現(xiàn)代有軌電車(chē)噪聲機(jī)理及減振降噪技術(shù)

（1．中國(guó)中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司科技管理部，130062，長(zhǎng)春；2．中國(guó)中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司檢修研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師）

現(xiàn)代有軌電車(chē)噪聲機(jī)理及減振降噪技術(shù)

徐連萍1邵俊捷2

（1．中國(guó)中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司科技管理部，130062，長(zhǎng)春；2．中國(guó)中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司檢修研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春∥第一作者，教授級(jí)高級(jí)工程師）

簡(jiǎn)述了我國(guó)現(xiàn)階段現(xiàn)代有軌電車(chē)的噪聲限值要求，以測(cè)試數(shù)據(jù)給出了典型現(xiàn)代有軌電車(chē)的噪聲水平現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了現(xiàn)代有軌電車(chē)的聲源分布和噪聲產(chǎn)生機(jī)理。針對(duì)現(xiàn)代有軌電車(chē)噪聲特性及其產(chǎn)生機(jī)理，提出了車(chē)內(nèi)外噪聲控制的關(guān)鍵技術(shù)。研究結(jié)果表明：輪軌噪聲是現(xiàn)代有軌電車(chē)的主導(dǎo)聲源，通過(guò)彈性車(chē)輪和嵌入式軌道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪軌噪聲聲源控制，通過(guò)風(fēng)擋隔聲控制和結(jié)構(gòu)傳聲路徑控制實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)噪聲控制是有軌電車(chē)減振降噪的關(guān)鍵技術(shù)所在。

現(xiàn)代有軌電車(chē)；輪軌噪聲；減振降噪；空氣傳聲；結(jié)構(gòu)傳聲

First－author′saddressCRRC Changchun Railway Vehicles Co．，Ltd．，130062，Changchun，China

隨著我國(guó)現(xiàn)代有軌電車(chē)的迅速發(fā)展，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)與噪聲受到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，減振降噪已成為體現(xiàn)其綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)。本文簡(jiǎn)要概述了我國(guó)現(xiàn)階段現(xiàn)代有軌電車(chē)的噪聲水平和噪聲限值要求，系統(tǒng)分析了現(xiàn)代有軌電車(chē)的聲源分布和噪聲機(jī)理，綜述了現(xiàn)代有軌電車(chē)低噪聲設(shè)計(jì)和減振降噪控制技術(shù)。

1 噪聲限值要求及現(xiàn)狀

我國(guó)典型線路上現(xiàn)代有軌電車(chē)噪聲技術(shù)指標(biāo)要求為：如果采用ISO 3095—2013標(biāo)準(zhǔn)，在距軌道中心線7．5m遠(yuǎn)處測(cè)試的車(chē)外靜置噪聲不超過(guò)70dBA，速度小于70km／h勻速運(yùn)行下車(chē)外運(yùn)行噪聲不超過(guò)78dBA；如果采用ISO 3381—2011標(biāo)準(zhǔn)，速度小于70 km／h勻速運(yùn)行下車(chē)外運(yùn)行噪聲不超過(guò)78dB（A）。

針對(duì)我國(guó)典型線路上現(xiàn)代有軌電車(chē)現(xiàn)狀，按照ISO 3381—2011標(biāo)準(zhǔn)，在有砟和無(wú)砟兩種最為典型的線路區(qū)段，測(cè)試了70km／h勻速運(yùn)行情況下的車(chē)內(nèi)噪聲。測(cè)試結(jié)果如圖1所示。測(cè)試結(jié)果表明，車(chē)內(nèi)噪聲超出了該標(biāo)準(zhǔn)的限值要求范圍，這主要源于車(chē)內(nèi)外噪聲共同作用的結(jié)果。

圖1 現(xiàn)代有軌電車(chē)70km／h勻速運(yùn)行情況下車(chē)內(nèi)噪聲測(cè)試結(jié)果

2 噪聲主要聲源及產(chǎn)生機(jī)理

2．1 車(chē)外噪聲源

現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)外噪聲主要分布在輪軌、冷卻風(fēng)機(jī)、輔助設(shè)備及牽引電機(jī)等4個(gè)典型區(qū)域，其中3種試驗(yàn)速度下最顯著聲源分布均在輪軌區(qū)域。為了進(jìn)一步區(qū)分4種主要聲源對(duì)車(chē)外噪聲的貢獻(xiàn)，在車(chē)外聲源識(shí)別結(jié)果的基礎(chǔ)上，給出了4種聲源與電車(chē)速度變化的關(guān)系，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)外主要聲源隨速度變化關(guān)系圖

傳統(tǒng)的軌道交通通常采用左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的鋼軌（如圖3a）所示），現(xiàn)代有軌電車(chē)更傾向于采用左右非對(duì)稱(chēng)的槽型軌（如圖3b）所示）。左右非對(duì)稱(chēng)的軌道橫截面可能會(huì)增加鋼軌的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而通過(guò)彎扭耦合增加鋼軌腹板的橫向振動(dòng)響應(yīng)；而槽型軌的軌槽結(jié)構(gòu)，會(huì)增大頂面的有效輻射面積，可能也會(huì)增加鋼軌結(jié)構(gòu)的振動(dòng)聲輻射。從而兩方面都可能使非對(duì)稱(chēng)槽型軌的輪軌噪聲增大，但是到目前為止，針對(duì)槽型軌的輪軌噪聲分析還較少。

圖3 鋼軌橫截面對(duì)比

2．2 車(chē)內(nèi)噪聲源

如圖1所示的測(cè)試結(jié)果表明，影響車(chē)內(nèi)噪聲主要來(lái)自3個(gè)方面：①軌道類(lèi)型導(dǎo)致的鋼軌粗糙度差異；②軌道衰減率（線路結(jié)構(gòu)阻尼特性）；③軌道結(jié)構(gòu)的吸聲特性差異。①和③兩種因素各自導(dǎo)致的有砟軌道比無(wú)砟軌道噪聲增加都不會(huì)大于1dBA［2］，但有砟軌道的車(chē)內(nèi)噪聲明顯小于無(wú)砟軌道的車(chē)內(nèi)噪聲，其最大的可能因素還是由于有砟軌道的整體阻尼特性要比無(wú)砟軌道的更為優(yōu)越，導(dǎo)致其具備更好的軌道衰減率，從而使列車(chē)運(yùn)行在有砟軌道上有更好的低噪聲性能。

3 車(chē)外噪聲控制關(guān)鍵技術(shù)

輪軌噪聲是現(xiàn)代有軌電車(chē)噪聲的主導(dǎo)聲源，控制輪軌噪聲是現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)外噪聲控制的首選。

3．1 彈性車(chē)輪的設(shè)計(jì)

現(xiàn)代有軌電車(chē)絕大多數(shù)采用彈性車(chē)輪結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)代有軌電車(chē)彈性車(chē)輪

通過(guò)彈性結(jié)構(gòu)，將輪輞和幅板這兩個(gè)車(chē)輪聲輻射最顯著的區(qū)域進(jìn)行振動(dòng)解耦。同時(shí)，彈性結(jié)構(gòu)采用高阻尼特性材料（例如橡膠環(huán)）可以更好地抑制輪軌噪聲。

要想達(dá)到理想的振動(dòng)解耦效果，隔離層彈性結(jié)構(gòu)的剛度越小越好；而要獲取理想的阻尼效果，隔離層彈性結(jié)構(gòu)的剛度則越大越好。因此，如何確定隔離層彈性結(jié)構(gòu)的剛度，是彈性車(chē)輪低噪聲設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

3．2 彈性體的選材

出于共享路權(quán)考慮，通常將現(xiàn)代有軌電車(chē)的鋼軌嵌入到高分子材料構(gòu)成的彈性體中，如圖5所示。高分子材料彈性體具有高阻尼特性，理論上可以很好地提高軌道結(jié)構(gòu)的整體阻尼特性，從而對(duì)輪軌噪聲抑制起到積極作用。

但是，嵌入式軌道結(jié)構(gòu)并非一定比傳統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)具有更好的減振降噪性能，分析其原因主要為［3］：①?gòu)椥泽w自由表面可能會(huì)與鋼軌一起振動(dòng)，甚至某些特定頻率會(huì)放大鋼軌的振動(dòng)，從而使得參與聲輻射的振動(dòng)表面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軌頭表面積，使輪軌噪聲中來(lái)自于軌道結(jié)構(gòu)的噪聲增大；②由于鋼軌嵌入到彈性體中，其包裹作用會(huì)改變傳統(tǒng)鋼軌的偶極子聲輻射特性，變?yōu)槁曒椛湫矢@著的單極子。因此，彈性體的選材，尤其是剛度和阻尼特性的優(yōu)化匹配，是起到良好減振降噪作用的關(guān)鍵所在。

圖5 現(xiàn)代有軌電車(chē)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)

3．3 旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

冷卻風(fēng)機(jī)、牽引電機(jī)和輔助設(shè)備的噪聲產(chǎn)生機(jī)理均與旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲密切相關(guān)。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲控制工程實(shí)例如下［3］：①采用徑流風(fēng)機(jī)替代傳統(tǒng)的軸流風(fēng)機(jī)，如圖6所示。在600r／min和1 100 r／min轉(zhuǎn)速情況下，可實(shí)現(xiàn)降噪8．4dB和11．4dB。②改變氣流流進(jìn)葉片的方向，讓新風(fēng)（冷空氣）流經(jīng)葉片（壓風(fēng)方式）替代傳統(tǒng)舊風(fēng)（熱空氣）流經(jīng)葉片（抽風(fēng)方式）。③增加葉片數(shù)量，優(yōu)化葉片形狀，在保證供風(fēng)的前提下，盡可能降低風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)措施②和③，再加上對(duì)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)外包裹吸聲材料，就算仍然采用軸流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，也可實(shí)現(xiàn)7dB的顯著降噪效果。

圖6 典型冷卻風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)

4 車(chē)內(nèi)噪聲控制關(guān)鍵技術(shù)

4．1 風(fēng)擋隔音控制

針對(duì)空氣傳聲路徑，采用“等隔聲設(shè)計(jì)原理”，以避免存在隔聲性能較差的部件，避免形成“短板效應(yīng)”。

利用無(wú)指向聲源系統(tǒng)在車(chē)內(nèi)產(chǎn)生混響場(chǎng)噪聲激勵(lì)、在車(chē)內(nèi)外采用聲強(qiáng)掃描聲功率測(cè)試方法，對(duì)裝備狀態(tài)下的有現(xiàn)代軌電車(chē)的車(chē)窗、車(chē)體和風(fēng)擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔聲特性測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 現(xiàn)代有軌電車(chē)裝備狀態(tài)下隔聲特性

測(cè)試結(jié)果表明，風(fēng)擋記權(quán)隔聲量?jī)H有15．6dB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他區(qū)域的車(chē)身結(jié)構(gòu)。由此可知，車(chē)內(nèi)噪聲大部分來(lái)自于車(chē)間貫通道，因此，對(duì)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的隔聲性能提升能有效控制車(chē)內(nèi)噪聲。

另外，為實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，現(xiàn)代有軌電車(chē)大多數(shù)采用輕量化結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)輕量化目標(biāo)時(shí)，為使其振動(dòng)和噪聲性能不受影響，型材結(jié)構(gòu)的要求為（見(jiàn)圖8）：當(dāng)選擇的筋板厚度為1．5mm時(shí)，單位面積型材結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為20．7kg，其計(jì)權(quán)隔聲量為32．3dB；而當(dāng)筋板厚度增加1．0mm和2．0mm后，其面密度分別變?yōu)?4．4kg／m2和28．1kg／m2，質(zhì)量增加的同時(shí)計(jì)權(quán)隔聲量反而降低至31．5dB。由此可見(jiàn)，開(kāi)展輕量化車(chē)體結(jié)構(gòu)的隔聲特性和振動(dòng)聲輻射特性多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)現(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)內(nèi)噪聲控制非常關(guān)鍵，因此，完全可以通過(guò)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和選材等的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)減重和降噪雙重優(yōu)化目標(biāo)。

圖8 現(xiàn)代有軌電車(chē)型材結(jié)構(gòu)隔聲優(yōu)化

4．2 結(jié)構(gòu)傳聲控制

相對(duì)空氣傳聲路徑而言，結(jié)構(gòu)傳聲路徑對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲的影響很少被人關(guān)注。目前，現(xiàn)代有軌電車(chē)都配備兩系懸掛系統(tǒng)，尤其是二系懸掛大多數(shù)都采用了空氣彈簧，來(lái)自輪軌系統(tǒng)的振動(dòng)激勵(lì)在20Hz以上的高頻部分均會(huì)被懸掛系統(tǒng)很好地隔離掉，不會(huì)傳遞到車(chē)體乃至車(chē)廂內(nèi)部。有文獻(xiàn)指出［3］：懸掛系統(tǒng)的聲學(xué)相關(guān)振動(dòng)傳遞特性（結(jié)構(gòu)傳聲特性）往往容易被忽視，導(dǎo)致輪軌系統(tǒng)振動(dòng)經(jīng)結(jié)構(gòu)傳播影響車(chē)內(nèi)噪聲。

現(xiàn)代有軌電車(chē)典型結(jié)構(gòu)傳聲路徑如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，輪軌振動(dòng)激勵(lì)通過(guò)“軸箱－構(gòu)架－車(chē)體”結(jié)構(gòu)傳聲路徑對(duì)車(chē)內(nèi)噪聲形成了顯著影響。

圖9 現(xiàn)代有軌電車(chē)結(jié)構(gòu)傳聲路徑

5 結(jié)論與展望

5．1 結(jié)論

（1）在車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、弓網(wǎng)受流裝置等噪聲主要來(lái)源上，采用復(fù)合材料、仿生學(xué)技術(shù)，以降低中低頻噪聲。

（2）在噪聲傳播路徑上采用具有彈性和阻尼性較好的降噪、吸聲材料和消聲結(jié)構(gòu)阻隔噪聲傳遞。如在轉(zhuǎn)向架上部和側(cè)面安裝吸聲裙板，在車(chē)輪上安裝調(diào)諧吸振器等。

（3）對(duì)車(chē)體及車(chē)下吊裝設(shè)備進(jìn)行模態(tài)分析。合理設(shè)計(jì)各類(lèi)設(shè)備的安裝位置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選擇合適的支撐剛度，避免車(chē)體振動(dòng)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生中低頻共振，加劇車(chē)體振動(dòng)。

（4）“等隔聲設(shè)計(jì)”原則和結(jié)構(gòu)傳聲路徑控制是降低車(chē)內(nèi)噪聲的關(guān)鍵技術(shù)，其中風(fēng)擋的隔聲和防側(cè)滾扭桿結(jié)構(gòu)傳聲控制是研究重點(diǎn)。

（5）通過(guò)以上4方面的被動(dòng)降噪措施能有效降低車(chē)輛的噪聲水平，但要取得進(jìn)一步的降噪效果需要利用新興的“有源消聲”技術(shù)，從噪聲源本身著手，通過(guò)電子線路產(chǎn)生與車(chē)輛現(xiàn)有噪聲相等的反向聲波，將噪聲中和，從而達(dá)到降噪的效果。目前，中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司已經(jīng)在車(chē)輛前端部開(kāi)展相關(guān)的技術(shù)研究。

5．2 發(fā)展趨勢(shì)展望

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車(chē)在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的噪聲控制還不能達(dá)到國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要探討和解決的問(wèn)題還很多。因此，在線路設(shè)計(jì)、車(chē)輛優(yōu)化升級(jí)以及不同線路環(huán)境下的噪聲控制等方面還需作深入研究。

（1）減振降噪方案的設(shè)計(jì)需要超前于實(shí)際工程。將策略研究放在補(bǔ)救結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺失的階段，不僅造成時(shí)間和人力成本的浪費(fèi)，補(bǔ)救措施還可能對(duì)現(xiàn)代有軌電車(chē)線路周邊環(huán)境造成不利影響。因此，在車(chē)輛設(shè)計(jì)的前期應(yīng)該對(duì)車(chē)體振動(dòng)及輪軌耦合關(guān)系進(jìn)行仿真分析，獲取相關(guān)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)并在早期設(shè)計(jì)過(guò)程中加以應(yīng)用。

（2）完善噪聲預(yù)測(cè)計(jì)算模型。通過(guò)噪聲預(yù)測(cè)模型可在車(chē)輛設(shè)計(jì)階段對(duì)新材料的隔聲特性、整車(chē)噪聲分布特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，建立車(chē)輛噪聲評(píng)估分析系統(tǒng)，提高噪聲問(wèn)題解決效率。

（3）新材料適用性研究?，F(xiàn)代有軌電車(chē)車(chē)輛設(shè)計(jì)既要滿足輕量化要求又要實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的隔音效果，可將其他行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)（如航空和建筑）的新材料研究和應(yīng)用成果轉(zhuǎn)化到現(xiàn)代有軌電車(chē)降噪設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化上。

（4）探究列車(chē)內(nèi)外部噪聲源定位技術(shù)。在深化研究噪聲機(jī)理及噪聲單元的聲貢獻(xiàn)基礎(chǔ)上加強(qiáng)噪聲主動(dòng)控制，針對(duì)車(chē)外不同的工況建立與之相適應(yīng)的噪聲控制實(shí)現(xiàn)方法，針對(duì)車(chē)內(nèi)環(huán)境開(kāi)發(fā)智能減振降噪材料，搭建多通道的有源消聲系統(tǒng)。

（5）建立以噪聲源分布、級(jí)別、頻率、振動(dòng)級(jí)等為指標(biāo)的綜合舒適度評(píng)估方法。詳細(xì)研究現(xiàn)代有軌電車(chē)噪聲振動(dòng)與乘客舒適體驗(yàn)的關(guān)系，確定各影響因素對(duì)乘客舒適度的干擾貢獻(xiàn)權(quán)重。依據(jù)評(píng)估體系制定更深入的噪聲控制指標(biāo)，對(duì)現(xiàn)有的控制標(biāo)準(zhǔn)體系加以完善。

［1］ FILLOL C，F(xiàn)RID A．Report on source ranking on state of the art－Validation platforms and final priorities for research effort［J／OL］．（2016－02－12）［2016－08－05］http：∥www．silence－ip．org／site／fileadmin／SP＿E／Deliverable＿ED2＿＿1＿．pdf．

［2］ 湯普森（David Thomson）．鐵路噪聲與振動(dòng)：機(jī)理、模型和控制方法［M］．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，譯．北京：科學(xué)出版社，2013．

［3］ Frid A，F(xiàn)ehse K．Improved design of a diesel engine cooling system［EB／OL］．（2016－02－12）［2016－08－05］http：∥www．silence－ip．org／site／fileadmin／SP＿E／Deliverable＿ED17．pdf．

Mechanism of Modern Tram Noise and Vibration Reduction Technology

XU Lianping，SHAO Junjie

The noise limits of modern tram in China are briefly introduced，the noise level of a typical modern tram is given by the test data．On this basis，the sound source distribution and the mechanism of modern tram noise are analyzed systematically．According to the characteristics and the mechanism of modern tram noise，the key control technologies of vehicle interior and exterior noise are put forward．The research shows that the wheel／rail noise is the dominant sound source of modern tram，and the key control technology of wheel／rail vibration and noise is to adopt resilient wheel and embedded rail track，increase the sound insulation of windshield，decrease the structure－borne sound transmission through adopting antilik and anti－side roll torsional bar．This research serves as a good reference for low noise tram design and noise reduction．

modern tram；wheel／rail noise；vibration and noise reduction；air－borne sound；structure－borne sound

U270．1＋6；U482．1

10．16037／j．1007－869x．2017．02．026

2016－09－25）