板下方聲源為設(shè)備艙內(nèi)噪聲,由于有密封式設(shè)備艙的隔聲效果,噪聲源較小。雙層動(dòng)車(chē)組的下層地板外部聲源為輪軌和氣動(dòng)噪聲疊加聲源,這種車(chē)輛平面布置和斷面變化,導(dǎo)致下層地板外部噪聲源增大約9 dB(A),如圖4 所示。

        圖2 車(chē)體斷面高度對(duì)比

        圖3 氣動(dòng)噪聲對(duì)比

        圖4 增加設(shè)備艙前后客室地板下表面噪聲

        1.3 牽引變流器車(chē)內(nèi)布置產(chǎn)生電磁噪聲

        由于雙層動(dòng)車(chē)組沒(méi)有設(shè)備艙,牽引變流器安裝于車(chē)廂內(nèi)端部區(qū)域,如圖5 所示。牽引變流器工作時(shí)的電磁噪聲、冷卻系統(tǒng)噪聲和振動(dòng)成為車(chē)廂內(nèi)直接聲源,將影響通過(guò)臺(tái)和客室端部噪聲。

        圖5 變流器車(chē)內(nèi)安裝位置

        1.4 上層客室走路聲可能影響下層乘客聲學(xué)舒適性

        雙層動(dòng)車(chē)組要求上下層客室車(chē)內(nèi)噪聲水平相當(dāng),上層客室地板主要起承載作用,對(duì)上層客室地板隔離上下層客室噪聲相互傳遞沒(méi)有特殊要求,但是上層客室內(nèi)的乘客在客室活動(dòng)產(chǎn)生的噪聲,如高跟鞋走路、小孩跑跳、提放行李/物品落地等對(duì)地板的瞬時(shí)沖擊產(chǎn)生的噪聲,可能會(huì)對(duì)下層乘客的乘坐舒適性有一定影響,需要對(duì)上層客室地板的撞擊聲隔聲量進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        2 降噪設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

        2.1 隔聲設(shè)計(jì)理論

        高速動(dòng)車(chē)組車(chē)輛斷面結(jié)構(gòu)一般為“車(chē)體型材+吸聲隔聲材+內(nèi)飾板”的雙層板結(jié)構(gòu)。雙層板的構(gòu)造形式“板—中間夾層(空氣或吸聲材)—板”相當(dāng)于一個(gè)“質(zhì)量—彈簧—質(zhì)量”彈性系統(tǒng),其隔聲特性曲線(xiàn)如圖6 所示。

        圖6 雙層板隔聲特性曲線(xiàn)[7]

        雙層板共振頻率f0計(jì)算公式如下:

        其中,M1、M2為兩層板的面密度,kg/m2;ρ為空氣密度,kg/m3,常溫下為1.18 kg/m3;c為聲速,常溫下為344 m/s;d為兩板間空氣層厚度,m。

        為降低雙層板的共振頻率,可提高M(jìn)1和M2的面密度,同時(shí)增大兩層板之間的空氣層厚度。

        其三,程序的輸出端。自然人可以通過(guò)對(duì)“人工智能創(chuàng)作”的輸出結(jié)果進(jìn)行判斷和選擇,挑選出符合自己要求的創(chuàng)作結(jié)果。如前述高空氣球自動(dòng)攝影案和猴子自拍案中,主張自己為作者的自然人均聲稱(chēng)自己從相機(jī)自動(dòng)拍攝或動(dòng)物隨機(jī)拍攝的大量相片中挑選出了具有美學(xué)價(jià)值的照片。這類(lèi)人工智能創(chuàng)作結(jié)果可能因?yàn)榻?jīng)過(guò)自然人的判斷和選擇而具有作者創(chuàng)作。

        當(dāng)外界聲波的頻率與雙層板系統(tǒng)的固有頻率一致時(shí),雙層板就會(huì)產(chǎn)生共振,此時(shí),聲能量很容易穿透雙層板,使隔聲下降,在隔聲特性曲線(xiàn)上形成一個(gè)低谷。雙層板結(jié)構(gòu)也會(huì)產(chǎn)生吻合效應(yīng),它的臨界頻率fc取決于兩層板各自的臨界頻率,當(dāng)兩層板由相同材料構(gòu)成,且M1=M2時(shí),兩臨界頻率相同,使得吻合谷凹陷加深;當(dāng)兩板的材料不同或M1≠M(fèi)2時(shí),隔聲特性曲線(xiàn)將有2 個(gè)低谷,但凹陷的深度較淺。

        圖6 中,陰影區(qū)域表示雙層板構(gòu)造的隔聲性能優(yōu)于同等質(zhì)量的單層板部分。若f0往低頻移動(dòng),陰影區(qū)增大,反之則減少。因此,共振頻率的位置對(duì)雙層板的隔聲性能有很大的影響。另外在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)采用材料不同的兩層板,或使M1≠M(fèi)2,這樣兩板的臨界頻率互相錯(cuò)開(kāi),使吻合谷變淺。

        2.2 型材優(yōu)化

        動(dòng)車(chē)組車(chē)體結(jié)構(gòu)為雙層鋁合金擠壓型材,斷面結(jié)構(gòu)包括上面板、下面板和中間筋板組成,如圖7所示。型材面板和筋板厚度、筋板角度等參數(shù)對(duì)型材隔聲量均有影響[8]。

        圖7 型材結(jié)構(gòu)示意圖

        雙層動(dòng)車(chē)下層客室區(qū)地板靠近鋼軌,外部聲源大,對(duì)結(jié)構(gòu)隔聲量要求更高。以隔聲量為目標(biāo),綜合考慮結(jié)構(gòu)面密度、剛度、厚度等參數(shù)限制,進(jìn)行型材斷面聲學(xué)綜合尋優(yōu)設(shè)計(jì),最終得到幾種型材斷面的優(yōu)化方案參數(shù)見(jiàn)表1,各種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的隔聲量曲線(xiàn)如圖8 所示。

        表1 鋁型材參數(shù)優(yōu)化列表

        綜合考慮型材剛度、面密度以及隔聲量結(jié)果,選定型材3 進(jìn)行樣件試制,并在混響室內(nèi)測(cè)試其隔聲量。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果見(jiàn)圖9 所示,從圖中可以看出,在大于300 Hz 以上頻段,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果頻譜曲線(xiàn)吻合度較好。因?yàn)樾筒膭偠容^大,一階模態(tài)頻率大于300 Hz,所以仿真計(jì)算的隔聲量在低于300 Hz 的結(jié)果誤差較大。

        圖8 隔聲量仿真計(jì)算結(jié)果

        圖9 型材隔聲量仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果

        2.3 阻尼優(yōu)化

        對(duì)型材結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻尼處理,是進(jìn)一步提高隔聲量的有效方式。雙層動(dòng)車(chē)組車(chē)體型材阻尼處理前后的隔聲量曲線(xiàn)如圖10 所示。從圖中可以看出,型材阻尼處理后,隔聲量提高約3 dB。由于阻尼的增加,對(duì)改善因結(jié)構(gòu)共振導(dǎo)致的聲傳播效果較好,因此隔聲量曲線(xiàn)上,1 250 Hz 和2 000 Hz 處因吻合頻率導(dǎo)致的隔聲量低谷改善顯著,而800 Hz以下頻段,主要是隔聲“質(zhì)量定律”起作用,因此隔聲量提升較小。

        2.4 內(nèi)飾板隔聲優(yōu)化

        地板區(qū)域內(nèi)飾結(jié)構(gòu)因考慮到承重的要求,質(zhì)量分配相對(duì)較大,主要從改變內(nèi)飾板件結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行隔聲優(yōu)化,重點(diǎn)對(duì)比了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、軟木結(jié)構(gòu)和復(fù)合隔聲地板結(jié)構(gòu)的面密度和隔聲量差異,隨著面密度的提高,隔聲量在整個(gè)頻段明顯提高如圖11 所示。

        因考慮自重,內(nèi)飾頂板本身的面密度不易太大,主要從阻尼優(yōu)化角度進(jìn)行優(yōu)化,如圖12 所示,可根據(jù)不同區(qū)域降噪需求進(jìn)行阻尼結(jié)構(gòu)選擇。

        圖10 型材及表面加阻尼隔聲效果

        圖11 不同內(nèi)飾地板隔聲量差異

        圖12 內(nèi)飾頂板隔聲量?jī)?yōu)化

        2.5 牽引變流器間隔聲優(yōu)化

        為降低牽引變流器噪聲向車(chē)內(nèi)傳遞,將原車(chē)體結(jié)構(gòu)向內(nèi)延伸到通過(guò)臺(tái)走廊位置,形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間,將牽引變流器隔離在車(chē)體密封結(jié)構(gòu)之外,形成牽引變流器設(shè)備間。變流器設(shè)備間的墻壁結(jié)構(gòu),從外向內(nèi)依次為“穿孔鋁板+型材+內(nèi)飾板”的“一重兩輕”3 層墻結(jié)構(gòu),墻與墻之間填充吸聲材料以增加聲能損耗,隔聲性能如圖13所示。

        圖13 變流器間墻壁隔聲量

        2.6 上層地板撞擊聲隔聲優(yōu)化

        為減小上層客室旅客活動(dòng)帶來(lái)的地板撞擊聲對(duì)下層乘客的影響,設(shè)計(jì)了帶有中間減振層的上層客室地板斷面結(jié)構(gòu)。按照GB/T 19889.5 和GB/T 19889.7 的測(cè)試方法,分別進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)車(chē)測(cè)試。

        實(shí)驗(yàn)室測(cè)試規(guī)范化撞擊聲壓級(jí)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖14 所示。針對(duì)初步方案撞擊聲導(dǎo)致的聲壓級(jí)較大問(wèn)題,提出在地板布和承重型材間增加減振材料的優(yōu)化方案,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu),規(guī)范化撞擊聲壓級(jí)可降低3 dB,如圖15 所示。

        圖14 上層地板撞擊聲隔聲測(cè)試

        3 整車(chē)噪聲仿真預(yù)測(cè)

        整車(chē)噪聲仿真預(yù)測(cè)采用統(tǒng)計(jì)能量法。該方法根據(jù)車(chē)外噪聲源分布和車(chē)輛結(jié)構(gòu)特性,設(shè)置不同的子系統(tǒng)。CR400“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車(chē)組線(xiàn)路試驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)輪軌區(qū)、車(chē)體表面、設(shè)備艙底部、車(chē)頂?shù)葏^(qū)域分別布置了傳聲器,測(cè)試獲得了實(shí)際的噪聲源數(shù)據(jù),以此為基礎(chǔ)確定雙層動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)噪聲源特性,進(jìn)行車(chē)內(nèi)噪聲預(yù)測(cè),獲得車(chē)內(nèi)聲場(chǎng)分布如圖16所示。

        圖16 客室噪聲仿真計(jì)算結(jié)果

        從圖16 可以看出,變流器間內(nèi)噪聲較高,對(duì)通過(guò)臺(tái)噪聲有一定影響,但整個(gè)客室區(qū)域的噪聲較低,且聲場(chǎng)分布均勻,滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        在充分分析雙層動(dòng)車(chē)組動(dòng)車(chē)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)噪聲影響的基礎(chǔ)上,開(kāi)展針對(duì)性的降噪設(shè)計(jì),并通過(guò)試驗(yàn)和仿真對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。整車(chē)噪聲仿真預(yù)測(cè)結(jié)果表明,在輕量化和有限空間尺寸約束下,降噪設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),達(dá)到了整車(chē)噪聲預(yù)期目標(biāo)。由于目前尚不具備線(xiàn)路運(yùn)行試驗(yàn)條件,具體實(shí)施效果有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

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