機(jī)車及柴油機(jī)噪聲測試試驗室研究

趙睿+鄭長國

摘 要：在聲學(xué)試驗室進(jìn)行機(jī)車部件及柴油機(jī)噪聲測試試驗和研究，規(guī)劃設(shè)計噪聲測試試驗室整體布局及相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：噪聲；半消聲室；混響室；隔聲測試試驗室

中圖分類號：TK421 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

機(jī)車是國內(nèi)城市間客運、貨運的主要交通運輸方式，也是我國鐵路客運高速、貨運重載的發(fā)展方向。隨著鐵路機(jī)車車速的不斷提升，機(jī)車的噪聲問題逐漸凸顯出來，包括機(jī)車的環(huán)境輻射噪聲和機(jī)車的車內(nèi)噪聲，前者直接造成對沿線環(huán)境噪聲污染，而后者關(guān)系到司乘人員的工作舒適性。因此，改進(jìn)和優(yōu)化機(jī)車的車、內(nèi)外噪聲勢在必行。研究機(jī)車的噪聲問題，常用的方法不外乎測試和仿真兩種方法，對于機(jī)車來說，有關(guān)噪聲的測試通常只能在線路上測試，但存在以下問題：試驗周期長，成本高；試驗結(jié)果重復(fù)性差；噪聲測試結(jié)果容易受到周邊的環(huán)境的影響；研究過程中，無法采用臨時改進(jìn)措施，否則影響火車安全；強(qiáng)噪聲和振動對設(shè)備的影響，特別對人體的危害等。為了避免上述問題，最有效的解決方法就是在聲學(xué)試驗室里進(jìn)行噪聲的相關(guān)測試和研究，包括柴油機(jī)及機(jī)車零部件在各種工況下的噪聲測試。

一、噪聲測試試驗室設(shè)計

噪聲測試試驗室包括一間柴油發(fā)動機(jī)整機(jī)半消聲室（預(yù)留測功機(jī)室）、一間機(jī)車部件級半消聲室（這兩間半消聲室截止頻率均為80Hz。）、一間混響室、兩個標(biāo)準(zhǔn)混響室及控制室，同時配備功能區(qū)域，包括儲備間，準(zhǔn)備間等。

聲學(xué)試驗室包括：吸聲結(jié)構(gòu)、隔振系統(tǒng)、隔聲門、空調(diào)通風(fēng)和消聲設(shè)備、照明、監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

1.半消聲室

1.1 半消聲室總體設(shè)計

聲學(xué)試驗室使用的吸聲結(jié)構(gòu)要求具有便于清潔、維護(hù)、環(huán)保、防火、防潮等性能，且截止頻率為80Hz（提供基于ISO10534-2駐波管法的吸聲系數(shù)測試報告），經(jīng)過市場技術(shù)調(diào)研，滿足此要求的吸聲結(jié)構(gòu)為金屬尖劈，該結(jié)構(gòu)是在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用和好評的新型吸聲結(jié)構(gòu)，具有以下特點：

建成消聲室的空氣質(zhì)量達(dá)到國標(biāo)GB50325-2001 II類標(biāo)準(zhǔn)，即辦公室的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；

允許高速氣流通過消聲室；

可以用抹布直接擦洗尖劈表面；

美觀大方、尖劈顏色可以任意選擇，彰顯企業(yè)個性；

室內(nèi)的照明可以比傳統(tǒng)消聲尖劈耗電量更低，可以用更低的功率達(dá)到同樣的亮度；

A級防火；

具有較高的抗沖擊能力，并允許多次重復(fù)拆卸、再安裝；

由于金屬尖劈既有阻性吸聲結(jié)構(gòu)，又有抗性吸聲結(jié)構(gòu)，因此，金屬尖劈在低頻和高頻都具有卓越的吸聲性能；

特殊材料設(shè)計，在高濕度條件下，不影響尖劈吸聲效果。

1.2 隔振設(shè)計

對于聲學(xué)試驗室，目前常用的有兩種隔振結(jié)構(gòu)，彈簧隔振器及隔振路軌。

（1）彈簧隔振器

彈簧隔振器，鋼材質(zhì)，其固有頻率低，最低可達(dá)到3Hz～5Hz，但因鋼制彈簧有疲勞壽命問題存在，需要預(yù)留彈簧隔振器的檢修、更換空間，無形中會增加土建成本。彈簧隔振器更多應(yīng)用在振動機(jī)械類的低頻主動隔振。

（2）隔振路軌

隔振路軌，固有頻率為7Hz～10Hz，采用不銹鋼材料，具有大承重、抗疲勞度高、易安裝、結(jié)構(gòu)簡單的特點，可以安裝實際尺寸任意加工，靈活性高等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)和材料永久免維護(hù)保養(yǎng)。此種結(jié)構(gòu)在國內(nèi)半消聲室建設(shè)中得到廣泛的采用，南車四方的半消聲室及混響室全部采用隔振路軌。

以上兩種結(jié)構(gòu)從性能、方便性、使用壽命、性價比等多方面考慮，初步確認(rèn)使用隔振路軌結(jié)構(gòu)。

由隔振路軌構(gòu)成的隔振系統(tǒng)需根據(jù)聲學(xué)試驗室最終結(jié)構(gòu)設(shè)計形式及精確載荷計算完成布置設(shè)計。保證在干擾頻率40Hz以上達(dá)到隔振效率95%以上。

1.3 隔聲門設(shè)計

此聲學(xué)門總成系統(tǒng)包括外部隔聲防火門和內(nèi)部吸聲門。聲學(xué)門總成系統(tǒng)降噪指數(shù)：Rw=65dB。人員通行門位于實驗室和控制間之間，洞口尺寸1m×2.1m。物流通行門位于實驗室和準(zhǔn)備區(qū)域之間，洞口尺寸3m×3m。均采用雙層結(jié)構(gòu)，隔聲量為RW55的隔聲門。與內(nèi)部吸聲尖劈門配合，總隔聲量Rw≥65dB，隔聲門的防火滿足T90。門方便開啟，可以停留在任意位置，外層門最大開啟角度為180°。

為了在方便設(shè)備及工作人員進(jìn)出的同時保證半消聲室的聲學(xué)性能，內(nèi)部為吸聲門（尖劈門），是裝有尖劈的可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，關(guān)閉后可與室內(nèi)其他尖劈組成完整的吸聲墻面，尖劈門開關(guān)方便，可停留在任意位置。

1.4 環(huán)境溫度控制系統(tǒng)

作為NVH研究的主要場所，消聲室除了需要具有必須的聲學(xué)性能外，還應(yīng)該能夠為測試及研究人員提供一個恒溫、安全、舒適的環(huán)境。

在任何外部氣候環(huán)境下，為了保證消聲室內(nèi)環(huán)境溫度15℃～30℃，精度±3℃，相對濕度：45%RH～75%RH，消聲室的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)需要特殊設(shè)計。

消聲室環(huán)境溫度控制系統(tǒng)與一般的樓宇空調(diào)系統(tǒng)有著極大的差別，需要保證：保持室內(nèi)空氣的新鮮；保持室內(nèi)溫度恒定；保證所有上述功能不影響室內(nèi)聲學(xué)的特性。

1.5 監(jiān)視系統(tǒng)

實驗室配備1套4路監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)不影響試驗室的半自由聲場特性，更不產(chǎn)生噪聲。

1.6 消防系統(tǒng)

消聲室設(shè)置消防系統(tǒng)，保證試驗室的消防安全，并保證不影響聲學(xué)試驗室的聲學(xué)性能。

1.7 照明系統(tǒng)

根據(jù)消聲室的用途及工作人員的工作需求，在消聲室內(nèi)配置照明設(shè)備，照明設(shè)備不影響消聲室聲學(xué)性能。根據(jù)主體試驗區(qū)域照度按GB/T 13379-1992中“中等視覺要求”的作業(yè)范圍300-500-750（lx），取350lux。

該系統(tǒng)還包括安全出口燈具及應(yīng)急照明燈具。

2.混響室

2.1 混響室總體設(shè)計

按照現(xiàn)有房間尺寸進(jìn)行聲場計算，保證內(nèi)部容積大于200m?。

本底噪聲：≤25dB（A）；

2.2 混響室聲學(xué)設(shè)計

混響室的墻面和地面都必須是良好的反射面，吸聲系數(shù)要低于0.06。

2.3 室內(nèi)聲場處理

為了在混響室內(nèi)達(dá)到一個理想的擴(kuò)散聲場，需要在室內(nèi)安裝擴(kuò)散體。

在混響室頂部安裝懸掛式擴(kuò)散板，每組擴(kuò)散板的懸掛軸線方向不平行，部分可以按照需要調(diào)節(jié)高度和形狀。

2.4 聲學(xué)門設(shè)計

混響室設(shè)計有兩套通行門，分別是混響室物流通行門以及人員通行門。

混響室物流通行門位于實驗室和準(zhǔn)備區(qū)域之間，洞口尺寸2.5m×2.5m。

人員通行門位于實驗室和控制室之間，洞口尺寸為1.0m×2.1m。

均采用雙層結(jié)構(gòu)，采用隔聲量為RW55的隔聲門；隔聲門的防火滿足T90，門方便開啟，可以停留在任意位置，外層門最大開啟角度為180°。

2.5 組合式測試窗

采用組合式測試窗+RW55隔聲門的雙層隔聲體設(shè)計方案，以保證測試窗總體隔聲量與墻體隔聲相同的要求。

混響室和消聲室之間測試窗尺寸為2.5×2m?；祉懯乙粋?cè)為組合式測試窗（不低于RW57），采用模塊化隔聲板設(shè)計，可以靈活地確定洞口的大小，方便不同的測試件的測試要求；消聲室一側(cè)采用外掛尖劈門設(shè)計，180°開啟。

2.6 監(jiān)視系統(tǒng)、照明系統(tǒng)與半消聲室相同。

結(jié)語

對于鐵路行業(yè)來說，目前只有進(jìn)入試車階段以后才會真正得到噪聲水平數(shù)據(jù)。然而如果在零部件的設(shè)計階段對噪聲問題沒有很好地進(jìn)行優(yōu)化和協(xié)調(diào)，那么一旦整車在試車時出現(xiàn)噪聲過大，造成不可接受的噪聲環(huán)境，但是此時再對出問題的設(shè)備重新進(jìn)行聲學(xué)分析和設(shè)計不僅消耗大量的財力與物力，而單獨采用聲學(xué)補(bǔ)救措施效果并不理想。

如何在零部件設(shè)計階段，做好噪聲設(shè)計工作成為亟待解決的問題。噪聲設(shè)計是一種以分析仿真與試驗報告驗證為主的設(shè)計工作，而分析仿真又是建立在大量的試驗或經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此作為噪聲設(shè)計基礎(chǔ)的測試試驗室顯得十分必要，它不僅可以得到具體的試驗數(shù)據(jù)，為設(shè)計提供依據(jù)，也可以作為一種資源供以后的設(shè)計參考。

參考文獻(xiàn)

[1]徐敏.設(shè)備故障診斷手冊[M].中國震動工程學(xué)會，1996：120-132.

[2]郝志勇.內(nèi)燃機(jī)噪聲測量中的聲強(qiáng)測試技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報，1998，16（1）：86-90.