淺談高速動車組車內(nèi)噪音的控制技術(shù)

鄒佳栩 郝婷婷

（青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司，青島 266111）

從第一列動車組投入商業(yè)運(yùn)營，中國已經(jīng)邁進(jìn)高鐵時代十多個年頭。隨著動車組進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化時代，最新的標(biāo)準(zhǔn)動車組復(fù)興號運(yùn)營時速已經(jīng)達(dá)到350km/h，速度越高，車內(nèi)低頻段噪聲也就越顯著，乘坐的舒適性也會越差。為了營造舒適的乘坐環(huán)境，對進(jìn)入客室的各類噪聲進(jìn)行控制尤其重要，因此動車組總體設(shè)計過程中引入噪聲控制設(shè)計，控制噪聲級水平，這對改善車內(nèi)聲品質(zhì)有著十分積極的意義。

1 車內(nèi)聲環(huán)境的構(gòu)成

車內(nèi)聲環(huán)境指的是車內(nèi)環(huán)境里的各種聲波，包括：信息交流以及人們互相溝通時的必要聲波、多媒體影音設(shè)備產(chǎn)生的聲波以及車內(nèi)外各種有害無益的噪聲。

動車組在高速運(yùn)行時產(chǎn)生的各種外部噪聲通過車體傳到車內(nèi)，這些外部噪聲主要由空氣與車體的摩擦聲、受電弓與接觸網(wǎng)的摩擦聲及弧光放電聲、輪軌噪聲和動車組進(jìn)出隧道產(chǎn)生的壓縮波及反射波等組成。

動車組運(yùn)行時自身設(shè)備也會產(chǎn)生一些噪聲，例如，空調(diào)機(jī)組、廢排機(jī)組、空氣壓縮機(jī)、變壓器等設(shè)備運(yùn)行時會產(chǎn)生噪聲，甚至真空集便器在使用時都會產(chǎn)生很刺耳的噪聲。只有在設(shè)計動車組過程中更加有效地降低各種噪聲對乘客的影響，才能提高動車組的乘坐品質(zhì)。

2 車內(nèi)聲環(huán)境的控制參數(shù)及噪聲控制要求

根據(jù)《鐵道客車內(nèi)部噪聲限值及測量方法》（GB/T12816-2006）中的規(guī)定，如表1所示，高速動車組在以構(gòu)造速度運(yùn)行，所有輔助設(shè)備正常使用時一等車廂噪聲值不大于65dB（A），二等車廂噪聲值不大于68dB（A），餐車的就餐區(qū)噪聲值不大于68dB（A），餐車的廚房區(qū)不大于75dB（A）。動車組靜止、空調(diào)機(jī)組等輔助設(shè)備額定負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時一等車廂噪聲值不大于60dB（A），二等車廂噪聲值不大于62dB（A），餐車的就餐區(qū)噪聲值不大于62dB（A），餐車的廚房區(qū)不大于70dB（A），以上噪聲值為等效連續(xù)A計權(quán)聲壓級。

3 噪聲分類

動車組噪聲源可分為設(shè)備運(yùn)行噪聲、輪軌接觸噪聲、空氣動力學(xué)噪聲、受電弓系統(tǒng)噪聲、結(jié)構(gòu)振動噪聲以及周邊建筑物反射的噪聲等，其中輪軌噪聲是高速動車組上的主要噪聲源。

3.1 設(shè)備噪聲

空調(diào)機(jī)組、主變壓器、空氣壓縮機(jī)、廢排機(jī)組、牽引電機(jī)、牽引電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)等設(shè)備運(yùn)行時會產(chǎn)生噪聲。這些設(shè)備產(chǎn)生的噪聲對乘客區(qū)的影響與這些設(shè)備的功率大小、距乘客區(qū)的相對距離、乘客區(qū)的降噪措施等有很大關(guān)系。

表1 車輛內(nèi)部噪聲限值

3.2 輪軌接觸噪聲

輪軌接觸噪聲是高速動車組上的主要噪聲之一，包括車輪經(jīng)過軌道接頭處的撞擊聲、制動時輪與軌之間產(chǎn)生的摩擦噪聲、車輪滾動時由于表面不平產(chǎn)生的滾動聲、通過彎道時相對滑移時產(chǎn)生的刺耳摩擦聲、車輪擠壓軌道及內(nèi)側(cè)車輪滑行時產(chǎn)生的摩擦聲等。

輪軌噪聲主要是由軌道及動車組自身原因造成的。車輛自身原因包括車輪表面存在凹面擦傷、表面剝離、錐度不符合要求以及車輪的蛇形運(yùn)動等。軌道原因包括軌道接縫處的輪軌沖擊、軌道表面不平順等。

輪軌噪聲主要是通過空氣和固體傳播至車廂內(nèi)的。當(dāng)列車高速運(yùn)行時，輪軌發(fā)出的噪聲一部分通過車體結(jié)構(gòu)傳至車內(nèi)，引起車體結(jié)構(gòu)件振動而激發(fā)噪聲；另一部分通過空氣傳播，從車輛的車門、車窗、風(fēng)擋等縫隙直接傳入車內(nèi)，其噪聲大小取決于車輛的密封程度。

3.3 空氣動力學(xué)噪聲

空氣動力學(xué)噪聲是由氣流流經(jīng)車頭、車輛連接處、轉(zhuǎn)向架和設(shè)備艙等結(jié)構(gòu)部件表面產(chǎn)生的噪聲。一般有湍流流動產(chǎn)生的噪聲、氣流流經(jīng)車體表面產(chǎn)生的噪聲兩類。

湍流產(chǎn)生氣動噪聲的來源包括：車身表面、頭車和尾車。高速動車組的速度越高，這種噪聲會越來越明顯。由于頭車車頭表面形狀變化較大，沿表面的氣流也大，該處容易產(chǎn)生劇烈的空氣湍流并形成噪聲。

氣流流經(jīng)結(jié)構(gòu)部件表面產(chǎn)生噪聲的來源包括車頂凸出設(shè)備（車頂天線、高壓電纜等）、車輛連接處的不平順、空調(diào)格柵、轉(zhuǎn)向架表面的不規(guī)則形狀等。這些位置表面的不規(guī)則，會引起空氣流紊亂而產(chǎn)生噪聲。

3.4 受電弓系統(tǒng)噪聲

受電弓系統(tǒng)噪聲是高速動車組高速運(yùn)行情況下因受電弓和接觸網(wǎng)相對運(yùn)動、弓網(wǎng)之間電弧以及受電弓凸出部分氣動效果產(chǎn)生的較劇烈振動的噪聲。弓網(wǎng)滑動噪聲是由于受電弓和接觸網(wǎng)之間相對滑動、使周圍空氣產(chǎn)生高頻振動產(chǎn)生的；電弧噪聲是由于受電弓與接觸網(wǎng)發(fā)生瞬時脫離時弧光放電產(chǎn)生的噪聲。

3.5 結(jié)構(gòu)振動噪聲

結(jié)構(gòu)振動噪聲是由于輪軌、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備振動激發(fā)車體各種設(shè)備、安裝結(jié)構(gòu)件及車體本身產(chǎn)生的振動并以噪聲的形式輻射產(chǎn)生的噪聲。結(jié)構(gòu)振動噪聲來源于部件之間的交變力，包括撞擊力、周期性作用力和摩擦力。對于撞擊噪聲，降噪方法是降低激勵力幅值。設(shè)計時要考慮各種材料及結(jié)構(gòu)的固有頻率，避免共振帶來的噪聲。

3.6 建筑物回聲噪聲

這是一種二次噪聲。主要是軌道周圍的建筑物反射輪軌噪聲等產(chǎn)生的輻射振動以及高速鐵路中軌道橋梁的振動噪聲。當(dāng)列車經(jīng)過隧道和橋梁時，振動噪聲尤為明顯。在列車經(jīng)過隧道時，車內(nèi)噪聲會提高8～10dB。這是由于輪軌噪聲受到隧道壁的阻擋，經(jīng)過多次反射，從車窗、車門、車頂、車底架等車體隔聲薄弱環(huán)節(jié)傳進(jìn)車內(nèi)，如圖1所示。

圖1 列車經(jīng)過隧道時的噪聲傳播途徑

4 動車組降噪措施

目前，由于動車組車體結(jié)構(gòu)和牽引方式的固有特點(diǎn)，動車轉(zhuǎn)向架和受電弓位置所對應(yīng)的車廂空間，其聲壓級明顯高于其他位置，需進(jìn)一步采取措施，降低這些部位的噪聲值。

通常的降噪措施有：降低鋼軌和車輪表面的粗糙度，對輪軌表面進(jìn)行研磨，使之保持平滑完好狀態(tài)；鋪設(shè)無縫線路及可動心軌道岔，可減少車輪對鋼軌接縫的沖擊聲；采用防震鋼軌；車體采用密封結(jié)構(gòu)；優(yōu)化動車組外形，動車組頭部流線化、車體表面無凸凹、過渡平滑，將使空氣阻力大大減少，并能降低空氣動力學(xué)噪聲；安裝隔音、吸音、減振材料，通過隔斷空氣聲和二次固體聲來降低車內(nèi)噪聲。

5 動車組降噪在實(shí)際設(shè)計中的措施

高速動車組部分區(qū)域噪音影響比較大，需要采取相關(guān)措施來降低噪音。

5.1 高速動車組客室下部及車下設(shè)備的降噪措施

車下是動車組噪音來源的一個主要方向，因此人們采用很多措施來降噪。例如，車下設(shè)備采用彈性懸掛的方式，避免車下設(shè)備的振動和噪音通過連接傳入車內(nèi)，通過在轉(zhuǎn)向架上部安裝隔聲板，在車體下部懸掛車裙板，車裙板內(nèi)側(cè)覆蓋吸音材料，以減輕輪軌噪聲的輻射。

車內(nèi)客室區(qū)域地板采用復(fù)合隔音降噪浮動地板結(jié)構(gòu)，浮動地板隔聲量可提高2～4dB（A），如圖2所示，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，客室地板側(cè)部周邊與墻板插接結(jié)構(gòu)，達(dá)到整體與外界隔離，起到隔音降噪的作用，并且客室地板采用蜂窩夾心的三明治結(jié)構(gòu)，地板最底部一層為不銹鋼或鋁板，能夠大大阻礙噪聲向客室傳播。客室地板支撐與地板之間，地板支撐與車體之間均采用橡膠墊隔開，避免硬接觸，這種結(jié)構(gòu)也大大降低了聲波的傳播。客室地板與車體之間的空隙處塞有隔音防寒棉，也能很好起到隔絕外部噪音向車內(nèi)傳播的作用，以上地板結(jié)構(gòu)能夠很好地阻礙車體外部，特別是車體下部的噪聲向車內(nèi)傳播。

圖2 浮動地板降噪效果

圖3 客室地板斷面

5.2 內(nèi)裝材料及車內(nèi)設(shè)備的降噪

高速動車組內(nèi)裝普遍采用輕量化、美觀、隔音效果好的材料。例如，各種間壁采用三明治結(jié)構(gòu)板，中間層采用蜂窩結(jié)構(gòu)，這種板材隔音效果非常好。

另外，車內(nèi)設(shè)備與車體之間的連接固定，均采用橡膠減振塊組件，確保部件與車體之間無直接硬連接，降低了噪音通過固體媒質(zhì)向車內(nèi)傳播的量，如圖4、圖5所示。動車組外門門板采用隔音性能良好的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)，車門密封采用橡膠迷宮結(jié)構(gòu)等措施。

圖4 車內(nèi)設(shè)備安裝局部圖

圖5 減振器的安裝結(jié)構(gòu)

5.3 高速動車組空調(diào)系統(tǒng)降噪

空調(diào)系統(tǒng)處理不好的話，會對乘客的舒適性影響很大，另外，空調(diào)機(jī)組也會產(chǎn)生噪聲，因此要采取很多措施來降噪。例如，空調(diào)機(jī)組與車體固定時，采用空心橡膠條與車體隔開，避免硬碰硬的接觸，降低噪音的固體媒質(zhì)傳播；空調(diào)機(jī)組在車體上的凸出部分，通過安裝擾流板使通過空調(diào)機(jī)組的氣流更加順暢，降低高速動車組運(yùn)行時氣流產(chǎn)生的噪音；固定空調(diào)的連接件也采用相對較軟的非金屬墊片來減少噪音的傳播；空調(diào)機(jī)組的周邊與車體搭接處用密封膠密封，起到防水降噪的作用。以上結(jié)構(gòu)如圖6所示。

空調(diào)系統(tǒng)在車內(nèi)也采用了很多降噪措施，例如，如圖7所示，空調(diào)機(jī)組與客室風(fēng)道通過柔性過渡風(fēng)道連接；風(fēng)道的第一節(jié)被設(shè)計成消音風(fēng)道，在消音風(fēng)道內(nèi)部設(shè)置了氣流的導(dǎo)向板；風(fēng)道和風(fēng)道之間采用柔性過渡連接；新風(fēng)入口和空調(diào)機(jī)組出風(fēng)口第一節(jié)風(fēng)道粘貼吸音棉；出風(fēng)口避免太狹窄以免引起哨音等。

圖6 空調(diào)機(jī)組安裝圖

圖7 空調(diào)機(jī)組及供風(fēng)風(fēng)道截面圖

5.4 高速動車組車窗的降噪措施

高速動車組的側(cè)窗對車內(nèi)環(huán)境的影響非常大，好的結(jié)構(gòu)能夠?qū)囃獾脑肼暺鸬礁艚^的作用。新一代動車組采用高隔聲中空玻璃結(jié)構(gòu)，隔聲量提高了約8dB（A），新型窗玻璃結(jié)構(gòu)與之前普通窗玻璃的隔聲比較如圖8所示。

車窗除了玻璃采用新結(jié)構(gòu)，車窗玻璃的固定安裝和密封也充分考慮了阻礙噪音的傳播。例如，窗玻璃與金屬窗框之間采用結(jié)構(gòu)膠固定的方式；窗框與車體之間采用結(jié)構(gòu)膠和螺栓的固定方式，螺栓連接采用橡膠墊片。這些措施都能有效降低車外噪音向車內(nèi)傳播，如圖9所示。

圖8 窗玻璃隔聲量對比

圖9 車窗玻璃安裝圖

5.5 車體的降噪措施

高速動車組車體相當(dāng)于動車的皮膚和骨骼，是隔絕噪音的第一道屏障，因此也采用了很多降噪措施。例如，采用隔熱隔音、密封性好的鋁型材結(jié)構(gòu)；采用連續(xù)焊縫來保證車體的氣密性；車體涂裝具有吸音和減振功能的阻尼材料和油漆；對不能施焊的部位，用密封膠密封等。這些措施都能有效地減少車外噪音向車內(nèi)傳播。

5.6 車體氣動外形上的降噪措施

在設(shè)計車體外形時，高速動車組會對優(yōu)選的幾種外形設(shè)計進(jìn)行氣動外形的相關(guān)試驗(yàn)，通過制作的小比例車模進(jìn)行多種風(fēng)速的風(fēng)洞噪聲試驗(yàn)，對優(yōu)選出的方案進(jìn)行樣車試制，最終確定高速動車組的頭型方案。圖10為300km/h車體表面聲功率級分布云圖。

為進(jìn)一步降低車體表面氣動噪聲，高速動車組對外露在車體表面的天線座進(jìn)行了平順化結(jié)構(gòu)優(yōu)化，車頂天線處氣動噪聲可降低3～5dB（A）。

圖10 300km/h車體表面聲功率級分布云圖

6 結(jié)語

我國高速動車組技術(shù)的水平不斷提高，日趨成熟，新技術(shù)也不斷被應(yīng)用，同時人們對高速動車組車內(nèi)的聲環(huán)境也有了更高的要求。節(jié)能降噪是一個永遠(yuǎn)不變的課題，科研和工程技術(shù)人員要不斷攻克難關(guān)，使中國高速動車組技術(shù)領(lǐng)先世界。