高速列車車間連接處車內(nèi)噪聲特性研究

王金田,孫 強(qiáng),郭偉強(qiáng),湯晏寧

（長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

高速列車車間連接處車內(nèi)噪聲特性研究

王金田,孫 強(qiáng),郭偉強(qiáng),湯晏寧

（長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

參考ISO 3381-2005標(biāo)準(zhǔn)，對運(yùn)營中速度等級為300 km/h的某型高速列車進(jìn)行車間連接處車內(nèi)噪聲測試，給出了車間連接處車內(nèi)噪聲的頻譜特性及其空間分布規(guī)律。進(jìn)而，基于球諧函數(shù)聲場分解和重構(gòu)的球形陣列聲源識別原理，采用球形陣列聲源識別系統(tǒng)，對車間連接處車內(nèi)噪聲進(jìn)行聲源識別，明確了車間連接處車內(nèi)噪聲的源強(qiáng)和分布特性。最后，參考TB 3094-2004標(biāo)準(zhǔn)，對典型的車間連接風(fēng)擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲特性測試。綜合上述測試結(jié)果，對車間連接處噪聲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了綜合的分析。結(jié)果表明，現(xiàn)有高速列車風(fēng)擋結(jié)構(gòu)不單有隔聲不足的問題，還存在較顯著的結(jié)構(gòu)振動聲輻射，對風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計需同時考慮上述兩大因素。

聲學(xué)；高速列車；車內(nèi)噪聲；車間連接；聲源識別；隔聲；風(fēng)擋

我國高速鐵路運(yùn)輸迅猛發(fā)展，隨著列車速度的提高，鐵路噪聲問題變得日益突出。高強(qiáng)度且持續(xù)不斷的噪聲會給人的身心健康帶來嚴(yán)重影響。它會影響旅客的乘車舒適度，影響司乘人員的生理和心理健康，導(dǎo)致司機(jī)的過度疲勞和煩躁情緒，進(jìn)而可能會對行車安全構(gòu)成潛在威脅[1]。自2008年京津城際高速鐵路開通運(yùn)營，武廣、鄭西、京滬和哈大等多條設(shè)計時速350 km/h等級的高速鐵路依次投入運(yùn)營。期間，不斷有司乘人員和旅客對高速列車車間連接處車內(nèi)噪聲進(jìn)行投訴反映，主觀感覺該處車內(nèi)噪聲非常顯著，嚴(yán)重影響了乘坐舒適性。尤其是在高寒地區(qū)冬季運(yùn)行情況下。

國內(nèi)外針對高速列車車內(nèi)噪聲開展了不少研究，但對車間連接處車內(nèi)噪聲的研究，目前較少[1—6]。法國Fredmion[7]對車間連接處車廂外噪聲特性進(jìn)行了測試分析，對其噪聲機(jī)理進(jìn)行了闡述；日本Masahiko[8]針對新干線FASTTECH 360 Z高速列車的減振降噪措施方案及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹，尤其是車間連接處外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的聲學(xué)優(yōu)化；韓國Noh等[9]基于KTX高速列車，測試分析了車間連接處車廂內(nèi)外噪聲，研究了外風(fēng)擋結(jié)構(gòu)對該處車內(nèi)噪聲的降噪效果。由此可見，現(xiàn)有研究對高速列車車間連接處車內(nèi)噪聲問題的研究還處于初級階段，對其特性、機(jī)理和降噪措施的深入研究丞待開展。

本文將以某型300 km/h速度等級高速列車為研究對象，首先測試分析其車內(nèi)噪聲的空間分布規(guī)律和頻譜特性。然后，采用球形聲源識別系統(tǒng)，基于球諧函數(shù)聲場分解和重構(gòu)的球形陣列聲源識別原理，對車間連接處車內(nèi)噪聲進(jìn)行聲源識別，確定車間連接處車內(nèi)噪聲的源強(qiáng)和分布特性。進(jìn)而，在聲學(xué)實驗室內(nèi)對車間連接風(fēng)擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲測試，確定其頻譜隔聲特性。最后，綜合三方面測試分析結(jié)果，對其車內(nèi)噪聲機(jī)理進(jìn)行分析，給出相應(yīng)降噪方案建議。

1 測試方案

為了解高速列車車間連接處車內(nèi)噪聲特性，選定某型300 km/h速度等級高速列車，在運(yùn)行情況下開展系列的車內(nèi)噪聲和聲源識別試驗，列車運(yùn)行速度300 km/h。同時，在聲學(xué)實驗室內(nèi)對改型列車車間連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲測試。

1.1 車內(nèi)噪聲測試

車內(nèi)噪聲測試參考ISO3381-2005標(biāo)準(zhǔn)，采用丹麥B&K Pulse Labshop數(shù)采分析系統(tǒng)，聲學(xué)傳感器為B&K 4190，聲學(xué)校準(zhǔn)器采用B&K 4231，采樣頻率為25.6 kHz。車內(nèi)測點共布置10個，距車內(nèi)地板1.5 m高，縱向3.0 m等間距分布，依次編號為N1—N10，車內(nèi)噪聲測點布置如圖1所示。

1.2 車內(nèi)聲源識別測試

由Helmholtz方程[10]可知，若已知封閉表面的聲壓和質(zhì)點速度，該表面聲場就能唯一確定。球型陣列由多個傳聲器組成并固定在剛性球表面上，測得球表面聲壓，然后基于球諧函數(shù)聲場分解和重構(gòu)原理，就可得到陣列球表面的聲場。由陣列上的多個廣角攝像頭拍攝被測空間的背景圖，并采用縫補(bǔ)法將其組合形成完整的三維空間圖片，像地球儀一樣通過旋轉(zhuǎn)圖片得到不同的觀測位置[11]。

車內(nèi)聲源識別采用B&K LAN-XI 3660 D數(shù)采和B&K 8606聲源識別分析系統(tǒng)，聲學(xué)陣列采用B&K 50通道球形陣列，測點位置位于高速列車車間連接處，如圖1所示。

1.3 車間連接風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲測試

車間連接風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲測試參考鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3094-2004，采用噪聲降低量NR值來評價其隔聲特性。

試驗在半消聲室內(nèi)開展，測點分布如圖2所示，在測定車間連接風(fēng)擋結(jié)構(gòu)內(nèi)外噪聲測點聲壓級后，通過公式（1）計算得到其噪聲降低量NR值。

圖2 車間連接風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲測試圖

式中NRi為車間連接結(jié)構(gòu)在1—4各測點部位1/3倍頻程噪聲降低量；LpIi和LpOi分別為內(nèi)、外測點的聲壓級；Ki為各測點位置的背景噪聲修正值，單位為分貝（dB）。

2 測試結(jié)果分析

2.1 車內(nèi)噪聲特性

圖3給出了冬季在高寒地區(qū)300 km/h速度下車內(nèi)噪聲測點的A計權(quán)聲壓級分布情況。

圖3 車內(nèi)噪聲水平

由圖3可見，車內(nèi)噪聲呈現(xiàn)兩端大中間小的總體分布規(guī)律，車間連接處噪聲是整個車內(nèi)噪聲中最顯著的。300 km/h運(yùn)行速度下，車間連接處車內(nèi)噪聲A聲級要比客室中央處N6的高14.6 dB，要比車輛兩端轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)測點N1和N9的高約2 dB。隨著列車速度的進(jìn)一步提高，此差值將會進(jìn)一步增大。根據(jù)測試數(shù)據(jù)[12]，當(dāng)列車速度從300 km/h提升為350 km/h時，該差值會進(jìn)一步增大約2 dB。由此可見，車間連接處噪聲在高速列車車內(nèi)噪聲中非常顯著，約15 dBA的縱向聲壓級差異，會給乘客帶來非常強(qiáng)烈的主觀感受。這可很好解釋和理解司乘人員和乘客關(guān)于“車內(nèi)噪聲在車間連接處很大”的反饋意見。

為了進(jìn)一步分析車間連接處噪聲的特性與形成機(jī)理，圖4給出了其頻譜特性。

圖4 車內(nèi)噪聲頻譜

由圖4可見，300 km/h運(yùn)行速度下，客室中央處N6噪聲頻譜具有典型的寬頻特性，顯著頻段在640 Hz、2 000 Hz和40 Hz處。而車間連接處N10噪聲頻譜相對N 6要顯著地大，尤其是在100 Hz以上頻段，兩者差值均在10 dB以上。其中，車間連接處噪聲頻譜的顯著峰值分別位于2 000 Hz、800 Hz和200 Hz處。相對于轉(zhuǎn)向架上方車內(nèi)噪聲測點N1，除了600 Hz附近有限幾個頻段，N6點的噪聲頻譜能量均要更大。

圖5進(jìn)一步給出了加速過程中車間連接處車內(nèi)噪聲的時頻特性圖。圖5中，橫軸為頻率，豎軸為列車運(yùn)行時間，聲壓級能量大小通過色標(biāo)顏色體現(xiàn)，從白至黃到紅然后藍(lán)最終黑逐漸過渡，整個色標(biāo)動態(tài)范圍為30 dB。分析數(shù)據(jù)截取的是列車從靜止到300 km/h勻加速過程，其中在200 s處，列車速度達(dá)到300 km/h勻速狀態(tài)。

圖5 車內(nèi)噪聲時頻特性

由圖5可見，圖4中車內(nèi)噪聲640 Hz和800 Hz頻段對應(yīng)時頻特性中顯著的651 Hz和814 Hz窄帶FFT頻譜，圖4中2 000 Hz頻段對應(yīng)時頻特性中顯著的1 851 Hz和2 018 Hz窄帶FFT頻譜。在這些頻率區(qū)段，一方面可觀察到較明顯的與列車運(yùn)行速度相關(guān)的頻譜特征，說明該頻率區(qū)段噪聲能量的形成與車輪旋轉(zhuǎn)有關(guān)。同時，它也呈現(xiàn)較一致的紅色亮帶，說明系統(tǒng)在此頻率區(qū)段有較密集的固有模態(tài)特性或頻譜能量激勵。進(jìn)一步結(jié)合更詳細(xì)的車內(nèi)噪聲振動測試結(jié)果分析可知[11]，640 Hz和800 Hz頻率區(qū)段車內(nèi)噪聲能量主要來自于轉(zhuǎn)向架中高頻結(jié)構(gòu)聲激勵車體固有模態(tài)群而產(chǎn)生的；2 000 Hz頻率區(qū)段為車輪高階不圓激發(fā)的顯著輪軌噪聲通過空氣傳遞路徑對車內(nèi)產(chǎn)生顯著影響而成。

2.2 車內(nèi)聲源識別

圖6分別給出了車間連接處車內(nèi)噪聲在三個最具典型頻率區(qū)段2 000 Hz、1 250 Hz和800 Hz處的車內(nèi)聲源識別結(jié)果。測試中球形陣列實際位于圖1中的N 10點位置。

由圖6可見，車間連接處車內(nèi)噪聲在中心頻率為2 000 Hz的1/3倍頻程頻段，聲源主要位于內(nèi)風(fēng)擋下部區(qū)域、車門上部密封條區(qū)域和車門地板處。其中，最顯著聲源位于內(nèi)風(fēng)擋下部區(qū)域。

車間連接處車內(nèi)噪聲在中心頻率為1 250 Hz的1/3倍頻程頻段，聲源主要位于內(nèi)風(fēng)擋中部區(qū)域和上部區(qū)域。其中，最顯著聲源位于內(nèi)風(fēng)擋中部區(qū)域。

圖6 車內(nèi)聲源識別

車間連接處車內(nèi)噪聲在中心頻率為800 Hz的1/3倍頻程頻段，聲源主要位于內(nèi)風(fēng)擋中部區(qū)域。

根據(jù)車間連接處車內(nèi)聲源識別結(jié)果，結(jié)合空氣傳聲偏向高頻，結(jié)構(gòu)傳聲偏向中低頻和車內(nèi)噪聲時頻特性，可知：

（1）高速列車車間連接處車內(nèi)噪聲在2 000 Hz和1250 Hz主要聲源機(jī)理為輪軌噪聲和車廂外車間連接處氣動噪聲通過空氣傳聲路徑對車內(nèi)形成顯著貢獻(xiàn)，同時也可觀察到車內(nèi)噪聲時頻特性具有較顯著的階次特征，說明作為列車系統(tǒng)關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)部件的車輪踏面上可能存在有高階的車輪多邊形成分；

（2）高速列車車間連接處車內(nèi)噪聲在800 Hz主要聲源機(jī)理為來自轉(zhuǎn)向架中高頻結(jié)構(gòu)聲激勵車體乃至內(nèi)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生了較顯著的振動響應(yīng)，進(jìn)而聲輻射，對車內(nèi)噪聲形成顯著貢獻(xiàn)。

2.3 車間連接風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲特性

根據(jù)車間連接處車內(nèi)噪聲頻譜特性和車內(nèi)聲源識別分析，初步可判定風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲性能有偏低的可能，為此對風(fēng)擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲特性測試，并將其與地板結(jié)構(gòu)隔聲特性進(jìn)行比較，結(jié)果如圖7所示。

圖7 隔聲量

圖7中，P1—P4分別與圖2中測點布置編號相對應(yīng)，分別為風(fēng)擋上部、左側(cè)、下部和右側(cè)。灰色曲線為典型的鋁型材復(fù)合地板結(jié)構(gòu)的頻率隔聲特性曲線。

由圖7可見，幾乎所有頻段風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的隔聲量均要比復(fù)合地板結(jié)構(gòu)小。而且，整個風(fēng)擋結(jié)構(gòu)不同部位的隔聲量值大小隨頻率波動較大。這可能跟風(fēng)擋采用的雙波折棚結(jié)構(gòu)有關(guān)。

根據(jù)圖7頻率隔聲曲線進(jìn)一步可計算得到各點的計權(quán)隔聲量[10]，分別為：40 dB、42 dB、39 dB和40 dB，從而風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的平均計權(quán)隔聲量為40 dB。而典型復(fù)合地板結(jié)構(gòu)的計權(quán)隔聲量為46 dB。

考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)加工工藝、組裝技術(shù)和高速列車系統(tǒng)激勵特性，國外高速列車車內(nèi)噪聲限值在車間連接處是適當(dāng)放寬的，一般該處噪聲限值要比客室中央的上浮5 dB。換言之，風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的隔聲量可比車廂其他部位的最多可低5 dB。因此，單從計權(quán)隔聲量角度，風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的隔聲量盡管略微不足，但基本可滿足高速列車車內(nèi)噪聲設(shè)計原則。

但是，進(jìn)一步分析風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的頻率隔聲量，將不難發(fā)現(xiàn)，風(fēng)擋結(jié)構(gòu)在車間連接處車內(nèi)噪聲顯著頻段隔聲量往往有低谷，尤其是200 Hz、800 Hz、1 250 Hz和1 600 Hz等關(guān)鍵頻率區(qū)段。為此，從車內(nèi)低噪聲角度，在采購風(fēng)擋結(jié)構(gòu)時，建議要對其頻率隔聲量進(jìn)行約束或規(guī)范，以免對車內(nèi)形成顯著的空氣傳聲聲源。另一方面，風(fēng)擋設(shè)計需進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)型式，避免顯著隔聲低谷的出現(xiàn)，尤其是在車內(nèi)噪聲關(guān)鍵的頻率區(qū)段。

為了模擬風(fēng)擋安裝密封程度對其隔聲量的影響，分別對不加密封墊、加密封墊6顆螺絲緊固和加強(qiáng)密封墊12顆和20顆螺絲緊固等多種風(fēng)擋安裝方式的風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲量進(jìn)行了測試，其相應(yīng)的平均計權(quán)隔聲量分別為：25 dB、33 dB、40 dB和40 dB。由此可見，風(fēng)擋安裝密封程度對其隔聲效果有非常大的影響，而當(dāng)風(fēng)擋安裝足夠密封后，其緊固程度對隔聲性能不再影響。密封墊的使用能影響到風(fēng)擋15 dB的隔聲量，而密封材料及緊固程度會帶來約7 dB的隔聲差異。此測試結(jié)果也能很好解釋冬季運(yùn)營情況下車間連接處在高速列車車內(nèi)噪聲更為凸顯的原因所在。

綜上分析，風(fēng)擋結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計，除了進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)型式，提高其隔聲性能，同時減小風(fēng)擋結(jié)構(gòu)在中低頻的振動聲輻射外，與車體結(jié)構(gòu)的安裝連接方式也非常重要。建議風(fēng)擋的安裝必須采用氣密性能良好的密封墊，同時盡量采用最緊密的固定方式，盡量提高其氣密性能。

3 結(jié)語

本文測試分析了高速列車車內(nèi)噪聲的空間分布規(guī)律和頻譜特性，采用球形陣列進(jìn)行了車內(nèi)聲源識別，分析了車間連接處車內(nèi)噪聲的源強(qiáng)和分布特性，對其聲源機(jī)理也進(jìn)行了闡述說明，然后對關(guān)鍵的風(fēng)擋結(jié)構(gòu)部件開展了隔聲測試，得到如下結(jié)論和建議：

（1）列車以300 km/h速度等級運(yùn)行時，車內(nèi)噪聲兩端大中間小，車間連接處噪聲是整個車內(nèi)噪聲中最顯著的。其A聲級要比客室中央處的高14.6 dB。隨著列車速度的進(jìn)一步提高，此差值將會進(jìn)一步增大。當(dāng)列車速度從300 km/h提升為350 km/h時，該差值會進(jìn)一步增大約2 dB；

（2）車間連接處噪聲頻譜的顯著峰值分別位于2 000 Hz、800 Hz和200 Hz頻段。2 000 Hz頻段聲源機(jī)理為輪軌噪聲和車廂外車間連接處氣動噪聲通過空氣傳聲路徑對車內(nèi)形成顯著貢獻(xiàn)；800 Hz頻段聲源機(jī)理為來自轉(zhuǎn)向架中高頻結(jié)構(gòu)聲激勵車體乃至內(nèi)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)，使得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)生了較顯著的振動響應(yīng)，進(jìn)而聲輻射，對車內(nèi)噪聲形成顯著貢獻(xiàn)；200 Hz頻段對應(yīng)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲低谷，為空氣傳聲；

（3）風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的隔聲性能相對車體其他部件偏低，差值在6 dB以上，提高風(fēng)擋結(jié)構(gòu)隔聲性能是解決車間連接處車內(nèi)噪聲過大的關(guān)鍵措施。同時，其頻率隔聲量有顯著低谷，優(yōu)化風(fēng)擋結(jié)構(gòu)型式是進(jìn)一步研究的關(guān)鍵方向；

（4）風(fēng)擋安裝密封程度對其隔聲量的影響非常顯著，建議風(fēng)擋的安裝必須采用氣密性能良好的密封墊，同時盡量采用最緊密的固定方式，盡量提高其氣密性能。

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Study on Interior Noise Characteristics of the Gangway in High-speed Trains

WANG Jin-tian,SUN Qiang,GUO Wei-qiang,TANG Yan-ning

(CNR Changchun Railway Vehicles Co.Ltd.,Changchun 130062,China)

∶According to the standard ISO 3381-2005,the interior noise of the gangway in a certain type of high-speed trains at 300 km/h speed level is tested.The spectral characteristics and the spatial distribution of the interior noise are obtained.Furthermore,based on the theory of spherical harmonic decomposition and reconstruction,a spherical array sound source recognition system is employed to recognize the sound sources of the interior noise at the gangway.Then the intensity and distribution characteristics of the interior noise are obtained.Finally,according to the standard TB 3094-2004,the sound insulation characteristic of the windshield structure of a typical gangway is tested.According to the test results,the mechanism of the interior noise of the gangway is analyzed comprehensively.It is shown that the existing windshield structures have not only the deficiencies in sound insulation,but also the significant noise radiation due to the structural vibration.So, the two shortcomings should be considered in design and optimization of the windshield structures.

∶acoustics;high-speed train;interior noise;gangway;sound source identification;sound insulation; windshield

U238；U270.1+.6；< class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI編碼：

10.3969/j.issn.1006-1335.2014.06.022

1006-1355(2014)06-0097-05

2014-09-15

國家863計劃資助(2011AA11A103-2-1)

王金田(1965-)，男，吉林長春人，副總工程師，目前從事軌道交通車輛研究開發(fā)工作。

E-mail∶wangjintian@cccar.com.cn