地鐵列車不同地板隔聲方案降噪效果研究

時(shí)蒙 李帥 韋海菊

摘 要：地鐵車輛地板結(jié)構(gòu)作為重要的噪聲傳遞路徑，其隔聲性能對(duì)車內(nèi)噪聲有重要影響?，F(xiàn)以具體某型地鐵車輛地板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，首先分析比較了不同地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的隔聲量，然后基于統(tǒng)計(jì)能量方法建立車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型，對(duì)隔聲量最優(yōu)的地板組合方案進(jìn)行評(píng)估。地板方案優(yōu)化前后對(duì)于車內(nèi)靜置噪聲整體貢獻(xiàn)效果不明顯，而80 km/h勻速運(yùn)行時(shí)的車內(nèi)噪聲降低了0.4 dB（A）左右。該研究成果對(duì)軌道車輛減振降噪有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：地鐵列車;車內(nèi)噪聲;地板;隔聲;減振降噪

中圖分類號(hào)：U270.1+6? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）13-0053-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.13.015

0??? 引言

隨著我國(guó)城市軌道交通技術(shù)的不斷發(fā)展，地鐵運(yùn)輸由于其具有快速、準(zhǔn)點(diǎn)、安全等特點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為城鎮(zhèn)居民日常出行的首選。但地鐵車輛在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生噪聲，導(dǎo)致乘客的乘坐舒適性變差。在地鐵車輛設(shè)計(jì)與研發(fā)的過(guò)程中，需要提高車輛的隔聲性能以達(dá)到降低客室內(nèi)噪聲的目的。因此，車體結(jié)構(gòu)隔聲性能已經(jīng)逐漸成為影響城市軌道交通可靠商業(yè)運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵因素[1-3]，關(guān)于車輛隔聲特性的研究成為軌道交通技術(shù)研究的一個(gè)重要分支。

近年來(lái)，車輛隔聲問(wèn)題在我國(guó)得到了廣泛關(guān)注。張捷等人[4]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取車體地板鋁型材板件結(jié)構(gòu)的隔聲特性、阻尼損耗因子和模態(tài)密度等;然后結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，建立車體地板鋁型材板件結(jié)構(gòu)的振動(dòng)噪聲預(yù)測(cè)模型，從而提出了一種使用單層板對(duì)鋁型材的聲振特性預(yù)測(cè)進(jìn)行等效建模的方法，適用于中高頻范圍。

本文針對(duì)我國(guó)某型地鐵車輛建立了車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型，分析比較了不同地板隔聲優(yōu)化方案的降噪效果。

1??? 地板隔聲方案介紹

針對(duì)某型地鐵列車車體地板結(jié)構(gòu)，在其原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在其結(jié)構(gòu)內(nèi)部敷設(shè)三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等減振降噪材料，提高其降噪性能。

具體對(duì)比方案如表1所示。

如表1所示，在原有的“70 mm鋁型材地板+3 mm地板布+18 mm鋁蜂窩內(nèi)地板”的基礎(chǔ)上，敷設(shè)三聚氰胺板和陶瓷纖維棉等阻尼材料，進(jìn)行降噪處理。具體方案如下：

方案一：在鋁型材表面敷設(shè)19 mm的三聚氰胺板，敷設(shè)后地板總厚度為110.0 mm，總質(zhì)量為46.2 kg。

方案二：在鋁型材表面敷設(shè)4 mm的陶瓷纖維棉，并在四角用木塊支撐，其空氣層厚度為15 mm，敷設(shè)后地板總厚度為110.0 mm，總質(zhì)量為46.8 kg。

方案三：在鋁型材表面敷設(shè)4 mm的陶瓷纖維棉和15 mm的三聚氰胺板，敷設(shè)后地板總厚度為110.0 mm，總質(zhì)量為47.0 kg。

方案四：在鋁型材表面敷設(shè)兩層4 mm的陶瓷纖維棉，中間用木塊支撐，其空氣層厚度為11 mm，敷設(shè)后地板總厚度為110.0 mm，總質(zhì)量為47.6 kg。

對(duì)上述四種組合降噪方案下地板鋁型材的隔聲量進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，上述四種組合降噪方案中，方案三的降噪效果最顯著，計(jì)權(quán)隔聲量為47.1 dB。從頻率隔聲曲線可見(jiàn)，方案三提高的頻率區(qū)段主要在400～1 250 Hz。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得方案三降噪組合結(jié)構(gòu)的隔聲效果最顯著，故采用此種組合方案進(jìn)行車內(nèi)降噪分析。因此，建立車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型，以方案三的隔聲量曲線為輸入，分析方案三的降噪效果。

2??? 計(jì)算模型

下面基于統(tǒng)計(jì)能量分析，以VA One軟件為仿真計(jì)算平臺(tái)，建立某型地鐵車輛車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)分析模型，對(duì)車內(nèi)噪聲水平進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，并研究地鐵列車聲源大小及隔聲性能對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。

2.1??? 統(tǒng)計(jì)能量分析（SEA法）概述

統(tǒng)計(jì)能量分析以梁、桿、板、殼、柱等子結(jié)構(gòu)為建?；A(chǔ)，搭建復(fù)雜系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲耦合動(dòng)力學(xué)預(yù)測(cè)模型。子系統(tǒng)之間的能量平衡方程如下：

?????????????????ω[L][E]=[P]（1）

式中：[L]為包含內(nèi)損耗因子和耦合損耗因子的系統(tǒng)能量損耗矩陣;[E]為子系統(tǒng)能量矩陣;[P]為系統(tǒng)輸入功率矩陣。

能量定義式如下：

E=M<v2>，（2）

式中：M為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的質(zhì)量;<v2>為時(shí)間平均和空間平均的均方振動(dòng)速度;M<v2>為結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的能量;V為聲學(xué)子系統(tǒng)的體積;<p2>為時(shí)間平均和空間平均的均方聲壓;ρ為介質(zhì)密度;c為聲音在介質(zhì)中的傳播速度;V<p2>/（ρc2）為聲場(chǎng)子系統(tǒng)的能量。

通過(guò)理論計(jì)算或試驗(yàn)測(cè)試可以獲取系統(tǒng)的模態(tài)密度、內(nèi)損耗因子、耦合損耗因子、輸入功率等，基于這些參數(shù)和輸入功率，可以求出目標(biāo)子系統(tǒng)的平均能量水平，從而進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為所需振動(dòng)級(jí)、聲壓級(jí)、應(yīng)力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

2.2??? SEA模型

下面以VA One軟件為仿真計(jì)算平臺(tái)，建立某地鐵車輛車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)分析模型。

圖2給出了SEA車內(nèi)聲學(xué)預(yù)測(cè)模型，其中圖2（a）為車輛整體模型，圖2（b）為車體結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)示意圖，圖2（c）為車內(nèi)聲腔子系統(tǒng)示意圖，車內(nèi)聲腔編號(hào)由車頭方向往車尾方向依次遞減，圖2（d）為載荷分布。

3??? 地板隔聲對(duì)車內(nèi)噪聲的影響

車外主要聲源為輪軌噪聲和地板下輔助設(shè)備噪聲，所以地板隔聲對(duì)于車內(nèi)噪聲有重要影響。

下面基于上文建立的車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型，通過(guò)改變地板隔聲量大小來(lái)研究其對(duì)車內(nèi)噪聲的影響。圖3給出了地板結(jié)構(gòu)隔聲量在-5～5 dB（A）范圍波動(dòng)時(shí)車內(nèi)噪聲水平的變化情況，列車以80 km/h速度勻速運(yùn)行。

由圖3可知，當(dāng)?shù)匕甯袈暳吭龃? dB（A）時(shí)，司機(jī)室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲均減小0.5 dB（A）;隨著地板隔聲量的減小，車內(nèi)噪聲值逐漸增加，當(dāng)?shù)匕甯袈暳繙p小5 dB（A）時(shí)，司機(jī)室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲分別增加1.3 dB（A）、1.4 dB（A）、1.5 dB（A）和1.5 dB（A）。

4??? 地板優(yōu)化方案降噪效果評(píng)價(jià)

將方案三地板組合結(jié)構(gòu)的隔聲量測(cè)試結(jié)果輸入計(jì)算模型，對(duì)其降噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果如圖4所示。其中圖4（a）為靜置狀態(tài)下車內(nèi)各個(gè)位置的降噪效果，圖4（b）為以80 km/h速度勻速運(yùn)行狀態(tài)下車內(nèi)各個(gè)位置的降噪效果。

由圖4可知，地板優(yōu)化前后對(duì)于車內(nèi)靜置噪聲幾乎沒(méi)有影響;對(duì)于80 km/h勻速運(yùn)行車內(nèi)噪聲也僅降低了0.4 dB（A）左右，影響較小。分析原因可能和車體除地板外的其他某些板件結(jié)構(gòu)隔聲性能較差有關(guān)，即出現(xiàn)了“短板效應(yīng)”，導(dǎo)致即使地板隔聲性能得到優(yōu)化，但對(duì)于列車內(nèi)部降噪效果并不明顯。

5??? 結(jié)論

本文以我國(guó)某型地鐵車輛地板型材結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)建立車內(nèi)噪聲預(yù)測(cè)模型，分析比較了不同地板結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的降噪效果，得到以下結(jié)論：

（1）由室內(nèi)板件隔聲特性測(cè)試結(jié)果可知，“70 mm鋁型材地板+3 mm地板布+18 mm鋁蜂窩內(nèi)地板+15 mm三聚氰胺板+4 mm陶瓷纖維棉”地板組合的隔聲特性最佳。

（2）當(dāng)?shù)匕甯袈暳吭龃? dB（A）時(shí)，司機(jī)室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲均減小0.5 dB（A）;隨著地板隔聲量的減小，車內(nèi)噪聲值逐漸增加，當(dāng)?shù)匕甯袈暳繙p小5 dB（A）時(shí)，司機(jī)室、客室前、客室中和客室后的車內(nèi)噪聲分別增加1.3 dB（A）、1.4 dB（A）、1.5 dB（A）和1.5 dB（A）。

（3）地板優(yōu)化前后對(duì)于車內(nèi)靜置噪聲貢獻(xiàn)效果不明顯，對(duì)于80 km/h勻速運(yùn)行車內(nèi)噪聲僅降低了0.4 dB（A）左右。

[參考文獻(xiàn)]

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[4] 張捷，肖新標(biāo)，王瑞乾，等.高速列車鋁型材聲振特性測(cè)試及等效建模[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2017，51（3）：545-553.

收稿日期：2022-04-09

作者簡(jiǎn)介：時(shí)蒙（1986—），男，江蘇南京人，高級(jí)工程師，研究方向：軌道車輛。