易曉丹, 何中建, 張寶珍

中車株洲電力機車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心, 湖南 株洲 412001

0 引言

風笛是安裝在車輛前端,利用壓縮空氣產(chǎn)生鳴響,用于運行時列車同列車、列車與工作人員之間的聯(lián)絡信號和險情警示信號的傳遞。但鳴笛聲過大會影響鐵路周圍居民和列車工作人員的工作和身心健康。歐盟鐵路互聯(lián)互通技術(shù)規(guī)范(TSI)相關(guān)標準中對鳴笛時司機室內(nèi)和車外的噪聲均有嚴格的要求[1-2]:鳴笛時在司機室內(nèi)測點噪聲值不大于95 dB(A);鳴笛時車外測點噪聲值須為101～109 dB(C)。某出口動車組是中車株洲電力機車有限公司開發(fā)的首個進入歐盟市場須滿足TSI技術(shù)要求的160 km/h的城際雙流制鉸接式低地板動車組。鳴笛時的噪聲控制是TSI認證的重要項點,也是影響司機舒適度的關(guān)鍵因素。 該動車組在進行靜態(tài)風笛噪聲測試時,對于其鳴笛時噪聲超過TSI標準要求的問題,使得試驗成本大大增加,也影響TSI認證證書的獲取。

本文針對上述問題,結(jié)合該動車組風笛安裝結(jié)構(gòu)和工作原理,從噪聲源和噪聲傳遞路徑進行分析,并提出噪聲優(yōu)化措施。

1 風笛安裝結(jié)構(gòu)及工作原理

該動車組配置2個滿足UIC(國際鐵路聯(lián)盟)標準的風笛,1個頻率為(660±30) Hz的高音風笛,1個頻率為(370±20) Hz的低音風笛。2個風笛的工作壓力均為500～1 000 kPa。在進行靜態(tài)風笛噪聲測試時,測試結(jié)果顯示,3種鳴笛模式下,司機室內(nèi)噪聲均超過95 dB(A),不滿足TSI標準要求(見表1)。

表1 3種鳴笛模式下司機室噪聲測試結(jié)果 單位:dB(A)

為減少運行空氣阻力和氣動噪聲,該動車組風笛采用頭罩嵌入式安裝,左右對稱分布在頭罩頂部,風笛通過自帶法蘭與頭罩安裝座通過螺栓進行安裝,安裝座與法蘭之間有密封墊,鳴笛聲主要是通過頭罩倒聲槽、司機室內(nèi)裝頂板傳入司機室(見圖1)。該動車組風笛工作原理如圖2所示:風笛供風支管直接與列車主風管聯(lián)通,主風缸中的壓縮空氣經(jīng)列車主風管通過塞門P01直接傳遞到風笛供風管路的支管,塞門P01可控制風笛管支管供風的通斷,電磁閥P02得電可控制相應風笛支管的通斷從而控制P03或P04風笛發(fā)聲。

圖1 風笛安裝結(jié)構(gòu)

圖2 風笛工作原理

2 噪聲超標問題分析

本文主要從噪聲源和噪聲的傳播路徑進行噪聲超標問題分析,結(jié)合風笛工作參數(shù)、工作原理和安裝結(jié)構(gòu),造成鳴笛時噪聲超標的原因可能有以下2種。

2.1 風笛的工作壓力過大

風笛是鳴笛噪聲超標的噪聲源,其聲音強度是決定噪聲試驗能否順利通過的關(guān)鍵。風笛的工作壓力直接決定了風笛的發(fā)聲能量(見圖3～4),而該動車組風笛的風源是直接來自于列車總風管,即風笛的工作壓力只能與列車總風管壓力一致,為850～1 000 kPa,因此風笛的工作壓力過大是導致鳴笛噪聲超標的主要原因。

圖3 司機室鳴笛時司機室內(nèi)噪聲與風笛工作壓力的關(guān)系

圖4 司機室鳴笛時車外噪聲與風笛工作壓力的關(guān)系

2.2 部件隔聲能力較弱

從噪聲的傳播路徑分析,頭罩導聲槽僅采用15 mm玻璃鋼,司機室頂板也僅采用10 mm鋁蜂窩板,未采取任何吸聲、隔聲、阻尼等減振降噪措施來控制空氣聲的輻射及結(jié)構(gòu)聲的傳遞,導致鳴笛時噪聲超標。

3 噪聲優(yōu)化措施

針對風笛工作壓力過大和部件隔聲能力較差引起的鳴笛造成超出TSI標準要求的問題,主要從以下2個方面進行噪聲優(yōu)化設(shè)計。

1)增設(shè)調(diào)壓閥,優(yōu)化噪聲源。為控制噪聲源風笛的聲壓級,在高低音風笛供風管路的支管上增設(shè)調(diào)壓閥(見圖5),實現(xiàn)對風笛風源壓力的獨立控制,使風笛的工作壓力保持在600 kPa。

圖5 增設(shè)調(diào)壓閥

2)提高部件隔聲能力,優(yōu)化噪聲傳遞路徑。為實現(xiàn)風笛較高的隔音量需求,在15 mm的風笛導聲槽內(nèi)增加3 mm不銹鋼隔聲罩;優(yōu)化司機室內(nèi)裝頂板隔聲能力,對透過頭罩和頂板進入司機室內(nèi)部的風笛噪聲進行吸收,如圖6所示:外部噴涂3～4 mm阻尼漿;內(nèi)部粘貼3 mm隔聲氈以及20 mm碳纖維棉。

圖6 隔聲降噪

4 試驗驗證

該動車組是根據(jù)TSI相關(guān)標準2014/1302/EU和2014/1304/EU中鳴笛時噪聲相關(guān)項點進行測試,具體噪聲限定值如表2所示。

表2 TSI標準中的噪聲限定值

4.1 試驗條件

列車條件:列車門窗保持關(guān)閉;空氣管理系統(tǒng),包括格柵、過濾器和風扇,應清除灰塵和雜物;風笛無任何雜物;司機室處在運行時的條件。

環(huán)境條件:列車應處于開放的環(huán)境中,不能在建筑物或隧道中;在駕駛室前端外邊面25 m內(nèi)不得有任何實質(zhì)性的聲音發(fā)射表面和聲音吸收表面;軌道上無積雪,地面未結(jié)冰。

4.2 測點布置

司機室內(nèi)和車外噪聲測點布置如圖7所示,具體如下。

單位:m

1)司機室內(nèi)測點:半徑為25 cm圓等間距分布8個麥克風陣列組成,放置在司機座椅面垂直向上高度0.8 m處,座椅面距地面高為0.6 m。

2)車外測點:距車輛前端軌道中心線25 m,距軌面高1.6 m。

4.3 試驗內(nèi)容及要求

應在列車正常運行能量水平下測量聲壓級,外部報警風笛激活時,司機室內(nèi)噪聲測試須與車外噪聲測試同時展開。

噪聲測量之前和之后的測量值相差不超過3 dB,同時噪聲測量應比背景噪聲測量值高10 dB及以上,否則噪聲結(jié)果無效。

司機室內(nèi)噪聲應在測量時間間隔為3 s時獲取LpAeq,T值,計算見式(1)。應計算在離散測量位置獲取的LpAeq,T的算數(shù)平均值,此過程應重復3次,計算3次測試結(jié)果值的算數(shù)平均值,四舍五入到整數(shù),并與表1中TSI 標準中噪聲限定值進行對比。

(1)

式中:LpAeq,T為A-加權(quán)等效連續(xù)連續(xù)聲壓級;PA(t)為A-加權(quán)瞬時聲壓;t1為時間間隔測量開始;t2為時間間隔測量結(jié)束;PO為參考聲壓。

車外噪聲應在測量時間間隔為5 s時獲取LpCeq,T值,計算見式(2)。應計算在離散測量位置獲取的LpCeq,T的算數(shù)平均值,此過程應重復3次,計算3次測試結(jié)果值的算數(shù)平均值,四舍五入到整數(shù),并與表1中TSI 標準中噪聲限定值進行對比。

(2)

式中:LpCeq,T為C-加權(quán)等效連續(xù)連續(xù)聲壓級;PC(t)為C-加權(quán)瞬時聲壓;t1為時間間隔測量開始;t2為時間間隔測量結(jié)束;PO為參考聲壓。

4.4 試驗結(jié)果

風笛工作壓力為600 kPa時,高音頻率為681 Hz,低音頻率為383 Hz時,優(yōu)化后鳴笛時噪聲試驗結(jié)果如表3和表4所示。

表3 優(yōu)化后鳴笛時司機室內(nèi)噪聲測試結(jié)果 單位:dB(A)

表4 優(yōu)化后鳴笛時車外噪聲測試結(jié)果

從表中可知,3種鳴笛模式下,司機室內(nèi)和車外噪聲測試值測量前后差值均小于3 dB,也比背景噪聲高至少10 dB,證明測試結(jié)果有效。

司機室內(nèi)噪聲測試結(jié)果:高音鳴笛時最終評價值為89 dB(A);低音鳴笛時最終評價值為93 dB(A);混響鳴笛時最終評價值為95 dB(A)。3種鳴笛模式下,司機室內(nèi)噪聲均滿足TSI標準要求的95 dB(A)限值。

車外噪聲測試結(jié)果:高音鳴笛時最終評價值為101 dB(C);低音鳴笛時最終評價值為105 dB(C);混響鳴笛時最終評價值為106 dB(C)。3種鳴笛模式下,司機室內(nèi)噪聲均滿足TSI標準要求的101～109 dB(C)限值。

5 結(jié)束語

本文從噪聲源和噪聲傳遞路徑2個方面展開研究,系統(tǒng)分析了風笛工作壓力和各部件隔聲能力等因素對鳴笛時司機室噪聲和車外噪聲的影響,并提出相應的噪聲優(yōu)化措施,最終通過噪聲試驗驗證了優(yōu)化方案的可行性和有效性,為后續(xù)動車組噪聲設(shè)計提供指導依據(jù)。