地鐵車輛鋁合金車體及內(nèi)裝隔音降噪結(jié)構(gòu)探究

摘" 要：隨著乘客對地鐵車輛運(yùn)行環(huán)境及乘坐舒適性提出更高的要求，降低車內(nèi)噪聲已經(jīng)成為改進(jìn)車輛運(yùn)行品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，也是進(jìn)一步提升車輛產(chǎn)品競爭力的重要方向之一。國內(nèi)外研究主要偏重于噪聲源、車外傳播途徑的研究，而對于車體及內(nèi)裝隔音降噪的結(jié)構(gòu)研究主要采用經(jīng)驗法設(shè)計。該文以公司目前的主要地鐵車輛平臺為基礎(chǔ)，總結(jié)歸納不同部位采用的不同材料和結(jié)構(gòu)，形成一個數(shù)據(jù)庫，為適應(yīng)不同噪聲要求的車輛提供車體及內(nèi)裝結(jié)構(gòu)的選型參考，也為新項目噪聲仿真計算提供結(jié)構(gòu)模塊的計算輸入，同時能夠反映總體噪聲指標(biāo)分配的適當(dāng)性。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；鋁合金車體；內(nèi)飾；隔音降噪；模塊化

中圖分類號：U270.1+6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）17-0061-04

Abstract： As passengers have increasing requirements for the running environment and ride comfort of subway vehicles， reducing interior noise has become one of the important indicators to improve the running quality of vehicles， and also one of the important directions to further enhance the competitiveness of vehicle products. The research at home and abroad mainly focuses on the noise source and the way of transmission outside the vehicle， while the structure of the car body and internal sound insulation is mainly designed by empirical method. Based on the company's current main subway vehicle platform， this paper summarizes the different materials and structures used in different parts to form a database， so as to provide a reference for the selection of car body and built-in structure for vehicles that meet different noise requirements and provides the calculation input of the structural module for the noise simulation calculation of the new project， while reflecting the appropriateness of the overall noise index distribution.

Keywords： subway vehicle; aluminum alloy car body; interior decoration; sound insulation and noise reduction; modularization

隨著人們環(huán)保意識的加強(qiáng)，人們對環(huán)境噪聲的要求也不斷提高，同時國內(nèi)城市軌道交通車輛噪聲問題突出，乘客投訴事件頻發(fā)，車輛運(yùn)行的噪聲問題已經(jīng)成為人們廣泛關(guān)注的熱點。提高車輛舒適性，給乘客創(chuàng)造一種足夠安靜舒適的環(huán)境成為車輛設(shè)計的亟待解決問題之一。

國外早在20世紀(jì)90年代已經(jīng)開始了噪聲機(jī)理、噪聲預(yù)測方面的研究。近年來，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜疫M(jìn)行了一系列研究，高校及實驗室也做了一些試驗，給出了一系列降低噪聲的方法和措施，并取得了良好的實際應(yīng)用效果。但是，國內(nèi)外的研究主要傾向于軌道車輛噪聲的噪聲源（輪軌噪聲、非動力噪聲、牽引動力噪聲及空調(diào)等），以及解決措施的研究，對于車輛內(nèi)飾隔音降噪技術(shù)研究相對較少。在設(shè)計過程中過多的依靠于項目借鑒經(jīng)驗，當(dāng)車輛項目提出新的噪聲要求或者設(shè)備噪聲源變化時會出現(xiàn)過設(shè)計或者欠設(shè)計，有時候會影響整車噪聲指標(biāo)。本研究以A型地鐵、B型地鐵為平臺，以鋁合金車體為主體配置車頂部分、側(cè)墻部分、底架部分結(jié)構(gòu)的不同配置模塊，對不同模塊進(jìn)行隔聲試驗，通過試驗結(jié)果的對比驗證，最終推薦適合不同總體要求的結(jié)構(gòu)模塊。

1" 不同部位模塊化搭建

1.1" 研究路線

①以公司現(xiàn)有平臺車輛為主要研究對象，同時選取多個適當(dāng)?shù)膶Ρ确桨?，從結(jié)構(gòu)和材料區(qū)別上構(gòu)建車頂、側(cè)墻、底架隔音降噪模塊化結(jié)構(gòu)平臺，為快速形成經(jīng)濟(jì)性與舒適性最佳匹配方案，提高工作效率。②與噪聲實驗室合作，對選定的隔音降噪模塊進(jìn)行試驗（試驗樣件如圖1和圖2所示），搭建不同模塊化結(jié)構(gòu)的隔音降噪數(shù)據(jù)庫。③形成可達(dá)到不同隔音水平的部件級配置方案，為搭建A/B型鋁合金地鐵車輛不同隔音降噪水平的技術(shù)平臺奠定基礎(chǔ)。

1.2" 車頂部分

通常鋁合金車體與車內(nèi)頂板之間需要布置送風(fēng)風(fēng)道，風(fēng)道材料鋁箔復(fù)合板具有一定的隔音降噪性能，沒有風(fēng)道的區(qū)域為中空結(jié)構(gòu)（即空氣層），A型地鐵、B型地鐵斷面基本一致，參考見圖3頂板結(jié)構(gòu)示意圖。在車頂特殊區(qū)域（空調(diào)噪聲源位置）增加阻尼貼片對比方案，共形成風(fēng)道區(qū)域和2個非風(fēng)道區(qū)域3種模塊。通過樣件組裝進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。

由測試結(jié)果對比來看，風(fēng)道區(qū)域由于風(fēng)道隔音層的存在，隔音水平相對于非風(fēng)道區(qū)域具有顯著的優(yōu)勢，非風(fēng)道區(qū)域通過增加阻尼貼片能夠達(dá)到風(fēng)道區(qū)域隔音水平，同時也驗證了阻尼貼片的作用明顯，0.8 mm能提高3 dB的隔聲能力。以上3種配置方案為最基本的配置，如需提高隔聲性能可以增加其他隔聲材料。

1.3" 側(cè)墻部分

側(cè)墻結(jié)構(gòu)主要由鋁合金車體、防寒材、空氣層和內(nèi)裝板組成，斷面參考圖4側(cè)墻結(jié)構(gòu)示意圖。側(cè)墻結(jié)構(gòu)簡單、變量容易控制，考慮單一變量增加了預(yù)氧絲保溫棉（簡稱“預(yù)氧絲棉”）、三聚氰胺保溫棉（簡稱“三聚氰胺”）、玻璃絲保溫棉（簡稱“玻璃絲棉”）3種對比方案，3種防寒材的材料參數(shù)見表2。同時增了A型地鐵和B型地鐵的平臺結(jié)構(gòu)對比，通過樣件組裝進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。

根據(jù)表2中不同防寒材的降噪系數(shù)，發(fā)現(xiàn)其對結(jié)構(gòu)隔聲的影響相當(dāng)，同時在表3的試驗結(jié)果中也得到了驗證，防寒材主要作為隔熱功能材料建議保留。方案四與方案一相比，型材厚度增加但隔聲量有相對偏低的趨勢，除了試驗結(jié)果可能帶來的誤差外，分析發(fā)現(xiàn)，鋁型材隔聲能力的主要因素不是型材厚度，而是加強(qiáng)筋的布置密度，同時斜筋還是直筋也有直接影響，此待進(jìn)一步驗證。

1.4" 底架部分

底架結(jié)構(gòu)主要由鋁合金車體底架、隔音材料、隔熱材料、空氣層、地板及地板布結(jié)構(gòu)組成，斷面參考見圖5底架結(jié)構(gòu)示意圖。由于車下噪聲源主要包括轉(zhuǎn)向架和空壓機(jī)，所以對此區(qū)域增加隔音墊的樣件測試，具體見表4。

根據(jù)表4中方案一和方案二的試驗結(jié)果，方案三和方案四的對比，得出2 mm隔音墊對于試驗樣件的測試結(jié)果影響不大，經(jīng)分析，主要原因是隔音墊的增加是對不同頻次噪聲的影響，而不是全頻段加權(quán)的影響。不同厚度的鋁型材方案也驗證了厚度不是影響隔音能力的唯一標(biāo)準(zhǔn)，這和側(cè)墻結(jié)構(gòu)得到的結(jié)果相同。方案五使用隔音隔熱效果更好的酚醛地板，使得整個模塊的隔聲能力得到較大提高。

2" 隔音降噪模塊化應(yīng)用

以某B型鋁合金地鐵車輛為例，車內(nèi)噪聲水平按照ISO 3381—2021《鐵路應(yīng)用 聲學(xué) 軌道車輛內(nèi)部噪聲測量》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行?！傲熊囂幱谒槭来察o止?fàn)顟B(tài)和自由聲場內(nèi)，所有輔助設(shè)備正常運(yùn)行時，客室內(nèi)部沿電客車中心線、距離地板面1.5 m高處至少測量3個點，測得的噪聲水平不得超過69 dB（A），司機(jī)室內(nèi)不高于67 dB（A）?！闭嚫袈暱刂浦笜?biāo)結(jié)合不同噪聲源設(shè)備（轉(zhuǎn)向架、空調(diào)出風(fēng)口、空調(diào)、牽引逆變器、輔助電源和空壓機(jī)）的當(dāng)下平均水平，見表5，對車內(nèi)噪聲進(jìn)行指標(biāo)分配，見表6、表7。

2.1" 車頂結(jié)構(gòu)的選型

根據(jù)表6、表7車體及內(nèi)裝隔聲的分配指標(biāo)可知，車頂部分的分配指標(biāo)比較寬泛沒有區(qū)分風(fēng)道與非風(fēng)道區(qū)域，統(tǒng)一為35 dB（A），然而從表1的試驗結(jié)果得知，按照最低配置風(fēng)道區(qū)域能達(dá)到40 dB（A），而非風(fēng)道區(qū)域也能到達(dá)37 dB（A），遠(yuǎn)大于指標(biāo)分配值。由此可以將此信息反饋給車輛總體指標(biāo)，將多出來的指標(biāo)分配給關(guān)鍵系統(tǒng)以降低車輛成本，同時對于有更高要求的車輛可以適用此指標(biāo)。

2.2" 側(cè)墻結(jié)構(gòu)的選型

根據(jù)表6、表7車體及內(nèi)裝隔聲的分配指標(biāo)可知，側(cè)墻部分的分配指標(biāo)為38 dB（A），然而從表3的試驗結(jié)果得知，側(cè)墻配置基本能達(dá)到39～40 dB（A），完全能夠滿足指標(biāo)要求，由于隔熱材料的選擇對于隔音性能基本沒有影響，在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計中就可以結(jié)合表2中隔熱材料的重量、隔熱性能等其他關(guān)鍵性能進(jìn)行設(shè)計。鋁型材的厚度和加強(qiáng)筋密度也可以適當(dāng)調(diào)整，減輕車體重量。

2.3" 底架結(jié)構(gòu)的選型

根據(jù)表6、表7車體及內(nèi)裝隔聲的分配指標(biāo)可知，底架部分的分配指標(biāo)考慮了轉(zhuǎn)向架區(qū)域42 dB（A）和非轉(zhuǎn)向架區(qū)域40 dB（A），這塊設(shè)計就需要分開考慮。從表4的試驗結(jié)果得知：①從隔聲性能和材料成本考慮，酚醛地板在此項目中不建議使用。②轉(zhuǎn)向架區(qū)域方案三能滿足要求，方案一可以適當(dāng)減小車體型材的筋板密度來達(dá)到減重效果的同時滿足隔音指標(biāo)。

3" 結(jié)束語

以上研究過程主要是基于公司現(xiàn)有的地鐵鋁合金平臺進(jìn)行的模塊化搭建，通過試驗驗證得到不同模塊的隔聲水平。取得的效果：①為不同噪聲要求的地鐵車輛快速選擇經(jīng)濟(jì)可行和舒適的配置，避免過度設(shè)計帶來的成本及重量增加；②可根據(jù)模塊化的搭建反饋總體噪聲指標(biāo)的分配，使總體分配指標(biāo)更加合理和適當(dāng)，能夠節(jié)省更多的指標(biāo)給諸如空調(diào)、車門、轉(zhuǎn)向架等主要系統(tǒng)，降低整體成本。

通過以上試驗也能得出以下經(jīng)驗：①車體型材的選擇影響整體隔聲能力的決定原因不是厚度，而是加強(qiáng)筋的密度和形式；②隔熱材料的隔音降噪影響微乎其微，在材料選擇上可以重點考慮重量、防寒性能和成本；③阻尼貼片相較于隔音墊，對結(jié)構(gòu)隔音有更好的效果，對于不同頻段的不同隔聲指標(biāo)有待繼續(xù)研究；④復(fù)合材料隔音效果對比，酚醛復(fù)合板gt;鋁蜂窩復(fù)合板gt;鋁板與玻璃鋼復(fù)合板。若在后續(xù)項目中，各部位模塊的隔音要求超出此次試驗?zāi)K的話，可以根據(jù)以上經(jīng)驗調(diào)整結(jié)構(gòu)組合方案進(jìn)行預(yù)判后試驗。由于試驗數(shù)據(jù)的有限性，對于不同鋁合金車斷面、不同厚度的隔音墊、阻尼貼片和內(nèi)裝板材質(zhì)等的研究還有待繼續(xù)研究和深化對比。由于試驗數(shù)據(jù)誤差等可能因素的影響，需通過多個項目的仿真、整車試驗數(shù)據(jù)來對設(shè)計經(jīng)驗進(jìn)行不斷地驗證，對模塊試驗參數(shù)進(jìn)行不斷地修正，更好地服務(wù)于車輛設(shè)計。

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