時蒙 李帥 韋海菊

摘 要：地鐵車輛地板結(jié)構(gòu)作為重要的噪聲傳遞路徑，其隔聲性能對車內(nèi)噪聲有重要影響?，F(xiàn)以具體某型地鐵車輛地板結(jié)構(gòu)為研究對象，首先分析比較了不同地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的隔聲量，然后基于統(tǒng)計能量方法建立車內(nèi)噪聲預(yù)測模型，對隔聲量最優(yōu)的地板組合方案進行評估。地板方案優(yōu)化前后對于車內(nèi)靜置噪聲整體貢獻效果不明顯，而80 km/h勻速運行時的車內(nèi)噪聲降低了0.4 dB（A）左右。該研究成果對軌道車輛減振降噪有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;車內(nèi)噪聲;地板;隔聲;減振降噪

中圖分類號：U270.1+6? 文獻標志碼：A? 文章編號：1671-0797（2022）13-0053-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.015

0??? 引言

隨著我國城市軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展，地鐵運輸由于其具有快速、準點、安全等特點，已經(jīng)逐漸成為城鎮(zhèn)居民日常出行的首選。但地鐵車輛在隧道內(nèi)運行時難免會產(chǎn)生噪聲，導(dǎo)致乘客的乘坐舒適性變差。在地鐵車輛設(shè)計與研發(fā)的過程中，需要提高車輛的隔聲性能以達到降低客室內(nèi)噪聲的目的。因此，車體結(jié)構(gòu)隔聲性能已經(jīng)逐漸成為影響城市軌道交通可靠商業(yè)運營的關(guān)鍵因素[1-3]，關(guān)于車輛隔聲特性的研究成為軌道交通技術(shù)研究的一個重要分支。

近年來，車輛隔聲問題在我國得到了廣泛關(guān)注。張捷等人[4]通過室內(nèi)試驗獲取車體地板鋁型材板件結(jié)構(gòu)的隔聲特性、阻尼損耗因子和模態(tài)密度等;然后結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，建立車體地板鋁型材板件結(jié)構(gòu)的振動噪聲預(yù)測模型，從而提出了一種使用單層板對鋁型材的聲振特性預(yù)測進行等效建模的方法，適用于中高頻范圍。

本文針對我國某型地鐵車輛建立了車內(nèi)噪聲預(yù)測模型，分析比較了不同地板隔聲優(yōu)化方案的降噪效果。

1??? 地板隔聲方案介紹

針對某型地鐵列車車體地板結(jié)構(gòu)，在其原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部敷設(shè)三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等減振降噪材料，提高其降噪性能。

具體對比方案如表1所示。

如表1所示，在原有的“70 mm鋁型材地板+3 mm地板布+18 mm鋁蜂窩內(nèi)地板”的基礎(chǔ)上，敷設(shè)三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等阻尼材料，進行降噪處理。具體方案如下：

方案一：在鋁型材表面敷設(shè)19 mm的三聚氰胺板，敷設(shè)后地板總厚度為110.0 mm，總質(zhì)量為46.2 kg。

方案二：在鋁型材表面敷設(shè)4 mm的陶瓷纖維棉，并在四角用木塊支撐，其空氣層厚度為15 mm，敷設(shè)后地板總厚度為110.0 mm，總質(zhì)量為46.8 kg。

方案三：在鋁型材表面敷設(shè)4 mm的陶瓷纖維棉和15 mm的三聚氰胺板，敷設(shè)后地板總厚度為110.0 mm，總質(zhì)量為47.0 kg。

方案四：在鋁型材表面敷設(shè)兩層4 mm的陶瓷纖維棉，中間用木塊支撐，其空氣層厚度為11 mm，敷設(shè)后地板總厚度為110.0 mm，總質(zhì)量為47.6 kg。

對上述四種組合降噪方案下地板鋁型材的隔聲量進行測試，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，上述四種組合降噪方案中，方案三的降噪效果最顯著，計權(quán)隔聲量為47.1 dB。從頻率隔聲曲線可見，方案三提高的頻率區(qū)段主要在400～1 250 Hz。

通過室內(nèi)試驗測得方案三降噪組合結(jié)構(gòu)的隔聲效果最顯著，故采用此種組合方案進行車內(nèi)降噪分析。因此，建立車內(nèi)噪聲預(yù)測模型，以方案三的隔聲量曲線為輸入，分析方案三的降噪效果。

2??? 計算模型

下面基于統(tǒng)計能量分析，以VA One軟件為仿真計算平臺，建立某型地鐵車輛車內(nèi)噪聲預(yù)測分析模型，對車內(nèi)噪聲水平進行預(yù)測分析，并研究地鐵列車聲源大小及隔聲性能對車內(nèi)噪聲的影響。

2.1??? 統(tǒng)計能量分析（SEA法）概述

統(tǒng)計能量分析以梁、桿、板、殼、柱等子結(jié)構(gòu)為建模基礎(chǔ)，搭建復(fù)雜系統(tǒng)的振動和噪聲耦合動力學(xué)預(yù)測模型。子系統(tǒng)之間的能量平衡方程如下：

?????????????????ω[L][E]=[P]（1）

式中：[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;[E]為子系統(tǒng)能量矩陣;[P]為系統(tǒng)輸入功率矩陣。

能量定義式如下：

E=M<v2>，（2）

式中：M為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的質(zhì)量;<v2>為時間平均和空間平均的均方振動速度;M<v2>為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的能量;V為聲學(xué)子系統(tǒng)的體積;<p2>為時間平均和空間平均的均方聲壓;ρ為介質(zhì)密度;c為聲音在介質(zhì)中的傳播速度;V<p2>/（ρc2）為聲場子系統(tǒng)的能量。

通過理論計算或試驗測試可以獲取系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子、輸入功率等，基于這些參數(shù)和輸入功率，可以求出目標子系統(tǒng)的平均能量水平，從而進一步轉(zhuǎn)換為所需振動級、聲壓級、應(yīng)力等動力學(xué)參數(shù)。

2.2??? SEA模型

下面以VA One軟件為仿真計算平臺，建立某地鐵車輛車內(nèi)噪聲預(yù)測分析模型。

圖2給出了SEA車內(nèi)聲學(xué)預(yù)測模型，其中圖2（a）為車輛整體模型，圖2（b）為車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)示意圖，圖2（c）為車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)示意圖，車內(nèi)聲腔編號由車頭方向往車尾方向依次遞減，圖2（d）為載荷分布。

3??? 地板隔聲對車內(nèi)噪聲的影響

車外主要聲源為輪軌噪聲和地板下輔助設(shè)備噪聲，所以地板隔聲對于車內(nèi)噪聲有重要影響。

下面基于上文建立的車內(nèi)噪聲預(yù)測模型，通過改變地板隔聲量大小來研究其對車內(nèi)噪聲的影響。圖3給出了地板結(jié)構(gòu)隔聲量在-5～5 dB（A）范圍波動時車內(nèi)噪聲水平的變化情況，列車以80 km/h速度勻速運行。

由圖3可知，當(dāng)?shù)匕甯袈暳吭龃? dB（A）時，司機室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲均減小0.5 dB（A）;隨著地板隔聲量的減小，車內(nèi)噪聲值逐漸增加，當(dāng)?shù)匕甯袈暳繙p小5 dB（A）時，司機室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲分別增加1.3 dB（A）、1.4 dB（A）、1.5 dB（A）和1.5 dB（A）。

4??? 地板優(yōu)化方案降噪效果評價

將方案三地板組合結(jié)構(gòu)的隔聲量測試結(jié)果輸入計算模型，對其降噪效果進行評價，結(jié)果如圖4所示。其中圖4（a）為靜置狀態(tài)下車內(nèi)各個位置的降噪效果，圖4（b）為以80 km/h速度勻速運行狀態(tài)下車內(nèi)各個位置的降噪效果。

由圖4可知，地板優(yōu)化前后對于車內(nèi)靜置噪聲幾乎沒有影響;對于80 km/h勻速運行車內(nèi)噪聲也僅降低了0.4 dB（A）左右，影響較小。分析原因可能和車體除地板外的其他某些板件結(jié)構(gòu)隔聲性能較差有關(guān)，即出現(xiàn)了“短板效應(yīng)”，導(dǎo)致即使地板隔聲性能得到優(yōu)化，但對于列車內(nèi)部降噪效果并不明顯。

5??? 結(jié)論

本文以我國某型地鐵車輛地板型材結(jié)構(gòu)為研究對象，通過建立車內(nèi)噪聲預(yù)測模型，分析比較了不同地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的降噪效果，得到以下結(jié)論：

（1）由室內(nèi)板件隔聲特性測試結(jié)果可知，“70 mm鋁型材地板+3 mm地板布+18 mm鋁蜂窩內(nèi)地板+15 mm三聚氰胺板+4 mm陶瓷纖維棉”地板組合的隔聲特性最佳。

（2）當(dāng)?shù)匕甯袈暳吭龃? dB（A）時，司機室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲均減小0.5 dB（A）;隨著地板隔聲量的減小，車內(nèi)噪聲值逐漸增加，當(dāng)?shù)匕甯袈暳繙p小5 dB（A）時，司機室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲分別增加1.3 dB（A）、1.4 dB（A）、1.5 dB（A）和1.5 dB（A）。

（3）地板優(yōu)化前后對于車內(nèi)靜置噪聲貢獻效果不明顯，對于80 km/h勻速運行車內(nèi)噪聲僅降低了0.4 dB（A）左右。

[參考文獻]

[1] 沈志云.高速列車的動態(tài)環(huán)境及其技術(shù)的根本特點[J].鐵道學(xué)報，2006，28（4）：1-5.

[2] SOETA Y，SHIMOKURA R.Survey of interior noise characteristics in various types of trains[J].Applied Acoustics，2013，74（10）：1160-1166.

[3] EADE P W，HARDY A E J.Railway vehicle internal noise[J].Journal of Sound and Vibration，1977，51（3）：403-415.

[4] 張捷，肖新標，王瑞乾，等.高速列車鋁型材聲振特性測試及等效建模[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2017，51（3）：545-553.

收稿日期：2022-04-09

作者簡介：時蒙（1986—），男，江蘇南京人，高級工程師，研究方向：軌道車輛。