A型地鐵車輛車內(nèi)噪聲預(yù)測與控制

潘 震 方 宇 胡定玉

(上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院， 201620, 上海//第一作者，碩士研究生)

地鐵車輛車內(nèi)噪聲與振動不僅損害乘客的健康，而且易造成車體結(jié)構(gòu)的疲勞、破壞，因此控制車內(nèi)噪聲與振動十分必要。目前，車輛噪聲控制的研究重點主要是輪軌噪聲和空氣動力噪聲等車輛外部的環(huán)境噪聲，車輛車內(nèi)的振動噪聲問題并沒有引起足夠的重視。隨著車輛的輕量化和高速化，車內(nèi)噪聲問題變得越發(fā)嚴(yán)重，聲學(xué)環(huán)境舒適性也成為影響軌道交通行業(yè)競爭力的一個重要因素[1-2]。

要控制車內(nèi)噪聲，首先要確定車內(nèi)噪聲的傳遞過程和分布情況。統(tǒng)計能量分析[3-5]以能量為基本參數(shù)，重點研究穩(wěn)態(tài)振動時平均振動能量在復(fù)雜系統(tǒng)里的傳遞和分布，采用功率流平衡方程描述耦合子系統(tǒng)間的相互作用。因為能量是各種動力學(xué)系統(tǒng)都能應(yīng)用的獨立變量，因此可以處理固體結(jié)構(gòu)和流體聲場之間的耦合動力學(xué)問題。

2005 年，法國 ESI 集團推出的振動噪聲分析軟件 VA One以統(tǒng)計能量法作為主要算法，能夠進行全頻段范圍內(nèi)的振動噪聲問題求解。該軟件被認(rèn)為是近20年來振動噪聲問題分析歷程上的一個重大突破。目前， VA One 軟件在航天航空、汽車、船舶等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[6-9]

本文利用VA One軟件對某A型地鐵車輛車內(nèi)噪聲進行分析，并通過對多種阻尼材料的降噪效果進行比較，提出有效的降噪措施，從而為地鐵車輛的低噪聲設(shè)計提供參考。

1 聲學(xué)模型建立及車內(nèi)噪聲分析

1.1 聲學(xué)模型

城市軌道交通某A型地鐵車輛的旅客乘坐室是由鋁合金型材和壁板圍成的一個封閉空腔，如圖1所示。

圖1 某A型地鐵鋁合金車體結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)表1給出的地鐵車輛車體參數(shù)，建立三維旅客乘坐室有限元模型，如圖2所示。車體空腔聲學(xué)單元采用I-DEAS軟件的三維聲學(xué)流體單元。利用有限元數(shù)值分析方法計算得出的三維旅客乘坐室前6階聲學(xué)頻率見表2。其中零階模態(tài)是一致聲壓模態(tài)或零頻率時出現(xiàn)的剛體模態(tài)。

表1 A型地鐵車輛車體參數(shù)

表2 車體空腔聲學(xué)模態(tài)頻率

圖2 車體空腔有限元模型

以該車設(shè)計方案建立模型[10-11]，將有限元模型導(dǎo)入分析軟件 VA One 中。根據(jù)車廂的結(jié)構(gòu)屬性，將有限元網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成軟件VA One中的SEA 板殼子系統(tǒng)，合計148個板殼子系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 車體板殼子系統(tǒng)模型

為準(zhǔn)確計算車內(nèi)噪聲聲壓級大小，需對各板殼子系統(tǒng)進行詳細(xì)材料屬性定義，包括地板、側(cè)墻板、頂板、端墻板、車門及車窗等6個子系統(tǒng)，其材料屬性如表3所示。

表3 車體SEA模型材料參數(shù)表

由于統(tǒng)計能量分析的統(tǒng)計特性，使得每一個子系統(tǒng)計算所得的響應(yīng)、能量是均勻分布的。不論該子系統(tǒng)尺寸多大、結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，在各個點的響應(yīng)是相同的，因此，當(dāng)分析整塊大區(qū)域(如客室內(nèi)部)，也需將其劃分成小子系統(tǒng)。

根據(jù)客室沿豎向不同高度時噪聲的分布情況，客室內(nèi)部聲腔的劃分如圖4所示，合計15個聲腔[12]。同時，地鐵車輛運行速度較低，在低速區(qū)域的范圍內(nèi)，主要以輪軌噪聲為主導(dǎo)，其能量集中在800～2 500 Hz 頻率范圍，故采取白譜作為激勵輸入，如圖5所示。

圖4 車體內(nèi)部聲腔子系統(tǒng)模型

圖5 輪軌噪聲激勵輸入位置

1.2 基于VA One軟件的車內(nèi)噪聲分析

基于統(tǒng)計能量法，采用VA One軟件對車廂內(nèi)的噪聲特性與品質(zhì)進行計算評估。VA One軟件仿真計算結(jié)果如圖6和圖7所示。圖6為各個聲腔不同頻率下的聲壓級，從圖中可知車內(nèi)噪聲主要集中在1 000～3 000 Hz。圖7為整個車體聲腔的聲壓分布，由圖7中可知，轉(zhuǎn)向架上方的聲腔噪聲級最大，這是因為城市軌道交通列車車內(nèi)噪聲來源主要是輪軌噪聲及電機噪聲，這兩種噪聲振動均經(jīng)由轉(zhuǎn)向架和車體連接處傳遞到乘坐室。因此，在降噪措施研究中，將以轉(zhuǎn)向架上方的聲腔作為主要研究對象。

圖6 車內(nèi)各聲腔聲壓分布曲線

圖7 車內(nèi)各聲腔1 600 Hz下的聲壓級分布云圖

2 車內(nèi)噪聲控制

根據(jù)統(tǒng)計能量法分析，可知，地板是低頻及中頻噪聲傳播到車內(nèi)的主要路徑。一種解決辦法是在地板外涂抹阻尼材料，因為阻尼對振動的衰減最明顯；另外一種是加設(shè)多孔吸聲材料，以衰減聲能。

2.1 阻尼材料減振措施

當(dāng)?shù)匕灏l(fā)生彎曲振動時，其振動能量迅速傳給緊密涂抹在地板上的阻尼材料，并引起阻尼材料內(nèi)部發(fā)生摩擦和互相錯動。由于阻尼材料內(nèi)摩擦系數(shù)大，地板一部分振動能量將轉(zhuǎn)化為熱能而耗散，從而減弱了地板的彎曲振動，降低了結(jié)構(gòu)噪聲輻射。

在地板上表面鋪設(shè)10 mm 的硬質(zhì)橡膠，其參數(shù)特性如表4所示。在仿真計算模型中，對地板子系統(tǒng)進行相應(yīng)噪聲處理，計算結(jié)果顯示轉(zhuǎn)向架上方聲腔聲壓可降噪2 dB(A)。地板表面鋪設(shè)硬質(zhì)橡膠前后的聲壓變化對比如圖8所示。

2.2 多孔吸聲材料降噪措施

多孔吸聲材料的吸聲機理： ① 當(dāng)聲波入射到多孔材料表面激發(fā)起微孔內(nèi)的空氣振動時，空氣與固體筋絡(luò)間產(chǎn)生相對運動。由于空氣的粘滯性在微孔內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的粘滯阻力，使振動空氣的動能不斷轉(zhuǎn)化為熱能，從而使聲能衰減。② 在空氣絕熱壓縮時，空氣與孔壁不斷發(fā)生熱交換。由于熱傳導(dǎo)的作用，也會使聲能轉(zhuǎn)化為熱能。

表4 地板表面鋪設(shè)的硬質(zhì)橡膠參數(shù)

圖8 地板表面鋪設(shè)硬質(zhì)橡膠前后轉(zhuǎn)向架上方 聲腔聲壓級變化曲線

在地板上面鋪設(shè)50 mm厚離心玻璃棉多孔吸聲材料(參數(shù)特性見表5)后，經(jīng)相應(yīng)噪聲處理后的仿真計算結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)向架上方聲腔聲壓可降噪5.17 dB(A)。離心玻璃棉鋪設(shè)前后聲壓變化對比如圖9所示。

表5 地板表面鋪設(shè)的離心玻璃棉參數(shù)

轉(zhuǎn)向架上方聲腔在兩種降噪措施下的及未采取降噪措施下的聲壓分布結(jié)果如圖10所示。根據(jù)聲壓分布曲線可知，在低頻段使用硬質(zhì)橡膠降噪方式降噪效果較好；而在對車內(nèi)噪聲貢獻最大的中高頻段，使用離心玻璃棉的降噪方式降噪效果較好。因此，推薦采用吸聲材料作為車內(nèi)噪聲的主要降噪方式。

圖9 地板表面鋪設(shè)離心玻璃棉前后轉(zhuǎn)向架上方 聲腔聲壓級變化曲線

圖10 降噪措施前后轉(zhuǎn)向架上方聲腔聲壓分布曲線

2.3 雙層材料降噪措施

為進一步提升降噪效果，以期在低頻、中頻、高頻都能獲得較好的降噪效果，對地板面同時鋪設(shè)10 mm硬質(zhì)橡膠和50 mm離心玻璃棉。鋪設(shè)雙層材料降噪措施后的轉(zhuǎn)向架上方聲腔仿真分析結(jié)果如圖11所示。由圖11可見，使用雙層材料的降噪方式在各頻段都可獲得較好的降噪效果，可降噪6.19 dB(A)。

圖11 雙層材料降噪措施后轉(zhuǎn)向架上方聲腔聲壓分布曲線

3 結(jié)語

在某A型地鐵車輛設(shè)計階段，基于統(tǒng)計能量分析法，利用VA one軟件對該地鐵車輛車內(nèi)噪聲及振動進行計算評估，得出車內(nèi)各聲腔聲壓分布。其中最高A計權(quán)聲壓級出現(xiàn)在兩轉(zhuǎn)向架上方聲腔，聲壓級沿列車縱向遞減。同時，研究了阻尼減振的降噪措施，采用地板面鋪設(shè)10 mm硬質(zhì)橡膠的方式可降噪2 dB(A)，采用地板面鋪設(shè)多孔吸聲材料的降噪措施可降噪5.17 dB(A)。分析兩種降噪措施的降噪特性，發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)橡膠降噪方式在低頻段效果較好，離心玻璃棉降噪方式在中高頻段降噪效果較好?；旌蟽煞N材料的雙層吸聲材料降噪方式可降噪6.19 dB(A)。