影響軌道車輛門系統(tǒng)空氣聲隔聲性能分析

陳富云，楚斌

（南京康尼機(jī)電股份有限公司 試驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇 南京 210046）

0 引言

中國(guó)城市軌道交通經(jīng)過十幾年的快速發(fā)展，截止2019年12月底，中國(guó)內(nèi)地有40個(gè)城市開通城軌交通，總運(yùn)行線路達(dá)6730.27公里。越來越多的人通過乘坐軌道交通出行。乘坐的舒適性也越來越被關(guān)注。門系統(tǒng)作為軌道車輛的重要組成部分，其空氣聲隔聲的好壞直接決定了乘客乘車的舒適性。

在正常的生活中聲音傳播的方式主要有固體傳聲和空氣傳聲兩種[1-2]。軌道車輛門系統(tǒng)隔聲性能指標(biāo)主要是空氣聲隔聲。所謂空氣聲隔聲是指空氣中的聲源發(fā)聲后，激發(fā)構(gòu)件這一媒質(zhì)的振動(dòng)，使小部分聲能被透射傳播到另一空間去[3]。軌道車輛系統(tǒng)空氣聲隔聲測(cè)試沒有專門的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，目前國(guó)內(nèi)外主要是參考建筑門窗空氣聲隔聲檢測(cè)方法GB/T 8485-2008和ISO 10140-2:2010，對(duì)測(cè)試結(jié)果的評(píng)價(jià)方法主要使用GB/T 50121-2005和ISO 717-1:2013。這兩個(gè)測(cè)試方法和評(píng)價(jià)方法的基本原理是一致的。下面以國(guó)標(biāo)為例，淺析軌道車輛門系統(tǒng)空氣聲隔聲測(cè)試中的一些問題。

1 空氣聲隔聲測(cè)試原理

隔聲量（R）入射到試件上的聲功率與透過試件的透射聲功率之比值取以10為底的對(duì)數(shù)乘以10，單位為分貝（dB）。

其中τ為無量綱。τ為透過試件的透射聲功率與入射到試件上的入射聲功率之比。聲功率單位瓦（W）[3-4]。將各中心頻率的隔聲量與中心頻率關(guān)系繪制成二維曲線，該曲線稱為空氣聲隔聲特性曲線，參見圖1。

通過特性曲線可以看出試件在各中心頻率（或各頻率段）下的隔聲性能。在實(shí)際使用過程中我們發(fā)現(xiàn)，通過隔聲曲線看出的隔聲量是一組隨著頻率變化的數(shù)值，既不方便使用也很難進(jìn)行比較。因此有必要規(guī)定一種方法，將這一組數(shù)值轉(zhuǎn)換成一個(gè)能代表所測(cè)樣品隔聲性能的單值量，使得不同樣品的隔聲性能可以相互比較。為了尋求一個(gè)能與人主觀感受盡可能接近的單值評(píng)價(jià)方法，于是就有了隔聲指數(shù)發(fā)、計(jì)權(quán)隔聲量法、A計(jì)權(quán)聲級(jí)法、C計(jì)權(quán)聲級(jí)法、Z計(jì)權(quán)聲級(jí)法等[5]。軌道車輛門系統(tǒng)隔聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8485-2008、ISO 10140-2:2010中規(guī)定采用計(jì)權(quán)隔聲量的方式來評(píng)價(jià)被測(cè)試樣的隔聲性能。其規(guī)定將測(cè)得的空氣聲隔聲量頻率特性曲線與GB/T 50121-2005、ISO 717-1:2013中的基準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，得出的單值評(píng)價(jià)量（Rw），單位為分貝（dB）。

1.1 計(jì)權(quán)隔聲量Rw的確定

計(jì)權(quán)隔聲量的確定加入了人的主觀評(píng)定因素，能完全反應(yīng)樣品隔聲性能的優(yōu)劣，包括某一個(gè)頻率帶的特殊缺陷也可以看出來。比其它方式評(píng)價(jià)方式更符合人的聽覺特性，能更好的表明樣品隔聲效果的優(yōu)劣。隔聲量的測(cè)量有1/3倍頻程測(cè)量和倍頻程測(cè)量之分，軌道交通門系統(tǒng)行業(yè)通常采用1/3倍頻程測(cè)量進(jìn)行計(jì)算計(jì)權(quán)隔聲量。

按照GB/T 50121-2005中的評(píng)價(jià)方式，計(jì)權(quán)隔聲量Rw的確定方式有數(shù)值計(jì)算法和曲線比較法兩種[3，5-7]。

1.1.1 數(shù)值計(jì)算法

當(dāng)測(cè)量量為R，且X用1/3倍頻程測(cè)量時(shí)，其相應(yīng)的單值評(píng)價(jià)量為Rw必須為滿足下式的最大值，精確到1dB：

式中：i—頻帶的序號(hào)，i=1~16，代表100~3150Hz范圍內(nèi)的16個(gè)1/3倍頻程；

Pi—不利偏差，按下式計(jì)算：

式中：Rw—所要求的單值評(píng)價(jià)量；

Ki—第i個(gè)頻帶的1/3倍頻程基準(zhǔn)值；

Ri—第i個(gè)頻帶的測(cè)量值，精確到0.1dB；

1.1.2 曲線比較法

（1）將一組精確到0.1dB的1/3倍頻程空氣聲隔聲測(cè)量量在坐標(biāo)紙上繪制成一條測(cè)量量的頻譜曲線；

（2）將具有相同坐標(biāo)比例的的并繪有1/3倍頻程空氣聲隔聲基準(zhǔn)曲線的透明紙覆蓋在繪有實(shí)測(cè)曲線的坐標(biāo)紙上，使橫坐標(biāo)相互重疊，并使縱坐標(biāo)中基準(zhǔn)曲線0dB與頻譜曲線的一個(gè)整數(shù)坐標(biāo)對(duì)齊。

（3）將基準(zhǔn)曲線向測(cè)量量的頻譜曲線移動(dòng)，每步1dB，直至不利偏差之和盡量大，但不超過32.0dB為止。

（4）此時(shí)基準(zhǔn)曲線上0dB線所對(duì)應(yīng)的繪有測(cè)量量頻譜曲線的坐標(biāo)紙上縱坐標(biāo)的整分貝數(shù)，就是改組測(cè)量量所對(duì)應(yīng)的單值評(píng)價(jià)量。

1.2 頻譜修正量（C、Ctr）的確定過程

為了更好的表達(dá)對(duì)不同噪聲的隔聲性能，根據(jù)GB/T 50121-2005的要求，引入粉紅噪聲頻譜修正量和交通噪聲頻譜修正量，其中：Rw+C表征試件對(duì)類似粉紅噪聲頻譜的噪聲（中高頻噪聲）的隔聲性能；Rw+Ctr表征試件對(duì)類似交通噪聲頻譜的噪聲（中低頻噪聲）的隔聲性能。

頻譜修正量Cj必須按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，j—頻譜序號(hào)，j=1或2，1為計(jì)算C的頻譜1，2為計(jì)算Ctr的頻譜2；

Rw—按照數(shù)值計(jì)算法和曲線比較法確定的單值評(píng)價(jià)量；

i—（100~3150）Hz的1/3倍頻程序號(hào)；

Lij—計(jì)算頻譜修正量的聲壓級(jí)頻譜中給出的第j號(hào)頻譜的第i個(gè)頻帶的聲壓級(jí)；

Ri—第i個(gè)頻帶的測(cè)量量，精確到0.1dB。

根據(jù)要求頻譜修正量在計(jì)算時(shí)要精確到0.1dB，最后的結(jié)果修約為整數(shù)（當(dāng)測(cè)量量在100~3150Hz頻率范圍以外時(shí)，需要按照GB/T 50121-2005 附錄B對(duì)計(jì)算100~3150Hz以外頻率范圍進(jìn)行頻譜修正量）。

測(cè)量出樣品在各頻譜下的隔聲量R后，通過上述方法可以方便的計(jì)算出被測(cè)樣品的計(jì)權(quán)隔聲量及頻譜修正量。按照標(biāo)準(zhǔn)要求檢測(cè)報(bào)告中通常用“Rw（C，Ctr）=X1（-X2，-X3）dB”形式表示。

2 應(yīng)用分析

2.1 面密度對(duì)計(jì)權(quán)隔聲的影響

被測(cè)樣品對(duì)空氣聲隔聲的隔絕理論，一直都遵循這“質(zhì)量定律”。樣品的面密度越大，聲頻越高，則隔聲量就越大。通過理論分析，證實(shí)被測(cè)樣品的面密度增加一倍，或噪聲頻率增加一倍（即提高一個(gè)倍頻程），隔聲量都會(huì)相應(yīng)增加6dB。在實(shí)際的使用過程中由于現(xiàn)場(chǎng)隔聲的實(shí)際情況與理論不一致，導(dǎo)致在實(shí)際測(cè)試中質(zhì)量m或者聲頻f加倍，構(gòu)件的隔聲量增加達(dá)不到6dB，通常情況下只能增加（4~5）dB，或者更低。中國(guó)建筑科學(xué)研究院與南京康尼機(jī)電股份有限公司試驗(yàn)檢測(cè)中心在對(duì)同一樣品中測(cè)試發(fā)現(xiàn)，240mm磚墻，雙面20mm抹灰，計(jì)權(quán)隔聲量Rw（C，Ctr）=54（-1，-2）dB；雙240mm磚墻，雙面20mm抹灰，計(jì)權(quán)隔聲量Rw（C，Ctr）=58（-1，-2）dB，樣品的面密度加倍后，隔聲量只增加了4dB。美國(guó)著名聲學(xué)家哈里斯（M.A.Hariss）在其所著的《噪聲控制手冊(cè)》中就對(duì)“質(zhì)量定律”做了解釋，也印證了質(zhì)量m或者聲頻f加倍，構(gòu)件的隔聲量增加達(dá)不到6dB[8]。

2018年05月檢測(cè)中心對(duì)某批次研究性門板樣塊進(jìn)行隔聲測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)：本批次測(cè)試的門板樣塊外形尺寸一致，唯一區(qū)別在于內(nèi)部填充材料的厚度及放置順序不同。其中，門板樣塊1采用：3層PET+2層1.4mm厚隔音氈，樣塊的面密度24.58（Kg/m2），其計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=28（-1，-3）dB；門板樣塊2采用：3層PET+3層1.4mm厚隔音氈，樣塊的面密度28.31（Kg/m2），其計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=31（-1，-3）dB；門板樣塊3采用：3層PET+3層0.8mm厚隔音氈，樣塊的面密度22.46（Kg/m2），其計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=27（-1，-3）dB；門板樣塊4采用：3層PET+2層3.0mm厚隔音氈，樣塊的面密度31.95（Kg/m2），其計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=33（-1，-5）dB。通過測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的狀態(tài)下，面密度越大計(jì)權(quán)隔聲量越大，符合“質(zhì)量定律”，見圖1。

圖1 不同面密度隔聲曲線

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)門板樣塊3與門板樣塊4的在面密度相差僅9.49（Kg/m2）時(shí)，但其計(jì)權(quán)隔聲量就相差6dB，此結(jié)果與“質(zhì)量定律”有一定的出入。查閱相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合實(shí)際分析：大致認(rèn)為被測(cè)樣塊是一種復(fù)合構(gòu)件，其計(jì)權(quán)隔聲量的影響因素較多，不能完全按照“質(zhì)量定律”來評(píng)價(jià)其計(jì)權(quán)隔聲量。對(duì)于這種復(fù)雜構(gòu)件的計(jì)權(quán)隔聲量最有效的評(píng)價(jià)方式是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)[5]。

2.2 密封狀態(tài)對(duì)計(jì)權(quán)隔聲的影響

但對(duì)于軌道車輛門而言，另一個(gè)影響其隔聲性能好壞的因素就是密封狀態(tài)。通過分析大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)門四周的密封狀態(tài)對(duì)整個(gè)門隔聲性能的影響能夠達(dá)到（2~10）dB。統(tǒng)計(jì)分析，（70~85）%不合符要求的試驗(yàn)樣品是門密封沒有到位，通過簡(jiǎn)單的調(diào)整即可滿足要求。還有（10~15）%是樣品本身設(shè)計(jì)或者材料選擇不合適，導(dǎo)致不合格。

2017年01月檢測(cè)中心對(duì)國(guó)內(nèi)某個(gè)地鐵線電動(dòng)雙開內(nèi)藏移門進(jìn)行了多種密封方案的隔音測(cè)試，其中，無任何密封狀態(tài)下門系統(tǒng)的計(jì)權(quán)隔聲量?jī)H為Rw（C，Ctr）=18（-1，-1）dB；采用斜0.5°擠壓方案時(shí)，門系統(tǒng)的計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=23（0，-1）dB；采用活動(dòng)膠條方案時(shí)，門系統(tǒng)的計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=21（0，-1）dB；采用雙毛刷迷宮方案時(shí)，門系統(tǒng)的計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=23（-1，-1）dB。詳細(xì)分析這四種不同配置狀態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)門系統(tǒng)鎖閉狀態(tài)時(shí)的密封程度對(duì)整個(gè)門系統(tǒng)的隔音量有很大作用，此時(shí)隔音量的提高與質(zhì)量定律無關(guān)。

圖2 不同密封方案

2.3 樣品本身特性對(duì)計(jì)權(quán)隔聲的影響

被測(cè)樣品的隔聲量除了與樣品面密度、密封性能等因素有關(guān)外，還與樣品本身特性有關(guān)。在進(jìn)行一些研究性試驗(yàn)室時(shí)，門系統(tǒng)內(nèi)部粘接方式不同，其計(jì)權(quán)隔聲量會(huì)有很大差異。圖3為同樣二個(gè)樣品，僅蒙皮和填充材料之間的粘接方式不同，其測(cè)試結(jié)果差異很大。樣品1 PET填充+鋁蒙皮，計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=27（-1，-4）dB；樣品2 PET填充+鋁蒙皮，在鋁蒙皮與PET填充使用某種粘膠劑粘結(jié)，計(jì)權(quán)隔聲量為Rw（C，Ctr）=22（-1，-2）dB。分析這兩個(gè)樣品的1/3倍頻程隔聲特性曲線，發(fā)現(xiàn)樣品1在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯的共振和吻合效應(yīng)。而樣品2的在低頻段（125~400Hz）有明顯的共振現(xiàn)象存在，在高頻段（＞4000Hz）又出現(xiàn)了吻合效應(yīng)，測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了共振和吻合效應(yīng)對(duì)樣品計(jì)權(quán)隔聲量的不利影響。

圖3 不同粘接方式的特性曲線

3 結(jié)論

通過實(shí)際測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)：（1）軌道車輛門系統(tǒng)作為復(fù)雜構(gòu)件，與單一材質(zhì)的測(cè)試樣品不同，且車門系統(tǒng)的幾何尺寸與入射聲波波長(zhǎng)相比，并不算很大。按照質(zhì)量定律的假定把它們看成是“無限大”的構(gòu)件來處理時(shí)，所得出的結(jié)果與實(shí)際測(cè)試情況有很大差別；（2）軌道車輛門系統(tǒng)作為活動(dòng)的裝置，與其相接的框之間往往存在漏聲縫隙，這些縫隙的存在對(duì)門的隔聲會(huì)產(chǎn)生難以準(zhǔn)確估計(jì)的影響，建議在測(cè)試前參考安裝說明書將門系統(tǒng)壓條與膠條的調(diào)整到合適狀態(tài)。（3）如果想設(shè)計(jì)高隔音量的門系統(tǒng)，建議在填充材料的選取上最好選用吸聲材料與隔聲材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，這樣可以得到更好的效果。（4）在多層薄板組成復(fù)合構(gòu)件時(shí)，應(yīng)該避免由于各層板太薄，軟硬相差較大，而導(dǎo)致復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振和吻合頻率區(qū)的聲能透射，使得復(fù)合構(gòu)件隔聲量降低。